多任务

在上古时代,CPU 资源十分昂贵,如果让 CPU 只能运行一个程序,那么当 CPU 空闲下来(例如等待 I/O 时),CPU 就空闲下来了。为了让 CPU 得到更好的利用,人们编写了一个监控程序,如果发现某个程序暂时无须使用 CPU 时,监控程序就把另外的正在等待 CPU 资源的程序启动起来,以充分利用 CPU 资源。这种方法被称为 多道程序(Multiprogramming)

对于多道程序来说,最大的问题是程序之间不区分轻重缓急,对于交互式程序来说,对于 CPU 计算时间的需求并不多,但是对于响应速度却有比较高的要求。而对于计算类程序来说则正好相反,对于响应速度要求低,但是需要长时间的 CPU 计算。想象一下我们同时在用浏览器上网和听音乐,我们希望浏览器能够快速响应,同时也希望音乐不停掉。这时候多道程序就没法达到我们的要求了。于是人们改进了多道程序,使得每个程序运行一段时间之后,都主动让出 CPU 资源,这样每个程序在一段时间内都有机会运行一小段时间。这样像浏览器这样的交互式程序就能够快速地被处理,同时计算类程序也不会受到很大影响。这种程序协作方式被称为 分时系统(Time-Sharing System)

在分时系统的帮助下,我们可以边用浏览器边听歌了,但是如果某个程序出现了错误,导致了死循环,不仅仅是这个程序会出错,整个系统都会死机。为了避免这种情况,一个更为先进的操作系统模式被发明出来,也就是我们现在很熟悉的 多任务(Multi-tasking)系统。操作系统从最底层接管了所有硬件资源。所有的应用程序在操作系统之上以 进程(Process) 的方式运行,每个进程都有自己独立的地址空间,相互隔离。CPU 由操作系统统一进行分配。每个进程都有机会得到 CPU,同时在操作系统控制之下,如果一个进程运行超过了一定时间,就会被暂停掉,失去 CPU 资源。这样就避免了一个程序的错误导致整个系统死机。如果操作系统分配给各个进程的运行时间都很短,CPU 可以在多个进程间快速切换,就像很多进程都同时在运行的样子。几乎所有现代操作系统都是采用这样的方式支持多任务,例如 Unix,Linux,Windows 以及 macOS。

进程

进程是一个具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它可以申请和拥有系统资源,是一个动态的概念,是一个活动的实体。它不只是程序的代码,还包括当前的活动,通过程序计数器的值和处理寄存器的内容来表示。

进程的概念主要有两点:第一,进程是一个实体。每一个进程都有它自己的地址空间,一般情况下,包括文本区域(text region)、数据区域(data region)和堆栈(stack region)。文本区域存储处理器执行的代码;数据区域存储变量和进程执行期间使用的动态分配的内存;堆栈区域存储着活动过程调用的指令和本地变量。第二,进程是一个“执行中的程序”。程序是一个没有生命的实体,只有处理器赋予程序生命时,它才能成为一个活动的实体,我们称其为进程。

进程的基本状态

  1. 等待态:等待某个事件的完成;
  2. 就绪态:等待系统分配处理器以便运行;
  3. 运行态:占有处理器正在运行。

运行态→等待态 往往是由于等待外设,等待主存等资源分配或等待人工干预而引起的。

等待态→就绪态 则是等待的条件已满足,只需分配到处理器后就能运行。

运行态→就绪态 不是由于自身原因,而是由外界原因使运行状态的进程让出处理器,这时候就变成就绪态。例如时间片用完,或有更高优先级的进程来抢占处理器等。

就绪态→运行态 系统按某种策略选中就绪队列中的一个进程占用处理器,此时就变成了运行态

进程调度

调度种类

高级、中级和低级调度作业从提交开始直到完成,往往要经历下述三级调度:

  • 高级调度:(High-Level Scheduling)又称为作业调度,它决定把后备作业调入内存运行;
  • 中级调度:(Intermediate-Level Scheduling)又称为在虚拟存储器中引入,在内、外存对换区进行进程对换。
  • 低级调度:(Low-Level Scheduling)又称为进程调度,它决定把就绪队列的某进程获得CPU;

