1、基本特征

（1）并發(fā)：并發(fā)是指宏觀上在一段時(shí)間內(nèi)能同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序，而并行則指同一時(shí)刻能運(yùn)行多個(gè)指令。操作系統(tǒng)通過引入進(jìn)程和線程使得程序能夠并發(fā)運(yùn)行；

（2）共享：共享是指系統(tǒng)中的資源可以被多個(gè)并發(fā)進(jìn)程共同使用。共享的方式有兩種：互斥共享和同時(shí)共享；其中互斥共享的資源成為臨界資源，例如打印機(jī)等，在同一時(shí)間只允許一個(gè)進(jìn)程訪問，需要用同步機(jī)制來實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界資源的訪問；

（3）虛擬：虛擬是指把一個(gè)物理實(shí)體轉(zhuǎn)換為多個(gè)邏輯實(shí)體。主要的虛擬技術(shù)有兩種：時(shí)分復(fù)用技術(shù)和空分復(fù)用技術(shù)；多個(gè)進(jìn)程能在同一個(gè)處理器上并發(fā)執(zhí)行使用了時(shí)分復(fù)用技術(shù)，讓每個(gè)進(jìn)程輪流占有處理器，每次只執(zhí)行一小個(gè)時(shí)間片并快速切換；空分復(fù)用技術(shù)是指將物理內(nèi)存抽象為地址空間，每個(gè)進(jìn)程都有各自的地址空間。地址空間和物理內(nèi)存使用頁進(jìn)行交換，地址空間的頁并不需要全部在物理內(nèi)存中，當(dāng)使用到一個(gè)沒有在物理內(nèi)存的頁時(shí)，執(zhí)行頁面置換算法， 將該頁置換到內(nèi)存中；

（4）異步：異步只進(jìn)程不是一次性執(zhí)行完畢，而是走走停停，以不可知的速度向前推進(jìn)；

2、基本功能

（1）進(jìn)程管理：進(jìn)程控制、進(jìn)程同步、進(jìn)程通信、死鎖處理、處理機(jī)調(diào)度等；

（2）內(nèi)存管理：內(nèi)存分配、地址映射、內(nèi)存保護(hù)與共享、虛擬內(nèi)存等；

（3）文件管理：文件存儲(chǔ)空間的管理、目錄管理、文件讀寫管理和保護(hù)等；

（4）設(shè)備管理：完成用戶的IO請(qǐng)求，方便用戶使用各種設(shè)備，并提高設(shè)備的利用率。主要包括緩沖管理、設(shè)備分配、設(shè)備處理、虛擬設(shè)備等；

3、中斷分類

（1）外中斷：由CPU執(zhí)行指令以外的時(shí)間引起，如IO完成中斷，表示設(shè)備輸入/輸出處理已經(jīng)完成，處理器能夠發(fā)送下一個(gè)輸入/輸出請(qǐng)求。此外還有時(shí)鐘中斷、控制臺(tái)中斷等；

（2）異常：由CPU執(zhí)行指令的內(nèi)部時(shí)間引起，如非法操作碼、地址越界、算術(shù)溢出等；

（3）陷入：在用戶程序中使用系統(tǒng)調(diào)用；

二、進(jìn)程管理

1、進(jìn)程與線程

（1）進(jìn)程：進(jìn)程是資源分配的基本單位，進(jìn)程控制塊PCB描述進(jìn)程的基本信息和運(yùn)行狀態(tài)，所謂的創(chuàng)建進(jìn)程和撤銷進(jìn)程，都是指對(duì)PCB的操作；每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)立的代碼和數(shù)據(jù)空間（進(jìn)程上下文），進(jìn)程間的切換會(huì)有較大的開銷，一個(gè)進(jìn)程包含至少一個(gè)線程；

（2）線程：線程是CPU調(diào)度的基本單位，一個(gè)進(jìn)程中可以有多個(gè)線程，它們共享進(jìn)程資源；每個(gè)線程有獨(dú)立的運(yùn)行棧和程序計(jì)數(shù)器PC，線程切換開銷小；

