Interview_操作系统_day22

死锁发生的条件以及如何解决死锁

死锁是指两个或者两个以上进程在执行过程中，因为争夺资源而造成相互等待的现象。

四个发生条件分别为：

1. 互斥条件。进程分配到的资源不允许其他进程同时访问。若其他进程想要访问该资源，只能等待到占用资源的进程使用完。
2. 请求和保持条件。进程获得一定资源后，又对其他资源发出请求。如果其他资源被占用，此时请求阻塞，但该进程不会释放以有的资源。
3. 不可剥夺条件。进程获得的资源在使用完成之前不可被剥夺，只能自己使用完后释放。
4. 循环等待条件。发生死锁时，一定存在一个 进程——资源 的循环链。

解决死锁的方法：

1. 破坏请求和保持条件。在进程开始运行之前，必须一次性分配该进程需要的所有资源。
2. 破坏不可剥夺条件。当一个进程对新资源的请求又不能被满足时，必须释放已经获得的所有资源。
3. 破坏循环等待条件。系统对所有资源类型进行编号，每个进程必须按序号递增的顺序请求资源。如果想要请求序号较低的资源，必须释放已经获得的高序号的资源。

虚拟内存技术

传统存储器存在问题：当有的作业很大或同一时间有大量作业要求运行时，其需要的内存空间超过了内存总容量，作业无法全部装入，导致作业无法运行。这都是由于传统存储器要求一次性装入作业导致的，所以采用了虚拟内存。

虚拟内存技术使进程在运行过程中，内存中只装入了当前要运行的少数页面，其余部分暂存在外存上。如果程序访问的页尚未调入内存中，便发出缺页中断，\(OS\) 将需要的页调入内存。如果内存满了，无法装入新的页时，便会使用页面置换方式将暂时不用的页调至外存，再将要访问的页调入内存。

虚拟内存的优点：

1. 可以更加高效的使用物理内存。
2. 使内存的管理更加便捷。在编译程序的时候使用虚拟地址，就不会因为物理地址有时被占用而需要重新编译了。
3. 更加安全。每个进程运行在各自的虚拟内存地址空间中，互相不干扰对方。

虚拟内存的缺点：

1. 虚拟内存需要建立额外的数据结构，需要占用额外的内存。
2. 虚拟地址到物理地址的转换增大的运行时间。
3. 页面的换入换出需要磁盘 \(I/O\)，需要耗费很大的时间。

虚拟内存和物理内存怎么对应

请求分页存储管理中一般使用二级页表。

1. 从 \(cr3\) 中取出页表地址。
2. 根据地址前十位，找到对应的索引项。此时获得页目录的地址，而不是页的地址。
3. 根据地址中间十位，从页表中获得该页的起始地址。
4. 将获得的页的起始地址和最后 \(12\) 位地址相加，获得想要的物理地址。

操作系统中的缺页中断

通过 \(malloc\) 分配内存时，只是分配了虚拟内存而不是实际的物理地址，进程访问时也是访问的虚拟地址而不是物理地址。

在请求分页系统中，可以查询页表的状态来确定要访问的页表是否在内存中。每当要访问的页面不存在内存中时，就会发生一个缺页中断，然后操作系统会将缺失的页调入到内存中。

缺页中断的处理一般分为 \(4\) 个步骤：

1. 保护 \(CPU\) 现场
2. 分析中断原因
3. 转入缺页中断处理程序进行处理
4. 恢复 \(CPU\) 现场并继续处理

虚拟内存置换的方式

当访问一个不存在内存中的页时，需要从外存调入。如果此时内存已满，就需要调出一个页到外存，在将需要的页调入。这个过程叫做缺页置换。

1. 最佳置换算法：调出的页面是未来不访问或最久不访问的页面，但由于实际过程中无法预知未来，这是一种理论的算法。
2. 先进先出 \((FIFO)\) 页面置换算法：置换掉最早调入内存的页面，也就是说在内存中按队列的形式管理页，从队尾插入，从队首删除。
3. 最近最久未使用 \((LRU)\) 置换算法：置换掉最近一段时间内最久未访问的页面。根据局部性原理，刚刚被访问过的页面可能马上又要被访问，而较长时间未访问的页面可能最近不会访问。
4. 最少使用 \((LFU)\) 置换算法。置换掉最近一段时间访问次数最少的页面。
5. \(CLOCK\) 置换算法。为每一页设置一个访问位，再将页面设置成循环队列。在选择一个页面时，如果访问位是 \(0\)，就把它置换掉，如果是 \(1\)，就把访问位置为 \(0\) 并开始检查下一个页面。

为什么要有 \(cache\)

\(cache\) 是 \(CPU\) 的高速缓存，可以加快读取数据的速度。

在页式存储结构中，需要先访问内存获得数据物理地址，然后再去物理地址中读出数据。但访问内存的速度比较慢，所有引入了 \(cache\)，访问一个地址时，先去 \(cache\) 中查找，如果命中了就可以直接获得其物理地址，然后访问数据，这样可以大大增加访问速度。

\(5\) 种 \(IO\) 模型

1. 阻塞 \(IO\)。一直检查 \(IO\) 事件是否就绪，没有就继续等待，期间什么事也不做。
2. 非阻塞 \(IO\)。每隔一段时间检查一下 \(IO\) 事件是否就绪，没有就绪就做其他事。
3. 信号驱动 \(IO\)。安装一个信号处理函数，进程继续运行。当 \(IO\) 事件就绪时，进程会收到 \(SIGIO\) 信号，然后处理 \(IO\) 事件。
4. \(IO\) 多路复用。\(IO\) 多路复用多了个 \(select\) 函数，\(select\) 监听程序的多个文件描述符，当某个文件描述符就绪时，就返回所有描述符，然后应用系统检查哪个文件描述符上有事件发生。
5. 异步 \(IO\)。应用程序把 \(IO\) 请求给内核后，由内核去完成相关操作。当内核完成相关操作后，会发信号告诉应用进程本次 \(IO\) 已经完成。

水平触发和边缘触发

1. 水平触发(状态达到)：当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时，会通知用户程序去读写。如果用户一次读写没取完数据，他会一直通知用户。如果这个描述符是用户不关心的，它每次都返回通知用户，则会导致用户对于关心的描述符的处理效率降低。
2. 边缘触发(状态变化)：当被监控的文件描述符上有可读写事件发生时，会通知用户程序去读写，它只会通知用户进程一次，这需要用户一次把内容读取完，相对于水平触发，效率更高。如果用户一次没有读完数据，再次请求时，不会立即返回，需要等待下一次的新的数据到来时才会返回，这次返回的内容包括上次未取完的数据。

\(select\) 和 \(poll\) 是水平触发的。\(epoll\) 支持水平触发也支持边缘触发，但默认是水平触发的。

\(windows\) 消息机制

当用户使用键盘或者鼠标时，系统会把这些操作转化成消息。系统会将这些消息放入消息队列中，然后对应的进程会循环从消息队列中取出消息，完成对应的操作。