作業系統筆記2
l 程序
l 併發：多個程式在一段時間內同時發生
l 程序是什麼?與程式區別
程序就是用於描述、控制程式在記憶體中併發執行的一個東東
程式的一次執行
是一個程式與其資料一道通過處理機的執行所發生的活動
程序是程序實體的執行過程，是系統進行資源分配和排程的一個獨立單位。
¡ 動與靜：
l 程序是動態的，程式是靜態的：程式是有序程式碼的集合；程序是程式的執行。
¡ 永久與暫時：
l 程序是暫時的，程式是永久的：程序是一個狀態變化的過程，程式可長久儲存。
¡ 結構：
l 程序的組成包括程式、資料和程序控制塊
¡ 程序與程式的對應關係：
l 都可1對n。通過多次執行，一個程式可對應多個程序；通過呼叫關係，一個程序可包括多個程式。
l 程序的基本狀態
(1)就緒狀態(Ready)
程序獲得除CPU之外的所有必需資源，一旦得到CPU控制權，可立即執行。
(2)執行狀態(Running)
程序已獲得所有執行必需的資源，正在處理機上執行。
(3)阻塞狀態(Blocked)
l 程序控制塊PCB.
程序實體：程式碼段+資料段+PCB
Pcb存放程序的管理和控制資訊的資料結構
程序控制塊中的資訊（pcb內）：
程序識別符號資訊
處理機狀態資訊
程序排程資訊
程序控制資訊
l 程序的建立、阻塞、終止過程
建立過程：
(1) 申請空白PCB
(2) 為新程序分配資源
(3) 初始化程序控制塊
識別符號（包括父程序的）、程式計數器指向程式入口地址，就緒態、優先順序等資訊的填寫。
(4) 將新程序插入就緒佇列
阻塞過程：
（1）將PCB中的狀態改為阻塞
（2）該PCB加入到阻塞佇列中
（3）轉程序排程，將處理機分配給另一程序
（4）進行程序切換，即根據兩切換程序的PCB，保護與重新設定處理機狀態
（阻塞原因瞭解：）
請求系統服務的滿足情況
啟動某種需等待（I/O）操作
合作需要的新資料尚未到達
執行某功能的程序暫時無新工作可做(如傳送資料程序)
終止過程：
(1) 根據程序標示符，檢索出該程序PCB，讀其狀態。
*IF 執行態，立即終止該程序，置排程標誌為真，指示重新進行排程。
*IF 有子孫程序，亦應予以終止，以防成為不可控程序。
(2) 歸還全部資源至其父程序或系統。
(3) 將該程序PCB從所在佇列或連結串列中移出。
l 程序同步問題:源於程序的相互制約關係：資源共享，有序合作
l 同步的概念：併發執行的諸程序之間能有效地共享資源和相互合作，從而使程式的執行具有可再現性。
l 控制同步的四大原則
空閒讓進：資源使用最基本原則
忙則等待：保證互斥
有限等待：合適時被喚醒防止死等
讓權等待：能主動釋放CPU防止忙等
l 臨界資源、臨界區
一次僅允許一個程序使用的資源
每個程序中訪問臨界資源的那段程式碼叫臨界區。
為了正確同步，對臨界區的程式碼要增加控制
l 訊號量機制
最初的訊號量機制，兩個原子操作對一個共享整型量進行操作。
訊號量定義為一個整型量；
根據初始情況賦相應的值；
僅能通過兩個原子操作來訪問。
l 訊號量操作原語wait、signal
P操作 wait(S):
While S<=0 do no-op;
S:=S-1;
V操作 signal(S):
S:=S+1;
互斥：在作業系統中，當一個程序進入臨界區使用臨界資源時，另一個程序必須等待，直到佔用臨界資源的程序退出臨界區，我們稱程序之間的這種相互制約關係為“互斥”。
同步：多個相互合作的程序，在一些關鍵點上可能需要互相等待或互相交換資訊，這種相互制約關係稱為程序同步關係。可理解為“有序”。
l 典型同步題目：
