P2 操作系統(tǒng)的功能和目標(biāo)

用戶和操作系統(tǒng)是相接的，也是可以直接交互的：因?yàn)榧词箾]有安裝軟件也可以用操作系統(tǒng)干很多事情。

此處的定義劃分有三個(gè)維度：

①由中間到兩邊

②由下到上

③由上到下

下面根據(jù)三個(gè)維度來介紹操作系統(tǒng)的功能和目標(biāo)：

①作為系統(tǒng)資源的管理者

②作為用戶和計(jì)算機(jī)硬件之間的接口

兩種命令接口：

程序接口：

GUI

③作為最接近硬件的層次

總結(jié)：

P3操作系統(tǒng)的特征

①并發(fā)

并行：

②共享

• 互斥共享
• 同時(shí)共享

但是微觀上，可能真的是在并行（比如打游戲時(shí)聽歌，游戲的聲音和歌的聲音在聲音輸出設(shè)備微觀上也是同時(shí)進(jìn)行）

并發(fā)VS共享

③虛擬

兩個(gè)關(guān)鍵詞：（第三章）

• 虛擬存儲(chǔ)技術(shù)
• “空分復(fù)用技術(shù)”and“時(shí)分復(fù)用技術(shù)”

④異步

總結(jié)：

P3操作系統(tǒng)的發(fā)展和分類

每一個(gè)階段的優(yōu)點(diǎn)都是上一個(gè)階段的缺點(diǎn)

①手工操作階段

②批處理階段——單道批處理系統(tǒng)

③批處理階段——多道批處理系統(tǒng)

多道批處理階段需要多道程序并發(fā)進(jìn)行，需要錯(cuò)做系統(tǒng)來進(jìn)行管理，標(biāo)志著操作系統(tǒng)正式形成

為什么多道批處理系統(tǒng)可以增加效率？

④分時(shí)操作系統(tǒng)

⑤實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

⑦其他操作系統(tǒng)

總結(jié)

P5 OS運(yùn)行機(jī)制和體系結(jié)構(gòu)

①運(yùn)行機(jī)制

兩種指令

代碼和指令有什么區(qū)別？

指令：CPU能夠識(shí)別、執(zhí)行的做基本的命令。

兩種處理器狀態(tài)

CPU的兩種狀態(tài)是由程序狀態(tài)字寄存器（PSW）某個(gè)標(biāo)志位來表示當(dāng)前處理器處于什么狀態(tài)。

兩種程序

根據(jù)程序是否能使用非特權(quán)指令，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)把程序分為兩種

小總結(jié)

②操作系統(tǒng)的內(nèi)核

所有的進(jìn)程切換和調(diào)度都是要基于計(jì)時(shí)功能實(shí)現(xiàn)

原子性：程序要么不執(zhí)行，要么執(zhí)行完畢

③操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

總結(jié)：

P6中斷和異常

多道批處理階段：

引入中斷機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多道程序并發(fā)執(zhí)行

本質(zhì)：發(fā)生中斷就意味著需要操作系統(tǒng)接入，開展管理工作

【動(dòng)態(tài)過程看視頻】

進(jìn)程1在用戶態(tài)進(jìn)行，當(dāng)CPU收到計(jì)時(shí)器部件發(fā)送的中斷信號(hào)，切換為核心態(tài)進(jìn)行處理。

將CPU的使用權(quán)限交給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)的內(nèi)核對(duì)中斷信號(hào)進(jìn)行處理，OS決定進(jìn)程1的時(shí)間片已經(jīng)用完，換為進(jìn)程2運(yùn)行，然后OS會(huì)把CPU的使用權(quán)交還給用戶進(jìn)程，進(jìn)程2就會(huì)在用戶態(tài)下開始進(jìn)行

★★重要★★

中斷的分類：

總結(jié)：

P7系統(tǒng)調(diào)用

OS是硬件和用戶之間的接口，向上層提供服簡單易用的服務(wù)。

有兩種接口：

• 命令接口——允許用戶直接使用
• 程序接口（由一組系統(tǒng)調(diào)用組成）——允許用戶通過程序間接使用

用戶進(jìn)程要使用共享資源，只能通過系統(tǒng)調(diào)用對(duì)操作系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求，操作系統(tǒng)會(huì)對(duì)各個(gè)請(qǐng)求進(jìn)行協(xié)調(diào)管理。

