软件设计师笔记系列（三）

前言
随着计算机技术的日益发展，操作系统作为计算机系统的核心组件，其重要性不言而喻。操作系统不仅管理和控制计算机硬件和软件资源，还为用户和其他软件提供服务，使得复杂的计算机系统能够高效、安全和方便地运行。本章将深入探讨操作系统的一些基本概念，如程序与进程、进程的三态模型、死锁及其处理策略，以及磁盘调度算法。通过对这些概念的学习，我们可以更好地理解操作系统的工作原理和设计哲学。

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软件设计师笔记系列（三）

注意第三章数据结构内容过多单独出

第四章 操作系统知识

程序与进程

程序顺序执行时的主要特征包括：顺序性、封闭性和可再现性。

三态模型

在多道程序系统中，进程在处理器上交替运行，状态也不断地发生变化，因此进程一般有3种基本状态：运行、就绪和阻塞。

进程	CPU	资源
运行	√	√
就绪	×	√
阻塞	×	×

进程的三种基本状态解释如下：

• 运行：进程正在CPU上执行。
• 就绪：进程已准备好运行，但由于某种原因（如其他进程正在使用CPU）而没有被选中执行。
• 阻塞：进程因等待某一事件（如I/O操作完成）而无法执行。

死锁

当有 n 个进程，m个资源，且每个进程所需要的资源数为k，并且系统采用的分配策略是轮流地为每个进程分配资源时，判断是否发生死锁的公式如下：
$$m>=n\ast (k-1)+1$$
死锁的处理策略主要有4种：鸵鸟策略（即不理睬策略）、预防策略、避免策略和检测与解除死锁。

解释

死锁是指两个或多个进程在执行过程中，由于竞争资源或由于彼此通信而造成的一种僵局（即进程无法继续执行）。

• 鸵鸟策略：简单地忽略死锁问题，认为其发生的概率很低或者发生后的影响可以接受。
• 预防策略：通过设置某些限制条件，确保系统永远不会进入死锁状态。
• 避免策略：允许进程进入不安全状态，但在它们进入死锁状态之前采取行动。
• 检测与解除死锁：允许进程进入死锁状态，然后采取措施检测并解除死锁。

磁盘调度

1. 先来先服务（FCFS） ：根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。
2. 最短寻道时间优先（SSTF）：该算法选择这样的进程，其要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近，使得每次的寻道时间最短。
3. 扫描算法/电梯调度算法（SCAN）：扫描算法不仅考虑到要访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑的是磁头的当前移动方向。
4. 单向扫描调度算法（CSCAN）：为了减少这种延迟，算法规定磁头只做单向移动。

解释

磁盘调度算法的目的是减少磁头的移动距离，从而减少寻道时间和旋转延迟，提高磁盘I/O的性能。

• FCFS：简单直接，但可能导致长队列和长等待时间。
• SSTF：在短期内很有效，但可能导致远离磁头的请求被无限期地延迟。
• SCAN：磁头像电梯一样在两个方向上移动，当到达一个方向的尽头或没有请求时改变方向。
• CSCAN：磁头只在一个方向上移动，当到达一个方向的尽头时，它会立即返回到起始位置并继续其移动。

总结

我们对操作系统的一些核心概念有了深入的了解。从程序与进程的基本特性，到进程的三态模型，再到死锁的产生、预防和处理，以及磁盘调度的各种策略，这些知识都是每一个计算机科学爱好者和专业人员必须掌握的。操作系统作为计算机的心脏，其复杂性和重要性都不容忽视。

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