非抢占式调度与抢占式调度

  • 非抢占式

    分派程序一旦把处理机分配给某进程后便让它一直运行下去,直到进程完成或发生进程调度进程调度某事件而阻塞时,才把处理机分配给另一个进程。

  • 抢占式

    操作系统将正在运行的进程强行暂停,由调度程序将CPU分配给其他就绪进程的调度方式。

调度策略的设计

响应时间: 从用户输入到产生反应的时间

周转时间: 从任务开始到任务结束的时间

CPU任务可以分为交互式任务和批处理任务,调度最终的目标是合理的使用CPU,使得交互式任务的响应时间尽可能短,用户不至于感到延迟,同时使得批处理任务的周转时间尽可能短,减少用户等待的时间。

调度算法

  1. FIFO或First Come, First Served (FCFS)

    调度的顺序就是任务到达就绪队列的顺序。

    公平、简单(FIFO队列)、非抢占、不适合交互式。未考虑任务特性,平均等待时间可以缩短

  2. Shortest Job First (SJF)

    最短的作业(CPU区间长度最小)最先调度。

    可以证明,SJF可以保证最小的平均等待时间。

    • Shortest Remaining Job First (SRJF)

      SJF的可抢占版本,比SJF更有优势。

    SJF(SRJF): 如何知道下一CPU区间大小?根据历史进行预测: 指数平均法。

  1. 优先权调度

    每个任务关联一个优先权,调度优先权最高的任务。

    注意:优先权太低的任务一直就绪,得不到运行,出现“饥饿”现象。

    FCFS是RR的特例,SJF是优先权调度的特例。这些调度算法都不适合于交互式系统。

  2. Round-Robin(RR)

    设置一个时间片,按时间片来轮转调度(“轮叫”算法)

    优点: 定时有响应,等待时间较短;缺点: 上下文切换次数较多;

    如何确定时间片?

    时间片太大,响应时间太长;吞吐量变小,周转时间变长;当时间片过长时,退化为FCFS。

  3. 多级队列调度

    • 按照一定的规则建立多个进程队列
    • 不同的队列有固定的优先级(高优先级有抢占权)
    • 不同的队列可以给不同的时间片和采用不同的调度方法

    存在问题1:没法区分I/O bound和CPU bound;

    存在问题2:也存在一定程度的“饥饿”现象;

  4. 多级反馈队列

    在多级队列的基础上,任务可以在队列之间移动,更细致的区分任务。

    可以根据“享用”CPU时间多少来移动队列,阻止“饥饿”。

    最通用的调度算法,多数OS都使用该方法或其变形,如UNIX、Windows等。

进程同步

临界资源与临界区

在操作系统中,进程是占有资源的最小单位(线程可以访问其所在进程内的所有资源,但线程本身并不占有资源或仅仅占有一点必须资源)。但对于某些资源来说,其在同一时间只能被一个进程所占用。这些一次只能被一个进程所占用的资源就是所谓的临界资源。典型的临界资源比如物理上的打印机,或是存在硬盘或内存中被多个进程所共享的一些变量和数据等(如果这类资源不被看成临界资源加以保护,那么很有可能造成丢数据的问题)。

对于临界资源的访问,必须是互斥进行。也就是当临界资源被占用时,另一个申请临界资源的进程会被阻塞,直到其所申请的临界资源被释放。而进程内访问临界资源的代码被成为临界区。

对于临界区的访问过程分为四个部分:

  1. 进入区:查看临界区是否可访问,如果可以访问,则转到步骤二,否则进程会被阻塞
  2. 临界区:在临界区做操作
  3. 退出区:清除临界区被占用的标志
  4. 剩余区:进程与临界区不相关部分的代码

解决临界区问题可能的方法:

  1. 一般软件方法
  2. 关中断方法
  3. 硬件原子指令方法
  4. 信号量方法

信号量

信号量是一个确定的二元组(s,q),其中s是一个具有非负初值的整形变量,q是一个初始状态为空的队列,整形变量s表示系统中某类资源的数目:

  • 当其值 ≥ 0 时,表示系统中当前可用资源的数目
  • 当其值 < 0 时,其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞的进程数目

除信号量的初值外,信号量的值仅能由P操作和V操作更改,操作系统利用它的状态对进程和资源进行管理

P操作:

P操作记为P(s),其中s为一信号量,它执行时主要完成以下动作:

  1. s.value = s.value -1/*可理解为占用1个资源,若原来就没有则记帐“欠”1个*/

若s.value ≥ 0,则进程继续执行,否则(即s.value < 0),则进程被阻塞,并将该进程插入到信号量s的等待队列s.queue中

说明:实际上,P操作可以理解为分配资源的计数器,或是使进程处于等待状态的控制指令

V操作:

V操作记为V(s),其中s为一信号量,它执行时,主要完成以下动作:

