来一波操作系统的笔记，前面有一部分内容未写入。
使用的教程是NJU的操作系统MOOC
中断屏蔽
当计算机检测到中断时，中断装置通过中断屏蔽位决定于是否响应已发生的中断。
有选择的响应中断
中断优先级
有优先度的响应中断。在同时检测到多个中断时，中断装置响应中断的顺序。
不同计算机操作系统有不同的优先级顺序。
中断的嵌套处理
响应中断过程中可以响应其他中断。
先响应的有可能后处理。嵌套层次应该要有限制。
多中断的响应与处理
决定中断处理次序的因素：
- 中断屏蔽
- 中断优先级
- 嵌套处理，嵌套处理改变了中断处理的次序
进程
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。是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
进程包括五个实体部分
1.（OS管理运行程序的）数据结构P
- （运行程序的）内存代码C
- （运行程序的）内存数据D
- （运行程序的）通用寄存器信息R
- （OS控制程序执行的）程序状态字信息PSW
不同程序在不同数据集上运行，构成无关进程。
不同程序在相同数据集上运行，构成共享数据的交往进程。
相同代码在不同数
据集上运行，构成两个共享代码的无关进程。共享的代码是可再入程序（纯代码）
概念级的进程状态
- 运行态：指进程占有处理器运行
- 就绪态：进程具备运行条件等待处理器运行
- 等待态：进程由于等待资源，输入输出，信号等而不具备运行条件
进程的三态模型.png
进程的挂起
进程挂起：由于操作系统无法预期进程的数目与资源需求，计算机在运行过程中会出现资源不足的情况（性能低，死锁）。这时需要剥夺某些进程的内存和其他资源，调入OS管理的对换取，不参加进程调度，待适当时候再调入内存，恢复资源，参与运行。
挂起态于等待态有本质区别，等待态占有已申请到的资源，挂起态无任何资源
进程挂起的选择与恢复.png
进程控制块
标识信息，现场信息，控制信息
标识信息：用于存放唯一标识该进程的信息。（系统分配的标识号，系统分配的进程组标识号，用户定义的进程名，用户定义的进程组名）
现场信息：用于存放该进程运行时的处理器现场信息。（用户可见寄存器内容：数据寄存器，地址寄存器；控制与状态寄存器内容：PC,IR,PSW;栈指针内容：核心栈和用户栈指针）
控制信息：用于存放于管理、调度进程相关的信息（调度相关信息：状态、等待事件/原因，优先级；进程组成信息：代码/数据地址、外村映像地址；队列指引元：进程队列指针、父子兄弟进程指针；通信相关信息：消息队列，信号量，锁；进程特权信息：如内存访问权限，处理器特权；处理器使用信息：占用的处理器，时间片，处理器使用时间/已执行总时间、记账信息；资源清单信息：正占有的资源，已使用的资源）
进程映像
某一时刻进程的内容及其执行状态集合
进程控制块：保存进程的标识信息，状态信息和控制信息
进程程序块：进程执行的程序空间
进程数据块：进程处理的数据空间，包括数据，处理函数的用户栈和可修改的程序
核心栈：用户在内核模式下运行时使用的堆栈，中断或系统过程使用
进程映像是内存级的物理实体，又称为进程的内存映像。
进程的内存映像.png
进程上下文
进程的执行需要环境支持，包括CPU现场和Cache中的执行信息
OS中的进程物理实体和支持进程运行的环境合称为进程上下文，包括
- 用户级上下文：用户程序块、用户数据区、用户栈、用户共享内存
- 寄存器上下文：PSW、栈指针、通用寄存器
- 系统级上下文：PCB、内存区表、核心栈
进程上下文刻画了进程的执行状态
概念级的OS进程管理软件
系统调用/中断/异常处理程序
队列管理模块
进程控制程序
进程调度程序
进程通信程序
终端登录与作业控制程序，性能监控程序，审计程序等外围程序
进程的队列模型
进程实现的队列模型.png
时间片到 也要让出处理器
队列管理模块
是操作系统实现进程管理的核心模块
操作系统建立多个进程队列，包括就绪队列和等待队列
按需组织为先进先出队列与优先队列
队列中的进程可以通过PCB中的队列指引元采用单双指引元或索引连接
进程管理和资源调度围绕队列展开。
进程的控制和管理
