资源管理解决物理资源数量不足和合理分配资源这两个问题。

操作系统虚拟机为用户提供了一种简单、清晰、易用、高效的计算机模型。虚拟机的每种资源都是物力资源通过复用、虚拟和抽象而得到的产物。
虚拟机提供进程运行的逻辑计算环境。从概念上来说，一个进程运行在一台虚拟机上，可以认为一个进程就是一台虚拟机，一台虚拟机就是一个进程。

• 复用：空分复用共享和时分复用共享。
  a. 空分复用共享(space-multiplexed sharing): 将资源从“空间”上分割成更小的单位供不同进程使用。在计算机系统中，内存和外存(磁盘)等是空分复用共享的。
  b. 时分复用共享(time-multiplexed sharing): 将资源从“时间”上分割成更小的单位供不同进程使用。在计算机系统中，处理器和磁盘机等是时分复用共享的。

• 虚拟：对资源进行转化、模拟或整合，把一个物理资源转变成多个逻辑上的对应物，也可以把多个物理资源变成单个逻辑上的对应物，即创建无须共享独占资源的假象，或创建易用且多于实际物理资源的虚拟资源假象，以达到多用户共享一套计算机物理资源的目的。虚拟技术可用于外部设备(外部设备同时联机操作(SPOOLing)),存储资源(虚拟内存)和文件系统(虚拟文件系统(Virtual File System, VFS))中。

  复用和虚拟相比较，复用所分割的是实际存在的物理资源，而虚拟则实现假想的同类资源。虚拟技术解决某类物理资源不足的问题，提供易用的虚拟资源和更好的运行环境。

• 抽象：通过创建软件来屏蔽硬件资源的物理特性和实现细节，简化对硬件资源的操作、控制和使用。

  复用和虚拟的主要目标是解决物理资源数量不足的问题，抽象则用于处理系统复杂性，重点解决资源易用性。

• 系统调用： 为给应用程序的运行提供良好环境，内核提供了一系列具有预定功能的服务例程，通过一组称为**系统调用（System Call）**的接口呈现给用户，系统调用把应用程序的请求传送至内核，调用相应的服务例程完成所需处理，将处理结果返回给应用程序。
  

  注：系统调用的编号称为功能号

• 系统调用的执行过程： 当CPU执行程序中编写的由访管指令(supervisor, 也称自陷指令(trap)或中断指令(interrupt), 指引起处理器中断的机器指令)实现的系统调用时会产生异常信号，通过陷阱机制(也称异常处理机制，当异常或中断发生时，处理器捕捉到一个执行线程，并且将控制权转移到操作系统中某一个固定地址的机制)，处理器的状态由用户态(user mode, 又称目态或普通态)转变为核心态(kerbel mode, 又称管态或内核态)，进入操作系统并执行相应服务例程，以获得操作系统服务。当系统调用执行完毕时，处理器再次切换状态，控制返回至发出系统调用的程序。

• 系统调用是应用程序获得操作系统服务的唯一途径。

系统调用的作用：

1. 内核可以基于权限和规则对资源访问进行裁决，保证系统的安全性。
2. 系统调用对资源进行抽象，提供一致性接口，避免用户在使用资源时发生错误，且编程效率大大提高。

系统调用与函数调用的区别：

1. 调用形式和实现方式不同。功能号 VS 地址； 用户态转换到内核态 VS 用户态。
2. 被调用代码的位置不同。 动态调用 + 操作系统 VS 静态调用 + 用户级程序。
3. 提供方式不同。 操作系统 VS 编程语言。

• 内核： 是一组程序模块，作为可信软件来提供支持进程并发执行的基本功能和基本操作，通常驻留在内核空间，运行于内核态，具有直接访问硬件设备和所有内存空间的权限，是仅有的能够执行特权指令的程序。

• 内核的功能：
  a. 中断处理。中断处理是内核中最基本的功能，也是操作系统赖以活动的基础。
  b. 时钟管理。时钟管理是内核的基本功能。
  c. 短程调度。短程调度的职责是分配处理器，按照一定的策略管理处理器的转让，以及完成保护和恢复现场工作。
  d. 原语管理。 原语是内核中实现特定功能的不可中断过程。

内核是操作系统对裸机的第一次改造，内核和裸机组成了第一层虚拟机，进程在虚拟机上运行。

• 仅在内核态下才能使用的指令称为特权指令，执行这些指令不仅影响运行程序自身，而且还会干扰其他程序及操作系统。 非特权指令在内核态和和用户态下都能工作。

现代计算机为处理器建立硬件标志位，称处理器状态位，通常是**程序状态字(Program Status Word, PSW)**中的一位，来将处理器的状态设置为内核态或用户态。

• 用户态向内核态转换的情况：
  a. 程序请求操作系统服务， 执行系统调用。
  b. 在程序运行时产生中断事件(如I/O操作完成)，运行程序被中断，转向中断处理程序处理。
  c. 在程序运行时产生异常事件(如在目态下执行特权指令)，运行程序被打断，转向异常处理程序工作。

