操作系统发展 和 并发

目录

• 一、 操作系统发展
  • 1. 手工操作——穿孔卡片
  • 2.批处理——磁带存储
    • 2.1联机批处理系统
    • 2.2 脱机批处理系统
  • 3. 多道程序系统
    • 3.1 多道程序设计技术
    • 3.2 单道的程序运行
    • 3.3 多道的程序运行
    • 3.4 小结：
    • 3.5 多道批处理系统
  • 4. 分时系统
  • 5. 实时系统
  • 6. 通用操作系统
  • 7. 操作系统的进一步发展
    • 7.1 个人计算机操作系统
    • 7.2 网络操作系统
    • 7.3 分布式操作系统
• 二、进程基础
  • 1. 必备理论基础
  • 2. 什么是进程
  • 3. 进程与程序的区别
• 三、进程的调度
  • 1.先来先服务调度算法（FCFS）
  • 2.短作业优先调度算法（SJ/PF）
  • 3. 时间片轮转法（RR）
  • 4. 多级反馈队列
• 四、进程的并发和并行
• 五、同步异步阻塞非阻塞
  • 1. 状态介绍
  • 2. 同步和异步
    • 2.1 例子
  • 3. 阻塞和非阻塞
    • 3.1 例子
  • 4. 同步异步 和 阻塞非阻塞
    • 4.1 同步阻塞形式
    • 4.2 异步阻塞形式
    • 4.3 同步非阻塞形式
    • 4.4 异步非阻塞形式
• 五、进程的创建
  • 1. 4种形式创建新的进程：
  • 2. UNIX和Windows创建进程
• 六、进程的结束

一、 操作系统发展

1. 手工操作——穿孔卡片

• 处理机与输入输出设备分别直接连接 。因输入、输出效率最低，导致处理机的利用率最低（资源浪费）

2.批处理——磁带存储

2.1联机批处理系统

• 在处理机与输入输出设备之间各加了一个磁带（相当于加了硬盘），但是在作业的输入和结果输出时，处理机仍处于空闲状态，等待慢速的摄入输出设备完成工作。
• 高速主机与慢速外设的矛盾

2.2 脱机批处理系统

• 把联机批处理系统中的输入和输出设备和卫星机与主机分离。（卫星机： 一台不与主机直接相连而专门用于与输入/输出设备打交道的 。把输入设备的信息存放到磁带上或者把磁带上的信息传给输出设备）
• 极大缓解了人机矛盾及主机与外设的矛盾

3. 多道程序系统

3.1 多道程序设计技术

• 所谓多道程序设计技术，就是指允许多个程序同时进入内存并运行。即同时把多个程序放入内存，并允许它们交替在CPU中运行，它们共享系统中的各种硬、软件资源。当一道程序因I/O请求而暂停运行时，CPU便立即转去运行另一道程序

3.2 单道的程序运行

• 就是和在超市排队等结账一样，前一个人结完账，后一个人才能结账（不管前一个人做什么事情，例如打1小时电话，后一个人都必须等他结账完。打电话就像是程序的 I/O操作）。

3.3 多道的程序运行

• 就是在超市排队等待结账一样，前一个人可能要打1小时电话，在他打电话的时候，后一个人上来结账。

3.4 小结：

• 单处理机系统中多道程序运行时的特点：

  1. 多道：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序；
  2. 宏观上并行：同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕；
  3. 微观上串行：实际上，各道程序轮流地用CPU，并交替运行。

• 多道程序系统的出现，标志着操作系统渐趋成熟的阶段，先后出现了作业调度管理、处理机管理、存储器管理、外部设备管理、文件系统管理等功能。

  由于多个程序同时在计算机中运行，开始有了空间隔离的概念，只有内存空间的隔离，才能让数据更加安全、稳定。

  出了空间隔离之外，多道技术还第一次体现了时空复用的特点，遇到IO操作就切换程序，使得cpu的利用率提高了，计算机的工作效率也随之提高。

3.5 多道批处理系统

• 它有两个特点：

  1. 多道：系统内可同时容纳多个作业。这些作业放在外存中，组成一个后备队列，系统按一定的调度原则每次从后备作业队列中选取一个或多个作业进入内存运行，运行作业结束、退出运行和后备作业进入运行均由系统自动实现，从而在系统中形成一个自动转接的、连续的作业流。
  2. 成批：在系统运行过程中，不允许用户与其作业发生交互作用，即：作业一旦进入系统，用户就不能直接干预其作业的运行。