作用：保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

系統(tǒng)調(diào)用可以理解為供程序使用的特殊的函數(shù)。和我們編程常見的庫函數(shù)有什么區(qū)別呢？

• 應(yīng)用程序可以通過匯編語言的形式直接使用系統(tǒng)調(diào)用。
• 高級(jí)語言提供的庫函數(shù)底層會(huì)為我們相應(yīng)封裝一些系統(tǒng)調(diào)用的功能，隱藏一些細(xì)節(jié)，使上層進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用更加方便。

總結(jié)：

陷入指令=trap指令=訪管指令

P8 進(jìn)程

程序段存在內(nèi)存的低地址位置，數(shù)據(jù)段存在內(nèi)存的高地址位置

P12進(jìn)程

OS為每一個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)PID

OS在背后還記錄了進(jìn)程的其他信息：

• 記錄了為進(jìn)程分配了哪些資源（分配多少內(nèi)存、正在使用哪些IO設(shè)備）
• 記錄了進(jìn)程運(yùn)行的情況（CPU使用時(shí)間、磁盤使用狀況）

這些信息會(huì)被保存在一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)程控制塊PCB

PCB中存在很多字段

我們只需知道，PCB中存儲(chǔ)的都是操作系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程進(jìn)行管理工作所需要的信息

一系列的指令序列就是以.exe格式的文件儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)硬盤中

進(jìn)程實(shí)體可以理解為進(jìn)程某一時(shí)刻的快照，進(jìn)程實(shí)體反映進(jìn)程某一時(shí)刻的狀態(tài)

進(jìn)程是進(jìn)程實(shí)體的運(yùn)行過程，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位。

比如，OS就是為每一個(gè)進(jìn)程分配內(nèi)存等資源，這就是以進(jìn)程為單位。

PCB是給操作系統(tǒng)的，程序段、數(shù)據(jù)段是給進(jìn)程自己用的，與進(jìn)程自身的運(yùn)行邏輯有關(guān)。

進(jìn)程的特征

進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過程

總結(jié)：

在引入線程以后，進(jìn)程就不再是接收調(diào)度的基本單位了，但是進(jìn)程依然是獲得資源的基本單位

P13進(jìn)程的狀態(tài)和狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

本小節(jié)介紹進(jìn)程所擁有的的各種狀態(tài)以及它們?cè)谑裁辞闆r下進(jìn)行轉(zhuǎn)換；以及探究進(jìn)程的組織方式

既然進(jìn)程2接下來的指令無法繼續(xù)進(jìn)行下去，顯然我們不應(yīng)該讓進(jìn)程2一直占用CPU資源。

進(jìn)程運(yùn)行過程中可能需要等待某個(gè)時(shí)間發(fā)生的過程，比如：

• 某種系統(tǒng)資源的分配
• 等待其他進(jìn)程的響應(yīng)

在這個(gè)事件發(fā)生之前，進(jìn)程無法繼續(xù)執(zhí)行下去，操作系統(tǒng)會(huì)讓這個(gè)進(jìn)程下CPU，進(jìn)入“阻塞態(tài)”

當(dāng)進(jìn)程等待的資源獲得時(shí)，操作系統(tǒng)就會(huì)讓被阻塞的進(jìn)程回到就緒態(tài)，這個(gè)進(jìn)程就再次擁有了處理機(jī)運(yùn)行的條件。

進(jìn)程的結(jié)束：進(jìn)行可以執(zhí)行exit系統(tǒng)調(diào)用請(qǐng)求OS終止該進(jìn)程。此時(shí)進(jìn)程會(huì)進(jìn)入“終止態(tài)”。

