操作系统的发展史(并发与并行)<异步与同步>《进程与程序》[非堵塞与堵塞]

目录

• 一：一：手工操作 —— 穿孔卡片
  
  
  
  • 1.简介
  
  
  
  


• 二：手工操作方式两个特点：


• 三：批处理 —— 磁带存储
  
  
  
  • 1.联机批处理系统
  
  
  • 2.脱机批处理系统
  
  
  • 3.多道程序系统
  
  
  • 4.多道批处理系统
  
  
  
  


• 四：总结发展史


• 五：并行与并发(多道技术)
  
  
  
  • 1.并行与并发
  
  
  • 2.并行与并发详解
  
  
  
  


• 六：进程与程序的区别


• 七：进程理论
  
  
  
  • 1. 单核情况下的进程调度
  
  
  • 2.时间片轮转法
  
  
  • 2.调度算法
  
  
  • 3.算法规则
  
  
  
  


• 八：同步与异步
  
  
  
  • 1.同步
  
  
  • 2.异步
  
  
  
  


• 九：阻塞与非阻塞

一：一：手工操作 —— 穿孔卡片

1.简介

1946年第一台计算机诞生--20世纪50年代中期，计算机工作还在采用手工操作方式。此时还没有操作系统的概念。


　程序员将对应于程序和数据的已穿孔的纸带（或卡片）装入输入机，然后启动输入机把程序和数据输入计算机内存，接着通过控制台开关启动程序针对数据运行；计算完毕，打印机输出计算结果；用户取走结果并卸下纸带（或卡片）后，才让下一个用户上机。


二：手工操作方式两个特点：

• （1）用户独占全机。不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象，但资源的利用率低。

  
  



• （2）CPU 等待手工操作。CPU的利用不充分。

  
  

20世纪50年代后期，出现人机矛盾：手工操作的慢速度和计算机的高速度之间形成了尖锐矛盾，手工操作方式已严重损害了系统资源的利用率（使资源利用率降为百分之几，甚至更低），不能容忍。唯一的解决办法：只有摆脱人的手工操作，实现作业的自动过渡。这样就出现了成批处理。


三：批处理 —— 磁带存储

• 简介

　　批处理系统：加载在计算机上的一个系统软件，在它的控制下，计算机能够自动地、成批地处理一个或多个用户的作业（这作业包括程序、数据和命令）。


1.联机批处理系统

首先出现的是联机批处理系统，即作业的输入/输出由CPU来处理。


　　主机与输入机之间增加一个存储设备——磁带，在运行于主机上的监督程序的自动控制下，计算机可自动完成：成批地把输入机上的用户作业读入磁带，依次把磁带上的用户作业读入主机内存并执行并把计算结果向输出机输出。完成了上一批作业后，监督程序又从输入机上输入另一批作业，保存在磁带上，并按上述步骤重复处理。
监督程序不停地处理各个作业，从而实现了作业到作业的自动转接，减少了作业建立时间和手工操作时间，有效克服了人机矛盾，提高了计算机的利用率。


• 但是，在作业输入和结果输出时，主机的高速CPU仍处于空闲状态，等待慢速的输入/输出设备完成工作： 主机处于“忙等”状态。

2.脱机批处理系统

为克服与缓解：高速主机与慢速外设的矛盾，提高CPU的利用率，又引入了脱机批处理系统，即输入/输出脱离主机控制。


卫星机：一台不与主机直接相连而专门用于与输入/输出设备打交道的。


• 其功能是：

  
  



• （1）从输入机上读取用户作业并放到输入磁带上。

  
  



• （2）从输出磁带上读取执行结果并传给输出机。

  这样，主机不是直接与慢速的输入/输出设备打交道，而是与速度相对较快的磁带机发生关系，有效缓解了主机与设备的矛盾。主机与卫星机可并行工作，二者分工明确，可以充分发挥主机的高速计算能力。

  脱机批处理系统:20世纪60年代应用十分广泛，它极大缓解了人机矛盾及主机与外设的矛盾。

  
  



• (3)不足：每次主机内存中仅存放一道作业，每当它运行期间发出输入/输出（I/O）请求后，高速的CPU便处于等待低速的I/O完成状态，致使CPU空闲。

  
  