l 生產者-消費者 互斥-同步
一群生產者程序生產產品供給消費者程序消費，在兩者之間設定具有n個緩衝區的緩衝池，生產者程序所生產的產品放入一個緩衝區中，消費者程序可從一個緩衝區中取走產品去消費。
生產者和消費者都以非同步方式執行，但它們之間必須保持同步：沒有產品不能取，沒有空間不能放。也不能同時對一個空間進行取和放
type item=……;表示一個產品
Var n, integer;緩衝區大小
counter:0, 1, …, n; 緩衝區內產品計數的變數
var buffer: array[0, 1, …, n-1] of item;該陣列代表具有n個緩衝區的緩衝池
in, out: 0, 1, …, n-1指示生產者和消費者放或取的下一個緩衝區位置指標，初值均為0。
in加1表示為in:=(in+1)mod n
out加1表示為out:=(out+1)mod n
當(in+1)mod n=out時表示緩衝池滿
in=out表示緩衝池空
Producer:
repeat
…
生產 an item in nextp;
…
while counter= n
do no-op;
buffer[in]:=nextp;
in:=in+1 mod n;
counter:=counter+1;
until false;
Consumer:
repeat
while counter= 0
do no-op;
nextc:=buffer[out];
out:=out+1 mod n;
counter:=counter-1;
…
消費產品item in nextc;
until false;
取、用類，計數控制+互斥
l 哲學家進餐 互斥
計數類、死鎖相關
l 讀者-寫者
l 有條件的互斥 類似典型題目：單行路，同方向的不互斥；異向互斥
Writer :
repeat
wait(wmutex);
寫入檔案；
signal(wmutex);
until false;
l 訊號量規律：
l 分析同步關係、設定訊號量初值、PV操作順序
1. P、V操作成對出現
2. 多個程序對互斥同步，PV操作成對出現的同進程中，初值為1
3. 多個程序的有序同步，PV操作成對出現在不同程序中，有V操作的程序可通過控制先於有P操作的程序執行。初值根據應用情況設定。
l 一閱覽室最多容納100人，讀者進入和離開都要在登記表上登記，每次只允許一個人登記。如何編寫程序間的同步關係。
l 資源：空數N，登記表S
l 訊號量n=N，mutex=1
l 程序：讀者程序
u wait（n）
u wait（mutex）
l 進入
u signal（mutex）
l 閱讀後離開
u signal（n）
l 有一隻鐵籠子，每次只能放入一隻動物，獵手向籠中放入老虎，農民向籠中放入豬，動物園等待取籠中的老虎，飯店等待取籠中的豬，試用訊號量機制實現獵手、農民、動物園、飯店之間同步執行的程式。（解釋其中的訊號量含義，並給出合適的初值。）
l 設有一自助餐廳，可容納10名顧客就餐，餐廳滿時顧客需在門外排隊等候；顧客若能進入則自取食物後到款臺付款；收款員負責在收款臺等待顧客付款，付款完畢顧客自行就餐後離開。分析該問題中的同步關係，試寫出顧客程序和收款員程序訊號量機制下的同步演算法，注意寫明訊號量的初值和作用。
l 【分析】顧客存在爭搶進店的競爭關係，設定一個資源訊號量r，初值為10；
收款員與顧客間存在雙向有序合作關係，收款員需等待顧客付款，顧客需等待收款員確認付款完畢，需設定兩個同步訊號量money，ok，初值均為0.
