《操作系统》知识点_程序是一个被动的实体-优快云博客

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定义：

操作系统是对计算机资源（硬件、软件）管理、为用户提供服务（交互、运行环境）的软件、是种系统软件。
计算机用户与硬件之间一直运行的一个程序，狭义称为内核（kernel）程序
操作系统设计目标：用户目标：系统应该方便和容易使用、可靠、安全
开发目标：系统容易设计、实现、维护
策略：做什么机制：怎么做
开发语言：早期：汇编现在：高级（c、c++）java不行（要有虚拟机）

目标：方便用户解决问题、使用计算机，通过管理软件有效使用计算机硬件资源

计算机系统的结构：

层次结构：用户—>应用程序- >操作系统->硬件

组织：

单个或多个中央处理器通过总线与内存和设备控制器相连

启动（Booting）：先确认每个设备是否正常->开启引导程序Bootstrap（主板）、设备初始化、操作系统载入内存、运行进程，（第一个进程init（））
中断 ：一个事件的触发是由软中断、硬中断实现

    软中断是执行中断指令产生的，而硬中断是由外设引发的。
    硬中断的中断号是由中断控制器提供的，软中断的中断号由指令直接指出，无需使用中断控制器。
    硬中断是可屏蔽的，软中断不可屏蔽。
    有专门的文件标识符
    系统一旦发生中断，CPU会运行中断服务程序，且每个中断都有自己的中断服务程序
    系统通过中断向量表（Interrupt Vector Table）来管理中断请求与中断服务程序之间的关系

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Ctrl+Alt+Delete快捷启动是什么中断？

标准输入：键盘
标准输出：显示器
I/O结构 ：设备控制器有本地缓冲器，CPU负责内存与本地缓冲器之间的数据传递，设备控制器控制本地缓冲器和外设之间的。通过中断通知I/O设备操作完成
所以为了提高cpu利用率，采用DMA直接访问内存方式，以块为单位完成传送触发中断
I/O操作：同步：只有I/O结束后，用户程序才能运行
异步：I/O期间，用户程序也能运行
存储结构：寄存器、存储设备（1.磁盘 2.闪存 3.固态硬盘）等

计算机系统的体系结构：

单处理器系统：只有1个通用处理器来处理用户进程的指令，其他专用处理器只接受系统指令。
多处理器系统：多个处理器共享一个内存，操作系统可以运行在一个或多个CPU上
每个处理器都有自己的寄存器 -》并行计算能力
集群系统：互相连接的计算机组成的并行分布式系统

操作系统的结构：

简单结构：MS-DOS THE进行了层次划分

(1) 批处理系统：由人为方式调度程序运行
(2) 多道程序系统：调度程序已经放在操作系统了（提高CPU使用率）
(3)分时系统，又称多任务系统：给每个任务赋予一个时间片（让每个任务公平使用CPU）
现在既是多道程序又是多任务系统

多道程序设计的基本特征：无序性、多道性、间断性
分时系统追求：快速响应用户 公平使用cpu

操作：双重模式操作
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操作系统有双重运行模式：用户模式、内核模式

用户态：执行用户程序
管态（核心态）：操作系统执行用模式位区分

出现中断或陷阱硬件切换到管态

特权指令：有可能引发错误的指令，在管态正常使用，用户态时：使用系统调用，软中断进入管态

操作系统的服务：

提供用户接口、程序执行、I/O操作、文件系统操作、通信、出错检测（资源分配、账务、保护）

运行程序与操作系统传参：寄存器、内存的一张表、程序把参数压入栈
命令行界面：CIL 有的在内核实现、有的通过系统程序实现、shell——获取并执行用户指令
图形用户界面：GUI
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系统调用

程序通过API（方便、兼容性）访问，而不是直接使用系统调用（也会调用）
三种常用API：1.Windows的Win32 API 2. POSIX（Unix、linux、mac os） 3. java虚拟机的java API

每个系统调用都有一个固定番号，操作系统通过一张系统调用番号表来管理系统调用接口（其实是查地址，但地址动态）
运行程序与操作系统传参：寄存器、内存的一张表、程序把参数压入栈（call by value 按值传递）、
块（call by reference 快点、引用传递（传地址））

系统程序不属于内核，但属于操作系统的一部分

应用程序：提供服务给用户系统程序：提供服务给其他软件

虚拟机

通过软件模拟的具有完整硬件功能的、运行在一个完全隔离环境的完整计算机系统

其他计算机系统：

分布式、其他专用：实时（带有时间节点）、嵌入式、多媒体、手持系统

其它计算环境：

C/S、点对点、基于web计算

操作系统的管理：

OS的基本特性是并发和共享

进程（process）管理：

顺序执行的特征：顺序性、封闭性（独占系统的资源）、可再现性（初始条件相同、结果相同）

进程是运行着的程序，一个进程被载入内存，这个程序就变成进程
同一程序经过多次创建，运行在不同的数据集上，形成了不同的进程
操作系统会执行程序、进程、任务或作业（任务的1个实例）
程序与进程的概念区别：程序是被动实体，而进程是活动实体，程序是永久的，都可一对多
一个进程：代码段、栈（临时数据）、堆（动态数据）、数据段（全局变量）
在这里插入图片描述 - 进程控制块PCB：专门的数据结构，记录进程外部特征，描述进程的运动变化过程。包含许多与特定进程相关的信息

