操作系统概念-进程管理-同步互斥camproj

操作系统概述

• 操作系统定义：能有效的组织和管理系统中的各种软/硬件资源，合理的组织计算机系统工作流程，控制程序的执行，并且向用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。
• 操作系统有两个重要的作用：
  1. 通过资源管理提高计算机系统的效率；
  2. 改善人机界面向用户提供友好的工作环境。
• 操作系统的4个特征是并发性、共享性、虚拟性和不确定性。
• 操作系统的功能：
  1. 进程管理：实质上是对处理机的执行“时间”进行管理，采用多道程序等技术将CPU的时间合理的分配给每个任务，主要包括进程控制、进程同步、进程通信和进程调度。
  2. 文件管理：主要包括文件存储空间管理、目录管理、文件的读/写管理和存取控制。
  3. 存储管理：存储管理是对主存储器“空间”进行管理，主要包括存储分配与回收、存储保护、地址映射（变换）和主存扩充。
  4. 设备管理：实质是对硬件设备的管理，包括对输入/输出设备的分配、启动、完成和回收。
  5. 作业管理：包括任务、界面管理、人机交互、图形界面、语音控制和虚拟现实等。

操作系统的分类

• 批处理操作系统：单道批处理和多道批处理（主机与外设可并行）。

• 分时操作系统：一个计算机系统与多个终端设备连接。将CPU的工作时间划分为许多很短的时间片，轮流为各个终端的用户服务。

• 实时操作系统：实时是指计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内做出快速反应，实时系统对交互能力要求不高，但要求可靠性有保障。

• 网络操作系统：是使联网计算机能方便而有效的共享网络资源，为网络用户提供各种服务的软件和有关协议的集合。三种模式：集中模式、客户端/服务器模式、对等模式。

• 分布式操作系统：分布式计算机系统是由多个分散的计算机经连接而成的计算机系统，系统中的计算机无主、次之分，任意两台计算机可以通过通信交换信息。

• 微型计算机操作系统：简称微机操作系统，常用的有Wndows、Mac OS、 Linux。

• 嵌入式操作系统主要特点

  1. 微型化。从性能和成本角度考虑，希望占用呆的资源和系统代码量少，如内存少、字长短、运行速度有限、能源少（用微小型电池）。
  2. 可定制。从减少成本和缩短研发周期考虑，要求嵌入式操作系统能运行在不同的微处理器平台上，能针对硬件变化进行结构与功能上的配置，以满足不同应用需要。
  3. 实时性。嵌入式操作系统主要应用于过程控制、数据采集、传输通信、多媒体信息及关键要害领域需要迅速响应的场合，所以对实时性要求较高。
  4. 可靠性。系统构件、模块和体系结构必须达到应有的可靠性，对关键要害应用还要提供容错和防故障措施。
  5. 易移植性。为了提高系统的易移植性，通常采用硬件抽象层和板级支撑包的底层设计技术。

• 嵌入式系统初始化过程按照自底向上、从硬件到软件的次序依次为：片级初始化 ——> 板级初始化 ——> 系统初始化。

• 进程的组成：进程控制块PCB（唯一标志）、程序（描述进程要做什么）、数据（存放进程执行时所需数据）。

• 进程基础的状态是三态图。需要练掌握进程三态之间的转换。
  

• 前驱图

  • 用来表示哪些任务可以并行执行，哪些任务之间有顺序关系，具体如下图：可知，A，B，C可以并行执行，但是必须A，B，C都执行完后，才能执行D，这就确定了两点：任务间的并行、任务间的先后顺序。
    

• 进程资源图

  • 用来表示进程和资源之间的分配和请求关系，如下图所示：
    
  • P代表进程，R代表资源，R方框中有几个圆球就表示有几个这种资源，在上图中，R1指向P1，表示R1有一个资源已经分配给了P1，P1指向R2，表示P1还需要请求一个R2资源才能执行。
  • 阻塞节点：某进程所请求的资源已经全部分配完毕，无法获取所需资源，该进程被阻塞了无法继续。如上图中的P2。
  • 非阻塞节点：某进程所请求的资源还有剩余，可以分配给该进程继续运行。如上图中P1、P3。
  • 当一个进程资源图中所用进程都是阻塞节点时，既陷入死锁状态。
    
    进程同步与互斥

• 临界资源：各进程间需要以互斥方式对其进行访问的资源。

• 临界区：指进程中对临界资源实施操作的那段程序。本质是一段程序代码。

• 互斥：某资源（既临界资源）在同一时间内只能由一个任务单独使用，使用时需要加锁，使用完后解锁才能被其他任务使用；如打印机。

• 同步：多个任务可以并发执行，只不过有速度上的差异，在一定情况下停下等待，不存在资源是否单独或共享的问题；如自行车和汽车。

• 互斥信号量：对临街资源采用互斥访问，使用互斥信号量后其他进程无法访问，初始值为1.

• 同步信号量：对共享资源的访问控制，初值一般是共享资源的数量。

• P操作：申请资源，S=S-1，若S>=0，则执行P操作的进程继续执行；若S<0，则置该进程为阻塞状态（因为无可用资源），将并其插入阻塞队列。

• V操作：释放资源，S=S+1，若S>0，则执行V操作的进程继续执行；若S<=0，则从阻塞状态唤醒一个进程，并将其插入就绪队列（此时因为缺少资源被P操作阻塞的进程可以继续执行），然后执行V操作的进程继续。