操作系统忙等待解决方案

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1、操作系统忙等待解决方案操作系统忙等待解决方案 篇一：现代操作系统读书笔记 第一章：引论 操作系统是运行在内核态的软件，为程序猿提供资 源集抽象以及管理硬件 主要任务：记录那个程序在用什么资源，管理资源 分配，评估使用代价，调节冲突 1.操作系统必须知道所有的寄存器，以便中断时保 存进度 2.用户程序在用户态运行时，仅允许执行至灵级的一 个子集，一般不能调用 IO 和内 存保护指令 3.陷阱： a. 用于执行系统调用 b. 多数由硬件引起，用于警告异常 4.超线程：无并行处理，线程切换纳秒级 存储器 1. 寄存器（和 CPU 一样快）-高速缓存（多级缓存） -主存（RAM ROM EEROM 闪

2、存） 上下文切换：多道程序系统中从一个程序切换到另 一个程序 1. 设备驱动程序：控制 IO 设备，与控制器对话并 收发命令 2. 设备存储器：映射到操作空间 A优点：不需要特定 IO 指令 B缺点：占地址空间（8088） 3. 实现输入输出的方法： A 忙等待：设备驱动循环检查 IO B 操作完成时中断 C 使用特殊的直接存储器访问芯片 DMA 1. USB：通用串行总线，键盘鼠标等慢速设备 启动 1. 加电-BIOS 检查硬件-BIOS 查询启动设备（设 备第一扇区用启动签名才可以作为启动设备）-硬盘第一 区（MBR） ，分区表，超级块等 进程 1. 本质：正在执行的程序的实例，地址空间（

3、core image 进程可读写，有数据和堆栈） 。 2. 相关：资源集（寄存器，报警，文件清单等） 3. 容许运行一个程序所需要所有信息的容器 4. UID 与 GID 1. IO 设备的分类： A块设备：硬盘，可随机读取 B字符特殊文件：键盘鼠标 2管道：虚文件，连接进程 系统调用 1. 用户程序与操作系统交互：处理抽象 2. 能进入内核的过程调用 用户态切换到核心态三种方法：中断，异常，系统调 用 指令：副作用切换到内核态 微内核 1. 高可靠性，把操作系统划分成小的，定义良好的 模块，只有微内核运行在内核，其他 是普通用户程序 2. 设备驱动：崩溃不会导致系统死机 3. 机制与策略分离

4、 第二章：进程与线程 进程模型 1. 多道程序设计：CPU 在多个程序之间快速切换 2. UNIX: 开始是相同，之后不同。Windows：一直不 同。 3. 进程退出的原因： 1. 正常退出； 2. 出错退出；（异常处理） 3. 严重错误；（非法指令，引用错误内存，除零错 误） 4. 被杀死 4. 进程层次 Windows: 没有层次的概念，所有进程地位相同 Linux：进程及进程的子女们组成进程组 5. 进程的三种状态： 1. 运行态（实际占用 CPU） 2. 就绪态（可运行） 3. 阻塞态（等待外部事件） 6. 进程表：储存进程状态（程序计数器，堆栈指针， 内存分配状况，打开的文件状态。

5、账号等） 7. 中断向量：与每一个 IO 类关联 1. 中断发生时，中断硬件程序将进程表中的重要数 据压入堆栈，计算机跳到中断向量的地址 2. 汇编语言设置新的堆栈（无法用 C 语言这类高级 语言来描述） 8. 多道程序设计 1. 假设一个进程等待 IO 与停留在 CPU 的时间比为 p，n 个进程时，CPU 使用率为 使用率 = 1 pn 线程（ 进程与线程） 1. 定义：传统操作系统中，每个进程有一个地址空 间和一个控制线程 2. 线程将应用程序分解成可以并行运行的多个顺序 线程 3. 使用多线程的原因： 1. 并行实体共享同一个地址空间和所有可用数据的 能力 2. 线程更轻量级，所以他们

6、比进程更快创建和撤销 3. 同时需要大量 IO 和 CPU 计算时，多线程允许多个 活动彼此重叠进行，从而加快执行速度 4. 多核系统中，多线程可以真正实现并行 力。 7. 线程之间没有保护： 1. 不可能 2. 不需要（线程之间是合作关系） 8. 每个线程都有自己的堆栈 9. thread_yield：不同于进程，线程无法使用时钟 中断强制线程让出 CPU 10. 线程引入的问题 1. fork 系统调用是否应该复制子线程 2.共享文件冲突 4 线程实现 1. 用户空间实现 1每个进程需要有其专门的线程表，由运行时系统 管理 2. 优点 1. 可以在不支持线程的操作系统上实现多线程 2. 线