【演算法虛擬碼如下】
semaphore r=10，money=0，ok=0；
l 顧客:
l void custom（）{
u while（true）{
l wait（r）;
u //資源訊號量操作成對正確
l enter;
l take something;
l signal（money）;
l pay money;
l wait(ok);
l signal(r);
l leave;
u }}
l 售貨員:
l void seller（）{
u while（true）{
n wait（money）;
u //同步訊號操作配對正確
n accept money，give changes
n signal（ok）；
u //同步訊號操作配對正確
u }}
l CPU排程
l 三級排程
高階排程：主要在早期批處理階段，處理在外存上的作業
低階排程: 決定記憶體就緒佇列中的哪個程序獲得處理機，進行分配工作。是最基本的一種排程
中級排程：提高記憶體利用率和系統吞吐量。根據條件將一些程序調出或再調入記憶體
l 排程時機\搶佔\演算法計算
l 排程程式的執行時機：
程式正常完成
IO\PV阻塞
時間片到
新任務產生
排程演算法
基本排程演算法：
a) 先來先服務排程演算法FCFS，不利於短作業
b) 短作業（程序）優先排程演算法SJF/SPF，降低作業的平均等待時間，提高系統吞吐量。
c) 高優先權優先排程演算法HPF，
d) 高響應比優先排程演算法HRRN，
e) 基於時間片的輪轉排程演算法RR，
f) 多級反饋佇列演算法FB
* 實時排程
l 某系統的程序請求如右圖，畫出RR排程下的排程過程圖。並計算平均週轉時間。設時間片為2。
| 程序名 |
開始時刻 |
執行時間 |
| A |
0 |
3 |
| B |
2 |
3 |
| C |
3 |
4 |
| D |
4 |
7 |
l 死鎖的相關概念與認識
1. 四個必要條件
u 互斥條件：程序對所分配到的資源進行排他性使用
u 請求和保持條件：程序已經保持了至少一個資源，又提出新的資源請求，而新請求資源被其他程序佔有只能造成自身程序阻塞，但對自己已獲得的其他資源保持不放，必然影響其他程序。
u 不剝奪條件：程序已獲得的資源未使用完之前不能被剝奪，只能在使用完時由自己釋放。
u 環路等待條件
2. 處理死鎖的各種方法
① 預防死鎖
v 設定限制條件，破壞四個必要條件的一個或幾個，預防發生死鎖。
v 較易實現。限制條件的嚴格也會導致系統資源利用率和系統吞吐量降低。
② 避免死鎖
v 不須事先限制，破壞四個必要條件，而是在資源的動態分配過程中，用某種方法去防止系統進入不安全狀態，從而避免發生死鎖。
v 這種事先加以較弱限制的方法，實現上有一定難度，但可獲較高的資源利用率及系統吞吐量，目前在較完善的系統中，常用此方法來避免發生死鎖。
③ 檢測死鎖。
v 允許系統執行過程中發生死鎖，但通過系統檢測機構可及時的檢測出，能精確確定與死鎖有關的程序和資源；然後採取適當的措施，從系統中將已發生的死鎖清除掉。
④ 解除死鎖。
v 與死鎖檢測配套的一種措施。
v 常用的實施方法：撤銷或掛起一些程序，以便回收一些資源並將他們分配給已阻塞程序，使之轉為就緒以繼續執行。
v 死鎖的檢測與解除措施，有可能使系統獲得較好的資源利用率和吞吐量（死鎖機率不一定很高），但在實現上難度也最大。
l 避免死鎖的銀行家演算法（相對預防死鎖，是一種軟限制。）
下面出現P1請求資源的操作，具體請求向量為Request1(1,0,2)，利用銀行家演算法進行檢查該操作是否是安全可行的：
1）兩個基本判斷
Request1(1,0,2)<=Need1(1,2,2)
Request1(1,0,2)<=Available1(3,3,2)
2）先假設為P1分配資源，並修改Available,Allocation1和Need1向量。
向量Available
最大需求、已獲得的、還需要的
最大需求矩陣Max
已分配矩陣Allocation
還需求的矩陣Need
1. 安全狀態
2. 演算法、計算
a) 系統中有m個程序,出現死鎖時死鎖程序的個數k: 2≤k≤m
b) 某類資源m個，n個程序都需要此種資源a個，如何不死鎖：n*(a-1)+1≤m
l 儲存器管理
l 連續分配
1. 單一連續、固定分割槽