• (4)为改善CPU的利用率，又引入了多道程序系统。

  
  

3.多道程序系统

所谓多道程序设计技术，就是指允许多个程序同时进入内存并运行。即同时把多个程序放入内存，并允许它们交替在CPU中运行，它们共享系统中的各种硬、软件资源。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。


在A程序计算时，I/O空闲， A程序I/O操作时，CPU空闲（B程序也是同样）；必须A工作完成后，B才能进入内存中开始工作，两者是串行的，全部完成共需时间=T1+T2。


将A、B两道程序同时存放在内存中，它们在系统的控制下，可相互穿插、交替地在CPU上运行：当A程序因请求I/O操作而放弃CPU时，B程序就可占用CPU运行，这样 CPU不再空闲，而正进行A I/O操作的I/O设备也不空闲，显然，CPU和I/O设备都处于“忙”状态，大大提高了资源的利用率，从而也提高了系统的效率，A、B全部完成所需时间<

多道程序设计技术不仅使CPU得到充分利用，同时改善I/O设备和内存的利用率，从而提高了整个系统的资源利用率和系统吞吐量（单位时间内处理作业（程序）的个数），最终提高了整个系统的效率。


单处理机系统中多道程序运行时的特点：


• （1）多道：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序；

  
  



• （2）宏观上并行：同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕；

  
  



• （3）微观上串行：实际上，各道程序轮流地用CPU，并交替运行。

  
  

多道程序系统的出现，标志着操作系统渐趋成熟的阶段，先后出现了作业调度管理、处理机管理、存储器管理、外部设备管理、文件系统管理等功能。

由于多个程序同时在计算机中运行，开始有了空间隔离的概念，只有内存空间的隔离，才能让数据更加安全、稳定。

出了空间隔离之外，多道技术还第一次体现了时空复用的特点，遇到IO操作就切换程序，使得cpu的利用率提高了，计算机的工作效率也随之提高。

4.多道批处理系统

20世纪60年代中期，在前述的批处理系统中，引入多道程序设计技术后形成多道批处理系统（简称：批处理系统）。


它有两个特点：

• （1）多道：系统内可同时容纳多个作业。这些作业放在外存中，组成一个后备队列，系统按一定的调度原则每次从后备作业队列中选取一个或多个作业进入内存运行，运行作业结束、退出运行和后备作业进入运行均由系统自动实现，从而在系统中形成一个自动转接的、连续的作业流。


• （2）成批：在系统运行过程中，不允许用户与其作业发生交互作用，即：作业一旦进入系统，用户就不能直接干预其作业的运行。

批处理系统的追求目标：提高系统资源利用率和系统吞吐量，以及作业流程的自动化。
批处理系统的一个重要缺点：不提供人机交互能力，给用户使用计算机带来不便。


　　虽然用户独占全机资源，并且直接控制程序的运行，可以随时了解程序运行情况。但这种工作方式因独占全机造成资源效率极低。
　　一种新的追求目标：既能保证计算机效率，又能方便用户使用计算机。 20世纪60年代中期，计算机技术和软件技术的发展使这种追求成为可能。


四：总结发展史

"""学习并发编程其实就是在学习操作系统的发展史(底层逻辑)"""
1.穿孔卡片时代
CPU的利用率极低
2.联机批处理系统
将多个程序员的程序一次性录入磁带中 之后交由输入机输入并由CPU执行
3.脱机批处理系统
现代计算机的雏形(远程输入 高速磁带 主机)


五：并行与并发(多道技术)

1.并行与并发

"""
CPU工作机制
1.当某个程序进入IO状态的时候 操作系统会自动剥夺该程序的CPU执行权限
2.当某个程序长时间占用CPU的时候 操作系统也会剥夺该程序的CPU执行权限
"""
并行与并发(******)
无论是并行还是并发，在用户看来都是’同时’运行的，不管是进程还是线程，都只是一个任务而已，真是干活的是cpu，cpu来做这些任务，而一个cpu同一时刻只能执行一个任务
并行:多个程序同时执行。同时运行，只有具备多个cpu才能实现并行。
单核下，可以利用多道技术，多个核也都可以利用多道技术。
并发:多个程序只要看起来像同时运行即可。是伪并发，即看起来是同时运行。单个cpu+多道技术就可以实现并发，(并行也属于并发)