7、程切换速度快（调用运行时系统的过程，不需 要刷新和上下文切换） 3. 允许每个进程有自己定制的调度算法 4. 有较好的拓展性（内核县城需要固定的表格空间 和堆栈空间） 3. 缺点 1. 某个线程进行阻塞调用会引起所有其他线程阻塞 1. 使用非阻塞系统调用 2. 阻塞提前通知（select 系统调用） 2. 页面故障阻塞其他线程 3. 除非线程放弃 CPU，否则其他线程（包括调度线程） 无法运行（没有 时钟中断） 1. 运行时系统也给与时钟中断：不好，不可能而且 开销大 2. 内核线程 1. 内核有记录所有线程的线程表 2. 使用环保方法回收线程 3. 在线程级别使用调度算法：如果线程的操作比较

8、 多，会带来很大的开销 4. 信号：是发给进程的。当多个线程注册时，会出 问题 3. 混合实现 1. 使用内核级线程，将用户级线程与某些或者全部 内核线程多路复用（很灵 活） 4. 调度机制 1. 内核给每个进程安排一定数量的虚拟处理器并且 让运行时系统分到线程上 2. 进程被阻塞后，内核通知运行时系统（upcall） 3. 根据中断决定是否继续 5. 例子：多线程/单线程 web 服务器 1. 第三种设计（有限状态机： 并行，非阻塞 系统调用， 【中断】 ）：唯一的线程对请求进行考察，如果 需要 IO，则启动一个非阻塞 IO，服务器在表格里记录当前 请求，然后处理下一个事项。 6. 线程模型

9、 1. 进程：集 中程序运行的相关资源（地址空间，全局变量等） 2. 线 程：程序计数器，寄存器，堆栈，共享的地址空间，多个 线程的执行能 5. 弹出式线程 1. 一个消息的到达导致系统创造新的线程处理消息- 弹出式线程 2. 优点：没有历史，创建迅速 6. 重写单线程代码 1. 私有的全局变量 2. 可重入的库 1. 重写整个库 2. 为每个过程提供 wrapper，标志该库正在被使用中 3. 信号：内核不知道用户级线程，因此不容易将信 号发给正确的线程 4. 堆栈管理：内核不了解线程，无法自动增长，可 能会造成线程堆栈出错。 进程间通信 1. 三个基础问题 1. 进程如何把信息传递给另一个

10、 2. 确保两个或多个进程在关键活动中不会交叉 3. 进程执行的正确顺序 2. 竞争条件：两个或多个进程读写共享数据，最后 结果取决于进程执行的精确时序。 3. 临界区：多个进程中访问共享区域的程序段 1. 互斥：不能同时多个进程使用共享变量或者文件 2. 临界区解决方案四个条件 1. 任何两个进程不能同时处于临界区 2. 不应对 CPU 的数量和速度有任何的假设 3. 临界区外的程序不应阻塞其他程序 4. 不能使程序无限期等待进入临界区 3. 解决方案（基于忙等待：进程如不能进入互斥区， 则会一直原地等待） 缺点： 1. 可能导致优先级反转问题 2. 浪费 CPU 3. 用户级线程会一直忙等

11、待，从而没用办法让拥有 锁的线程运行 1. 屏蔽中断：进程进入临界区之后屏蔽所有中断 （CPU 不会切换） 评价：不好的方案 1. 不能把屏蔽中断的权力交给用户进程（不打开中 断则系统会终止） 2. 多处理器时不能解决互斥 2. 锁变量：共享锁，程序在进入临界区之前检查锁 的值 评价：无法解决临界区问题 3. 严格轮换法 评价： 1. 可以解决，但为忙等待。只有有理由认为等待时 间很短的情况下才使 用忙等待（锁被称为自旋锁） 2 在一个进程比另一个进程慢很多的情况下，不好 （违反条件三） 4 4. Peterson 解法 评价：可以解决，满足四大条件 5. TSL 指令（硬件解法） TSL R

