3.信号量与P，V操作
用顺序程序设计技术处理同步与互斥是十分困难的，为此引入信号量概念:信号量是一种特殊的变量，它的表现形式是一个整型变量及相应的队列:除了设置初值外，对信号量只能施加特殊的操作:P操作和V操作，P操作和V操作都是不可分割的原子运行，也称为原语（有时分别记为down（）和up（）或wait（）和signal（））。P操作的作用是将信号量S的值减1，若S的值成负数，则调用P操作的进程暂停执行，直到另一个进程对同一信号量作V操作。V操作的作用是将信号量S的值加1，若S的值小于等于0，从相应队列（关于S的队列）中选一个进程，唤醒它。
（1）互斥为了保护共享资源（如公共变量等），使它们不被多个进程同时访问，就要阻止这些进程同时执行访问这些资源的代码段，这些代码段称为临界区，这些资源称为临界资源。对临界资源访问的互斥要求可视作执行临界区的互斥要求。利用信号量可以方便地实现互斥临界区的管理要求。例如，令信号量mutex的初值为1，于是临界区就改写成下列形式的代码段。P（mutex）;临界区V（mutex）;由于mutex初值为1，P、V是原子操作，确实可以实现互斥。
（2）同步最简单的同步形式是:进程A在另一个进程B已到达点L2以前，不应前进到超过点L1。对此，可以令信号量proceed初值为0，实现这种同步的程序形式是: 进程A L1:P（proceed）; … …进程B L2:V（proceed）; … …更复杂一点的同步问题是单缓冲的生产者、消费者问题。
4.高级通信原语
P、V操作是用来协调进程间关系的，编程较困难而且没有信息交换，故常称为低级通信原语。此外，P、V操作必须有共享存储器，而高级通信原语则提供两种通信方式:有缓冲区的通信和无缓冲区的通信。
（1）有缓冲区的通信方式中，有原语:
Write（Buffer_Name，Variable） 等缓冲区空再存入
Read（Buffer_Name，Variable） 等缓冲区满再取出
（2）无缓冲区的通信，又称为消息传递，有原语:
Send（Who，Message） 发送消息给指定进程或一组进程
Receive（Who，Message） 从约定进程接收消息有的系统还提供带标记的发送，有Send（Who，Message，Tag）用Tag可指定发送进程是否要等待接收进程取到内容以后再继续运行。一般接收者总是要等待消息到达后才继续运行。
三、系统核心
操作系统核心位于计算机硬件之上，核心的目的是提供一种进程赖以生存的环境，其主要任务是接收中断并作基本处理，在进程之间切换处理器，处理进程之间通信。
1.基本硬件机构
（1）中断机构
为了使输入输出活动与处理器活动并行进行，当一台外部设备的传输操作结束时，应能中断正在运行的进程，由中断处理程序处理。
（2）特权指令为使各并发进程不相互干扰，系统的部分指令集应保留仅供操作系统使用，这些指令称为特权指令，如允许与禁止中断，执行输入输出操作等。为了区分什么时候可以使用特权指令，什么时候不可以使用，系统至少具有两种工作状态，它们分别称为系统态和用户态，又称为管态和目态。特权指令只能在管态中运行。
（3）主存保护多道程序系统中，必须对各进程使用的主存加以保护，以防止其他进程进行未经许可的操作。保护机制应包含在主存寻址硬件中。
（4）时钟硬件的时钟以固定的时间间隔产生中断信号，这对于实现处理器的调度以及实现与时间有关的任务是不可缺少的
2.进程
（1）进程进程是一个程序关于某个数据集的一次运行。也就是说，进程是运行中的程序，是程序的一次运行活动。相对于程序，进程是一个动态的概念，而程序是静态的概念，是指令的集合。因此，进程具有动态性和并发性。在操作系统中进程是进行系统资源分配、调度和管理的最小单位，注意，现代操作系统中还引入了线程，它是处理器分配的最小单位。
（2）进程的状态及其转换多道系统中，进程的运行是走走停停的，它在处理器上交替运行，使它的运行状态不断变化，最基本的状态有3种:运行、就绪和阻塞。?运行（running）:正占用处理器。?就绪（ready）:只要获得处理器即可运行。?阻塞（blocked）:正等待某个事件（I/O完成）的发生。