• 批处理系统的追求目标：提高系统资源利用率和系统吞吐量，以及作业流程的自动化。

  批处理系统的一个重要缺点：不提供人机交互能力，给用户使用计算机带来不便。

4. 分时系统

• 特点：

  1. 多路性。若干个用户同时使用一台计算机。微观上看是各用户轮流使用计算机；宏观上看是各用户并行工作。
  2. 交互性。用户可根据系统对请求的响应结果，进一步向系统提出新的请求。这种能使用户与系统进行人机对话的工作方式，明显地有别于批处理系统，因而，分时系统又被称为交互式系统。
  3. 独立性。用户之间可以相互独立操作，互不干扰。系统保证各用户程序运行的完整性，不会发生相互混淆或破坏现象。
  4. 及时性。系统可对用户的输入及时作出响应。分时系统性能的主要指标之一是响应时间，它是指：从终端发出命令到系统予以应答所需的时间。

• 多用户分时系统是当今计算机操作系统中最普遍使用的一类操作系统。

  注意：分时系统的分时间片工作，在没有遇到IO操作的时候就用完了自己的时间片被切走了，这样的切换工作其实并没有提高cpu的效率，反而使得计算机的效率降低了。但是我们牺牲了一点效率，却实现了多个程序共同执行的效果，这样你就可以在计算机上一边听音乐一边聊qq了。

5. 实时系统

• 分为两类：

  1. 实时控制系统，例如 飞机飞行、导弹发射等
  2. 实时信息处理系统 ， 例如 预定飞机票，查询航班等

• 实时操作系统的主要特点：

  1. 及时响应。每一个信息接收、分析处理和发送的过程必须在严格的时间限制内完成。
  2. 高可靠性。需采取冗余措施，双机系统前后台工作，也包括必要的保密措施等。

• 分时 与 实时 的区别
  分时——现在流行的PC，服务器都是采用这种运行模式，即把CPU的运行分成若干时间片分别处理不同的运算请求 linux系统。

  实时——多用于单片机上、PLC等，比如电梯的上下控制中，对于按键等动作要求进行实时处理。

6. 通用操作系统

• 操作系统的三种基本类型：多道批处理系统、分时系统、实时系统。

  通用操作系统：具有多种类型操作特征的操作系统。可以同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或其中两种以上的功能。

• 与通用操作系统相比，UNIX操作系统却是一个例外。这是一个通用的多用户分时交互型的操作系统。它首先建立的是一个精干的核心，而其功能却足以与许多大型的操作系统相媲美，在核心层以外，可以支持庞大的软件系统。它很快得到应用和推广，并不断完善，对现代操作系统有着重大的影响。

7. 操作系统的进一步发展

7.1 个人计算机操作系统

• 个人计算机上的操作系统是联机交互的单用户操作系统，它提供的联机交互功能与通用分时系统提供的功能很相似。

7.2 网络操作系统

• 网络操作系统：在原来各自计算机操作系统上，按照网络体系结构的各个协议标准增加网络管理模块，其中包括：通信、资源共享、系统安全和各种网络应用服务。

7.3 分布式操作系统

• 表面上看，分布式系统与计算机网络系统没有多大区别。分布式操作系统也是通过通信网络，将地理上分散的具有自治功能的数据处理系统或计算机系统互连起来，实现信息交换和资源共享，协作完成任务。——硬件连接相同。

• 但有如下一些明显的区别：

  1. 分布式系统要求一个统一的操作系统，实现系统操作的统一性。
  2. 分布式操作系统管理分布式系统中的所有资源，它负责全系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输和控制协调工作，并为用户提供一个统一的界面。
  3. 用户通过这一界面，实现所需要的操作和使用系统资源，至于操作定在哪一台计算机上执行，或使用哪台计算机的资源，则是操作系统完成的，用户不必知道，此谓：系统的透明性。
  4. 分布式系统更强调分布式计算和处理，因此对于多机合作和系统重构、坚强性和容错能力有更高的要求，希望系统有：更短的响应时间、高吞吐量和高可靠性。