2. 動態分割槽分配
3. 可重定位動態分割槽（有緊湊功能）
l 離散分配
1. 分頁，地址轉換過程，計算
記憶體劃分成多個小單元，每個單元K大小，稱（物理）塊。作業也按K單位大小劃分成片，稱為頁面。
① 物理劃分塊的大小 = 邏輯劃分的頁的大小
②
記憶體位數=頁面大小（位數）+頁表項（塊號位數）
大小：記憶體=頁面大小x頁面個數
2. 分段
虛擬
概念：虛擬、區域性性
先進先出置換演算法（FIFO）Belady現象（出現分配的頁面數增多，缺頁率反而提高的異常現象）的原因：FIFO演算法的置換特徵與程序訪問記憶體的動態特徵矛盾，即被置換的頁面並不是程序不會訪問的
1. 置換排程演算法：最近最久未使用(LRU)置換演算法, 最近未使用演算法CLOCK：
2. 缺頁次數（掉入次數）
u 缺頁率=缺頁次數/總的頁面數
l 例
l 分頁系統，主存容量64K，頁面大小1K。
l 一個4K大的作業，0-3頁分別分配到物理塊2、4、6、7中。
1. 該作業的邏輯地址格式如何？
2. 十進位制的邏輯地址1023（B）轉換為實體地址
3. 畫出地址變換過程。
答：
即頁號與頁內地址位數大小
該作業的4個頁面編號需要2位；每頁1K大小，即1K條指令編號需10位
l 邏輯地址1023
1023/1K=0 餘 1023
0頁對應物理塊2，所以實體地址是
2 * 1K + 1023 = 2048+1023=3071
l 例
l 虛擬記憶體管理中的LRU頁面置換演算法
l 設頁面走向如下，分配給該作業3個記憶體塊，畫出置換過程圖，並計算缺頁率。
4 5 8 1 3 4 4 6 5 1 2 7 6 1 3
檔案管理
l 檔案的結構
l 邏輯結構：
u 有結構檔案：順序，連結，索引
l 物理結構： 已分配空間的記錄
u 連續、連結、索引、混合索引分配方式
l FAT表計算，索引檔案大小的計算，UNIX下的混合索引
l 空閒空間管理
l 表、盤區\盤塊鏈、成組連結、位示圖
l 目錄、共享
l 例：FAT與索引的計算
l FAT表的計算
1. 物理空間容量/盤塊大小 = FAT表項個數
2. 個數決定位數,決定每項大小
3. 個數*每項大小
l 索引結點
1. 盤塊大小/盤塊號大小 = 可記錄的盤塊個數
2. 單索引下，一個索引結點能記錄N個盤塊，則檔案最大長度為：N*盤塊大小
l 例：混合索引分配方式的計算
l FCB有13個地址項，0-9為直接地址，10為一次間接地址，11為二次間接地址，12為三次間接地址。若盤塊大小為512B，盤塊號需3B記錄，每個盤塊最多存放170個盤塊地址。
l 該檔案系統檔案最大允許多長？
u 10+170+170*170+170*170*170 = 4942080塊
u = 4942080*512B = 2471040 KB
l 將檔案位元組偏移量15000轉換為物理塊號和塊內偏移。
u 15000/512 = 29 餘152。10=<29<=10+170.
u 所以檔案使用的第29塊盤塊號，記錄在FCB中的10項，即一次間接地址的索引盤塊中。從10項記錄的地址找到索引表，第19項即是要找的物理塊。
l 若FCB已存在記憶體，其他資訊均在外存，訪問該檔案某位置的內容，最少/最多需要幾次訪問磁碟？
最少需訪問磁碟的情況是直接定址，直接讀FCB中記錄的地址，訪問磁碟1次即可
最多需訪問磁碟的情況是三次間接定址的過程，需讀三次間接索引塊中的內容，然後讀它裡面記錄的二次接索引塊中的內容，再一次的，最後才能獲得檔案資訊的實際地址。姑，最多情況需4次訪問磁碟。
l 外存空間的管理
空閒空間的三種分配方式：連續、連結、索引
空閒空間的管理
1. 空閒表/鏈、位示土圖、成組連結
2. 成組連結
l 例：某系統採用成組連結法管理磁碟空閒空間，目前狀態如下圖，問：
l 還有多少空閒盤塊？
l 若從當前狀態下，系統分配3個盤塊給某檔案後，又刪除另一檔案，回收了第700，711，703，788，701這5個盤塊。則磁碟空間的狀態圖中的連結情況又如何？
l 空閒盤塊成組連結示意圖
l 裝置管理
l I\0 系統的組成
CPU\通道\控制器\裝置
l 磁碟緩衝管理的作用、方式
l 虛擬:spooling
l I\O軟體層次
中斷處理程式\裝置驅動程式\裝置獨立性程式\使用者應用程式
l 磁碟排程
電梯排程演算法等p233