  1. s.value = s.value +1/*可理解为归还1个资源,若原来就没有则意义是用此资源还1个欠帐*/

若s.value > 0,则进程继续执行,否则(即s.value ≤ 0),则从信号量s的等待队s.queue中移出第一个进程,使其变为就绪状态,然后返回原进程继续执行

说明:实际上,V操作可以理解为归还资源的计数器,或是唤醒进程使其处于就绪状态的控制指令

信号量方法实现:生产者 − 消费者互斥与同步控制

  1. semaphore fullBuffers =0;/*仓库中已填满的货架个数*/
  2. semaphore emptyBuffers = BUFFER_SIZE;/*仓库货架空闲个数*/
  3. semaphore mutex =1;/*生产-消费互斥信号*/
  4. Producer()
  5. {
  6. while(True)
  7. {
  8. /*生产产品item*/
  9. emptyBuffers.P();
  10. mutex.P();
  11. /*item存入仓库buffer*/
  12. mutex.V();
  13. fullBuffers.V();
  14. }
  15. }
  16. Consumer()
  17. {
  18. while(True)
  19. {
  20. fullBuffers.P();
  21. mutex.P();
  22. /*从仓库buffer中取产品item*/
  23. mutex.V();
  24. emptyBuffers.V();
  25. /*消费产品item*/
  26. }
  27. }

使用pthread实现的生产者-消费者模型:

  1. #include<pthread.h>
  2. #include<stdio.h>
  3. #include<stdlib.h>
  4. #define BUFFER_SIZE 10
  5. staticint buffer[BUFFER_SIZE]={0};
  6. staticint count =0;
  7. pthread_t consumer, producer;
  8. pthread_cond_t cond_producer, cond_consumer;
  9. pthread_mutex_t mutex;
  10. void* consume(void* _){
  11. while(1){
  12. pthread_mutex_lock(&mutex);
  13. while(count ==0){
  14. printf("empty buffer, wait producer\n");
  15. pthread_cond_wait(&cond_consumer,&mutex);
  16. }
  17. count--;
  18. printf("consume a item\n");
  19. pthread_mutex_unlock(&mutex);
  20. pthread_cond_signal(&cond_producer);
  21. //pthread_mutex_unlock(&mutex);
  22. }
  23. pthread_exit(0);
  24. }
  25. void* produce(void* _){
  26. while(1){
  27. pthread_mutex_lock(&mutex);
  28. while(count == BUFFER_SIZE){
  29. printf("full buffer, wait consumer\n");
  30. pthread_cond_wait(&cond_producer,&mutex);
  31. }
  32. count++;
  33. printf("produce a item.\n");
  34. pthread_mutex_unlock(&mutex);
  35. pthread_cond_signal(&cond_consumer);
  36. //pthread_mutex_unlock(&mutex);
  37. }
  38. pthread_exit(0);
  39. }
  40. int main(){
  41. pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
  42. pthread_cond_init(&cond_consumer, NULL);
  43. pthread_cond_init(&cond_producer, NULL);
  44. int err = pthread_create(&consumer, NULL, consume,(void*)NULL);
  45. if(err !=0){
  46. printf("consumer thread created failed\n");
  47. exit(1);
  48. }
  49. err = pthread_create(&producer, NULL, produce,(void*)NULL);
  50. if(err !=0){
  51. printf("producer thread created failed\n");
  52. exit(1);
  53. }
  54. pthread_join(producer, NULL);
  55. pthread_join(consumer, NULL);
  56. //sleep(1000);
  57. pthread_cond_destroy(&cond_consumer);
  58. pthread_cond_destroy(&cond_producer);
  59. pthread_mutex_destroy(&mutex);
  60. return0;
  61. }

死锁

死锁: 多个进程因循环等待资源而造成无法执行的现象。

死锁会造成进程无法执行,同时会造成系统资源的极大浪费(资源无法释放)。

死锁产生的4个必要条件:

  • 互斥使用(Mutual exclusion)

    指进程对所分配到的资源进行排它性使用,即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源,则请求者只能等待,直至占有资源的进程用毕释放。

  • 不可抢占(No preemption)

    指进程已获得的资源,在未使用完之前,不能被剥夺,只能在使用完时由自己释放。

  • 请求和保持(Hold and wait)

