操作系统：进程管理和IO控制

一、进程管理

进程管理包括进程控制，进程调度，进程同步与通信，死锁控制四个内容。

（一）进程控制

进程是操作系统中运行的基本单位，包括程序段，数据段和进程控制段。操作系统通过进程控制块(PCB)管理进程。每一个PCB唯一标示一个进程。它存储进程的PID,UID，当前状态等信息，以及进程执行某一时刻的寄存器值，并且指向进程的数据段和程序段。OS把所有PCB链接为一个链表。

进程在刚刚被创建时出于new状态。OS负责申请一块存储空间作为该进程的PCB，在其中填上进程的信息，标示为ready，链接到PCB队列和就绪队列中，此时进程进入"就绪"态。进程调度程序在未来某一时刻将其分配给处理机执行，该进程出于"执行"态，OS将根据PCB中的内容初始化处理机的各个寄存器值，之后进入用户态执行；进程请求I/O或系统调用时将放弃处理机，进入"活动阻塞"态，进程调度程序将当前处理机各寄存器值压栈（存入PCB中，或存入核心栈），将该进程PCB运行队列中移入阻塞队列；当系统调用或I/O完成时被唤醒再次进入活动就绪态，即PCB由阻塞队列链入就绪队列（操作系统如何实现唤醒进程？？）。如果在系统调用完成之前，进程被换到外存，相应内存空间被释放，则进程进入"静止阻塞态"，这里中级调度程序将和磁盘驱动程序一起，把相应内容拷贝到对换空间，同时释放内存；系统调用完成时若仍在外存中而为未被换入，则出于"静止就绪"态，之后被换入内存可直接进入执行态，或动态就绪态。进程执行完毕后进入"僵死"态，系统将释放内存空间，回收所有资源。

UNIX系统中提供的系统调用中，fork产生一个与父进程完全相同的子进程，在子进程的地址空间中运行；spawn则从文件中装入一个文件作为子进程，在其地址空间运行；exec则从文件中装一个进程到当前进程地址空间，覆盖当前进程执行。

（二）进程调度

这里说的进程调度主要指低级调度，即由调度程序负责完成的，在内存和处理机之间的调度。在文件和内存之间的调度成为高级调度，又叫作业调度，在内存和对换空间的调度称为中级调度，又称对换。低级调度算法主要有：先来先服务FIFO；.短作业优先SJF；.时间片轮转Round Robin；静态优先级调度；多级队列反馈轮转调度。UNIX系统中采用的动态优先级＋多级队列反馈轮转调度。具体内容可参见前面的文章。

（三）进程通信

进程通信有直接通信和间接通信，直接通信是两进程直接交换数据或发送信息，间接通信则是把信息发送到一个中间实体中。根据同步方式，可分为：1.发送进程阻塞，接受进程不阻塞；2.发送进程不阻塞，接受进程阻塞；3.发送进程和接收进程都阻塞。

进程通信也分为高级通信和低级通信。

高级通信通常传输数据量较大，包括：消息机制，共享存储区，管道。

1、消息机制：

　　在消息机制里值得注意的是消息缓冲队列方式。发送进程首先申请一块缓冲区，把消息内容和消息首部填入其中，之后调用send系统调用。send将把该进程的消息内容拷贝到消息缓冲队列中；接受进程首先申请接受缓冲区，之后调用receive系统调用，OS负责把消息缓冲队列中的消息拷贝到该进程空间的缓冲区中。

2、管道通信：

　　相当于一个队列形式的一个进程在管道尾写，另一个进程在管道头取，管道分为无名管道和有名管道。无名管道是用pipe函数创建的，只能用于子进程之间的通信，有名管道用mkfifo函数创建用于任意两个进程之间通信，对管道的操作相当于对文件的操作比如open函数打开管道close函数关闭管道等。

