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  • 处理器管理

    千次阅读 热门讨论 2014-01-21 15:17:42
    处理器管理是操作系统的一个功能。  其中,对处理器管理感觉一直都是围绕在进程上面。  从宏观上看,程序的执行可以是顺序执行的,可以是并发执行的,也可以是多道执行。处理器通过两级调度来确定到底该处理...


       对处理器的管理是操作系统的一个功能。

       其中,对处理器的管理感觉一直都是围绕在进程上面。

       从宏观上看,程序的执行可以是顺序执行的,可以是并发执行的,也可以是多道执行。处理器通过两级调度来确定到底该处理哪个进程。处理器选择要处理的进程时分为两步:一,作业调度,通过作业调度,决定将哪些进程装入主存中进行等待,而第二步,进程调度,则是宣布哪个进程获得了处理器的占用权。

       在微观上,若干个就绪的队列通过对进程块的链接来形成进程队列,一旦有进程让出处理器,就会有新的进程得到处理器的占用权,这时,进程的状态会改变。另外,当产生中断时,也会有进程状态的改变。那么,如何对众多进程进行管理?这时,就用到了进程控制块。在进程控制块中,包含着进程的标识信息,说明信息,线程信息,管理信息,记录着进程的状态。

        但是随着进程的增多,就会增加进程调度的次数,这会给调度和控制带来复杂性。所以,引入了线程。把进程中可以并发执行的个部分分别作为一个线程,将线程作为进程中可独立执行的子任务。

         有3个词在这里要做区分下,它们是:程序,进程,线程。

         程序是一种静态实体,程序可作为软件资料长期保存。而进程是程序在一个数据集上的执行过程,可看做是一种动态实体。进程是一个动态的实体,它有自己的生命周期。它因创建而产生,因调度而运行,因等待资源或事件而被处于等待状态,因完成任务而被撤消。反映了一个程序在一定的数据集上运行的全部动态过程;进程和程序并不是一一对应的,一个程序执行在不同的数据集上就成为不同的进程,可以用进程控制块来唯一地标识每个进程。而这一点是程序无法做到的,由于程序没有和数据产生直接的联系,既使是执行不同的数据的程序,他们的指令的集合依然是一样的,所以无法唯一地标识出这些运行于不同数据集上的程序。一般来说,一个进程肯定有一个与之对应的程序,而且只有一个。而一个程序有可能没有与之对应的进程(因为它没有执行),也有可能有多个进程与之对应(运行在几个不同的数据集上)。

        对于进程和线程,在现代操作系统中,把用户一个计算问题或一个应用问题作为一个进程,把该进程中可以并发执行的各部分分别作为线程。线程是进程中可以独立执行的子任务。个人理解是,进程是 操作系统进行资源分配的最小单位,而线程是比进程更小的能独立运行的最小单元,线程占用所属进程的资源,因而多线程能减小资源的浪费,替代多进程带来的缺点。





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  • 操作系统 -- 处理器管理

    千次阅读 2019-08-11 16:23:30
    处理器管理概述 linux的处理器管理   在前面操作系统绪论中有介绍到操作系统的几大部分:处理机管理 存储管理 设备管理 文件管理 用户接口。这篇文章主要是对处理器管理这一部分进行详细说明。 进程的由来   从...