二、进程基础

1. 必备理论基础

• 操作系统的作用：

  1. 隐藏丑陋复杂的硬件接口，提供良好的抽象接口
  2. 管理、调度进程，并且将多个进程对硬件的竞争变得有序

• 多道技术：

  1. 产生背景：针对单核，实现并发

  ps：现在的主机一般是多核，那么每个核都会利用多道技术。有4个cpu，运行于cpu1的某个程序遇到I/O阻塞，会等到I/O结束再重新调度，会被调度到4个cpu中的任意一个，具体由操作系统调度算法决定。

  1. 空间上的复用：将内存分为几部分，每个部分放入一个程序，这样，同一时间内存中就有了多道程序。
  2. 时间上的复用：当一个程序在等待I/O时，另一个程序可以使用cpu，如果内存中可以同时存放足够多的作业，则cpu的利用率可以接近100%，类似于我们小学数学所学的统筹方法。（操作系统采用了多道技术后，可以控制进程的切换，或者说进程之间去争抢cpu的执行权限。这种切换不仅会在一个进程遇到io时进行，一个进程占用cpu时间过长也会切换，或者说被操作系统夺走cpu的执行权限）

  强调：遇到I/O切换，占用cpu时间过长也切换，核心在于切之前将进程的状态保存下来，这样才能保证下次切换回来时，能基于上次切走的位置继续运行。

2. 什么是进程

• 狭义定义：进程就是正在运行的程序的一个实例
• 广义定义：进程是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它是操作系统动态的资源单位。在传统的操作系统中，进程既是基本的分配单元，也是基本的执行单元，现在的执行单元是线程。

3. 进程与程序的区别

• 程序是指令和数据的有序集合，其本身没有任何运行的含义，是一个静态的概念。而进程是程序在处理机上的一次执行过程，它是一个动态的概念。

  程序可以作为一种软件资料长期存在，而进程是有一定生命期的。

  程序是永久的，进程是暂时的。

• 注意：同一个程序执行两次，就会在操作系统中出现两个进程，所以我们可以同时运行一个软件，分别做不同的事情也不会混乱。

三、进程的调度

• 为什么要有进程的调度

  要想多个进程交替运行，操作系统必须对这些进程进行调度，这个调度也不是随即进行的，而是需要遵循一定的法则，由此就有了进程的调度算法。

1.先来先服务调度算法（FCFS）

• 概念：就是先来后到的调度，按照进程的产生顺序，先后调度。
• 该算法既可用于作业调度，也可用于进程调度 。
• 缺点：不利于短作业（进程）

2.短作业优先调度算法（SJ/PF）

• 概念：短作业（进程）优先调度算法（SJ/PF）是指对短作业或短进程优先调度的算法。
• **该算法既可用于作业调度，也可用于进程调度。 **
• 缺点：不利于长作业（进程）

3. 时间片轮转法（RR）

• 概念：先将CPU的处理时间分成固定的大小的时间片。 如果一个进程在被调度选中之后用完了系统规定的时间片，但又未完成要求的任务，则它自行释放自己所占有的CPU而排到就绪队列的末尾，等待下一次调度。同时，进程调度程序又去调度当前就绪队列中的第一个进程。

• 轮转法只能用来调度分配一些可以抢占的资源

• 但打印机等资源是不可抢占的。由于作业调度是对除了CPU之外的所有系统硬件资源的分配，其中包含有不可抢占资源，所以作业调度不使用轮转法。

• 在轮转法中，时间片长度的选取非常重要

• 在轮转法中，加入到就绪队列的进程有3种情况：

  1. 第一种是分给它的时间片用完，但进程还未完成，回到就绪队列的末尾等待下次调度去继续执行。
  2. 第二种情况是分给该进程的时间片并未用完，只是因为请求I/O或由于进程的互斥与同步关系而被阻塞。当阻塞解除之后再回到就绪队列。
  3. 第三种情况就是新创建进程进入就绪队列。