# 问:单核CPU能否实现并行
肯定不能，但是可以实现并发
# 问:12306可以同一时间支持几个亿的用户买票 问是并行还是并发
肯定是并发(高并发)
星轨:微博能够支持八个星轨


2.并行与并发详解

• 并发

并发是伪并行，即看起来是同时运行。单个cpu+多道技术就可以实现并发
举例（单核+多道，实现多个进程的并发执行）：
egon在一个时间段内有很多任务要做：python备课的任务，写书的任务，交女朋友的任务，王者荣耀上分的任务，
但egon同一时刻只能做一个任务（cpu同一时间只能干一个活），如何才能玩出多个任务并发执行的效果？
egon备一会课，再去跟李杰的女朋友聊聊天，再去打一会王者荣耀….这就保证了每个任务都在进行中.


• 并行

并行: 同时运行，只有具备多个cpu才能实现并行
单核下，可以利用多道技术，多个核，每个核也都可以利用多道技术（多道技术是针对单核而言的）
有四个核，六个任务，这样同一时间有四个任务被执行，假设分别被分配给了cpu1，cpu2，cpu3，cpu4，
一旦任务1遇到I/O就被迫中断执行，此时任务5就拿到cpu1的时间片去执行，这就是单核下的多道技术
而一旦任务1的I/O结束了，操作系统会重新调用它(需知进程的调度、分配给哪个cpu运行，由操作系统说了算)
可能被分 配给四个cpu中的任意一个去执行


六：进程与程序的区别

• 程序:一堆代码(死的)


• 进程:正在运行的程序(活的)

进程与程序的区别
程序仅仅只是一堆代码而已，而进程指的是程序的运行过程。


• 举例：

想象一位有一手好厨艺的计算机科学家egon正在为他的女儿元昊烘制生日蛋糕。
他有做生日蛋糕的食谱，
厨房里有所需的原料:面粉、鸡蛋、韭菜，蒜泥等。
在这个比喻中：
做蛋糕的食谱就是程序(即用适当形式描述的算法)
计算机科学家就是处理器(cpu)
而做蛋糕的各种原料就是输入数据。
进程就是厨师阅读食谱、取来各种原料以及烘制蛋糕等一系列动作的总和。
现在假设计算机科学家egon的儿子alex哭着跑了进来，说：Hey, Dad, my head got stung by a bee.
科学家egon想了想，处理儿子alex蛰伤的任务比给女儿元昊做蛋糕的任务更重要，于是
计算机科学家就记录下他照着食谱做到哪儿了(保存进程的当前状态)，然后拿出一本急救手册，按照其中的指示处理蛰伤。这里，我们看到处理机从一个进程(做蛋糕)切换到另一个高优先级的进程(实施医疗救治)，每个进程拥有各自的程序(食谱和急救手册)。当蜜蜂蛰伤处理完之后，这位计算机科学家又回来做蛋糕，从他
离开时的那一步继续做下去。
需要强调的是：同一个程序执行两次，那也是两个进程，比如打开暴风影音，虽然都是同一个软件，但是一个可以播放苍井空，一个可以播放饭岛爱。


七：进程理论

1. 单核情况下的进程调度

• 进程调度算法演变

1.FCFS 先来先服务
对短作业不友好


2.短作业优先调度算法
对长作业不友好


3.时间片轮转法+多级反馈队列
先分配给新的多个进程相同的时间片
之后根据进程消耗的时间片多少分类别......