區(qū)別：

a.擁有資源：進(jìn)程是資源分配的基本單位，但是線程不擁有資源，線程可以訪問隸屬進(jìn)程的資源；

b.調(diào)度：線程時(shí)獨(dú)立調(diào)度的基本單位，在同一進(jìn)程中，線程的切換不會(huì)引起進(jìn)程切換，從一個(gè)進(jìn)程中的線程切換到另一個(gè)進(jìn)程中的線程時(shí)，會(huì)引起進(jìn)程切換；

c.系統(tǒng)開銷：由于創(chuàng)建或撤銷進(jìn)程時(shí)，系統(tǒng)都要為之分配或回收資源，如內(nèi)存空間、I/O設(shè)備等，所付出的開銷遠(yuǎn)大于創(chuàng)建或撤銷線程時(shí)的開銷。類似地，在進(jìn)行進(jìn)程切換時(shí)，涉及當(dāng)前進(jìn)程CPU環(huán)境的保存及新調(diào)度進(jìn)程CPU環(huán)境的設(shè)置，而線程切換時(shí)只需保存和設(shè)置少量寄存機(jī)內(nèi)容，開銷很小；

d.通信：線程間可以通過直接讀寫同一進(jìn)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，但是進(jìn)程通信需要借助IPC；

2、線程狀態(tài)切換

（1）新建狀態(tài)（New）：新創(chuàng)建了一個(gè)線程對(duì)象；

（2）就緒狀態(tài)（Runnable）：線程位于可運(yùn)行線程池中，等待獲取CPU的使用權(quán)；

（3）運(yùn)行狀態(tài)（Running）：就緒狀態(tài)的線程獲取了CPU，執(zhí)行程序代碼；

（4）阻塞狀態(tài)（Blocked）：因?yàn)槟撤N原因放棄CPU使用權(quán)，暫時(shí)停止運(yùn)行。其原因主要有：等待阻塞（wait()）、同步阻塞（synchronized）、其他阻塞（sleep()、join()、I/O輸入）；

（5）死亡狀態(tài)（Dead）：線程執(zhí)行完成了或因一場(chǎng)退出了run()方法；

3、進(jìn)程同步

臨界區(qū)：對(duì)臨界資源進(jìn)行訪問的那段代碼稱為臨界區(qū)；為了互斥訪問臨界資源，每個(gè)進(jìn)程在進(jìn)入臨界區(qū)之前，需要先進(jìn)行檢查；

同步：多個(gè)進(jìn)程按一定順序執(zhí)行；

互斥：多個(gè)進(jìn)程在同一時(shí)刻只有一個(gè)進(jìn)程能進(jìn)入臨界區(qū)；

信號(hào)量：信號(hào)量是一個(gè)整型變量，可以對(duì)其執(zhí)行down和up操作，也就是常見的P和V操作。

down：如果信號(hào)量大于0，執(zhí)行-1操作；如果信號(hào)量等于0，進(jìn)程睡眠，等待信號(hào)量大于0；

up：對(duì)信號(hào)量執(zhí)行+1操作，喚醒睡眠的進(jìn)程讓其完成down操作；

1

2

down和up操作需要被設(shè)計(jì)成原語，不可分割，通常的做法是在執(zhí)行這些操作的時(shí)候屏蔽中斷；如果信號(hào)量的取值只能為0或者1，那么就成為了互斥量，0表示臨界區(qū)已經(jīng)加鎖，1表示臨界區(qū)解鎖；

typedef int semaphore;

semaphore mutex = 1;void P1() {

down(&mutex);

// 臨界區(qū)

up(&mutex);

}

void P2() {

down(&mutex);

// 臨界區(qū)

up(&mutex);

}

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

經(jīng)典同步問題：

生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題、讀者-寫者問題、哲學(xué)家進(jìn)餐問題、理發(fā)師問題、煙鬼問題

