前言

学校OS课程的知识和408有一定的重叠，但是还不太够，因此我又一次打开了王道的OS课程。

这个笔记同理，只记最关键的内容和思考，直接针对408，基础性的概念性的知识以视频为主。

计算机系统概述

OS的基本概念

OS提供的服务：

1. 用户级别：
   • GUI，就是windows
   • 命令接口
     • 联机：有交互性，即cmd命令行
     • 脱机：批处理，即.bat文件
2. 程序员级别：
   • 系统调用：OS的api
   • 系统调用可以通过c语言的操作系统库函数调用，但是c语言本质上比系统调用还高一级

异步的前提是并发，程序之间交叉前进，即走走停停，无法预知。

OS的发展历程

1. 手工阶段，缺点：
   • 独占
   • 人太慢，机器速度逐渐加快，人拖累机器
2. 单通道批处理
   • 优：提升预处理速度，不拖累机器
   • 缺：独占
3. 多通道批处理
   • 优：解决独占，实现并发，提升效率
   • 缺：无交互能力
4. 分时系统
   • 优：解决交互能力，用户“看起来”独占
   • 缺：没有优先级
5. 实时系统
   • 优：解决了优先级响应问题，及时可靠

OS的运行机制

OS内核相当于OS的管理员，因此特权指令只能是内核执行。

平时用户的特权调用，操作都是向管理员申请，而不是亲力亲为。

两个状态的切换：

1. 升级：特权指令触发中断（硬件），OS响应中断的时候进入核心态
2. 降级：OS主动修改PSW让出控制权（软件）
   • 修改PSW的指令，本身就是特权指令

中断和计组第5章衔接

涉及到进程之间的协调，就一定要OS接入，进而需要系统调用。

需要注意，陷入指令是用户态指令（请求），接下来才会因为内中断进入核心态（执行）

OS体系结构

我们OS学的功能，可以放在内核，也可以放在用户，这就形成了大内核和微内核的区别。

微内核暴露的接口多，易于维护和扩展，但是沟通成本大，要反复调用。

1. 分层结构
   • 类似于计网的层次结构，结构清晰，通病是效率偏低
2. 模块化
   • 主模块分离，模块之间分离，平等
     • 优点：可以同时开发，且效率不错
     • 缺点：模块间的图关系很难把握
   • 动态可加载模块。
     • 可加载说白了就是插件，有没有都不影响运行，因此可以动态加载，比如驱动
3. 宏内核和微内核
   • 微内核相当于一个服务器，中转不同模块之间的`消息传递
4. 外核
   • 外核可以提供一些高级的资源（未经抽象的资源）分配方式
   • 内核分配的资源都是抽象的，虚拟化的，比如虚拟地址，外核可以直接分配物理地址，在一些需要频繁跳跃的场景，外核直接分配一片连续空间效果会很好。当然，外核也负责保证安全。
   • 跳过虚拟步骤，就相当于跳过了映射层，可以提高效率，缺点是复杂。

OS引导

简单来说，就是开机扫ROM就可以把操作系统拉起来，但是具体还是要分几步走：

1. 扫ROM，启动BIOS，自检
2. 读磁盘的MBR，获取分区
3. 从活动分区（C盘）中读PBR，获取C盘根目录
4. 通过目录找到操作系统的程序，拉到内存中，完成OS启动

这四步环环相扣，前一个获取了信息，后一步才能根据此信息行动。

而第4步用的程序，位置一般在C:/Windows/Boot/下面。

虚拟机

1. 第一类VMM，相当于传统OS的加强版，直接运行在硬件上
   • 虚拟OS看起来像一个OS，也有内核，但是实际上还是用户态，因此一个特权指令实际上要经过一次虚拟的系统调用+一次真正的系统调用。
   • 迁移性差，因为直接和硬件耦合
2. 第二类VMM，是寄居在宿主OS之上的，分为两部分
   • 用户态的VMM和宿主的应用程序是共存的
   • 核心态的VMM是以驱动的形式存在的，持续运行在内核态

进程和线程

进程和线程基础

进程

PCB，记录进程元数据：

1. 描述信息。用于区分进程，PID，UID
2. 进程控制和管理信息。和进程运行状态有关
3. 资源分配清单。
   • 资源是进程外部的，而数据段是程序产生的内部数据
4. 处理器相关信息。寄存器上下文

