操作系统——第二章（一）

1、知道什么是前驱图：有向、无环；前驱图的表示方式有两种：箭头、集合
2、程序顺序执行的特征：顺序性、封闭性、可再现性；程序并发执行的特征：间断性、失去封闭性、不可在现性。失去封闭性和不可在现行是我们不希望看到的，对程序设计是不利的
3、进程：由程序段、数据段、PCB（进程控制块）组成，PCB中包含了一些进程的关键信息，例如ID号、进程状态等等。
4、区分进程和程序：a、进程是动态的，是活的，由程序调入内存产生，执行完或特殊情况消亡，程序是死的。b、进程是可以并发的，程序不可以。c、进程是分配资源的最小单位、独立单位、基本单位。d、一个程序可能会对应多个进程，一个进程可以为多个程序服务
5、进程的三个基本状态：就绪、执行、阻塞。正在被CPU执行的，称为执行态，以单核CPU为例，所有的进程只能有一个进程处于执行态。除了CPU之外，其余资源都准备好了，叫就绪态（万事具备只欠东风，万事是所有资源，东风就是CPU）。因为I/O、分配资源不够，成为阻塞态。（万事具备，只欠东风，万事都没具备，给了东风也没用）
6、三个基本状态之间的转换：自己去看课本，深入理解三个状态的含义，自然能够正确画出关系转换图。
7、此外还可以有创建状态、终止状态。创建是一个过程，如果一个进程一直处于创建态，一定是没有分配完全进程运行所需的必要资源。终止是说进程消亡，要回收进程创建之初为其分配的资源。
8、引入挂起状态：挂起是将进程由内存调入外存。原因有：a、终端用户请求，例如程序员写程序，一般都是写一段调试一段，调试的时候，我们就需要把进程挂起，暂时不去执行它。b、父进程的请求：当爹的让儿子暂停，儿子不得不从。c、负荷调节的需要，当内存不够用了，怎么办？可以将一些暂时执行不到的进程调出内存，进入外存，空出这部分内存，执行比较重要的进程。
d、操作系统的需要，有时候为了某些需要，操作系统有权利挂起某些进程。其实挂起的原因可以说是什么可以使进程挂起。
9、引入挂起之后，进程的状态分为：执行态、活动阻塞、活动就绪、静止阻塞、静止就绪。活动的是在内存里，静止的是在外存中。静止的就是挂起状态。
10、引入挂起状态后，进程状态之间的转换把握好几点：a、挂起态（静止态）的要想被CPU调度，必须要先进入内存，变为活动态。b、只能从活动就绪队列里取出一个进程，被CPU调度，变为执行态，也就是说执行态的进程只有一个来源。c、活动就绪（阻塞）挂起后变为静止就绪（阻塞），反过来是激活。说白了，挂起就是进程内存到外存，激活是外存进入内存。d、再和前边三种基本的状态转换联系起来，就没有问题了
11、计算机中的资源都是以链表的形式表示（指针）。有内存表、设备表、文件表、进程表。PCB实际上就是一种数据结构，通过链表的形式，表明进程需要的资源等一些信息。操作系统管理PCB，就是管理进程需要的资源组成的资源表。
12、PCB的作用：a、作为独立运行基本单位的标志：进程是否存在，就是看进程的PCB是否存在，操作系统感知进程，就是感知PCB。进程产生要创建PCB，进程消亡要回收PCB，也就是回收PCB占用的空间资源。b、能实现间断性运行方式：操作系统的异步性是由于进程的异步性，走走停停。要想停了继续走，就需要PCB里存储进程离开CPU时的现场信息，其实就是汇编里讲到的保护现场和恢复现场。
c、提供进程管理所需要的信息：进程除了PCB还有程序、数据，程序和数据在内存中的什么位置？会在PCB里给出，也就是说，根据PCB的一些信息是可以找到该进程的程序和数据。进程被调度需要什么资源？也在PCB中由。此外还有访问IO、文件的一些信息。d、提供进程调度所需要的信息：进程的ID、进程状态、进程优先级等等。e、实现与其他进程的同步与通信：与其他进程通信需要的信息，也在PCB中，例如后边提到的信号量
13、进程控制块中（PCB）的信息：a、进程标识符，有内部标识符和外部标识符。内部标识符是给OS用的，外部标识符是给用户看的。类似咱们人的身份证号和学号，身份证号是给国家看的，是国家分配的，学号是在学校中用的。b、处理机状态：为了进程离开CPU时，能保存现场状态。c、进程调度信息：进程的状态（就绪还是阻塞）、进程优先级（在某些算法中，优先级越高的进程越优先被调度）、调度算法相关信息（在用某些算法时需要进程的一些信息，比如等待时间越长的进程越优先被执行，这时候等待时间会在PCB中体现）、事件：进程阻塞的原因。
d、进程控制信息：进程需要的程序和数据在内存或外存的地址、与其他进程通信的必要信息、进程所需资源清单、本进程的下一个进程PCB的地址。（这里充分体现了数据结构：链表。进程如何排好队？就是靠这种链表机制，每一个表就是PCB，每一个表中会存放下一个PCB的首地址。可以是就绪队列、阻塞队列等）