      在前面操作系统绪论中有介绍到操作系统的几大部分:处理机管理 存储管理 设备管理 文件管理 用户接口。这篇文章主要是对处理器管理这一部分进行详细说明。

    进程的由来

      从联机批处理 -> 脱机批处理 -> 多道批处理 -> 多道程序设计技术,很大的原因是cpu和其他硬件资源速度不匹配(cpu太快,其他硬件速度都跟不上),操作系统设计人员为了缓解cpu和硬盘等硬件速度上的差距、提高cpu的利用率而不断改进操作系统的结果。充分体现了物尽其用这个原则。
      程序就是一个指令序列。在未出现多道程序设计之前,只支持单道程序,操作系统只是一个一个按顺序执行程序,所以计算机中的所有资源都被当前运行的程序所享有,包括内存。当时内存仅仅被划分为程序段和数据段,程序段用于存放程序代码,数据段则用于存放程序的数据。因为只有一个程序,所以很容易就可以找到相应的程序段和数据段。
      多道程序设计技术的出现,支持同一时间内多个程序并发(当一道程序因I/O请求而暂停运行时,CPU便立即转去运行另一道程序。)。这样内存中就需要存放各个运行程序的相关信息。这样就产生一个问题,操作系统如何才能找到个程序的存放位置?
      所以为了方便操作系统管理和完成多个程序并发执行,引入了进程和进程实体的概念。操作系统为每一个运行的程序配置了一个数据结构,进程控制块(PCB)用来描述进程的各种信息,例如代码的存放位置,数据存放位置等。并不是直接存放程序段和数据段的内容,程序段、数据段的内容存放在内存其他地方,但是由于PCB的存中,很容易获取到这些信息。
      PCB、程序段、数据段三个部分构成了进程实体,也称进程印象。一般情况下,我们把进程实体简称为进程,例如所谓的创建进程,实质上是创建进程实体的PCB;而撤销进程,实质上是撤销进程实体中的PCB。

    进程的定义

      进程的定义并没有一个统一的说法,自己比较认同的就是:
      进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上一次动态执行的过程。

    注意

      严格来说,进程实体和进程并不一样,进程实体是静态的,进程则是动态的。Linux内核通常把进程也叫任务。

    该如何去理解进程和进程实体

      PCB、程序段、数据段三个部分构成了进程实体。程序本身和进程实体只相差了一个PCB,二者均是静态的,即是存储起来的状态,而进程所描述的,是进程实体运行的过程,或者说是程序运行的过程,即强调的是程序的运行,动态的过程。

    PCB记录的信息

      从上述可以知道,pcb是一个很重要的结构,里面一般存放什么信息呢?

    • 进程描述信息
    • 进程标识符PID:当进程被创建时,操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的ID,用于区分不同的进程,就像是身份证号
    • 用户标识符UID
    • 进程控制和管理信息
    • 进程当前状态
    • 进程优先级
    • 资源分配清单
    • 处理机相关信息

    处理器管理概述

      处理器管理是操作系统的重要组成部分,它负责管理,调度和分派计算机系统的重要资源————处理器,并控制程序的执行。
      操作系统的基本任务是对“进程”实施管理,操作系统必须有效有效控制进程的执行,给进程分配资源,准许进程之间交换信息保护每个进程在运行期间免受其他进程干扰控制进程的互斥、同步和通信
      早期的计算机系统是基于单个处理器的顺序处理机器。程序员编写串行执行的代码,让其在处理器上串行执行,每一条指令的执行也是串行的(取指令,取操作数,执行操作,存出结果)。单核的处理器管理也很容易理解,cpu调度策略也很多(FCFS、优先级调度、SJF调度、RR调度、多级反馈调度)
      但是为了提高cpu硬件的性能,逐步发展出了流水线系统(解决了指令并行的问题)和多核CPU。由于多核处理器有多个核心,那么在多核处理器工作时就存在任务分配、调度、仲裁以及负载均衡等诸多问题。这时候的操作系统的处理器管理要是想利用上多核cpu的优势,必须优化系统任务调度算法,一般多核上任务调度算法有全局队列调度和局部队列调度。前者是指操作系统维护一个全局的任务等待队列,后者是指操作系统为每个CPU内核维护一个局部的任务等待队列。

    硬件知识:
    按照计算机在一个执行阶段能执行的指令或能处理的最大可能数可将计算机分为四类:

      1.单指令流单数据流(SISD);

      2.单指令流多数据流(SIMD);

      3.多指令流单数据流(MISD);

      4.多指令流多数据流(MIMD)。

      MIMD系统划分为:共享内存的紧密耦合MIMD系统;内存分布的松散耦合MIMD系统。

      根据处理器分配策略,紧密耦合MIMD系统可以分为主从式系统MSP;对称式系统SMP。
    MSP
      操作系统对不同的计算机结构有不同的支持,我们接触的个人计算机大多是SMP(最大的特点就是共享所有资源)

