操作系统复习（二）

操作系统复习（二）

多道程序设计

多道程序设计是把多个程序放到内存中，它们交替运行的技术。

• 宏观并行
• 微观串行

内存中有程序A（需要大量计算）和程序B（需要频繁读取磁盘）。当B因等待磁盘I/O而暂停时，CPU不会空等，而是立即切换去执行A，等B的I/O完成后再回来执行B。

主要优点

资源利用率高，系统吞吐量大。

需要的硬件支持

中断系统、MMU、时钟、IO处理器或DMA。

要实现多道程序设计，仅靠软件逻辑是不够的，必须依赖于底层硬件的强力支撑。具体需要以下几大硬件机构：

• 中断机构（必不可少）：这是实现“交替运行”的物理基础。当运行中的程序发起I/O请求并完成时，或者时间片用完时，硬件中断机构会立即捕获这些事件，触发中断信号，让CPU暂停当前程序，切换到操作系统（管态） 去调度下一个程序运行。如果没有中断，CPU就无法知道I/O何时完成，也就无法实现“切换”。
• 存储保护机构（如MMU、基址/限长寄存器）：内存中同时驻留多道程序，必须防止它们互相干扰或越界访问。硬件提供基址寄存器和限长寄存器（或现代CPU的MMU内存管理单元），用于比较程序发出的内存地址是否属于它自己的合法区域。一旦程序试图访问其他程序的内存空间，硬件会立即触发“越界中断”，由操作系统强制终止该程序。
• 通道（I/O处理器）或DMA（直接存储器访问）控制器：这是实现CPU与I/O并行的关键硬件。通道是一种专门负责输入/输出控制的独立处理器。当CPU向通道发出I/O指令后，通道全权负责数据在内存和外设之间的传输，CPU则转身去执行另一道程序。传输完成后，通道通过中断通知CPU。
• 时钟（定时器）（视调度算法而定）：如果系统采用“时间片轮转”调度（我们之前聊过），则需要一个可编程的硬件时钟。它每隔固定时间（如10ms）产生一次时钟中断，强制当前程序让出CPU，确保所有程序都能得到公平的响应，防止一道程序长期霸占CPU。

简述信号量

在记录型信号量（PV操作）中，信号量的值 S 具有明确的物理意义：

• S > 0：表示当前可用的临界资源数量。
• S = 0：表示临界资源正在被某个进程使用，且没有其他进程在等待。
• S < 0：其绝对值表示当前等待该临界资源的进程数量。

进程状态相关

进程被调度程序选中：进程从就绪态转换为运行态。

进程的时间片到期：进程从运行态转换为就绪态。

进程被更高优先级的进程抢占：进程从运行态转换为就绪态。

等待某一事件：这是运行态 → 阻塞态（等待态） 的转换条件（例如请求I/O操作）

等待的事件发生：这是阻塞态（等待态） → 就绪态 的转换条件（例如I/O完成）

管程

管程（Monitor） 是一种高级的进程同步机制。可以把它理解为一个专门用来管理共享资源的“专属管家”——它把共享资源和对它的所有操作都封装在一个模块里，并强行规定：同一时刻，最多只有一个进程能进入管程内部执行。

之前说的信号量（PV操作）虽然强大，但缺点很明显：P和V操作分散在代码各处，一旦程序员写错顺序或忘记V操作，就会导致死锁。管程的诞生，就是为了解决信号量“使用时容易出错”这个痛点，把同步的复杂性交给编译器去处理。

管程的组成

一个标准的管程包含以下四个部分：

• 共享数据结构：需要被多个进程保护的资源（如缓冲区队列、共享变量）。
• 操作函数（过程）：用于操作共享数据的入口函数。
• 初始化代码：负责在系统启动时初始化共享数据。
• 条件变量：用于实现复杂的等待/唤醒逻辑（如缓冲区满时暂停生产者，缓冲区空时暂停消费者）。

并发和并行

区别

• 并发（Concurrency）：指的是逻辑上的“同时”。系统有能力处理多个任务，但不一定在物理上同时执行。在单核CPU上，通过时间片轮转（我们之前聊过）让多个进程交替推进，这就是并发的典型实现。它关注的是结构（如何设计程序来处理多个任务）。

• 并行（Parallelism）：指的是物理上的“同时”。系统在同一时刻真正地在执行多个任务。这必须依赖多核CPU或多处理器的支持，每个核心在同一时刻独立运行一个任务。它关注的是执行（如何让任务跑得更快）。