（3）进程控制块进程是一个动态的概念，如何表示一个进程?在操作系统中，引入数据结构———进程控制块（简记为PCB）标记进程。PCB是进程存在的惟一标志，PCB描述了进程的基本情况。从静态的观点看，进程由程序、数据和进程控制块组成;从动态的观点看，是计算机状态的一个有序集合。程序是进程运行所对应的运行代码，一个进程对应于一个程序;有的程序可以同时对应于多个进程，这个程序的代码在运行过程中不会被改变，常称为纯码程序或可重入程序，他们是可共享的程序。进程控制块保存进程状态、进程性质（如优先程序）、与进程有关的控制信息（如参数、信号量、消息等）、相应队列和现场保护区域等。进程控制块随着进程的建立而产生，随着进程的完成而撤消。PCB是操作系统核心中最主要的数据结构之一，它既是进程存在的标志和调度的依据，又是进程可以被打断并能恢复运行的基础。核心通过PCB管理进程，一般PCB是常驻内存的，尤其是调度信息必须常驻内存。
3.进程管理
在操作系统中有许多进程，它们对应着不同的或相同的程序，竞争地使用着系统的资源。进程管理涉及到进程控制、队列管理、进程调度等。
（1）进程控制
进程的生命过程是从它被创建开始，直到任务终止而撤消，其间会经历各种状态的转换，它们都是在操作系统控制下完成的，为此，操作系统提供了对进程的基本操作，也称为原语。这些原语包括:创建原语（create），阻塞原语（block），终止原语（terminal），优先级原语（chang_prioriˉty），调度原语（schedule）。它们可以被系统本身调用，有的也以软中断形式（系统调用）供用户进程调用。他们都涉及现场队列管理等。当一个进程创建一个新的进程时，创建者称为父进程，被创建者称为子进程。通常操作系统中设置一个运行队列，一个就绪队列和若干个阻塞队列。在单处理器系统中运行队列只有一个成员。一般阻塞队列的个数取决于等待事件（原因）的个数。调度原语是按照确定的算法，从就绪队列中选择一个就绪进程，将处理器分配给它，修改这个进程的PCB内容。在操作系统中进程生命的简单活动是这样的:一个进程可以由系统创建（如用户运行一程序），也可以由用户进程用创建原语建立。新建立的进程开始时处于就绪状态。该进程的运行也会因等待某个事件（如I/O完成）的发生而处于阻塞状态，转入相应的阻塞队列。一旦相应事件发生后，将被唤醒原语叫醒而回到就绪队列。重复上述过程直至运行完毕。经终止原语作一些记录工作并撤消这个进程。
（2）进程调度
进程调度即处理器调度，它的主要功能是确定在什么时候分派处理器，并确定分给哪一个进程。在分时系统中，一般有一个确定的时间单位（称为时间片），当一进程用完一个时间单位时，就发生进程调度（又称上下文转换），即让正在运行的进程改变状态并转入就绪队列尾，再由调度原语将就绪队列的首进程取出，投入运行。进程调度的方法基本上分为两类:剥夺调度与非剥夺调度。所谓非剥夺调度是指一旦某个作业或进程占有了处理器，这个进程就占用处理器直到主动放弃处理器为止，相反，如果其他进程可获得处理器的使用权则是剥夺调度。在有些进程（如高优先级进程）需要快速服务的系统中，剥夺调度是非常有用的。例如，在实时系统中丢失一个中断的后果将是灾难性的。交互式系统中，为保证用户可接受的响应时间，剥夺调度也十分重要。在非剥夺系统中，短的作业常常等待长的作业，但所有进程受到的服务是公平的，响应时间是可以预测的。对就绪队列的处理体现了调度策略，常用的是按优先级处理。有两种确定优先级的方法，即静态优先级和动态优先级。静态是指进程的优先级在进程开始运行前确定，运行过程中不变，而动态优先则可以在进程运行过程中改变。进程调度的算法是服务于系统目标的策略，对于不同的系统与系统目标，常采用不同的调度算法，如:?先来先服务（FCFS）:又称先进先出（FIFO），就绪队列按先来后到原则排队。?优先数调度:优先数反映了进程优先级，就绪队列按优先数排队。?轮转法（round robin）:就绪队列按FCFS方式排队。每个运行进程一次占有处理器时间都不超过规定的时间单位（时间片）。若超过，即调用调度原语而形成就绪进程轮流使用服务器。
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