4、進(jìn)程通信

進(jìn)程同步是控制多個(gè)進(jìn)程按一定順序執(zhí)行，進(jìn)程通信是進(jìn)程間傳輸信息；進(jìn)程通信是一種手段，而進(jìn)程同步是一種目的。也可以說，為了能夠達(dá)到進(jìn)程同步的目的，需要讓進(jìn)程進(jìn)行通信，傳輸一些進(jìn)程同步所需要的信息；

（1）管道：通常指無名管道，它是半雙工的（即數(shù)據(jù)只能在一個(gè)方向上流動(dòng)），具有固定的讀端和寫端，且只能在父子進(jìn)程中使用，它不是普通的文件，并不屬于其他任何文件，并且只存在于內(nèi)存中；

（2）FIFO：也稱命名管道，它是一種文件類型，可以在無關(guān)的進(jìn)程之間交換數(shù)據(jù)，與無名管道不同，它由路徑名與之相關(guān)聯(lián)，以一種特殊設(shè)備文件形式存在于文件系統(tǒng)中。它的通信方式類似于在進(jìn)程中使用文件來傳輸數(shù)據(jù)，只不過FIFO類型文件同時(shí)具有管道的特性，在數(shù)據(jù)讀出時(shí)，FIFO管道中同時(shí)清除數(shù)據(jù)，并且“先進(jìn)先出”；

（3）消息隊(duì)列：是消息的鏈接表，存放在內(nèi)核中。一個(gè)消息隊(duì)列由一個(gè)標(biāo)識(shí)符（即隊(duì)列ID）來標(biāo)識(shí)，它是面向記錄的，其中的消息具有特定的格式以及特定的優(yōu)先級(jí)。相比于FIFO，消息隊(duì)列可以獨(dú)立于讀寫進(jìn)程存在，從而避免了FIFO中同步管道的打開和關(guān)閉時(shí)可能產(chǎn)生的困難；避免了FIFO的同步阻塞問題，不需要進(jìn)程自己提供同步方法；讀進(jìn)程可以根據(jù)消息類型有選擇地接收消息，而不像FIFO那樣只能默認(rèn)地接收；進(jìn)程在終止時(shí)，消息隊(duì)列及其內(nèi)容并不會(huì)被刪除，它可以實(shí)現(xiàn)消息的隨機(jī)查詢；

（4）信號(hào)量：它是一個(gè)計(jì)數(shù)器，用于為多個(gè)進(jìn)程提供對(duì)共享數(shù)據(jù)對(duì)象的訪問。它基于操作系統(tǒng)的PV操作，程序?qū)π盘?hào)量的操作都是原子操作，每次對(duì)信號(hào)量的操作不僅限于對(duì)信號(hào)量值的+1或-1，可以加減任意正整數(shù)，支持信號(hào)量組；

（5）共享內(nèi)存：允許多個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)給定的存儲(chǔ)區(qū)。因?yàn)閿?shù)據(jù)不需要在進(jìn)程之間復(fù)制，所以這是最快的一種IPC；需要使用信號(hào)量用來同步對(duì)共享內(nèi)存的訪問，多個(gè)進(jìn)程可以將同一個(gè)文件映射到它們的地址空間從而實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存。另外XSI共享內(nèi)存不是使用文件，而是使用內(nèi)存的匿名段；

（6）套接字：與其它通信機(jī)制不同的是，它可以用于不同機(jī)器間的進(jìn)程通信；

5、進(jìn)程調(diào)度

（1）先來先服務(wù)調(diào)度算法（FCFS）：按作業(yè)或者進(jìn)程到達(dá)的先后順序依次調(diào)度；有利于長作業(yè)，不利于短作業(yè)；

（2）短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法（SJF）：從就緒隊(duì)列中選擇估計(jì)時(shí)間最短的作業(yè)進(jìn)行處理，直到得出結(jié)果或者無法繼續(xù)執(zhí)行。不利于長作業(yè)，未考慮作業(yè)的重要性，運(yùn)行時(shí)間是預(yù)估的，并不靠譜；