进程特征：

1. 并发性和异步是一起的
2. 结构性指的是每个进程的结构都一样，都是PCB+数据段+程序段

进程状态

进程控制

创建原语分为4步：

1. PCB创建和初始化
2. 分配资源（此时进入就绪态）
3. 插入就绪队列

撤销是逆过程：

1. 剥夺所有资源，清理子进程
2. 删除PCB

阻塞和唤醒，是可逆的过程

1. 修改PCB：可逆，所以现场要保护起来
2. 切换队列：把PCB放到对应队列中

无论是阻塞还是进程切换，都要剥夺CPU，而进程有一些内容还存在寄存器中，这些寄存器上下文就是保护现场要做的工作，是中断隐指令的内容。

进程通信

1. 共享储存
   • 把两个进程的虚拟储存，映射到同一个物理储存区域
   • 因此要互斥访问
2. 消息传递
   • 每一个进程都有一个消息队列
   • 直接通信：A进程把消息直接挂到B进程消息队列里
   • 间接通信：以信箱为中介，B要主动去信箱取出A发来的消息
3. 管道通信
   • 联系生产者消费者，管道其实就是一个循环队列，是个内存缓冲区
   • 管道互斥访问，因此是半双工（像水管）

线程

1. TCB：Thread CB
2. 一个进程内部，线程之间资源共享
   • 因此切换成本很小，其就是为了频繁切换，提高并发性而生的。
3. 一个程序的多线程可以放到不同进程中
   • 多核CPU的超线程
   • 但是这样就无法共享资源了，各用个的

线程可以理解为剥离掉公用资源后，剩下的相互独立的部分

因此线程的内容比较少，切换的时候只需要保证TCB里面的一些寄存器上下文就可以，比进程少很多。

线程实现

用户级线程，适用于早期OS没有线程管理功能的时候：

1. 本质上是用户自己用代码（线程库）管理线程的调度
   • 在OS看来，只有一个进程而已
   • 线程的调度是纯用户态行为，这种调度非常简单（线程库的逻辑）
2. 优缺点
   • 优：不需要系统调用，高效
   • 缺：假线程，代码在一个线程卡住，实际上都卡住了

内核级线程，这是经典的OS负责的线程：

1. 优点：真并发
2. 缺点：核心压力大

因此内核级线程又分出多种模式：

1. 一对一
   • 这其实和内核级线程一样
2. 多对一：多个用户级线程对应一个内核线程，而CPU只能看到内核线程
   • 这个模式比较鸡肋，和用户级线程一样
3. 多对多：多个用户级线程，映射到多个内核线程
   • 这才是真神
   • 可以把用户线程切分成3块，每一块都用多对一模型映射到一个线程，整体上三个部分有序工作，互相之间不会拖累，兼顾了效率和并发性

CPU调度

调度的层次

作业调度，作业≈一个程序，储存的位置是外存，作业调度≈程序启动
低级调度，针对进程，切换CPU

中级调度，和作业调度一样都是在内外存之间的，区别如下：

1. 作业调度是比较彻底，就是启动和终止
2. 中级调度类似于休眠（挂起），暂时放到外存（手机的扩展内存技术就是这样实现的）
   • 引入7状态模型，对就绪和阻塞分别增加对应的挂起状态
   • 在挂起状态（外存里），也可以实现阻塞到就绪的转变
   • 从运行态可以跳过就绪态，直接跳到挂起

进程调度细节

进程调度时机：

1. 主动
2. 被动。说白了就是被抢占
   • 中断处理（中断隐指令）和原子操作，都会关中断，因此不会被打断
   • OS内核处理内核临界区的时候，权限高，不可被打断

区分一下：

1. 狭义进程调度。在CPU空闲的时候，抓一个就绪态进程激活
2. 进程切换。剥夺一个运行的进程，换成另外一个进程
   • 两个操作都要恢复新现场
   • 相比于调度，切换额外要做的操作是保护旧现场