- 进程创建：进程表加一项，申请PCB并初始化，生成标识，建立映像，分配资源，移入就绪队列
- 进程撤销：从队列中移除，归还资源，撤销标识，回收PCB，移除进程表项
- 进程阻塞：保存现场信息，修改PCB，移入等待队列，调度其他进程执行。
- 进程唤醒：等待队列中移除，修改PCB，移入就绪队列（该进程优先级高于运行进程触发抢占）
- 进程挂起：修改状态并出入相关队列，收回内存等资源送至对换区。
- 进程激活：分配内存，修改状态并出入相关队列
原语与进程控制原语
进程控制过程中涉及对OS核心数据结构（进程表、PCB池、队列、资源表）的修改。为了防止与时间有关的错误，应使用原语。原语是指若干条指令构成的完成某种特定功能的程序，执行上具有不可分割性。
原语的执行可以通过关闭中断来实现。
进程控制使用的原语成为进程控制原语。另一类常用原语是进程通信原语。
进程切换
从正在运行的进程中收回处理器，让待运行进程来占有处理器运行。
进程切换实质上就是被中断运行进程与待运行进程间的上下文切换。处理过程如下：
- 保存被中断进程的上下文
- 转向进程调度
- 恢复待运行进程的上下文
模式切换
进程切换必须在操作系统内核模式下完成，故需要模式切换（处理器状态切换）
用户模式到内核模式：由中断/异常/系统调用中断用户进程执行而触发
内核模式到用户模式：OS执行中断返回指令将控制权交还用户进程而触发
模式切换的基本工作任务
中断装置完成正向模式切换：
- 处理器模式转换为内核模式
- 保存当前进程的PC/PSW值到核心栈
- 转向中断、异常、系统调用处理程序
中断返回指令完成逆向模式转换：
- 从待运行进程核心栈中探出PC/PSW值
- 处理器模式转为用户模式
进程切换的工作过程
- (中断/异常等触发)正向模式切换并压入PSW/PC
- 保存被中断进程的现场信息
- 处理具体中断/异常
- 把被中断进程的系统堆栈指针SP值保存到PCB
- 调整被中断进程的PCB信息，如进程状态
- 把被中断进程的PCB加入相关队列
- 选择下一个占用CPU运行的进程
- 修改被选中进程的PCB信息，如进程状态
- 设置被选中进程的地址空间，恢复存储管理信息
10.恢复被选中进程的SP值到处理器寄存器SP
11.恢复被选中进程的现场信息进入处理器
12.(中断返回指令触发)逆向模式转换并弹出PSW/PC
进程切换的发生时机
进程切换一定发生在中断/异常/系统调用处理过程中，常见的情况是：
- 阻塞式系统调用、虚拟地址异常。导致被中断进程进入等待态
- 时间片中断、I/O中断后发现更高优先级进程
导致被中断进程转入就绪态 - 终止用系统调用、不能继续执行的异常导致被中断进程进入终止态进程
进程切换与模式切换
有的时候进行了模式切换但不一定也进行了进程切换。比如时钟。
处理流程是：
- (中断/异常触发)正向模式切换压入PSW/PC
保存被中断进程的现场信息 - 处理中断/异常
- 恢复被中断进程的现场信息
- (中断返回指令触发)逆向模式转换弹出PSW/PC
多线程
单线程结构进程
在并发程序上存在的问题：
- 进程切换开销大
- 进程通信开销大
- 限制了进程并发的粒度
- 降低了并行计算的效率
多线程结构进程
多线程结构进程.png
多线程环境下进程的概念：进程是操作系统中进行保护和资源分配的独立单位。
具有：
- 用来容纳进程映像的虚拟地址空间
- 对进程、文件和设备的存取保护机制
线程是进程的一条执行路径，是调度的基本单位，同一个进程中的所有线程共享进程获得的主存空间和资源。
线程具有：线程执行状态，受保护的线程上下文，独立的程序指令计数器，执行堆栈，容纳局部变量的静态存储器。
线程状态有：运行，就绪和睡眠
线程操作有：孵化，封锁，活化，剥夺，指派和结束
OS感知线程情况下：处理器调度对象是线程，进程没有三状态。
OS不感知线程情况下：处理器调度对象是进程。用户调度程序调度线程。
并发多线程程序设计的优点
- 快速线程切换
- 减少（系统）管理开销
- 线程通信易于实现
- 并行程度提高
- 节省内存空间
应用：前台和后台工作，C/S应用模式，加快执行速度，设计用户接口。
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