終止態(tài)產(chǎn)生的響應(yīng)的行為：

• OS會(huì)讓進(jìn)程下CPU
• OS回收內(nèi)存空間等資源，最后還要回收PCB

當(dāng)終止進(jìn)程的工作完成以后，進(jìn)程就徹底消失了

總結(jié)一下進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程：

1. 創(chuàng)建態(tài)
2. 就緒態(tài)
3. 運(yùn)行態(tài)
4. 阻塞態(tài)
5. 終止態(tài)

進(jìn)程五狀態(tài)模型：

有的時(shí)候可以直接由運(yùn)行態(tài)轉(zhuǎn)換到就緒態(tài)，比如：

• 操作系統(tǒng)給運(yùn)行態(tài)分配的時(shí)間片用完以后（時(shí)鐘中斷，進(jìn)程本來在CPU上運(yùn)行，CPU突然收到一個(gè)時(shí)鐘中斷的信號(hào)，進(jìn)程就會(huì)被剝奪CPU的使用權(quán)）
• 處理機(jī)被搶斷

OS 是如何記錄進(jìn)程的狀態(tài)呢？

PCB中有一個(gè)狀態(tài)字state

為了對(duì)同一個(gè)狀態(tài)下進(jìn)程進(jìn)行統(tǒng)一管理，OS會(huì)將各個(gè)進(jìn)程的PCB組織起來。

接下來探討的就是進(jìn)程的組織的問題。

鏈?zhǔn)椒绞?/p>

OS會(huì)管理一系列的隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列都會(huì)指向相應(yīng)狀態(tài)的進(jìn)程PCB

索引方式

OS會(huì)給各種狀態(tài)的進(jìn)程建立相應(yīng)的索引表，每一個(gè)索引表項(xiàng)又會(huì)指向相應(yīng)的PCB

但是，大部分的OS都是使用的鏈?zhǔn)椒绞?/p>

P14進(jìn)程控制

簡單來說，進(jìn)程控制就是實(shí)現(xiàn)進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換

如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)程控制？

用原語來實(shí)現(xiàn)。

原語要求一氣呵成，進(jìn)程的控制通過原語來實(shí)現(xiàn)，也需要一氣呵成。那為什么進(jìn)程的控制要一氣呵成呢？

如果不能一氣呵成，就有可能出現(xiàn)OS中某些關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息不統(tǒng)一的情況，這會(huì)影響OS進(jìn)行別的管理工作。

剛好原語這種特殊的程序具有一氣呵成，不能被中斷的性質(zhì)，所以就可以用原語這樣的程序來實(shí)現(xiàn)一氣呵成的功能。

那為什么原語不可中斷呢？這是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

通過“開中斷指令”和“關(guān)中斷指令”

CPU每進(jìn)行完一條指令，都會(huì)檢查是否有中斷信號(hào)要進(jìn)行處理。如果有，則暫停當(dāng)前這段程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序。

“開中斷”和“關(guān)中斷”都是特權(quán)指令，不允許普通的用戶程序使用，只能讓內(nèi)核程序使用。

接下來討論進(jìn)程控制相關(guān)的原語。

①創(chuàng)建原語：創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程時(shí)使用的原語。

首先，申請(qǐng)空白PCB（PCB是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志）。

為新進(jìn)程分配所需資源。

初始化PCB。

將PCB插入就緒隊(duì)列。

至此，進(jìn)程由創(chuàng)建態(tài)進(jìn)入到就緒態(tài)。

下面是一些典型的會(huì)創(chuàng)建進(jìn)程的事件。

下面是將進(jìn)程轉(zhuǎn)換到終止態(tài)的撤銷原語。

關(guān)于父進(jìn)程與子進(jìn)程：

常見的引起進(jìn)程中止的事件：

P15進(jìn)程通信

進(jìn)程間通信(Inter-Process Communication,IPC)是指兩個(gè)進(jìn)程之間產(chǎn)生數(shù)據(jù)交互。

為什么進(jìn)程通信需要操作系統(tǒng)的支持？

各個(gè)進(jìn)程的地址空間是相互獨(dú)立的，各個(gè)進(jìn)程只能訪問自己的內(nèi)存地址空間（這么做是出于安全的考慮）。

方式一：共享存儲(chǔ)