4. 多级反馈队列

• 而多级反馈队列调度算法则不必事先知道各种进程所需的执行时间（即不需要知道各种进程是长进程还是短进程），而且还可以满足各种类型进程的需要。

• **它是目前被公认的一种较好的进程调度算法 **

• 实施过程：

  1. 应设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。第一个队列的优先级最高，第二个队列次之，其余各队列的优先权逐个降低。该算法赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各不相同，在优先权愈高的队列中，为每个进程所规定的执行时间片就愈小。例如，第二个队列的时间片要比第一个队列的时间片长一倍，……，第i+1个队列的时间片要比第i个队列的时间片长一倍。
  2. 当一个新进程进入内存后，首先将它放入第一队列的末尾，按FCFS原则排队等待调度。当轮到该进程执行时，如它能在该时间片内完成，便可准备撤离系统；如果它在一个时间片结束时尚未完成，调度程序便将该进程转入第二队列的末尾，再同样地按FCFS原则等待调度执行；如果它在第二队列中运行一个时间片后仍未完成，再依次将它放入第三队列，……，如此下去，当一个长作业(进程)从第一队列依次降到第n队列后，在第n 队列便采取按时间片轮转的方式运行。
  3. 仅当第一队列空闲时，调度程序才调度第二队列中的进程运行；仅当第1～(i-1)队列均空时，才会调度第i队列中的进程运行。如果处理机正在第i队列中为某进程服务时，又有新进程进入优先权较高的队列(第1～(i-1)中的任何一个队列)，则此时新进程将抢占正在运行进程的处理机，即由调度程序把正在运行的进程放回到第i队列的末尾，把处理机分配给新到的高优先权进程。

四、进程的并发和并行

• 并行: 并行是指两者同时执行，比如赛跑，两个人都在不停的往前跑；（资源够用，比如三个线程，四核的CPU ）

  并发: 并发是指资源有限的情况下，两者交替轮流使用资源，比如一段路(单核CPU资源)同时只能过一个人，A走一段后，让给B，B用完继续给A ，交替使用，目的是提高效率。

• 并行和并发的区别

  并行是从微观上，也就是在一个精确的时间片刻，有不同的程序在执行，这就要求必须有多个处理器。

  并发是从宏观上，在一个时间段上可以看出是同时执行的，比如一个服务器同时处理多个session（会话）。

五、同步异步阻塞非阻塞

1. 状态介绍

• 在程序运行的过程中，由于被操作系统的调度算法控制，程序会进入几个状态：就绪，运行和阻塞 。

1. 就绪(Ready)状态：当进程已分配到除CPU以外的所有必要的资源，只要获得处理机便可立即执行，这时的进程状态称为就绪状态。
2. 执行/运行（Running）状态当进程已获得处理机，其程序正在处理机上执行，此时的进程状态称为执行状态。
3. 阻塞(Blocked)状态正在执行的进程，由于等待某个事件发生而无法执行时，便放弃处理机而处于阻塞状态。引起进程阻塞的事件可有多种，例如，等待I/O完成、申请缓冲区不能满足、等待信件(信号)等。

2. 同步和异步

• 什么是同步

  所谓同步就是一个任务的完成需要依赖另外一个任务时，只有等待被依赖的任务完成后，依赖的任务才能算完成，这是一种可靠的任务序列。要么成功都成功，失败都失败，两个任务的状态可以保持一致。

• 什么是异步

  所谓异步是不需要等待被依赖的任务完成，只是通知被依赖的任务要完成什么工作，依赖的任务也立即执行，只要自己完成了整个任务就算完成了。至于被依赖的任务最终是否真正完成，依赖它的任务无法确定，所以它是不可靠的任务序列。

2.1 例子

比如我去银行办理业务，可能会有两种方式：

1. 第一种 ：选择排队等候；
2. 第二种 ：选择取一个小纸条上面有我的号码，等到排到我这一号时由柜台的人通知我轮到我去办理业务了；

第一种：前者(排队等候)就是同步等待消息通知，也就是我要一直在等待银行办理业务情况；

第二种：后者(等待别人通知)就是异步等待消息通知。在异步消息处理中，等待消息通知者(在这个例子中就是等待办理业务的人)往往注册一个回调机制，在所等待的事件被触发时由触发机制(在这里是柜台的人)通过某种机制(在这里是写在小纸条上的号码，喊号)找到等待该事件的人。

3. 阻塞和非阻塞

• 阻塞和非阻塞这两个概念与程序（线程）等待消息通知(无所谓同步或者异步)时的状态有关。也就是说阻塞与非阻塞主要是程序（线程）等待消息通知时的状态角度来说的

3.1 例子

继续上面的那个例子，不论是排队还是使用号码等待通知，如果在这个等待的过程中，等待者除了等待消息通知之外不能做其它的事情，那么该机制就是阻塞的，表现在程序中,也就是该程序一直阻塞在该函数调用处不能继续往下执行。