低级通信包括同步和互斥两种，通过信号量实现，主要针对临界区问题。临界区的互斥访问要遵循4个原则：空闲让进，忙则等待，有限等待，让权等待。主要信号量分为0/1信号量，整型信号量，记录型信号量，AND型信号量和信号量集。经典同步问题有生产者－消费者问题，读者－写者问题，哲学家进餐问题。

信号量：信号量是操作系统提供的管理公有资源的手段，即PV操作。对于独享设备有驱动程序做PV操作。

p操作的过程是：s=s-1；if(s<0){进入等待队列，自己阻塞进程}

v操作的过程是：s=s+1；if(s<0){从等待队列取一个进程；取出的进程进入就绪队列，当前进程该干嘛干嘛}

pv原语不能次序错误，而且必须成对出现。信号量的定义是semaphore mutex；经典同步问题有生产者-消费者问题；读者-写者问题；哲学家进餐问题。

（四）死锁控制

由于进程竞争资源或推进顺序非法，可能会造成进程死锁。死锁有四个必要条件：互斥访问，请求保持，非剥夺，环路等待。打破其中任何一个都可以不出现死锁。对于死锁的处理有三类方法：

1.死锁预防：主要是打破死锁必要条件中的一个。打破请求保持条件，则要求进程在执行之前一次性请求到所有资源才可以执行；打破非剥夺条件，要求进程执行过程中因为缺少资源无法执行时，剥夺所有资源，将其阻塞；打破环路等待条件，则给资源编号，要求进程请求资源的顺序依照编号由高到低进行。

2.死锁避免：指Dijkstra的银行家算法；

3.死锁检测消除：指在发生死锁时检测资源分配图中是否有子环，然后将一个或多个进程挂起，消除死锁；检测算法是NP完全问题，CPU代价较大。

二、输入输出（I/O）管理

 （一）   I/O管理概述

1.  I/O管理功能

(1)   动态的纪录各种设备的状态

(2)   设备分配与回收

(3)   实施设备驱动和中段处理的工作

　2.  I/O应用接口

(1)  设备和设备控制器的接口：设备和cpu之间不是直接通信的而是夹着一个设备控制器，设备与设备控制器是靠三根线相连的，数据信号线，控制信号线和状态信号线，数据信号线用于在设备和设备控制器之间传送数据信号，控制信号线传送由设备控制器向I/O设备发送控制信号，状态信号线用于传送设备当前状态的信号。

(2)  设备控制器：控制一个或多个I/O设备，其基本功能有接收和识别(cpu发的)命令，数据交换(与cpu或与设备数据交换)，标示和报告设备的状态(给cpu发)地址识别，数据缓冲，差错控制。

(3)  设备控制器由三部分组成：设备控制器与处理器的接口(由数据线连接DMR和控制状态寄存器，控制线，和地址线组成)，设备控制器与设备的接口(多个设备接口，每个设备接口由数据控制和状态三种信号)，I/O逻辑(当cpu启动一个设备时，将启动命令发给I/O逻辑同时通过地址线给I/O逻辑由它进行译码。。译出命令后对所选设备进行控制。所以地址线和控制线是直接跟I/O逻辑相连的。

　3.  I/O通道

I/O通道是特殊的处理机。它具有执行I/O指令的能力，并通过执行通道程序来控制I/O操作，它的指令单一主要与I/O操作相关的指令，通道没有自己的内存，它和CPU共享内存。通道又分为字节多路通道，数组选择通道，和数组多路通道。

(1)  数组选择通道:又称告诉通道，在物理上可以连接多个设备，但某一段时间内通道只能选择一个设备进行工作

(2)  数组多路通道:当某设备进行数据传送时，通道只为该设备服务，当设备在执行寻址等控制性动作时，通道挂起该设备的通道程序，去为其他设备服务。

(3)  字节多路通道:用于大量低速设备，与设备之间数据传送的基本单位是字节，为一个设备传送一个字节后，又可以为另个设备传送一个字节。数组多路通道传输的基本单位是块。而且一次只能有一个设备在传输数据。