12、X LOCK：测试并加锁，把 LOCK 值读到 RX 并在 LOCK 上存入 1。原子操作 可以阻止所 有处理器访问 LOCK（屏蔽中断只能屏蔽本地处理器） 睡眠 唤醒方案（进程无法进入临界区时会阻塞） 1. 原语： 生产者消费者问题：一个发给未睡眠进程的信号丢失 了 2. 解决方案 1. 唤醒等待位：唤醒时生产者置 1，消费者睡眠前检 查该位，若为 1，则清除该位并继续保持清醒（不好，多进 程时需多个等待位） 2. 信号量（semaphore）：检查数值，修改变量等应 为原子操作 1. 在进入一个关键代码段之前，线程必须获取一个 信号量；一旦该关键代码段完成了，那么该线程必须释放 信号量。其

13、它想进入该关键代码段的线程必须等待直到第 一个线程释放信号量。 2实现方法：操作系统在执行以上事务时屏蔽中断 3. 另一种用途：互斥锁 3. 互斥锁：只需要一个二进制位 与忙等待差异：在未获得锁时，调用另外的线程 篇二：操作系统 题库 选择题 选择题 1.操作系统所扮演的角色是： A.多台电脑之间的接 口 B.给系统用户提供一套服务 C.管理应用软件档案 D.不 是以上任一选项 答案：B 2.计算机系统的四个主要结构化部件是： A.处理器、 寄存器、I/O 模块及主存储器 B.处理器、寄存器、主存储 器及系统总线 C.处理器、主存储器、I/O 模块及系统总线 D.不是以上任一选项 答案：C 3

14、.两种基本的处理器寄存器是： A.用户可见寄存器及控制和状态寄存器 B.控制寄存 器和状态寄存器 C.用户可见寄存器和用户不可见寄存器 D.不是以上 任一选项 答案：A 4.地址寄存器包含： A.数据的主存储器地址 B.指 令的主存储器地址 C.局部主存储器地址 D.以上均是 答案： D 5.包含将取指令地址的控制/状态寄存器称为： A. 指令寄存器（IR） B.程序计数器（PC） C.程序状态字 （PSW） D.以上均是 答案：B 6.指令处理过程中的两个基本步骤是： A.取指阶段 和指令周期 B.指令周期和执行阶段 C.取指阶段和执行阶 段 D.不是以上任一选项 答案：C 7.取到的指令通

15、常被存放在： A.指令寄存器（IR） B.程序计数器（PC） C.存储器（AC） D.不是以上任一 选项 答案：A 8.中断常见的种类有： A.程序中断 B.时钟中断 /O 中断 D.以上均是 答案：D 9.当外部设备准备好接收处理器的服务时，该设备发 送哪种信号给处理器？ A.中断信号 B.停止信号 C.处理 信号 D.不是以上任一选项 答案：A 10.在处理器控制控制例行的中断处理器之前，需要 储存的最少信息有： A.程序状态字（PSW） B.程序状态字（PSW）和后续指令地址 C.程序状态字（PSW）和处理器寄存器内容 D.不是以 上任一选项 答案：B 11.处理多中断的一个可行的方法是

16、： A.定义中断 优先级 B.阻止处最高优先级中断外的所有中断 C.按顺序轮 流服务 D.不是以上任一选项 答案：A 12.在一个单处理器系统中，多道程序设计通过什么 方式提高处理器效率？ A.提高处理器速度 B.充分利用长时间等待的中断处理的空闲时间 C.消 除所有空闲的处理器周期 D.以上选项均是 答案：B 13.存储器等级降低时（如内存、硬盘）等，会出现 以下那种情况： C.访问时间增加 D.以上选项均是 答案： C 14.在处理器与主存储器之间提供的一个容量小而快 速的存储器称为： 存储器 B.高速缓冲存储器 存储器 D.不是以上任一选项 答案：B 15.当一个新块被读入高速缓冲存储器是，以下哪个 要素将决定这个块将占据某个高速缓冲存取单元： A.块大小 4 B. 高速缓冲存储器大小 C.写策略 D.不是以上任一选项 答案：D(映射函数) 16.直接存储器存储需要从处理器获取哪些信息？ /O 地址 B.读写操作的开始地址 C.读或写的字符数量 D.不是 以上任一选项 答案：D（不需要处理器的参与） 1.操作系统的一个