• 先来先服务（FCFS）调度算法是一种最简单的调度算法，该算法既可用于作业调度，也可用于进程调度。FCFS算法比较有利于长作业（进程），而不利于短作业（进程）。由此可知，本算法适合于CPU繁忙型作业，而不利于I/O繁忙型的作业（进程）。

2.时间片轮转法

时间片轮转(Round Robin，RR)法的基本思路是让每个进程在就绪队列中的等待时间与享受服务的时间成比例。在时间片轮转法中，需要将CPU的处理时间分成固定大小的时间片，例如，几十毫秒至几百毫秒。如果一个进程在被调度选中之后用完了系统规定的时间片，但又未完成要求的任务，则它自行释放自己所占有的CPU而排到就绪队列的末尾，等待下一次调度。同时，进程调度程序又去调度当前就绪队列中的第一个进程。
显然，轮转法只能用来调度分配一些可以抢占的资源。这些可以抢占的资源可以随时被剥夺，而且可以将它们再分配给别的进程。CPU是可抢占资源的一种。但打印机等资源是不可抢占的。由于作业调度是对除了CPU之外的所有系统硬件资源的分配，其中包含有不可抢占资源，所以作业调度不使用轮转法。
在轮转法中，时间片长度的选取非常重要。首先，时间片长度的选择会直接影响到系统的开销和响应时间。如果时间片长度过短，则调度程序抢占处理机的次数增多。这将使进程上下文切换次数也大大增加，从而加重系统开销。反过来，如果时间片长度选择过长，例如，一个时间片能保证就绪队列中所需执行时间最长的进程能执行完毕，则轮转法变成了先来先服务法。时间片长度的选择是根据系统对响应时间的要求和就绪队列中所允许最大的进程数来确定的。
在轮转法中，加入到就绪队列的进程有3种情况：
一种是分给它的时间片用完，但进程还未完成，回到就绪队列的末尾等待下次调度去继续执行。
另一种情况是分给该进程的时间片并未用完，只是因为请求I/O或由于进程的互斥与同步关系而被阻塞。当阻塞解除之后再回到就绪队列。
第三种情况就是新创建进程进入就绪队列。
如果对这些进程区别对待，给予不同的优先级和时间片从直观上看，可以进一步改善系统服务质量和效率。例如，我们可把就绪队列按照进程到达就绪队列的类型和进程被阻塞时的阻塞原因分成不同的就绪队列，每个队列按FCFS原则排列，各队列之间的进程享有不同的优先级，但同一队列内优先级相同。这样，当一个进程在执行完它的时间片之后，或从睡眠中被唤醒以及被创建之后，将进入不同的就绪队列。


2.调度算法

前面介绍的各种用作进程调度的算法都有一定的局限性。如短进程优先的调度算法，仅照顾了短进程而忽略了长进程，而且如果并未指明进程的长度，则短进程优先和基于进程长度的抢占式调度算法都将无法使用。
而多级反馈队列调度算法则不必事先知道各种进程所需的执行时间，而且还可以满足各种类型进程的需要，因而它是目前被公认的一种较好的进程调度算法。在采用多级反馈队列调度算法的系统中，调度算法的实施过程如下所述。
(1) 应设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。第一个队列的优先级最高，第二个队列次之，其余各队列的优先权逐个降低。该算法赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各不相同，在优先权愈高的队列中，为每个进程所规定的执行时间片就愈小。例如，第二个队列的时间片要比第一个队列的时间片长一倍，……，第i+1个队列的时间片要比第i个队列的时间片长一倍。
(2) 当一个新进程进入内存后，首先将它放入第一队列的末尾，按FCFS原则排队等待调度。当轮到该进程执行时，如它能在该时间片内完成，便可准备撤离系统；如果它在一个时间片结束时尚未完成，调度程序便将该进程转入第二队列的末尾，再同样地按FCFS原则等待调度执行；如果它在第二队列中运行一个时间片后仍未完成，再依次将它放入第三队列，……，如此下去，当一个长作业(进程)从第一队列依次降到第n队列后，在第n 队列便采取按时间片轮转的方式运行。
(3) 仅当第一队列空闲时，调度程序才调度第二队列中的进程运行；仅当第1～(i-1)队列均空时，才会调度第i队列中的进程运行。如果处理机正在第i队列中为某进程服务时，又有新进程进入优先权较高的队列(第1～(i-1)中的任何一个队列)，则此时新进程将抢占正在运行进程的处理机，即由调度程序把正在运行的进程放回到第i队列的末尾，把处理机分配给新到的高优先权进程。


3.算法规则

• 1.设置多级就绪队列，各队列优先级从高到低，时间片从小到大。


• 2.新进程到达时先进入第1级队列，按照FCFS原则排队等待被分配时间片，若用完时间片进程还未结束，则进程进入下一级队列队尾。如果此时已经在最下级的队列，则重新放回该队列队尾。