    处理器管理实例 – Linux2.6内核上的实现

      下面提到的Linux如果不是特别指明都是代指Linux2.6.32内核。

    Linux调度器的简史

    从Linux2.4之前的内核调度器 -> Linux2.4调度器 -> Linux2.6的O(1)调度器 -> Linux新一代调度器CFS

    Linux2.4调度器

    在这里插入图片描述
    过程:2.4的调度算法,将所有的就绪进程组织成一条可运行队列,不管是单核环境还是smp环境,cpu都只从这条可运行队列中循环遍历直到挑选到下一个要运行的进程。如果所有的进程的时间片都用完,就重新计算所有进程的时间片。
    2.4调度的不足:
    1)一个明显的缺点就是时间复杂度为O(n),每次都要遍历队列,效率低!。虽然说O(n)的复杂度看起来不是很糟糕,而且系统能容纳进程数量也不一定会很大,但复杂度为O(n)还是很难忍受的。
    2)由于在smp环境下多个cpu还是使用同一条运行队列,所以进程在多个cpu间切换会使cpu的缓存效率降低,降低系统的性能。
    3)多个cpu共享一条运行队列,使得每个cpu在对队列操作的时候需要对运行队列进行加锁,这时如果其他空闲cpu要访问运行队列,则只能等待了。由2、3两点可以看出2.4的调度算法对smp环境的伸缩性不高!不能很好地支持smp环境。
    4)不支持内核抢占,内核不能及时响应实时任务,无法满足实时系统的要求(即使linux不是一个硬实时,但同样无法满足软实时性的要求)。
    5)进程的剩余时间是除了nice值外对动态优先级影响最大的因素,并且系统将休眠次数多的进程的剩余时间叠加起来,从而得出更大的动态优先级。这体现了 系统更倾向优先执行I/O型进程。内核就是通过这种方式来提高交互进程的优先级,使其优先执行。但休眠多的进程就代表是交互型的进程吗?并不是的,这只能 说明它是I/O型进程。I/O型进程需要进行I/O交互,如读写磁盘时进程会经常处于休眠的状态。如果把这种进程当成是交互进程,反而会影响其他真正的交 互进程。
    6)简单的负载平衡。那个cpu空闲就把就绪的进程调度到这个cpu上去执行。或者某个cpu的进程的优先级比某个进程低,就调度到那个cpu上去执行。这样简单的负载平衡缺点不言而喻。进程迁移比较频繁,而且出现2、3的情况。这样的负载平衡弊大于利!

    Linux的O(1)调度器

    在这里插入图片描述
    过程:每个cpu维护一个自己的运行队列,每个运行队列有分别维护自己的active队列与expried队列。当进程的时间片用完后就会被放入expired 队列中。当active队列中所有进程的时间片都用完,进程执行完毕后,交换active队列和expried。这样expried队列就成为了 active队列。这样做只需要指针的交换而已。当调度程序要找出下一个要运行的进程时,只需要根据上面提过的位图宏来找出优先级最高的且有就绪进程的队 列。这样的数据组织下,2.6的调度程序的时间复杂度由原来2.4的O(n)提高到O(1)。而其对smp环境具有较好的伸缩性。

    Linux的cfs调度器

    在这里插入图片描述
    过程:与之前的Linux调度器不同,CFS没有将任务维护在链表式的运行队列中,它抛弃了active/expire数组,而是对每个CPU维护一个以时间为顺序的红黑树。

    Linux的CFS调度器详细。

      Linux进程调度一些设计思想:
      把进程抽象成进程描述符task_struct:包含进程所必需的数据,如状态信息、调度信息、优先级信息、内存页信息等。
      把需要调度的东西抽象成调度实体sched_entity:调度实体可以是进程、进程组、用户等。这里包含负载权重值、对应红黑树结点、虚拟运行时vruntime等。
      把调度策略(算法)抽象成调度类sched_class:包含一组通用的调度操作接口,将接口和实现分离。你可以根据这组接口实现不同的调度算法,使得一个Linux调度程序可以有多个不同的调度策略。
      把调度的组织抽象成可运行队列rq:包含自旋锁、进程数量、用于公平调度的CFS信息结构、当前正在运行的进程描述符等。实际的进程队列用红黑树来维护(通过CFS信息结构来访问)。
      把CFS调度的运行队列信息抽象成cfs_rq:包含红黑树的根结点、正在运行的进程指针、用于负载平衡的叶子队列等。
      
