[操作系统学习笔记（1）] 多进程图像 CPU工作原理

管理CPU

        我们通过多进程图像来管理CPU，所以说多进程图像是核心部分。

        那么，操作系统如何管理CPU呢？

        总而言之，就是不断的自动取址执行！

        一旦给出了第一个地址，后面的地址是自动累加的。

CPU使用率

       我们在程序中执行计算以及一些IO操作。

       前者在电子硬件上完成，后者要涉及到磁盘机械运动。

       一次IO的时间和一次计算的时间比是：10^6 : 1，可见IO操作十分耗时。

       所以对于CPU而言，它执行一个程序时利用率非常低，因为它绝大多数时间都在等待IO操作。而且我们也不能跳过IO语句，因为它可能和接下来的计算相关。

       在这种情况下，CPU的利用率接近于0。

提高使用率方法

         解决这个问题，可以在等待的时候切出去计算别的程序，在一定时候再回来。

         简言之，就是：

        

        在切换的时候，我们 修改寄存器PC就行了吗？

   事实上，我们还需要记录返回的地址，要记录ax(记录切出去时的状态），也就是“保护现场”，保证CPU以后还能切回来。

        每个程序有了一个存放信息的结构：PCB

进程

       CPU切换的这些程序（运行程序），我们称为进程。

       相比起静态程序，它的特点是：

       

多进程图像

         操作系统记录进程，并按合理次序分配资源、进行调度，这就是多进程图像。

        为每个进程创建一个结构体：PCB，记录进程的信息。

        从启动开始到关机结束都在执行。

具体过程

        fork()创建第一个进程,init执行shell

        进程shell再启动其它进程

int main(int argc, char* argv[])
{
    while(1){
        scanf(“%s”,cmd);
        if(!fork()){
        exec(cmd);
        }
        wait();
    }
}

多进程的组织（PCB,状态,队列）

        一个进程：执行（单一PCB）

        一些进程：等待执行（就绪队列）

        一些进程：等待某事件（比如，磁盘等待队列，在此队列中的，即使在就绪队列中排到了头，也无法执行，因为它的前置条件缺失了）

        使用PCB结构体来组成一些数据结构。

       进程状态图：

      

        用状态推进多个进程。

多进程的交替

        比较复杂，在这里以一个实例介绍。

        一个进程启动了磁盘读写，它把自己的状态变成阻塞态，操作系统将这个进程放到磁盘等待队列中，再进行交替。

       交替的过程：

       先从就绪队列中找到下一个进程（选择合适的进程是很重要的），让下一进程成为当前活跃的进程。

       总之，就是：

     

       进程调度：FIFO ， 或者设置优先级。

        切出去的时候，把物理CPU的一些重要信息保存到一个PCB中，再把接下来要执行的进程的PCB存到物理CPU中。（需要用汇编代码书写）

多进程之间的影响

        多个进程交替执行，它们都需要被放到内存中。只有这样CPU才能取址执行。

        但是，多个进程放在一起，会出现问题：其中一个进程访问的地址，很有可能是另外一个进程使用的地址，这种访问是破坏性的。

        为了避免这一现象，需要限制某些地址的读写，也就是多进程的地址空间分离。

        基本思想是通过映射表来实现这种分离。

        地址并非真实的地址，而是对应着一个映射，每个进程都有着自己的一个映射表。两个进程虽然访问同一个“地址”，但是由于映射规则不一样，它们实际*问了不同的地址。这样就保证了多个进程在内存*存。

多进程的合作

        举例：打印进程。

        多个文档需要打印的话，先将打印内容放到打印队列，然后再去做别的事情。而打印这边需要从队列中取出内容。

        一个存放内容，一个取出内容，两者之间形成合作关系。

        为了保证合作过程能够有序进行，需要对它们做一些处理，比如组织多个文档按照怎样的顺序进入队列。

        #define BUFFER_SIZE 10

        typedef struct { ....} item;//共享数据

        item buffer[BUFFER_SIZE];

        int in = out = count = 0;

        生产：

        while（true） {

                while( count == BUFFER_SIZE ) ;//如果已满 在这里死循环

                buffer[in] = item; //不满的话直接放入

                in = (in + 1) % BUFFER_SIZE

                count++;

        }

        消费：

        while（true）{

                while(count == 0);

                item = buffer[out]; //取出内容

                out = (out + 1)%BUFFER_SIZE;

                count --;

        多个进程都需要修改count。如果切出的时候未能正确修改count的值（还没来得及修改就被切出），就会发生错误。

        所以在修改count的时候，需要将其上锁。也就是说，在一个进程还没修改完count前，不能切换到另一个进程。