相反，有的人喜欢在银行办理这些业务的时候一边打打电话发发短信一边等待，这样的状态就是非阻塞的，因为他(等待者)没有阻塞在这个消息通知上，而是一边做自己的事情一边等待。

注意：同步非阻塞形式实际上是效率低下的，想象一下你一边打着电话一边还需要抬头看到底队伍排到你了没有。如果把打电话和观察排队的位置看成是程序的两个操作的话，这个程序需要在这两种不同的行为之间来回的切换，效率可想而知是低下的；而异步非阻塞形式却没有这样的问题，因为打电话是你(等待者)的事情，而通知你则是柜台(消息触发机制)的事情，程序没有在两种不同的操作中来回切换。

4. 同步异步 和 阻塞非阻塞

4.1 同步阻塞形式

效率最低。拿上面的例子来说，就是你专心排队，什么别的事都不做。

4.2 异步阻塞形式

如果在银行等待办理业务的人采用的是异步的方式去等待消息被触发（通知），也就是领了一张小纸条，假如在这段时间里他不能离开银行做其它的事情，那么很显然，这个人被阻塞在了这个等待的操作上面。

异步操作是可以被阻塞住的，只不过它不是在处理消息时阻塞，而是在等待消息通知时被阻塞。

4.3 同步非阻塞形式

实际上是效率低下的。

想象一下你一边打着电话一边还需要抬头看到底队伍排到你了没有，如果把打电话和观察排队的位置看成是程序的两个操作的话，这个程序需要在这两种不同的行为之间来回的切换，效率可想而知是低下的。

4.4 异步非阻塞形式

效率更高，

因为打电话是你(等待者)的事情，而通知你则是柜台(消息触发机制)的事情，程序没有在两种不同的操作中来回切换。

比如说，这个人突然发觉自己烟瘾犯了，需要出去抽根烟，于是他告诉大堂经理说，排到我这个号码的时候麻烦到外面通知我一下，那么他就没有被阻塞在这个等待的操作上面，自然这个就是异步+非阻塞的方式了。

很多人会把同步和阻塞混淆，是因为很多时候同步操作会以阻塞的形式表现出来，同样的，很多人也会把异步和非阻塞混淆，因为异步操作一般都不会在真正的IO操作处被阻塞。

五、进程的创建

1. 4种形式创建新的进程：

1. 系统初始化（查看进程linux中用ps命令，windows中用任务管理器，前台进程负责与用户交互，后台运行的进程与用户无关，运行在后台并且只在需要时才唤醒的进程，称为守护进程，如电子邮件、web页面、新闻、打印）
2. 一个进程在运行过程中开启了子进程（如nginx开启多进程，os.fork,subprocess.Popen等）
3. 用户的交互式请求，而创建一个新进程（如用户双击暴风影音）
4. 一个批处理作业的初始化（只在大型机的批处理系统中应用）

无论哪一种，新进程的创建都是由一个已经存在的进程执行了一个用于创建进程的系统调用而创建的。

2. UNIX和Windows创建进程

1. 在UNIX中该系统调用是：fork，fork会创建一个与父进程一模一样的副本，二者有相同的存储映像、同样的环境字符串和同样的打开文件（在shell解释器进程中，执行一个命令就会创建一个子进程）
2. 在Windows中该系统调用是：CreateProcess，CreateProcess既处理进程的创建，也负责把正确的程序装入新进程。

关于创建子进程，UNIX和Windows：

1. 相同的是：进程创建后，父进程和子进程有各自不同的地址空间（多道技术要求物理层面实现进程之间内存的隔离），任何一个进程的在其地址空间中的修改都不会影响到另外一个进程。
2. 不同的是：在UNIX中，子进程的初始地址空间是父进程的一个副本，提示：子进程和父进程是可以有只读的共享内存区的。但是对于Windows系统来说，从一开始父进程与子进程的地址空间就是不同的。

六、进程的结束

• 在windows系统中，正常情况下，无论子进程还是父进程的程序谁先执行完。都是先结束子进程，再结束父进程。（当父进程程序先执行完，虽然看着感觉像是父进程程序结束了，但是父进程依然存在）。

• 若通过某种方法，先结束了父进程，则其子进程就会在父进程结束的时候也结束。