如果使用共享存儲(chǔ)的方式，必須要保證對(duì)共享存儲(chǔ)的訪問是互斥的。

基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的共享：

基于存儲(chǔ)區(qū)的共享：OS只是在內(nèi)存中劃出共享區(qū)域。數(shù)據(jù)的組織形式、存放位置都是由通信進(jìn)程控制。

方式二：消息傳遞

直接消息傳遞

進(jìn)程Q有一個(gè)消息隊(duì)列

P進(jìn)程在自己的空間構(gòu)造

間接消息傳遞

P16線程

傳統(tǒng)意義上，進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行，無法實(shí)現(xiàn)一個(gè)進(jìn)程同時(shí)處理很多事情。

傳統(tǒng)的進(jìn)程是程序執(zhí)行流的最小單位。

人們有引入線程機(jī)制增加系統(tǒng)的并發(fā)度。

沒有引入線程之前，一個(gè)進(jìn)程對(duì)應(yīng)一份代碼，只能順序地依次往下執(zhí)行。

引入線程之后，每個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程，各個(gè)線程有各自不同或者相同的代碼。這些代碼都會(huì)并發(fā)地被CPU處理，也會(huì)并發(fā)地依次處理下去。

引入線程以后，進(jìn)程不再是CPU調(diào)度的基本單位。進(jìn)程只作為除CPU之外的系統(tǒng)資源的分配單元。

引入線程機(jī)制以后，有什么變化？

線程有哪些屬性？

線程只是處理機(jī)調(diào)度的基本單位

線程基本不擁有系統(tǒng)資源，而是共享進(jìn)程的資源（包括內(nèi)存地址空間）。也正是共享內(nèi)存地址空間，同一進(jìn)程中的線程間的通信甚至無需系統(tǒng)干預(yù)，系統(tǒng)開銷也很小。同一進(jìn)程中線程切換不會(huì)引起進(jìn)程切換，不同進(jìn)程線程切換會(huì)引起進(jìn)程切換。切換線程系統(tǒng)開銷很小，切換進(jìn)程系統(tǒng)開銷很大。

P17線程的實(shí)現(xiàn)方式和多線程模型

進(jìn)程是資源分配的基本單位

從線程的角度看，線程其實(shí)就是一段代碼邏輯。

1、線程的管理工作是由誰來完成的？

應(yīng)用級(jí)線程的管理是由線程庫來完成的，并不是操作系統(tǒng)來完成的。

2、線程切換是否需要CPU變態(tài)？

從代碼上看，并不涉及請(qǐng)求操作系統(tǒng)服務(wù)，切成切換的管理是由線程庫這樣的應(yīng)用程序自己完成的，在用戶態(tài)下就能實(shí)現(xiàn)。

3、操作系統(tǒng)是否能意識(shí)到用戶級(jí)線程的存在？

OS只能意識(shí)到進(jìn)程的存在，意識(shí)不到進(jìn)程內(nèi)部的線程的。

4、優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：用戶級(jí)線程的切換在用戶空間即可完

成，不需要切換到核心態(tài)，線程管理的系統(tǒng)

開銷小，效率高

缺點(diǎn)：當(dāng)一個(gè)用戶級(jí)線程被阻塞后，整個(gè)進(jìn)

程都會(huì)被阻塞，并發(fā)度不高。多個(gè)線程不可

在多核處理機(jī)上并行運(yùn)行。

在用戶級(jí)線程的條件下，CPU調(diào)度的基本單位依然是進(jìn)程。進(jìn)程只能被分配一個(gè)核心，因此這些線程并不能并行運(yùn)行。