广义的进程调度，可能包含了进程切换这一过程

最后提一嘴调度程序，我们说，调度是由OS控制的，本质上就是软件，那么说白了，负责调度的管理者，还是一个程序。

这个程序什么时候会运行呢？

1. 如果是非抢占的时候，就是异步的运行，在特殊情况才运行（创销，阻塞唤醒）
2. 抢占式的，那么就要定期巡查，决定一个CPU是否应该抢占

调度算法

评价指标

1. 周转时间=等待+处理时间
2. 带权周转时间
   • 本质上是个比例值，可以衡量等待时间在周转时间中的占比
   • 越大，则等待越久
3. 等待时间。
   • 执行之前的时间，执行起来后等IO的时间不算
   • 作业的等待时间是在成为进程之前的那段时间
   • 进程的等待时间就是创建态+就绪态的那段时间
4. 响应时间
   • 和等待时间类似，但是针对的只是一种请求，比如键盘，鼠标

批处理调度算法

对于非纯计算程序，IO时间不算等待，因此还要抛去IO操作的部分。

FCFS（其实就是FIFO），之所以对短作业不利，就是因为短作业的带权周转时间会很大，这代表其体验很差。

短=Short，即SJF，SPF

具体计算，要分为三部分：

1. 还没来的作业
2. 作业池中的作业
3. 正在运行的作业

正在运行的作业只能在作业池中挑选，而不能是还没有进入作业池的，因此第一个任务只能是P1，即使他时间很长。

SJF分两种：

1. 非抢占式的SJF如上
   • 比较简单，顺序操作
   • 只需要在作业完成时，分析作业池即可
2. 抢占式的SJF（SRTN）
   • 如果有一个新的作业来了，那么就有可能比当前正在运行的作业的剩余时间短，此时就把作业替换回作业池中（记得标注剩余时间）
   • 具体做题的时候，比非抢占式要额外多分析新作业来的时间点

1. 题目区分细节
   • 默认非抢占，但是比较模糊
   • 考虑到抢占，SRTN的平均周转时间肯定是最少的
   • 如果默认作业没有到达顺序的先后之分，那么非抢占SJF=SRTN
2. SJF对长作业不利，无论是否抢占，都可能造成饥饿现象

HRRN用到响应比指标，综合了等待时间和处理时间，在保证了优先级的前提下，修复了SJF饥饿的问题。

分析思路和SJF类似，都是分成三部分，HRRN为非抢占式的，所以只在CPU空闲的时候对作业池进行分析。

注意，其等待时间是从到达开始计数的。

交互式调度方法

RR（时间片轮转）

1. 轮转本身很简单
   • 建立一个就绪队列，每一个时间片出队，处理队头对应的进程
   • 时间片完了以后就插到队尾
2. 难在新任务来的时候，会改变队列结构
   • 新任务来了，也是插在队尾
   • 如果A任务的时间片完了，此时B任务刚来，这二者的顺序以B为先，毕竟新来的要照顾一下（注意，这个照顾顺序只针对想要同时入队的两个任务，前面早就在队里的任务仍然在前面）
3. 如果任务处理完，时间片还没用完，会直接终止当前时间片
   • 很正常很人性化的设计，干等着没意思

因此，整个分析过程需要考虑的也是处理完以及新任务刚来的两种时刻。

严格来说，RR不会剥夺正在执行的时间片，但是先来先插到队尾的这种逻辑，以及规定时间片用完就剥夺，这两个操作具有抢占性，所以我们规定RR是抢占式的（剥夺的来源是时间片本身，而不是其他进程）

时间片太大，就会退化为FCFS，太小则切换开销占时间片的比例就太大了（类似于流水线那个感觉），效率降低。

优先级调度算法。优先数越高，就越排在前面激活。

此方法分为抢占式和非抢占式。
分析节点参考SJF。

多级反馈队列调度，这个是666，真神

我们直接分析一下其性质，相当复杂，但是又相当合理：

1. 队列内部是RR，队列之间是抢占
2. 关于优先级
   • 新手保护：刚来的，优先级最高
   • 耗时降级：如果耗时长，每完整执行一个时间片，优先级就会降低一级，直到降无可降
   • 被剥夺不降级：被剥夺严格来说不算执行完一个时间片，因此不降级，只是按RR原则放到了队尾。不过还会有补偿，新获得的时间片又是一个完整的时间片
3. 关于轮转
   • 优先高级：高一级的队列为空，才对下一级进行RR遍历（有抢占性，如果高一级来了新的，则立马切到高一级）
   • 保障低级：越低级，时间片越长。虽然低优先级低人一等，但是总得让人家执行完，所以低优先级的时间片反而会更多，一旦轮到了，就可以持续执行很长时间（当然，如果你不争气，执行不完那就继续降级，又或者被强占，总之还是低人一等）