以上三种情况都是通过中断机制发生，可以说中断和异常是用户态到内核态转换的仅有途径。

• 用户栈和核心栈
  a. 用户栈是用户进程空间中的一块区域。用于保存应用程序的子程序(函数)间相互调用的参数，返回值，返回点和子程序的局部变量。
  b. 核心栈是内存中操作系统空间的一块区域。用于保存中断现场和保存操作系统程序(函数)间相互调用的参数，返回值，返回点和程序的局部变量。

• 中断：程序执行过程中遇到急需处理的事件时，暂时终止现行程序在CPU上的运行，转而执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回断点或调度其他程序的执行过程。

• 中断的分类：
  a. 外中断(又称中断或异步中断)： 来自处理器之外的中断信号，如，时钟中断、键盘中断等。外中断可分为可屏蔽中断和非可屏蔽中断。
  b. 内中断(又称异常或同步中断)，来自处理器内部的中断信号，如，访管中断，硬件故障中断，程序性中断等。内中断不能被屏蔽。

• 中断和异常的响应： 发现中断源 → 保护现场 → 转向中断/异常事件处理程序执行 → 恢复现场

• 进程：具有独立功能的程序在某个数据集合上的一次运行活动，也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。
  a. 从原理角度看，进程是支持程序执行的一种系统机制，它对处理器上运行程序的活动进行抽象。
  b. 从实现角度看，进程是一种数据结构，用来准确地刻画运行程序的状态和系统动态变化状况。

• 进程状态的七态模型

  

  a. 新建态(new): 进程被创建，尚未进入就绪队列。
  b. 就绪态(ready): 进程具备运行条件，等待系统分配处理器。
  c. 挂起就绪态(ready suspend)：进程具备运行条件，但目前在外存中。
  d. 运行态(running): 进程占有处理器正在运行。
  e. 终止态(exit): 进程达到正常结束点或被其他原因所终止，下一步将被撤销。
  f. 等待态(wait): 又称阻塞态或休眠态。进程正在等待某个事件完成，目前不具备运行条件。
  g. 挂起等待态(blocked suspend): 进程正在等待某个事件完成，并且在外存中。

• 程序和数据刻画进程的静态特征，称为进程控制块的一种数据结构刻画进程的动态特征。**进程映像(process image)**包括进程控制块、进程程序块、进程核心块、进程数据块等要素。

• 进程控制块(Process Control Block, PCB)：进程存在的唯一标识，操作系统掌握进程的唯一资料结构和管理进程的主要依据。包括标识信息、现场信息和控制信息等信息。

• 进程队列(process queue)：处于同一状态的所有进程的PCB链接在一起的数据结构。 有两种队列组织方式：链接方式和索引方式。

• 进程切换必定在内核态而非用户态发生。

• 进程可以分为两部分，资源集合和线程集合。进程要支撑线程运行，为线程提供虚拟地址空间和各种资源。进程封装管理信息，线程封装执行信息。

  

• 处理器调度层次：
  
  a. 高级调度： 又称作业调度、长程调度。从输入系统的一批**作业(job, 用户提交给操作系统计算的一个独立任务)**中按照预定的调度策略挑选若干作业进入内存，为其分配所需资源并创建对应作业的用户进程。
  b. 中级调度： 又称平衡调度，中程调度。根据内存资源情况决定内存所能容纳的进程数目，并完成外存和内存中进程对换工作。
  c. 低级调度：又称进程调度/线程调度，短程调度。根据某种原则决定就绪队列中那个进程/线程先获得处理器，并将处理器出让给它使用。

• 低级调度算法：
  a. 先来先服务(First Come First Server, FCFS)算法。
  b. 最短作业优先(Shortest Job First, SJF)算法。
  c. 最短剩余时间优先(Shortest Remaining Time First, SRTF)算法： 假设当前某进程/线程正在运行，如果***有新进程/线程移入就绪队列***，若它所需的CPU运行时间比当前运行的进程/线程所需的剩余CPU时间还短，抢占式最短作业优先算法强行剥夺当前执行者的控制权，调度新进程/线程执行。
  d. 最高响应比优先(Highest Response Ratio First, HRRF)算法:非剥夺式算法。其中，响应比 = (作业已等待时间 + 作业处理时间) / 作业处理时间。
  e. 优先级调度算法：优先级高的选择进程/线程优先选择。
  f. 轮转调度(Round-Robin, RR)算法： 也称时间片调度。就绪队列的进程轮流运行一个时间片。
  g. 多级反馈队列(Multi-Level Feedback Queue, MLFQ)算法。