內(nèi)核級(jí)線程：OS層面也可以看到線程

根據(jù)用戶級(jí)線程和內(nèi)核級(jí)線程的映射關(guān)系，可以劃分為幾種多線程模型

OS只是看得見內(nèi)核級(jí)線程。因此，只有內(nèi)核級(jí)線程超市處理機(jī)分配的單位。

回顧

P18線程的狀態(tài)與轉(zhuǎn)換

程序計(jì)數(shù)器：指明線程執(zhí)行到哪里了

線程狀態(tài)切換的時(shí)候，

下處理機(jī)：將線程的PC存入TCB中

上處理機(jī)：從PCB中取出PC的值放回PC寄存器中

線程表：將多個(gè)線程的TCB組織起來形成線程表

P19調(diào)度的概念和層次

調(diào)度：

一堆任務(wù)要處理，資源有限，確定某種規(guī)則來決定處理這些任務(wù)的順序。

作業(yè)：一個(gè)具體的任務(wù)

用戶向操作系統(tǒng)提交一個(gè)作業(yè)≈用戶讓OS處理一個(gè)任務(wù)（讓OS啟動(dòng)一個(gè)程序）

暫時(shí)調(diào)到外存等待的進(jìn)程狀態(tài)為掛起狀態(tài)。

低級(jí)調(diào)度——處理機(jī)調(diào)度

中級(jí)調(diào)度——內(nèi)存調(diào)度

高級(jí)調(diào)度——作業(yè)調(diào)度

七狀態(tài)模型：

掛起：進(jìn)程映像調(diào)到外存

阻塞：進(jìn)程映像還在內(nèi)存中

P20進(jìn)程調(diào)度的時(shí)機(jī)、切換和過程、方式

P22調(diào)度算法評(píng)價(jià)指標(biāo)

P23

進(jìn)程調(diào)度算法

短作業(yè)優(yōu)先：

P26 進(jìn)程同步與進(jìn)程互斥

并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程有異步性。

有時(shí)我們必須保證進(jìn)程是按我們想要的推進(jìn)順序來執(zhí)行的，操作系統(tǒng)就需要提供進(jìn)程同步的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)這樣的需求。

同步要解決的問題就是如何解決進(jìn)程異步的問題。

同步亦稱直接制約關(guān)系（進(jìn)程間有直接的合作），指的是為完成某些任務(wù)而建立的多個(gè)進(jìn)程需要協(xié)調(diào)工作次序而產(chǎn)生的制約關(guān)系。

資源的共享方式：

• 互斥共享方式
• 同時(shí)共享方式

我們把一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程使用的資源稱為臨界資源。

進(jìn)程互斥，間接制約關(guān)系（進(jìn)程間沒有直接的合作關(guān)系）

簡稱互斥的四個(gè)邏輯部分

• 進(jìn)入?yún)^(qū)：檢查是否可以進(jìn)入臨界區(qū)，若可以進(jìn)入則上鎖（加上正在訪問臨界資源的標(biāo)志）。
• 臨界區(qū)：訪問臨界資源的那段代碼要放解除正在訪問臨界資源的標(biāo)志）
• 剩余區(qū)

總結(jié)

P27進(jìn)程互斥的軟件實(shí)現(xiàn)方法

單標(biāo)志法：

問題：是依次交替輪流使用。如果輪到對(duì)方來訪問臨界區(qū)，但是對(duì)方又不訪問，就會(huì)出現(xiàn)臨界區(qū)空閑，但又不允許p1訪問的情況。

違背了“空閑讓進(jìn)”的原則

雙標(biāo)志先檢查法：

看起來沒有問題，但是當(dāng)這兩個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)問題。

按照1、5、2、6的順序來執(zhí)行的話，就會(huì)發(fā)生奇怪的事情。

問題：進(jìn)入?yún)^(qū)的檢查和上鎖，兩個(gè)處理不是一氣呵成的。檢查之后，上鎖之前可能會(huì)發(fā)生進(jìn)程切換。進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)進(jìn)程都進(jìn)入臨界區(qū)的情況。違反了“忙則等待”的原則。

雙標(biāo)志后檢查法：

Peterson算法

總結(jié)

P28進(jìn)程互斥的硬件實(shí)現(xiàn)方法

• 不適用于多處理機(jī)，關(guān)中斷指令只對(duì)執(zhí)行關(guān)中斷指令的處理機(jī)有用
• 不適用于用戶進(jìn)程，只能運(yùn)行在操作系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)