优缺点分析：

1. 公平：FCFS
2. 快响应：RR+优先级调度
3. 短进程优先：SPF
4. 自动优先级
   • 如果想要保证任务的高优先级，可以尽量让其不降级，比如如果进程因为IO主动放弃时间片，此时我们不认为其执行完毕，因此不降级，这样就保证了IO的高优先级
5. 缺点：仍然不是绝对公平，因此会造成饥饿

在具体实践中，为了防止饥饿出现，可能一个队列会分配固定的时间上限，如果超过这个界限，还是要切换队列的，不能一直卡在高优先级队列。
此外，不同队列内部的策略还可以不一样。

同步与互斥

基本概念

异步就是无序性
同步就是有序性，A一定在B前。

遵循的原则，总结起来就是，忙可以先等一下，等久了就撤（让权），但是你不能让我等太久，过一段时间我还得拿回权利并且进入临界区。

互斥

互斥软件实现

单标志法是最原始的轮询

本质上，turn代表谦让以及指定，刚开始就指定一个进程，而一个进程执行完以后又会指定另外一个进程。
但是其问题在于，临界区使用权和CPU占用权是分裂的，让给你用，并不代表你就能用，即空闲也进不去，违背“空闲让进”

比如此时标记0进程能用临界区，但是此时CPU时间片属于1，此时while循环就会持续1个时间片，一边是忙等，另一边是空闲没人用

双标志法，把谦让逻辑变成了，将指定变成了排他逻辑，占用逻辑。

占用和释放，只修改自己的占用标记，不去指定他人。

双标志先检查，检查和上锁不连贯，此时，按照1526顺序，A还没上锁，B就通过检查了，就会同时进入临界区，即“忙”也能进去，违反了忙则等待。

为了修正，出现了双标志后检查法，这种方法先把临界区标记了，再检查，那么就可以确保别人拿不到临界区（缺德做法），但是这很明显不靠谱，会出现都用不上的情况，按照1526顺序，AB都标记，则会排他，那么AB就都会卡在检查阶段。

此时，即使临界区空闲，AB谁也不让着谁，谁也用不上，这违背了“空闲让进”，而且一直卡死，违背了“有限等待”

peterson算法，综合了单标志和双标志后检查法

标志代表意愿，turn代表谦让，最后被谦让的那一个，就可以获得使用权。

以1627举例，2先谦让一下，但是7后面有谦让一下，于是2就勉为其难的进入了，和现实的套路一模一样。
本质上，turn同一时间有且只能有一个值，因此同一时间只能有一个进程跳出循环，且必有一个进程跳出循环。

非常牛逼的思路，但是仍然优缺点，因为进程仍然是忙等状态，即违反了“让权等待”，但是已经是成本最低的了，这个操作可以通过时间片轮转来剥夺。

互斥硬件实现

关中断的缺点：

1. 多处理机，关不了其他CPU，进程可以借助其他CPU访问临界
2. 仅内核。因为这个操作给用户太危险

TestSet的操作，说白了就是用old检查，并对lock进行上锁，这是一个原子过程，检查和上锁是一气呵成的。
如果lock原来就是true，那么再上也无所谓
如果lock原来是false，那么就可以同时实现上锁+退出循环，不用担心被打断

上面这个代码只是模拟，实际上是硬件TSL指令实现的，是原子的，而软件编程是无法达到这个效果的。
缺点和peterson一样，都是忙等，不满足“让权等待”原则

还有一个Swap指令（Exchange，XCHG指令），和TSL基本一样的逻辑和特性

互斥锁（自旋锁）

互斥锁是一种思想，和mutex操作很像，就是申请和释放。

但是其申请过程是忙等的，所以TSL，swap指令都是自旋锁，单标指法其实也是自旋锁，申请过程都具有原子性

当然，正如单标志法哪里说的，忙等其实不完全忙等，时间片没了就退出（单处理器没有RR，所以就是彻底忙等）。甚至说有时候反而有意外效果，等待的时候不用切换上下文，有时候成本反而低。