（3）高響應(yīng)比調(diào)度算法（HRN）：響應(yīng)比=（等待時(shí)間+要求服務(wù)時(shí)間）/要求服務(wù)時(shí)間；

（4）時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法（RR）：將所有就緒進(jìn)程按FCFS的原則排成一個(gè)隊(duì)列，每次調(diào)度時(shí)，把CPU時(shí)間分配給隊(duì)首進(jìn)程，該進(jìn)程可以執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片。當(dāng)時(shí)間片用完時(shí)，由計(jì)時(shí)器發(fā)出時(shí)鐘中斷，調(diào)度程序便停止該進(jìn)程的執(zhí)行，并將它送往就緒隊(duì)列的末尾，同時(shí)繼續(xù)把CPU時(shí)間分配給隊(duì)首的進(jìn)程；時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法的效率和時(shí)間片的大小有很大關(guān)系，因?yàn)檫M(jìn)程切換都要保存進(jìn)程的信息并且載入新進(jìn)程的信息，如果時(shí)間片太小，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程切換得太頻繁，在進(jìn)程切換上就會(huì)花過多的時(shí)間；但另一方面，如果時(shí)間片過長，那么實(shí)時(shí)性就不能得到保證；

（5）優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法：為每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度；為了防止低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程永遠(yuǎn)等不到調(diào)度，可以隨著時(shí)間的推移增加等待進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)；

（6）多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法：一個(gè)進(jìn)程需要執(zhí)行100個(gè)時(shí)間片，如果采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，那么需要交換100次；多級(jí)隊(duì)列是為這種需要連續(xù)執(zhí)行多個(gè)時(shí)間片的進(jìn)程考慮，它設(shè)置了多個(gè)隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列時(shí)間片大小都不同，例如1,2,4,8,…，進(jìn)程在第一個(gè)隊(duì)列沒執(zhí)行完，就會(huì)被移到下一個(gè)隊(duì)列。這種方式下，之前的進(jìn)程只需要交換7次；每個(gè)隊(duì)列優(yōu)先權(quán)也不同，最上面的優(yōu)先權(quán)最高。因此只有上一個(gè)隊(duì)列沒有進(jìn)程在排隊(duì)，才能調(diào)度當(dāng)前隊(duì)列上的進(jìn)程；可以將這種調(diào)度算法看成是時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法和優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法的結(jié)合；

三、死鎖

1、必要條件

（1）互斥：每個(gè)資源要么已經(jīng)分配給了一個(gè)進(jìn)程，要么就是可用的；

（2）請(qǐng)求和保持：進(jìn)程被阻塞的時(shí)候并不釋放鎖請(qǐng)求到的資源；

（3）不可搶占：已經(jīng)分配給一個(gè)進(jìn)程的資源不能強(qiáng)制性地被搶占，它只能被占有它的進(jìn)程顯式地釋放；

（4）環(huán)路等待：有兩個(gè)或者兩個(gè)以上的進(jìn)程組成一條環(huán)路，該環(huán)路中的每個(gè)進(jìn)程都在等待下一個(gè)進(jìn)程所占有的資源；

2、處理方法

（1）鴕鳥策略：把頭埋在沙子里，假裝根本沒有發(fā)生問題；因?yàn)榻鉀Q死鎖問題的代價(jià)很高，因此不采取任何措施的方案會(huì)獲得更高的性能；當(dāng)發(fā)生死鎖時(shí)不會(huì)對(duì)用戶造成多大影響，或發(fā)生死鎖的概率很低，可以采用鴕鳥策略；