總結(jié)：

P29互斥鎖

多處理器的情況下，自旋等待的代價(jià)反而會(huì)很低

P30信號(hào)量機(jī)制

• 信號(hào)量是一種變量，用來表示系統(tǒng)中某種資源的數(shù)量
• 可以用系統(tǒng)提供的一對(duì)原語wait和signal來對(duì)信號(hào)量進(jìn)行操作（簡稱PV操作）

wait的過程：

1. 先表示想要消耗一個(gè)資源
2. 如果沒有資源了，則使用block原語將進(jìn)程從運(yùn)行態(tài)送進(jìn)阻塞態(tài)；并把該進(jìn)程掛入阻塞隊(duì)列

signal的過程：

1. 釋放資源，value+1
2. 如果還有進(jìn)程等待這種資源（阻塞隊(duì)列中還有進(jìn)程），則使用wakeup原語喚醒等待隊(duì)列中的一個(gè)原語，使其進(jìn)入就緒態(tài)

整體過程：

信號(hào)量機(jī)制遵循了讓權(quán)等待原則，（一個(gè)進(jìn)程會(huì)使用block源與自我阻塞，主動(dòng)放棄處理機(jī)）

總結(jié)：

P31用信號(hào)量機(jī)制實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的同步和互斥

用信號(hào)量機(jī)制實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的互斥

信號(hào)量表示資源的數(shù)量，互斥信號(hào)量mutex表示“進(jìn)入臨界區(qū)的名額”

1. 劃定臨界區(qū)：哪一段代碼是用來訪問臨界區(qū)資源
2. 設(shè)置互斥信號(hào)量mutex（進(jìn)臨界區(qū)對(duì)mutex執(zhí)行P操作，出臨界區(qū)對(duì)mutex執(zhí)行V操作）

注意：

• 要會(huì)自己定義記錄型信號(hào)量，默認(rèn)使semaphore
• 對(duì)于不同的臨界資源，需要設(shè)置不同的互斥信號(hào)量
• PV操作必須成雙成對(duì)（缺少p操作，就無法保證各個(gè)進(jìn)程互斥的訪問臨界資源；缺少v操作，就會(huì)導(dǎo)致某些進(jìn)程被阻塞以后一直無法被喚醒）

用信號(hào)量機(jī)制實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的同步

進(jìn)程的同步：由于進(jìn)程同步具有異步性，有時(shí)為了完成某一特定任務(wù)，需要進(jìn)程按照特定的順序來互相配合，有序推進(jìn)。

剛開始設(shè)置P=0表示并沒有這種資源。

在前操作之后執(zhí)行V操作，早后操作之前執(zhí)行P操作，只有先執(zhí)行V（還有進(jìn)程在等待這種資源，執(zhí)行wakeup語句，喚醒阻塞隊(duì)列中的一個(gè)進(jìn)程）操作釋放資源才能執(zhí)行P操作之后的代碼，這就保證了執(zhí)行代碼的順序。

更復(fù)雜的情況：信號(hào)量機(jī)制實(shí)現(xiàn)前驅(qū)關(guān)系

總結(jié)

以上都是進(jìn)程同步和互斥的理論，從下一講開始會(huì)介紹幾個(gè)經(jīng)典的進(jìn)程同步和互斥問題

P32 生產(chǎn)者消費(fèi)者問題

緩沖區(qū)是臨界區(qū)資源，各進(jìn)程必須互斥地訪問。

生產(chǎn)者、消費(fèi)者共享一個(gè)初始為空、大小為n的緩沖區(qū)。

full：產(chǎn)品的數(shù)量（非空緩沖區(qū)的數(shù)量）緩沖區(qū)剛開始都是空的，設(shè)置full=0

empty：空閑緩存區(qū)，初始時(shí)全是空閑的，empty=n

mutex：“互斥信號(hào)量”，由于緩沖區(qū)為臨界資源，各個(gè)進(jìn)程必須互斥的訪問，初始設(shè)為1

實(shí)現(xiàn)互斥的PV鎖是在同一進(jìn)程中進(jìn)行；

實(shí)現(xiàn)同步關(guān)系的PV操作是在兩個(gè)進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于full變量，現(xiàn)在生產(chǎn)者中執(zhí)行V操作，增加一個(gè)產(chǎn)品；再在消費(fèi)者那里執(zhí)行P操作，消耗一個(gè)產(chǎn)品。