信号量

信号量机制

整形信号量，说白了就是双标志先检查，但是P和V是原语，可以保证不会同时进入

但是因为底层还是一个循环，仍然会忙等，不满足让权等待。

记录型信号量引入阻塞队列，解决了忙等现象

1. 原来是忙等，现在发现资源不够就丢到阻塞队列里。
   • 极限情况为0，-1后为负，此时是第一个进程阻塞
2. 如果资源够了，且阻塞队列里有进程，就唤醒
   • 极限情况为-1，+1后为0，此时把阻塞队列里最后一个进程唤醒

信号量实现互斥同步

semaphore mutex = 1 ：代表记录型信号量，有等待队列

互斥比较简单，mutex=1，PV夹住临界区。

同步是前V后P，用一个信号量关联两个进程，等V操作执行完后，P才能执行下去。

给定一个拓扑图，只需要把每一个前驱后继关系都用一个信号量定义一下即可。
之后每一个节点都是一个进程，把边定义的前驱后继关系写到进程里面即可：

1. 入边写P
2. 出边写V

经典信号量问题

生产者消费者——基本的分析思路

需要注意一个细节就是，P操作是不可互换的，因为mutex只夹临界区，夹得多了就会出问题（死锁）
V操作可以互换，因为V操作一定不会被卡住

多生产者多消费者——多种生产者

首先是最简单的两组关系：

1. apple和orange各自有一对同步关系
2. plate关系：关键在于盘子，盘子是双方的一个中介，并不能单看父或者母，要把父母统一为一方，把子女统一为另一方
   

具体实现如下，三个同步信号量，这里将plate设置为“还可以放的空间”，因此初值为1

因此，整体就实现了一个PV结构，每一个进程，都是有P有V。
mutex实际上可有可无，因为我们这里的资源上限为1，已经相当于mutex的作用了，但是如果盘子空间变成2，就得加mutex了，否则就可能发生覆盖现象。

如果反过来呢，plate=盘中可用水果数量，会出问题，比如dad，此时就是V（apple），V（plate），可以看到这个进程是没有P的，也就是说不会被阻塞，他可以一直释放。

所以我们这里还可以总结出一条生产者消费者问题中，隐性的要求，就是PV一定是要成环的，相互制约，一个进程只有V无P，必然是有问题的，在我们制定信号量意义的时候，也应该考虑构造一个PV环结构。

吸烟者问题——多功能生产者

一个多功能生产者，给多个单功能消费者提供原料，同步关系如下

再拓展一下思路，如果finish定义为1呢？

那么就要把生产者的P操作放在最开始，消费者是不变的，仍然可以正常运行（因为仍然是PV环，而且PV关系没有变）

分析一下是否需要mutex，因为只有一个生产者，所以缓冲区最多有1个元素，不会出问题。
但是呢，如果有n生产者，此时因为生产者是V在前的，第一次生产不受阻塞，所以就可能会让缓冲区里存在n个元素，所以这种写法其实不好，如果是按照我那个P在前的写法，即使是有多个生产者进程，只要规定finish=1，就只能有一个元素被生产

哲学家进餐问题——连续申请多个资源

这个问题本身不难，难在如何解决死锁。

哲学家进餐问题的死锁情况为，每个哲学家都只P了一半，都卡在了第二个P上。
本质上，哲学家进餐是连续申请多个资源，如果申请的途中被卡了，而且是集体卡顿，那就死锁了。

所以解决哲学家死锁，就要从这些领域入手：

1. 最多让n-1个哲学家同时进餐，这样就一定可以保证有1个哲学家不会被卡死
   • 可以用一个值为n-1的信号量限制
2. 限定哲学家拿资源的顺序，强制哲学家进行两两竞争
   • 比如指定奇数哲学家先左边的，偶数先拿右边的，那么这一对哲学家必然是两个必有一个阻塞，而另一个没被阻塞的哲学家，在另一边不存在竞争，一定可以吃到
3. 保证哲学家多个P操作的原子性
   • 在一连串P外面加个mutex即可
   • 即使一个哲学家被卡，其他哲学家也不可能是P操作被卡，即其他哲学家在吃饭，这是暂时的，可以恢复的

读者写者问题

死锁