14、PCB的组织方式：线性、链接、索引。线性是所有的进程PCB在一张表中，链接是分队列，阻塞一队，就绪一队这样。索引是为这些PCB再创建一张表，表中有PCB所在位置的指针。相当于为PCB的地址做了一张表。PCB的顺序是在这个表里体现，而不是像刚才的链接方式一样，下一个PCB的地址放在上一个PCB中。
15、进程控制：进程创建、终止、状态转换
16、进程控制一般由OS内核来实现。什么是OS内核？是操作系统中距离硬件最近的一层软件，相当于操作系统和硬件之间的大门，也是操作系统中非常重要的一部分，很多功能都需要由OS内核来实现。OS内核包含了一些使用频率比较高的模块，例如时钟管理、设备驱动等等，为了提高OS的效率，他们常驻内存。
17、OS内核有什么功能？支撑、资源管理。支撑：中断处理（在汇编中的很多操作需要中断实现，比如输入和输出等。还有键盘、鼠标这些IO设备都要依靠中断机制）、时钟管理（计算机方方面面都要用到时钟，比如分时系统中的时间片）、原语操作（进程的状态转换依靠原语，原语是说不能中断的代码）。资源管理：进程管理（进程创建、终止、状态转换等）、存储器管理（关于内存的一些东西，比如虚拟内存，内存分配回收等。说白了就是处理和内存相关的事物。）、设备管理（前边提到的驱动程序等）
18、什么事件可以引起进程的创建？a、用户登录（在分时系统中，每一个终端有一个进程，根据操作可以再由该进程创建子进程、孙进程）；b、作业调度（由外存进入内存）；c、提供服务（用户使用打印机，内核会为这个请求建立进程，当然使用完毕会终止进程）；d、应用请求，由用户自己创建
19、进程的创建过程：a、申请空白PCB（每一个进程的标志就是PCB是否存在）；b、为新进程分配其运行所需的资源（可以缩减为能够跑起来的资源，在执行过程中可能再次因为某些资源不够阻塞）；c、初始化进程控制块PCB（aa、ID号父进程ID号这些标识信息；PC指向要执行的代码的入口地址，也就是第一行的位置，栈指针指向栈顶；设置进程状态是静止就绪还是活动就绪）；d、将新进程插入就绪队列（资源给足之后，就差处理机了，就可以放入就绪队列了）。进程的创建时调用Creat原语实现的，由OS内核创建的。
20、进程的终止原因：正常结束（类似于人的正常死亡，寿命到了，比如打印机请求，用完了打印机需要终止打印请求进程）；异常结束（属于内部原因，比如人暴病死亡）；外部终止（外部原因，比如出车祸、地震等自然灾害）。不需要把课本中每一个详细的事件都说出来，但是举出一个终止的例子要能分清属于三种里边的哪一种。
21、进程的终止过程：修改进程状态、终止由该进程创建的子孙进程、回收全部资源、从相关队列中移除
22、引起进程阻塞与唤醒的事件：a、向系统请求资源失败（例如进程申请使用打印机，打印机正在被其他的进程占用，打印机是一种临界资源，这时进程就要阻塞起来。等打印机空闲了，再分配给该进程，进程唤醒，由从阻塞变为就绪）b、等待某种操作完成（例如IO操作，IO操作没有完成，进程处于阻塞状态，IO操作完成，进程唤醒，由从阻塞变为就绪）c、新数据尚未到（例如y=a+b，其中a是通过某一进程计算出来的，a没有计算完，计算y的进程需要阻塞，a计算完了，计算y的进程唤醒由阻塞变为就绪）d、无新工作可做（例如某个进程用于两个进程间的相互通信，当没有通信发生时，该进程就要阻塞起来，当有了通信消息了，又由阻塞便为就绪）
23、阻塞通过原语block完成的，过程分为四部：a、保护现场（为了进程再次唤醒占领CPU时，恢复离开时CPU的样子）b、修改进程状态（在进程的PCB中有进程状态的相关信息，代表进程处于何种状态，当进程要变为阻塞之后，要修改这个信息，同样唤醒也需要修改）c、插入相关队列（进程变为阻塞之后，要把进程放置阻塞队列中）d、转进程调度（CPU空闲，需要从就绪队列中根据某个算法选中一个进程占领CPU）
24、进程的阻塞是主动，而不是被动，也就是说阻塞是由进程本身发起的，不是由外部发起的。唤醒时被动的，唤醒原语是写在其他进程中的。
25、进程的唤醒过程：a、从阻塞队列摘下，或者说从阻塞队列剔除掉；b、修改进程状态为就绪状态；c、加入到就绪队列里边；d、CPU从就绪队列中根据某个算法选出一个进程占领CPU
26、唤醒是原语weakup完成的，阻塞时原语block完成的。这是一对原语，在程序要成对出现，如果只有block，没有weakup或缺少weakup，这个进程可能会永远不会被调度，成为”死进程“。
