OSのリソース管理とプロセス

なぜ全てが凍結してもマウスは動くのか

• プログラムがロックアップします。ウィンドウは再描画されず、スピナーは止まり、何も応答しません。しかし、マウスカーソルはまだ以前と同じように画面を滑っています。
• これはオペレーティングシステムが何かを教えてくれています：マシンが停止しているわけではなく、ある プロセス が停止しているだけです。スケジューラは依然としてプロセッサのスライスを割り当てており、凍結したプログラムはそのスライスを使って何も有用なことをしていないだけなのです。
• マシンのあらゆるリソース就是这样共有されています：プロセッサは時間で、メモリは空間で、プリンタはキューで。
• この授業では、OSがこれらのリソースを最大限に活用する方法と、プロセスの生成から終了までの管理方法を解説します。

リソースを最大限に活用する

• マルチタスク: プロセッサはプロセス間で高速に切り替わるため、一度に実行されているのは1つだけですが、複数のプロセスが同時に動作しているように見えます。
• ページング: メモリをRAMとディスク間で移動させることで、物理メモリより多くのプログラムを同時に開くことができます。
• スプーリング: 低速デバイスの出力をディスク上のキューに格納するため、プロセッサはプリンターの処理を待つ必要がありません。キャッシュは最近使用されたデータを高速メモリに保持し、再度取得する必要をなくします。
• OSはこのすべての処理を、コマンドラインまたはGUIであるユーザーインターフェースの背後に隠しています。

計算例: スプーリングが有用な理由

プロセスとスケジューラ

• プロセスとは実行中のプログラムであり、そのコード、現在の状態、メモリ、開いているファイルを含みます。ディスク上のプログラムはプロセスではなく、実行中のプログラムがプロセスです。
• スケジューラは、次にどの準備完了プロセスを実行するか、またどの程度実行させるかを決定します。その目標は、プロセッサを忙しく保つこと、インタラクティブなユーザーに素早く応答すること、公平であることです。
• ラウンドロビンは各準備完了プロセスに一定のタイムスライスを与え、その後キューの最後へ送ります: 単純で、公平かつ応答性が高いです。他のポリシーには先来者順 (FCFS)、最短作业优先 (SJF)、剩余時間最短があります。

誰にも欠けがなく、誰もプロセッサを独占しません

プロセスの状態

• New: 作成中。Ready: 実行可能で、プロセッサのみを待機中。Running: 現在実行中。Blocked: 入出力などの外部イベントを待機中。Terminated: 終了済み。
• 状態遷移は試験で問われる内容です。タイムスライスの満了によりRunningがReadyへ移行。I/O要求によりRunningがBlockedへ移行。I/O完了によりBlockedがReadyへ移行。スケジューラによって選択されることでReadyがRunningへ移行します。
• 非対称性に注意してください: Blocked状态のプロセスが直接Runningに戻ることはありません。Readyキューに戻り、順番を待ちます。

5つの状態と、それぞれの矢印の理由

計算例: プロセスのトレース

コンテキストスイッチ

• 実行中のプロセスを変更するために、OSは現在のプロセスの状態、レジスタ、プログラムカウンタ、ステータスをプロセス制御ブロック (PCB) に保存し、次に実行するプロセスの状態をそのプロセス固有のブロックからロードします。
• これをコンテキストスイッチと呼びます。これには現実的なコストがかかります: コントロールスイッチ中、プロセッサはユーザーの作業を行わず、家務（管理作業）を行 onlyします。
• そのため、タイムスライスはトレードオフです。長すぎるとインタラクティブなプログラムが重く感じられ、短すぎると機械が計算よりも切り替えに時間を割いてしまいます。

インターラプトとカーネル

• カーネルはOSのコアであり、実際にこれを遂行します。デバイスやプログラムからのインターラプトに応答し、インターラプトとは実行中のプロセスからOSへのコントロールの返却のことです。
• タイムスライスの終了点におけるタイマーインターラプトこそが、プレエンプティブ・スケジューリングを可能にしています。これなければ、 yieldedしないプログラムがプロセッサを永遠に占有してしまいます。
• これが冒頭のクイズの答えです: フリーズしたプログラムは自分のタイムスライス以上のプロセッサを占有していないため、マウスは動き続けます。

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