實(shí)現(xiàn)互斥的P操作一定要在實(shí)現(xiàn)同步的P操作之后，否則可能引起死鎖；

V操作不會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程阻塞，因此兩個(gè)V操作順序可以互換。

生產(chǎn)者生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品和和消費(fèi)者使用產(chǎn)品這兩個(gè)步驟可否放入臨界區(qū)？

可以是可以，但是會(huì)導(dǎo)致一個(gè)進(jìn)程對(duì)臨界區(qū)上鎖的時(shí)間增長，這樣將不利于各個(gè)進(jìn)程交替使用臨界區(qū)資源。所以要讓臨界區(qū)的代碼盡可能的短。

P33多生產(chǎn)者和多消費(fèi)者問題

“多”：多類（不同生產(chǎn)者和消費(fèi)者生產(chǎn)和消費(fèi)的東西是不一樣的）

先分析存在哪些互斥和同步關(guān)系：

互斥關(guān)系：對(duì)緩沖區(qū)（盤子）的訪問要互斥

同步關(guān)系（先后順序）：

1.先放后取

• 父親先將蘋果放入盤子后，女兒才能取蘋果。
• 母親將橘子放入盤子后，兒子才能取橘子。

2.兒子或女兒將盤子拿空以后，父親或母親才能放入水果。

確定PV操作大致順序

實(shí)現(xiàn)互斥：在訪問臨界資源前后分別執(zhí)行P操作和V操作

實(shí)現(xiàn)同步：前V后P

設(shè)置信號(hào)量

互斥關(guān)系設(shè)置初值為1的信號(hào)量（mutex=1）

apple=1；orange=0

plate=1

可不可以不要互斥信號(hào)量？

三個(gè)變量同一時(shí)刻最多只有一個(gè)能是1，因此任何時(shí)刻最多只有一個(gè)進(jìn)程不會(huì)被阻塞

P38死鎖

死鎖產(chǎn)生的必要條件

什么時(shí)候會(huì)發(fā)生死鎖？

死鎖的處理策略：

見下一節(jié)

P39 死鎖的處理策略——預(yù)防死鎖

互斥條件：對(duì)互斥資源的爭搶才會(huì)導(dǎo)致死鎖。

P42內(nèi)存

※如何實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換

程序執(zhí)行前需要先放到內(nèi)存中才能被CPU處理

問題：程序的數(shù)據(jù)都存放在內(nèi)存中，那該如何區(qū)分各個(gè)程序的數(shù)據(jù)存放在什么地方呢？

方法就是，進(jìn)行編號(hào)。

每個(gè)存儲(chǔ)單元的大小取決于計(jì)算機(jī)是按什么來編址。（按字編址、按字節(jié)編址）

默認(rèn)進(jìn)程相關(guān)內(nèi)容從#0開始連續(xù)存放，指令中的參數(shù)直接給出變量的實(shí)際存放地址（物理地址）

但是如果不是從地址#0開始存放（邏輯地址），會(huì)影響指令的執(zhí)行嗎？

三種策略解決絕對(duì)地址和相對(duì)地址轉(zhuǎn)化的問題

方法一：絕對(duì)裝入

這種方式的靈活性很低（可移植性很低，在一臺(tái)電腦上物理地址開始的地方不是另一臺(tái)電腦上物理地址開始的地方）

方法二：可重定位裝入

靜態(tài)重定位

編譯鏈接后的模塊兒地址還是從0開始，模塊裝入內(nèi)存時(shí)進(jìn)行重定位

這種方式的特點(diǎn)是：

• 給作業(yè)分配的內(nèi)存空間必須是連續(xù)的，而且是一次性分配全部需要的內(nèi)存空間；
• 必須一次性裝入
• 作業(yè)一旦進(jìn)入內(nèi)存，運(yùn)行期間不能再移動(dòng)。