27、挂起是原语suspend，激活是原语active。进程的挂起和激活与进程的阻塞和唤醒类似，过程也类似，大致就是从原队列剔除，修改进程状态，加入新队列。
28、什么是进程间的同步？进程之间的关系有两种，一种是间接制约，一种是直接制约。间接制约是由与共享某个资源引起的，比如两个进程访问打印机这种临界资源。直接制约是由于进程之间相互合作引起的制约。例如进程A进程B通过管道相互通信，管道在这里可以暂时理解为缓冲区，进程A向缓冲区发送数据，进程B从缓冲区取走数据，如果进程A没有向缓冲区发送数据，进程B是去走不了的。像这种制约关系就是进程间的同步。所以说进程间的同步可以理解为为了完成某一个任务，必须按照一定的先后次序执行。
29、什么是临界资源？打印机就是一种临界资源。一个进程用完了，另外一个进程才可以用。不然就会出现一张纸上有两个打印机打印的东西。
30、课本从生产者-消费者模型引出临界资源。生产者-消费者模型是说有一个缓冲池，生产者生产了产品放入缓冲池，消费者消费从缓冲池中取走产品。代表池中产品数量的counter++或counter--是非原语操作，转成机器语言后是三行代码。如果counter++和counter--并发执行，会出现不可再现性。如何解决呢？把counter当作临界资源，++时不能插入--操作，相当于是生产的时候不能消费，消费的时候不能生产。
31、所以把访问临界资源的步骤分为四个：a、进入区（检查临界资源是否正在被使用，如果正在被使用就等待，如果没有被使用就可以进入下一步。同时修改临界资源状态由未访问改为正在访问）b、临界区（对临界资源进行操作的代码）c、退出区（修改临界资源使用状态，由正在访问修改为未访问）d、剩余区（其余部分的代码）
32、如何保证多个进程互斥的访问临界资源呢？原则由四个：空闲让进（资源空闲，就可以被进程使用）、忙则等待（资源正在被使用，需要等待，而不能同时访问）、有限等待（等待临界资源的进程不能一直等，一定要有一个时间限制，否则这个进程就变为了”死进程“，永远不会被CPU再次调度）、让权等待（权是指占领CPU的权利，如果进程不能访问临界资源，要把CPU释放，让其他进程使用。否则会造成既不释放CPU，又不能访问临界资源的情况，课本中叫”忙等“。忙是指一直在检测临界资源的访问状态，循环检测，一直检测。如果释放CPU等于是提高了CPU的执行效率，在”忙等“的这个时间CPU可以处理其他任务，执行其他进程。）
33、如何保证多个进程互斥的访问临界资源呢？可以通过硬件、软件的方法实现。硬件同步机制有关中断、TS指令、SWAP指令。虽然用代码实现，看起来像软件方法，实际是计算机硬件完成的，属于硬件方法。
34、关中断，也叫做中断屏蔽，原理是计算机中的进程调度要依靠中断，如果不允许中断，也就不会发生进程切换。在进入临界区之前关闭中断，在剩余区打开中断。缺点：a、 滥用关中断权力可能导致严重后果（开关中断属于比较权限比较高的指令，一般CPU在内核态完成，如果把权限下放到用户态，用户可以任意开关中断，就可能造成很严重的问题。）；b、关中断时间过长，会影响系统效率，限制了处理器交叉执行程序的能力（限制了并发效率，成了串行）；c、关中断方法也不适用于多CPU 系统（一个CPU对应一个中断屏蔽位，多个CPU就有多个中断屏蔽位。即使关闭了一个CPU，另外的CPU中断屏蔽位不关闭，也可能造成其他CPU的进程访问临界资源，不满足忙则等待）
35、TS指令，叫做Test-and-Set指令，也是标志位的思想。大概思想是写一个函数，函数的形参是资源状态，返回值是资源原状态，中间会把资源状态强制设为True，意思是正在忙。在进入区，用while循环循环条件是函数返回值，函数返回False,while循环中止，会进入临界区。函数的过程是一个原子操作，不允许中断。这种方式不像软件那样麻烦，但是仍然存在不满足让权等待的问题，碰到资源忙的情况下，也会在While中一直循环，到时间片用完。
36、Swap指令和TS思想基本一致，也是通过while循环检查资源的使用状态，同样不满足让权等待的原则。
37、软件方法课本没有提到，有单标志法（违背空闲让进，如果一个进程一直不进入临界区，另外一个进程永远不会进入临界区）、双标志先检查法（违反了忙则等待原则，有可能两个进程同时进入临界区）、双标志后检查法（违反了空闲让进和有限等待原则，有可能两个进程都不能进入临界区）、peterson算法（解决了刚才的问题，但是不能遵守让权等待，会消耗CPU的时间片检查标志位）。