      
      
      
      
      
      

    参考

      https://www.cnblogs.com/814467783sweet/p/9634631.html
      https://www.cnblogs.com/zhoug2020/p/3967328.html
      https://blog.csdn.net/zhoudaxia/article/details/7375668
      https://www.docin.com/p-1396901563.html
      《Linux设计与实现》

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  • 处理器管理(笔记)

    千次阅读 2018-09-09 11:31:12
    处理器管理  处理器管理是操作系统的重要组成部分,它负责管理,调度和分派计算机系统的重要资源————处理器,并控制程序的执行。  操作系统的基本任务是对“进程”实施管理,操作系统必须有效控制进程的执行...

                                                                            处理器管理

        处理器管理是操作系统的重要组成部分,它负责管理,调度和分派计算机系统的重要资源————处理器,并控制程序的执行。

        操作系统的基本任务是对“进程”实施管理,操作系统必须有效控制进程的执行,给进程分配资源,准许进程之间共享和交换信息,保护每个进程在运行期间免受其他进程干扰,控制进程的互斥,同步和通信。

         早期的计算机系统是基于单个处理器的顺序处理机器。程序员编写串行执行的代码,让其在处理器上串行执行,每一条指令的执行也是串行的(取指令,取操作数,执行操作,存出结果)。为了提高计算机处理速度,发展起了联想存储器系统提出了数据驱动的得思想,流水线系统解决了指令并行的问题。

    计算机系统可分为四类:

    1.单指令流单数据流(SISD);

    2.单指令流多数据流(SIMD);

    3.多指令流单数据流(MISD);

    4.多指令流多数据流(MIMD)。

    MIMD系统划分为:共享内存的紧密耦合MIMD系统;内存分布的松散耦合MIMD系统。

    根据处理器分配策略,紧密耦合MIMD系统可以分为主从式系统MSP;对称式系统SMP。

    寄存器可以分为:1.通用寄存器;2.数据寄存器;3.地址寄存器;4.I/O地址寄存器;5.IO缓冲寄存器。

    中断技术:中断是指程序执行过程中,有许多事件会随时发生时,终止CPU现行程序的运行,引出处理该事件的服务程序执行的过程。

    中断与异常区别 :中断是由于现行指令无关的中断信号触发的;异常是由处理器正在执行现行指令而引起的。

    中断装置:发现中断源并产生中断的硬件。

    硬件中断主要做以下三件事:

    1.发现中断源,响应中断请求;

    2.保护现场;

    3.启动处理中断事件的中断处理程序,处理器状态已从目态被切换到管态。

    中断处理程序做一下四件事:

    1. 保护未被硬件保护的一些必须的处理状态;
    2. 识别各个中断源,分析产生中断的原因;
    3. 处理发生的中断事件;
    4. 恢复正常操作。

    2.主存储器的故障处理:

     

    进程切换的步骤:

    1. 保存被中断进程的处理器现场信息;
    2. 修改被中断进程的进程控制块的有关信息;
    3. 把被中断进程的进程控制块加入到有关队列;
    4. 选择下一个占有处理器运行的进程;
    5. 修改被选中进程的进程控制块的有关信息;
    6. 根据被选中进程设置操作系统用到的地址转换和存储保护信息;
    7. 根据被选中进程的信息来恢复处理器现场。

    模式切换的步骤:

    1. 保存被中断进程的处理器现场信息;
    2. 根据中断号设置程序计数器;
    3. 把用户状态切换到内核状态,以便执行中断处理程序。

    1. 进程的创建:来源于以下四个事件:
    1. 提交一个批处理作业;2.在终端上一个交互式作业登录;
    2. 操作系统创建一个服务进程;4.存在的进程创建新的进程。

    1. 进程的阻塞和唤醒:

    1. 进程的撤销:

    1. 进程的挂起和激活:

    注意:挂起原语既可由进程自己也可由其他进程调用,但激活原语只能由其他进程调用。

    并发多线程程序设计优点:1.快速线程切换;2.减少管理开销;3.通信易于实现;4.并发程度提高;5.节省内存空间;

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  • 【操作系统】处理器管理

    千次阅读 2017-04-07 19:11:01
    处理器管理就是进行处理器的分配调度。  所谓“一张图胜过千言万语”,那就先来一张思维导图来描述一下主要内容: 1 先说进程: 执行顺序 进化分为三步: 顺序执行(按次序依次执行)并行执行(使处理器和外围...