　4.  I/O控制方式

(1)  程序I/O方式：忙等方式。

(2)  中段驱动I/O方式：当某进程要启动某个I/O设备工作时，便由cpu向相应的设备控制器发出一条I/O命令，然后立即返回继续执行原来的任务，此时，CPU和 I/O设备并行操作。以字节为单位进行I/O。

(3)  DMA I/O方式：直接存储器访问方式数据传输的单位是块，数据之间在设备和内存中进行交换，仅块传输的开始和结束时才需要CPU干预。(替代了设备控制 器)。DMA控制器中有四类寄存器：命令寄存器(存cpu发的控制命令或设备的状态)，内存地址寄存器，数据寄存器(缓冲数据作用)，数据计数器(存本次要读的字节数)。

(4)  I/O通道控制方式：通道是通过执行通道程序，并与设备控制器共同实现对I/O设备的控制的。通道指令格式为命令

1）操作码：规定了指令所执行的操作。

2）内存地址：标明读操作和写操作时的内存首址

3）计数：表示本条占领所要读或写数据的字节数

4）通道程序结束位P：用于表示通道程序是否结束

5）记录结束标志R。

三、设备管理

设备管理包括：缓冲管理，设备分配和设备处理三个内容。

进程I/O一共有四种方式：程序查询方式，程序中断方式，DMA方式，通道控制方式。通道处理器也是一个处理机，但是与CPU相比，它指令较为单一，没有独立的存储空间（使用内存空间）。通道分为字节多路通道，数组多路通道和数组选择通道。

（一）缓冲管理

缓冲管理包括单缓冲，双缓冲，循环缓冲和缓冲池。这里需要注意的是缓冲池。它包括输入队列，输出队列和空闲队列，有四种工作方式：

1.收容输入方式：进程请求向缓冲区输入，从空闲缓冲队列中申请一个缓冲区输入，将之链接在输入队列尾；

2.提取输入方式：进程要从缓冲区中提取输入，则从输入队列尾部缓冲区中拷贝信息，同时释放空间，将之重新链入空闲队列中；

3.收入输出方式：进程要想缓冲区输出，从空闲缓冲区队列中申请一个缓冲区输出，将之链接在输出队列尾；

4.提取输出方式：进程要想缓冲区提取输出，则从输出队列尾部缓冲区中拷贝信息，同时释放空间，将之重新链入空闲队列中。

（二）设备分配

操作系统为实现设备分配需要配备的数据结构有：设备使用表，控制器使用表，通道使用表，系统设备表。利用设备独立性的思想分配设备。所谓设备独立性，是指使用逻辑设备名称来请求某种设备，而系统通过某种名称转换方式将其转换成物理设备名称进行分配。实现设备独立性需要再驱动程序之上再增加一层设备独立性软件，负责实现名称和地址的转换，这种转换信息使用逻辑设备表LUT实现，每一个表项存储逻辑设备名，物理设备名，驱动程序入口地址。使用设备独立性方法实现设备分配，具有灵活性和易于设备重定向。

SPOOLing是设备分配的一个重要例子。它实现了独占设备的共享。SPOOLing系统包括输入井，输出井，输入缓冲，输出缓冲，输入进程和输出进程。进程在请求独占设备输出时，OS要求它先把要输出的内容输入到输入缓冲，之后有输入进程将其输入到输入井中，此时如果处理机要处理这些数据，则从输入井中取数据；独占设备要输出时，由输出进程将输出井中的信息送至输出缓冲，由输出设备输出。这种方式实现了独占设备的共享，如网络打印机。

（三）设备处理

设备处理指的是一系列驱动程序。它们是OS与外设的接口，把OS进程发来的抽象的要求转化为对硬件的具体的控制命令，如设置命令控制字，读取设备状态信息，启动设备等。它们对操作系统提供统一的接口，方便用户调用。

Reference：

操作系统复习总结：理论总结- -

操作系统理论学习笔记