動(dòng)態(tài)重定位（現(xiàn)代操作系統(tǒng)使用的方法）

如果一個(gè)系統(tǒng)支持動(dòng)態(tài)重定位，還需要一個(gè)重定位寄存器的支持。

剛開始往重定位寄存器中存放模塊存放的起始地址。

CPU在對(duì)一個(gè)內(nèi)存地址進(jìn)行訪問的時(shí)候，會(huì)把邏輯地址和重定位寄存器中存放的模塊起始地址進(jìn)行相加。

動(dòng)態(tài)重定位是進(jìn)程中的數(shù)據(jù)，在運(yùn)行過程中發(fā)生移動(dòng)是很方便的。（比如如果想讓數(shù)據(jù)從200開始，只需要讓重定位寄存器中的值改為200）

動(dòng)態(tài)重定位具有很多優(yōu)點(diǎn)：

（在之后學(xué)習(xí)過虛擬存儲(chǔ)管理之后，就對(duì)這些性質(zhì)有深入理解）

接下來從一個(gè)更宏觀、更全局的角度來描述從寫程序到程序運(yùn)行的過程。

通過編譯將源代碼編譯成若干個(gè)目標(biāo)模塊（即把高級(jí)語言翻譯為機(jī)器語言）

目標(biāo)模塊中已經(jīng)包含了代碼所對(duì)應(yīng)的指令。每一個(gè)模塊的地址都是相互獨(dú)立的邏輯地址

各個(gè)目標(biāo)模塊進(jìn)行鏈接以后，就形成了裝入模塊（.exe）。裝入模塊具有完整的邏輯地址。

剛剛我們講的邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換就是在裝入過程中發(fā)生。

接下來要介紹三種鏈接的方法：

采用動(dòng)態(tài)鏈接的方法時(shí)，用到某一個(gè)模塊兒時(shí)，才需要把某個(gè)模塊調(diào)入內(nèi)存。還需要用到其他模塊的時(shí)候，在裝入的過程中同時(shí)進(jìn)行鏈接。整個(gè)都用不到的模塊兒可以不裝入內(nèi)存。

P43內(nèi)存的管理

問題提出：

• 操作系統(tǒng)該怎么管理哪些內(nèi)存區(qū)域已經(jīng)被分配出去，哪些還在空閑狀態(tài)呢？
• 有很多空閑位置時(shí)，如果有一個(gè)新的進(jìn)程想要放入內(nèi)存當(dāng)中，該放入什么位置呢？
• 一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行結(jié)束之后，進(jìn)程占用的內(nèi)存空間應(yīng)該如何回收呢？

1、因此操作系統(tǒng)要做的第一件事情就是負(fù)責(zé)內(nèi)存空間的分配與回收。

2、操作系統(tǒng)需要提供某種技術(shù)，從邏輯上對(duì)內(nèi)存空間進(jìn)行擴(kuò)充——虛擬技術(shù)

3、操作系統(tǒng)需要提供地址轉(zhuǎn)換的功能，負(fù)責(zé)程序邏輯地址與物理地址的轉(zhuǎn)換。

4、操作系統(tǒng)需要提供內(nèi)存保護(hù)的功能。保證各個(gè)進(jìn)程在各自存儲(chǔ)空間內(nèi)運(yùn)行，互不干擾。

界地址寄存器：存放進(jìn)程的最大邏輯地址。

重定位寄存器（基地址寄存器）

界地址寄存器（限長寄存器）

總結(jié)：

P45連續(xù)分配管理方式

（分配：具體見下一節(jié)）

內(nèi)存的回收：

相鄰合并

P46動(dòng)態(tài)分區(qū)分配算法

P47 分頁存儲(chǔ)管理

頁框/頁幀/內(nèi)存塊/物理塊：內(nèi)存空間被分成的一個(gè)個(gè)大小相等的分區(qū)

頁/頁面：將進(jìn)程的邏輯地址分為與頁框大小相等的一個(gè)個(gè)部分

進(jìn)程的頁面與內(nèi)存的頁框有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系

那OS是怎么記錄這種一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的呢？