    指进程已经保持至少一个资源,但又提出了新的资源请求,而该资源已被其它进程占有,此时请求进程阻塞,但又对自己已获得的其它资源保持不放。

  • 循环等待(Circular wait)
    指在发生死锁时,必然存在一个进程——资源的环形链,即进程集合{P0,P1,P2,···,Pn}中的P0正在等待一个P1占用的资源;P1正在等待P2占用的资源,……,Pn正在等待已被P0占用的资源。

死锁避免——银行家算法

思想: 判断此次请求是否造成死锁若会造成死锁,则拒绝该请求

进程间通信

本地进程间通信的方式有很多,可以总结为下面四类:

  • 消息传递(管道、FIFO、消息队列)
  • 同步(互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量)
  • 共享内存(匿名的和具名的)
  • 远程过程调用(Solaris门和Sun RPC)

线程

多进程解决了前面提到的多任务问题。然而很多时候不同的程序需要共享同样的资源(文件,信号量等),如果全都使用进程的话会导致切换的成本很高,造成 CPU 资源的浪费。于是就出现了线程的概念。

线程,有时被称为轻量级进程(Lightweight Process,LWP),是程序执行流的最小单元。一个标准的线程由线程ID,当前指令指针(PC),寄存器集合和堆栈组成。

线程具有以下属性:

  1. 轻型实体
    线程中的实体基本上不拥有系统资源,只是有一点必不可少的、能保证独立运行的资源。线程的实体包括程序、数据和TCB。线程是动态概念,它的动态特性由线程控制块TCB(Thread Control Block)描述。

  2. 独立调度和分派的基本单位。

    在多线程OS中,线程是能独立运行的基本单位,因而也是独立调度和分派的基本单位。由于线程很“轻”,故线程的切换非常迅速且开销小(在同一进程中的)。

  3. 可并发执行。
    在一个进程中的多个线程之间,可以并发执行,甚至允许在一个进程中所有线程都能并发执行;同样,不同进程中的线程也能并发执行,充分利用和发挥了处理机与外围设备并行工作的能力。

  4. 共享进程资源。
    在同一进程中的各个线程,都可以共享该进程所拥有的资源,这首先表现在:所有线程都具有相同的地址空间(进程的地址空间),这意味着,线程可以访问该地址空间的每一个虚地址;此外,还可以访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量等。由于同一个进程内的线程共享内存和文件,所以线程之间互相通信不必调用内核。
    线程共享的环境包括:进程代码段、进程的公有数据(利用这些共享的数据,线程很容易的实现相互之间的通讯)、进程打开的文件描述符、信号的处理器、进程的当前目录和进程用户ID与进程组ID。

协程

协程,又称微线程,纤程。英文名Coroutine。

协程可以理解为用户级线程,协程和线程的区别是:线程是抢占式的调度,而协程是协同式的调度,协程避免了无意义的调度,由此可以提高性能,但也因此,程序员必须自己承担调度的责任,同时,协程也失去了标准线程使用多CPU的能力。

使用协程(python)改写生产者-消费者问题:

  1. import time
  2. def consumer():
  3. r =''
  4. whileTrue:
  5. n =yield r
  6. ifnot n:
  7. return
  8. print('[CONSUMER] Consuming %s...'% n)
  9. time.sleep(1)
  10. r ='200 OK'
  11. def produce(c):
  12. next(c)#python 3.x中使用next(c),python 2.x中使用c.next()
  13. n =0
  14. while n <5:
  15. n = n +1
  16. print('[PRODUCER] Producing %s...'% n)
  17. r = c.send(n)
  18. print('[PRODUCER] Consumer return: %s'% r)
  19. c.close()
  20. if __name__=='__main__':
  21. c = consumer()
  22. produce(c)

可以看到,使用协程不再需要显式地对锁进行操作。

IO多路复用

基本概念

IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取,它就通知该进程。IO多路复用适用如下场合:

  1. 当客户处理多个描述字时(一般是交互式输入和网络套接口),必须使用I/O复用。
  2. 当一个客户同时处理多个套接口时,而这种情况是可能的,但很少出现。
  3. 如果一个TCP服务器既要处理监听套接口,又要处理已连接套接口,一般也要用到I/O复用。
  4. 如果一个服务器即要处理TCP,又要处理UDP,一般要使用I/O复用。
  5. 如果一个服务器要处理多个服务或多个协议,一般要使用I/O复用。

与多进程和多线程技术相比,I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小,系统不必创建进程/线程,也不必维护这些进程/线程,从而大大减小了系统的开销。

常见的IO复用实现

  • select(Linux/Windows/BSD)
  • epoll(Linux)
  • kqueue(BSD/Mac OS X)

参考资料