      处理器管理就是进行处理器的分配调度。

      所谓“一张图胜过千言万语”,那就先来一张思维导图来描述一下主要内容:


    1 先说进程

    执行顺序

    进化分为三步:

    • 顺序执行(按次序依次执行)
    • 并行执行(使处理器和外围设备分开工作,但处理器的执行速度大于外围设备的,所以造成了处理器的空闲)
    • 多道程序设计(多个程序并行执行)
    属性
    • 动态的
    • 多个进程可以含有相同的程序、可以并发执行
    • 有三种基本状态:

    由上,可知进程的三个特性:动态性、并发性、异步性(进程啥时暂停,以啥速度前进不可预知)

    控制块
    进程控制块是用来记录进程的执行情况的,小编认为其就是编程界的“黑匣子”。
    其涉及到了“原语”和“队列”:
    原语
    事先设计出的不可中断的程序。分为:创建,撤销,阻塞,唤醒
    队列
    进程排队。所以就会涉及到进队和出队。
    下面说说进程出队的过程:
    A→B→C,如果想让B出队,那就把B指向C的箭头末端移到A处,这样就形成了A→C,从而把B剔除。

    2 其次说中断
    中断有5种类型
    • 硬件故障中断:如电源故障
    • 程序中断:机器指令出问题,比如定点操作数溢出。
    • 外部中断:按压了中断键
    • I/O中断
    • 访管中断
    其中前4种是强迫中断,最后1种是自愿中断。
    PSW寄存器
    用于存放程序运行中的各种状态信息。

    3再次说调度
    调度分为2级:作业调度和进程调度。
    作业调度算法
    • 先来先服务:谁先来先服务谁
    • 计算时间短的作业优先:谁执行时间短先执行谁
    • 响应比高者优先:响应比=等待时间/计算时间,谁高先计算谁
    • 优先级调度:可以根据缓急程度、等待的时间等因素确定优先级,先执行高的。当优先级相同时,再按先来先服务原则调度。
    • 均衡调度算法:为了更好地使用资源,尽可能让那些使用不同资源的作业同时执行
    进程调度算法
    • 先来先服务
    • 最高优先级调度
    • 时间片轮转调度:时间片为该进程允许运行的时间。用于分时操作系统中。
    4最后说说线程
    如果一个计算问题或一个应用问题叫做进程,那该进程中可以并发执行的各部分分别叫做线程。

        感觉处理器管理的“水很深”,这只是一个初期认识,往后还需再进一步了解。

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  • 处理器管理与进程管理

    千次阅读 2019-04-25 21:25:29
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    千次阅读 热门讨论 2015-04-19 19:23:17
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  • 《操作系统》——处理器管理

    千次阅读 热门讨论 2015-04-10 16:27:37
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  •  引论中简单提到了处理器,继续来重点学习它的管理。   一、多道程序设计系统  让多个计算题同时进入一个计算机系统的主存储器并行执行,这种程序设计方法称为多道程序设计,这样的计算机系统称为多道程序...
  • 自考操作系统概论-处理器管理

    千次阅读 2013-04-18 15:42:47
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  • 操作系统概论——处理器管理

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  • 操作系统(5)处理器调度管理

    千次阅读 2014-03-02 15:40:56
    1、高级调度:即作业调度。控制多道程序的道数,被选择进入主存的...根据某种原则决定就绪队列中的哪个进程/内核级线程获得处理器,并将处理器让出给它使用。低级调度执行十分频繁,这部分代码要精心设计,并常驻主存。

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处理器管理