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操作系统知识-操作系统作用+进程管理-嵌入式系统设计师备考笔记

news 2025/8/28 21:46:11

0、前言

本专栏为个人备考软考嵌入式系统设计师的复习笔记，未经本人许可，请勿转载，如发现本笔记内容的错误还望各位不吝赐教（笔记内容可能有误怕产生错误引导）。

本章的主要内容见下图：

1、操作系统的作用

作用：通过资源管理，包括软硬件资源管理，提高计算机系统的效率。同时操作系统改善了人机界面，向用户提供良好的工作环境。

2、进程（任务）管理（软考难点）

2.1进程的概念

进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。它由程序块、进程控制块和数据块三部分组成。

2.2进程与程序的区别

进程是程序的一次执行过程
程序是完成某个特定功能的一系列程序语句的集合，只要不被破坏，程序永远存在
程序是一个静态概念，进程是一个动态的概念，它有创建而生，完成任务后因撤销而消亡；进程是系统进行资源分配和调度的独立单位，而程序不是。

2.3进程状态

2.3.1三态模型

运行态：占有处理器正在运行
就绪态：具备运行条件，等待系统分配处理器以便运行
等待态：又称为阻塞态或睡眠态，指不具备运行条件，正在等待某个事件的完成。

状态切换	切换条件
运行态到等待态	等待使用资源，如等待外设传输，等待人工干预
等待态到就绪态	资源得到满足，如外设传输结束，人工干预成功
运行态到就绪态	运行时间片到，出现有更高优先权进程
就绪态到运行态	CPU空闲时选择一个就绪进程

2.3.2五态模型

在三态模型基础上增加了静止就绪和静止阻塞两个状态，这两个状态相当于听歌曲时的暂停选择。

对五态模型中挂起和激活的解释：

挂起：将进程调出内存，保存到外存队列，并释放资源
激活：恢复挂起进程，重新调入内存

从三态模型扩展到五态模型的目的与原因：

目的：释放进程占用的资源以缓解资源不足

原因：终端用户的请求，父进程的请求，OS的需要，如负荷调节、对换等

2.4前趋图

概念：前趋图是为了描述一个程序的各部分间的依赖关系，或者是一个大的计算的各个子任务间的因果关系的图示。

出度与入度：指向与被指向的箭头个数，入度为零的无前置执行条件。

特点：前趋图中必须不存在循环

2.5PV操作

2.5.1进程的同步与互斥

互斥：间接制约，类似于独木桥同一时间只允许一人通过，你过桥时间接制约了其他人过桥的动作。

同步：直接制约，去医院开化验单时化验员处于等待状态，只有看到化验单时才会开始化验工作。开化验单就是直接制约了化验员的化验工作。

2.5.2进程的同步与互斥：生产者与消费者问题

生产者消费者问题，也称有限缓冲问题（英语：Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。其中生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

2.5.3PV操作

PV操作就是为了解决生产者消费者问题出现的

临界资源：诸进程间需要互斥方式对其进行共享的资源，如打印机、磁带机等
临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区
信号量：是一种特殊的变量

PV操作是一种实现进程互斥与同步的有效方法，它涉及两种原语操作：P操作（请求资源，阻塞进程）和V操作（唤醒进程，释放资源）。在进程同步中，P操作负责测试消息是否到达，而V操作负责发送消息。在进程互斥中，P操作用于判断是否能进入临界区并申请资源，V操作用于退出临界区并释放资源。信号量（semaphore）是实现PV操作的关键概念，其值可以大于、等于或小于零。当信号量值大于或等于零时，表示有可用资源；当信号量值小于零时，表示有进程正在等待资源，此时需要唤醒等待队列中的一个进程；当信号量值等于零时，表示资源被完全占用。见PV操作示意图。

PV操作必须成对出现，即一个进程的P操作必须与另一个进程的V操作相对应。在单进程内部，P操作后通常紧接着一个V操作；而在多进程之间，一个进程的V操作后可能紧接着另一个进程的P操作。这种操作模式确保了资源的安全使用和进程间的正确通信。

2.5.4PV原语

单缓冲区生产者消费者问题PV原语描述：

#生产者进程
S1初值为1，S2初值为0；
生产者：
生产一个产品;
P(s1);
送产品到缓冲区;
V(s2);

#消费者进程
S1初值为1，S2初值为0；
消费者：
P(s2);
从缓冲区取产品；
V(s1);
消费产品;

2.6进程管理死锁

死锁概念：进程管理是操作系统的核心内容，但存在设计不当，出现死锁的可能，如果一个进程在等待一个不可能发生的事情，那么进程就死锁了，感觉就是陷入了死循环（死循环和死锁不是一个概念）。而如果一个或多个进程产生死锁就会造成系统死锁。

例题：某系统存在三个进程：A，B,C。这三个进程都需要5个系统资源。如果系统有多少个资源，则不可能发生死锁。

进程A	进程B	进程C
4+1	4	4

死锁解决：

有序资源分配法：这种算法资源按某种规则系统中的所有资源统一编号（例如打印机为1、磁带机为2、磁盘为3、等等），申请时必须以上升的次序。系统要求申请进程：
①对它所必须使用的而且属于同一类的所有资源，必须一次申请完；
②在申请不同类资源时，必须按各类设备的编号依次申请。例如：进程PA，使用资源的顺序是R1，R2；进程PB，使用资源的顺序是R2，R1；若采用动态分配有可能形成环路条件，造成死锁。
采用有序资源分配法：R1的编号为1，R2的编号为2；
PA：申请次序应是：R1，R2
PB：申请次序应是：R1，R2
这样就破坏了环路条件，避免了死锁的发生。同时我们可以还可以采用操作系统经典问题银行家算法来避免死锁。