（2）死鎖檢測(cè)；每種類型一個(gè)資源的死鎖檢測(cè)、每種類型多個(gè)資源的死鎖檢測(cè)；

（3）死鎖恢復(fù)：利用搶占恢復(fù)、利用回滾恢復(fù)、通過殺死進(jìn)程恢復(fù)；

（4）死鎖預(yù)防：破壞必要條件任意一條即可；

（5）死鎖避免：銀行家算法；

四、內(nèi)存管理

虛擬內(nèi)存：從邏輯的角度擴(kuò)充內(nèi)存容量，基于局部性原理，在程序裝入的時(shí)候，可以將程序的一部分裝入內(nèi)存，而將其余部分留在外存就可以啟動(dòng)程序執(zhí)行。在程序執(zhí)行過程中，當(dāng)所訪問的信息不在內(nèi)存時(shí)，由操作系統(tǒng)將所需要的部分調(diào)入內(nèi)存，然后繼續(xù)執(zhí)行程序。另一方面，操作系統(tǒng)將內(nèi)存中暫時(shí)不使用的內(nèi)容換出到外存上，從而騰出空間存放將要調(diào)入的內(nèi)存的信息。這樣，系統(tǒng)就好像為用戶提供了一個(gè)比實(shí)際內(nèi)存大得多的存儲(chǔ)器，稱為虛擬存儲(chǔ)器；

頁面置換算法：在程序運(yùn)行過程中，如果訪問的頁面不在內(nèi)存中，就發(fā)生缺頁中斷從而將該頁調(diào)入內(nèi)存中。此時(shí)如果內(nèi)存已無空閑空間，系統(tǒng)必須從內(nèi)存中調(diào)出一個(gè)頁面到磁盤對(duì)換去中來騰出空間；頁面置換算法和緩存淘汰策略類似，可以將內(nèi)存看成磁盤的緩存。在緩存系統(tǒng)中，緩存的大小有限，當(dāng)有新的緩存到達(dá)時(shí)，需要淘汰一部分已經(jīng)存在的緩存，這樣才有空間存放新的緩存數(shù)據(jù)；

（1）最佳置換算法：只具有理論意義的算法，用來評(píng)價(jià)其他頁面置換算法；置換策略是將當(dāng)前頁面中在未來最長時(shí)間內(nèi)不會(huì)被訪問的頁置換出去；

（2）先進(jìn)先出置換算法：每次淘汰最早調(diào)入的頁面，沒有考慮頁面的訪問頻率細(xì)信息。會(huì)使缺頁率升高；

（3）最近最久未使用算法（LRU）：將最近最久未使用的頁面換出；實(shí)現(xiàn)的時(shí)候需要在內(nèi)存中維護(hù)一個(gè)所有頁面的鏈表，當(dāng)一個(gè)頁面被訪問時(shí)，將這個(gè)頁面移到鏈表表頭。這樣每次只要找鏈表表尾的頁面就是最近最久未訪問的。因?yàn)槊看卧L問都需要更新鏈表，因此這種方式實(shí)現(xiàn)的LRU代價(jià)很高；

（4）最近未使用算法（NRU）：每個(gè)頁面都有兩個(gè)狀態(tài)位R與M，當(dāng)頁面被訪問時(shí)設(shè)置頁面的R=1，當(dāng)頁面被修改時(shí)設(shè)置頁面的M=1。其中R位會(huì)定時(shí)被清零；當(dāng)發(fā)生缺頁中斷時(shí)，NRU算法隨機(jī)地從類編號(hào)最小的非空類中挑選一個(gè)頁面將它換出；注意，NRU優(yōu)先換出已經(jīng)被修改的臟頁面（R=0,M=1），而不是被頻繁使用的干凈頁面（R=1,M=0）；

分頁與分段的比較：

（1）對(duì)程序員的透明性：分頁透明，但是分段需要程序員顯示劃分每個(gè)段；

（2）地址空間的維度：分頁是一維地址空間，分段是二維的；

（3）大小是否可以改變：頁的大小不可變，段的大小可以動(dòng)態(tài)改變；

（4）出現(xiàn)的原因：分頁主要用于實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存，從而獲得更大的地址空間；分段主要是為了使程序和數(shù)據(jù)可以被劃分為邏輯上獨(dú)立的地址空間并且有助于共享和保護(hù)。

---

制作不易 且看且珍惜

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的试利用记录型信号量和pv操作写出_计算机操作系统知识点汇总的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。