  衡量调度算法的性能指标：
  a. 资源利用率: CPU利用率 = CPU有效工作时间/(CPU有效工作时间 + CPU空闲等待时间)
  b. 吞吐率： 单位时间内CPU处理作业的个数。
  c. 公平性： 确保每个进程都能获得合理的CPU份额和其他资源份额，不会出现饥饿现象。
  d. 响应时间： 从交互式进程提交一个请求(命令)直到获得响应之间的时间间隔。
  e. 周转时间： 批处理用户从向系统提交作业开始到作业完成为止的时间间隔。
  平均周转时间：T = ($ \sum_{i=1}^n t_i $ ) / n ， 其中

          t
         
         
          i
         
        
       
       
        t_i
       
      
     </span><span class="katex-html"><span class="base"><span class="strut" style="height: 0.76508em; vertical-align: -0.15em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathdefault">t</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.311664em;"><span class="" style="top: -2.55em; margin-left: 0em; margin-right: 0.05em;"><span class="pstrut" style="height: 2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mathdefault mtight">i</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.15em;"><span class=""></span></span></span></span></span></span></span></span></span></span> 表示作业i的周转时间。<br> <strong>平均带权作业周转时间</strong>： T = ($ \sum_{i=1}^n w_i $) / n, 其中 <span class="katex--inline"><span class="katex"><span class="katex-mathml">
     
      
       
        
         
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     </span><span class="katex-html"><span class="base"><span class="strut" style="height: 0.58056em; vertical-align: -0.15em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathdefault" style="margin-right: 0.02691em;">w</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.311664em;"><span class="" style="top: -2.55em; margin-left: -0.02691em; margin-right: 0.05em;"><span class="pstrut" style="height: 2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mathdefault mtight">i</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.15em;"><span class=""></span></span></span></span></span></span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right: 0.277778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height: 1em; vertical-align: -0.25em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathdefault">t</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.311664em;"><span class="" style="top: -2.55em; margin-left: 0em; margin-right: 0.05em;"><span class="pstrut" style="height: 2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mathdefault mtight">i</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.15em;"><span class=""></span></span></span></span></span></span><span class="mord">/</span><span class="mord"><span class="mord mathdefault">t</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.336108em;"><span class="" style="top: -2.55em; margin-left: 0em; margin-right: 0.05em;"><span class="pstrut" style="height: 2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mathdefault mtight" style="margin-right: 0.03148em;">k</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.15em;"><span class=""></span></span></span></span></span></span></span></span></span></span> ， <span class="katex--inline"><span class="katex"><span class="katex-mathml">
     
      
       
        
         
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     </span><span class="katex-html"><span class="base"><span class="strut" style="height: 0.76508em; vertical-align: -0.15em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathdefault">t</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.311664em;"><span class="" style="top: -2.55em; margin-left: 0em; margin-right: 0.05em;"><span class="pstrut" style="height: 2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mathdefault mtight">i</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.15em;"><span class=""></span></span></span></span></span></span></span></span></span></span> 表示作业i的周转时间。 <span class="katex--inline"><span class="katex"><span class="katex-mathml">
     
      
       
        
         
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     </span><span class="katex-html"><span class="base"><span class="strut" style="height: 0.76508em; vertical-align: -0.15em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathdefault">t</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.336108em;"><span class="" style="top: -2.55em; margin-left: 0em; margin-right: 0.05em;"><span class="pstrut" style="height: 2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mathdefault mtight" style="margin-right: 0.03148em;">k</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height: 0.15em;"><span class=""></span></span></span></span></span></span></span></span></span></span> 表示作业i的运行时间。</p> 
  

• 进程互斥(Mutual Exclusion): 若干进程因相互抢夺独占型资源而产生的竞争制约关系。

• 进程同步(Synchronization): 为完成共同任务的并发进程基于某个条件来协调其活动，因为需要在某些位置上排定执行的先后次序而等待、传递信息或消息所产生的协作制约关系。

  资源竞争会引发两个控制问题：
  a. 死锁： 一组进程因争夺资源陷入永远等待的状态。
  b. 饥饿： 一个可运行进程由于由于其他进程总是优先于它，而被调度程序无限期地拖延而不能被执行。

• 并发进程中与共享变量有关的程序段称为临界区(Critical Section)。共享变量所代表的资源称为临界资源(Critical Resource)，即一次仅能供一个进程使用的资源。

• 临界区调度原则：
  a. 择一而入。 一次之多只有一个进程进入临界区内执行。
  b. 忙则要等。 如果已有进程在临界区中， 试图进入此临界区的其他进程应等待。
  c. 有限等待。 进入临界区内的进程应在有限时间内退出。

• 临界区管理的软件算法：Peterson算法。
  为每个进程设置标志，当标志值为 true 时表示该进程要求进入临界区，另外再设置一个指示器 turn 以指示可以由哪个进程进入临界区，当 turn = i 时则可由 Pi 进入临界区。

    /* Peterson 算法 */
  

bool inside[2];
inside[0] = false;
inside[1] = false;
enum { 0, 1 } turn;

process P0(){
inside[0] = true; //请求…
turn = 1;
while(inside[1] && turn == 1) ; //等待…

  /*临界区 */

  inside[0] = false;              //归还...

}

process P1(){
inside[1] = true; //请求…
turn = 0;
while(inside[0] && turn == 0) ; //等待…

  /*临界区 */

  inside[1] = false;              //归还...

}