操作系统（02323）：概念与资源管理笔记 · 进程与调度至I/O 设备管理

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进程与调度

1、进程描述

• 并发执行

  • 操作系统本质是数据结构加算法
  • 操作系统中最核心的概念是进程
  • 程序的顺序执行特点：顺序性、封闭性、可再现性
  • 程序的并发执行特点：间断性、失去封闭性、不可再现性

• 进程概念

  • 进程是允许并发的程序在某个数据集合上的运行过程
  • 进程是正文段、用户数据段和进程控制块（PCB）共同组成的执行环境
    • 正文段：存放被执行的机器指令
    • 用户数据段：存放进程在执行时要操作的用户数据
    • 进程控制块：存放程序的执行环境

• 进程的特征

  • 并发性
  • 独立性
  • 异步性
  • 动态性
  • 结构特征

• 进程和程序区别

  • 程序静态，进程是动态
  • 程序永久，进程暂时存在
  • 程序和进程存在实体不同
    • 程序：指令集合
    • 进程：正文段、用户数据段、进程控制快组成

• 进程和程序的联系

  • 进程是程序的一次执行
  • 进程总是对应至少一个特定的程序，执行程序的代码
  • 一个程序可以对应多个进程

• 进程控制块

  • 进程实体存在的标志是操作系统管理进程所使用的数据结构—进程控制块

  • 进程控制块（PCB）是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的数据结构

  • 进程控制块中记录了操作系统所需要的，用户描述进程情况以及控制进程运行所需要的全部信息

  • 进程控制块是操作系统感知进程存在的唯一标志

  • 包含信息有哪些

    • 进程标识符信息：唯一标识一个进程
    • 处理机状态信息：包括通用寄存器，指令计数器，程序状态字 PSW，用户栈指针
    • 进程调度信息：包括进程状态信息，进程优先级和进程调度所需的其他信息
    • 进程控制信息：包括程序和数据的地址，进程同步和通信机制资源清单以及链接指针

• 进程的状态

  • 就绪态、执行态、阻塞态

    

2、进程的控制

• 进程的创建

  进程创建--阻塞--唤醒--终止

  • 创建条件

    • 用户登录
    • 作业调度
    • 提供服务
    • 应用请求

  • 新进程执行情况

    • 父子进程并发执行
    • 父等待，知道某个子执行完毕

  • 新进程地址空间情况

    • 子共享父地址空间
    • 子拥有独立地址空间
    • 操作系统组织和管理进程是通过管理和组织进程控制块来实

  • 调用创建新进程的系统调用来创建进程的一般步骤

    • 申请空白 PCB
    • 为新进程分配资源
    • 初始化进程控制快
    • 将新进程插入就绪队列

• 进程的阻塞

  • 条件

    • 请求系统服务
    • 数据尚未到达
    • 无工作可做
    • 启动某种操作

  • 完成进程阻塞简化过程

    • 将进程的状态改为阻塞态
    • 将进程插入相应的阻塞队列
    • 转进程调度程序，从就绪进程中选择进程为其分配 CPU

• 进程的唤醒

  • 将阻塞队列中移除
  • 将进程状态阻塞态改为就绪态
  • 将进程插入就绪态

• 进程的终止（撤销）

  • 正常执行完毕，终止进程，删除该进程

  • 一个进程调用适当的系统调用，终止另外一个进程

  • 父终止子原因

    • 子进程是了超过了分配的资源
    • 分配给子进程任务不再需要
    • 父进程退出

  • 操作系统通过系统调用完成进程终止的一般过程如下

    • 从进程 PCB 中读进程状态
    • 若进程正在执行，则终止进程的执行
    • 若进程有子孙进程，按平台和管理策略处理；父进程退出不必然终止所有子孙进程
    • 释放资源
    • 将终止进程的 PCB 移出

• 操作系统内核：负责受控入口与核心资源管理；系统调用与进程切换的区别见系统调用为什么切换。

进程调度与死锁

就绪表示除了CPU之外已经具备运行条件，阻塞表示仍在等事件。读磁盘时进程可以主动阻塞，I/O完成后回到就绪队列，只有被调度后才执行。轮转调度给就绪任务有限时间片；时间片越短，首次响应可能越快，但上下文切换比例也可能上升。

死锁需要同时具备互斥、占有等待、不可剥夺和循环等待。两线程分别持有L1与L2并互等时，可通过统一获取顺序破坏循环等待；预防直接约束条件，避免则依据未来资源需求判断安全状态，二者不能混称。

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内存管理

分页把虚拟地址拆为页号与页内偏移。以4KiB页、虚拟地址0x1234为例，页号1、偏移0x234；若映射到物理页框9，地址就是0x9234。不同进程的相同虚拟地址可映射不同物理页，共享内存则可显式映到同一页。

TLB缓存翻译，未命中只意味着要进一步查页表；缺页可能触发按需分配、文件读入，也可能因为非法访问而终止任务。工作集超出可用内存时频繁换页会造成抖动，虚拟地址空间大不代表所有访问都能获得物理资源。

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文件系统

路径解析逐级查目录项，把名字关联到文件元数据，再定位数据块。目录层级解决名字组织问题，读写权限控制访问；应用通常面对字节流，文件系统无需理解其中的业务记录。

读取可能命中页缓存；写入返回也可能只是数据进入内核缓存。崩溃一致性需考虑数据块、元数据和目录项的写入顺序，日志帮助恢复一致状态，但不能替代误删除恢复或独立备份。

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I/O 设备管理

驱动把通用读写请求转换为设备操作。轮询主动检查是否完成，中断让设备通知处理器；DMA可在配置后搬运设备与内存之间的数据，减少CPU逐字节复制。DMA完成不意味着应用已经处理了这些字节，还需完成通知与调度。

缓冲吸收速度差并支持批量处理，但会消耗内存和引入等待。SPOOLing先把打印任务放入磁盘队列，由后台服务顺序送给打印机，使多个应用可以提交任务；它不提升打印机本身的物理打印速度。

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