• 3.只有第K级队列为空时，才会为K+1级对头的进程分配时间片

算法思想：公平地、轮流地为各个进程服务，让每个进程在一定时间间隔内都可以得到响应

算法规则：按照各进程到达就绪队列的顺序，轮流让各个进程执行一个时间片（如100ms）。若进程未在一个时间片内执行完，则剥夺处理机，将进程重新放到就绪队列队尾重新排队。

八：同步与异步

• 简介

'''用于描述任务的提交方式'''


1.同步

同步:提交完任务之后原地等待任务的返回结果 期间不做任何事

所谓同步就是一个任务的完成需要依赖另外一个任务时，只有等待被依赖的任务完成后，依赖的任务才能算完成，这是一种可靠的任务序列
要么成功都成功，失败都失败，两个任务的状态可以保持一致


2.异步

异步:提交完任务之后不原地等待任务的返回结果 直接去做其他事 结果由反馈机制自动提醒
所谓异步是不需要等待被依赖的任务完成，只是通知被依赖的任务要完成什么工作，依赖的任务也立即执行，只要自己完成了整个任务就算完成了。至于被依赖的任务最终是否真正完成，依赖它的任务无法确定，所以它是不可靠的任务序列。


九：阻塞与非阻塞

• 简介

'''用于描述任务的执行状态'''


• 阻塞:阻塞态


• 非阻塞:就绪态 运行态

阻塞和非阻塞这两个概念与程序（线程）等待消息通知(无所谓同步或者异步)时的状态有关。也就是说阻塞与非阻塞主要是程序（线程）等待消息通知时的状态角度来说的


同步/异步与阻塞/非阻塞

1. 同步阻塞形式

　　效率最低。拿上面的例子来说，就是你专心排队，什么别的事都不做。

1. 异步阻塞形式

　　如果在银行等待办理业务的人采用的是异步的方式去等待消息被触发（通知），也就是领了一张小纸条，假如在这段时间里他不能离开银行做其它的事情，那么很显然，这个人被阻塞在了这个等待的操作上面；

　　异步操作是可以被阻塞住的，只不过它不是在处理消息时阻塞，而是在等待消息通知时被阻塞。

1. 同步非阻塞形式

　　实际上是效率低下的。

　　想象一下你一边打着电话一边还需要抬头看到底队伍排到你了没有，如果把打电话和观察排队的位置看成是程序的两个操作的话，这个程序需要在这两种不同的行为之间来回的切换，效率可想而知是低下的。

1. 异步非阻塞形式

　　效率更高，

　　因为打电话是你(等待者)的事情，而通知你则是柜台(消息触发机制)的事情，程序没有在两种不同的操作中来回切换。

　　比如说，这个人突然发觉自己烟瘾犯了，需要出去抽根烟，于是他告诉大堂经理说，排到我这个号码的时候麻烦到外面通知我一下，那么他就没有被阻塞在这个等待的操作上面，自然这个就是异步+非阻塞的方式了。

很多人会把同步和阻塞混淆，是因为很多时候同步操作会以阻塞的形式表现出来，同样的，很多人也会把异步和非阻塞混淆，因为异步操作一般都不会在真正的IO操作处被阻塞。

十：同步异步阻塞非阻塞

• 状态介绍
  
  

在了解其他概念之前，我们首先要了解进程的几个状态。在程序运行的过程中，由于被操作系统的调度算法控制，程序会进入几个状态：就绪，运行和阻塞。


• (1）就绪(Ready)状态

　　当进程已分配到除CPU以外的所有必要的资源，只要获得处理机便可立即执行，这时的进程状态称为就绪状态。

• （2）执行/运行（Running）状态当进程已获得处理机，其程序正在处理机上执行，此时的进程状态称为执行状态。

  
  



• （3）阻塞(Blocked)状态正在执行的进程，由于等待某个事件发生而无法执行时，便放弃处理机而处于阻塞状态。引起进程阻塞的事件可有多种，例如，等待I/O完成、申请缓冲区不能满足、等待信件(信号)等。