进程的特征：结构特征（进程实体=程序段+相关数据段+PCB）、动态性、并发性、独立性、异步性
task_struct

进程之间是树形结构

调度：

进程调度队列：就绪（在内存就绪并等待运行）、I/O设备队列
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1.长程调度（作业调度程序）：从作业的缓冲池中选择进程，并装入就绪队列中等待执行（I/O调度）慢点
2.短程调度（CPU调度）：从准备执行队列中选择一个进程，并为之分配cpu 快点
3.中程调度：将进程从内存中取出，缓解内存紧张分时系统

上下文切换：将CPU切换到另一个进程需要保存当前进程的状态，并恢复另一个进程状态
进程的属性：1.拥有资源`的独立单位（一直是）分配时间片

进程创建：

进程之间是树形结构
OS根据PID来识别进程
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级联终止：一个进程终止，它的所有子进程也将终止
僵尸进程：进程结束，但它的父进程没有等待它

进程间的通信模型（IPC）

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1.消息传递：

receive、send ：直接通信、间接通信（信箱）、同步和异步、缓冲（零容量、有限容量、无限容量）

用信箱实现进程间互通消息的通信机制要有两个通信原语：发送原语和接收原语

交换的消息都在缓冲中，零容量（阻塞）、有限容量、无限容量

2.共享内存：

共享内存区域：无线缓冲、有限缓冲

生产者-消费者问题

套接字：通信的端点，由IP地址和端口号组成
远程过程调用（RPC）：:存根传普通数据结构
远程方法调用（RMI）：传对象

管道：文件匿名管道（半双工的、数据单向）、命名管道（可靠的）

线程

cpu调度的最小单位（拥有很少的资源）可独立调度和分派的基本单位`
状态：就绪、阻塞、执行可并发执行
可与属于同一个进程的线程共享代码段、数据段、操作系统资源
创建线程：只需复制栈和寄存器的内容

   用户线程：用户级线程库进行管理，不受内核管理，且内核不能感知。按进程分配时间
   内核线程（真正的资源调度单位）：由内核创建、切换由内核完成 按线程分配时间

线程模型：

     多（用户线程）对一（内核线程）
     一对一：希望内核线程少
     多对多 
     两级模型（混合模型）允许用户线程绑定一个特定的内核线程

线程库：

为程序员提供的、创建和管理线程的API
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线程的一些命令

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线程取消

目标线程：线程完成任务之前终止线程的任务，需要取消的线程

取消方式：
   	 异步取消：
   	 延迟取消：

信号：用来通知进程某个特定事件的发生，是OS提供内核和进程之间的通信机制

线程池

在进程开始时创建一定数量的进程，并放入到进程池中等待工作

调度程序激活：一种解决用户线程库和内核间通信的方法

CPU调度

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非抢占式调度：一旦分配后，不会被其他进程使用
抢占式调度：会被其他进程使用

调度准则：
CPU使用率
吞吐量（一个时间单位里完成的进程数量）
等待时间（在就绪队列等待的时间）
响应时间（提交请求到第一次响应）
周转时间（从进程提交到进程完成） 

上下文切换时间

调度算法

选择下一个CPU区间（剩余CPU区间），而不是进程整个区间长度，分为非抢占调度和抢占调度

1.先到先得 FCFS：非抢占最简单的调度有利于长作业、CPU作业可用于作业、进程调度根据到达次序

护航效果：所有其他小进程都等待一个大进程

2.最短作业优先 SJF（最优的，给出最短的平均等待时间）：关联到每个进程下次运行的CPU脉冲长度，调度最短的进程
分非抢占 、抢占（最短剩余时间优先调度）可能会出现饥饿现象（长的一直等下去）

3.优先级算法 PS：非抢占 、 抢占 用数字表示优先级，数值越小、优先级越高
一个进程的优先级与它的下一个CPU区间的长度成反比
静态优先权在创建就确立，且在整个生命期保持不变可能会出现饥饿、无限阻塞
解决办法：老化，随着等待时间的长度，增加进程的优先级
所以使用动态优先级：进程的的等待时间、已使用处理机的时间、资源使用情况

4.时间片轮转 RR：分时系统中：为了使多个终端能够得到系统及时响应 可抢占
系统每隔一个时间片发出一个时钟中断，调度另一个进程执行
周转时间依赖于时间片的大小
根据经验：时间片应大于80%的CPU区间

5.多级队列调度 MQS：将就绪队列分为多个独立的队列
队列内：自己的调度算法
队列间：固定优先级抢占调度、队列间给定时间片调度

6.多级反馈队列调度
进程可以在多个队列之间有移动，老化

线程调度

在这里插入图片描述 Linux只支持系统范围的线程调度

实时调度：硬实时系统（硬截止时间）、软实时系统

进程同步

竞争：对共享数据的并发访问可能会导致数据的不一致性（进程顺序乱了，且结果不能预测）
互斥：指多个进程不能同时使用同一个资源
同步：进程之间的协作

临界区：

实现：互斥、前进（有空让进）、有限等待
定义：多个进程必须互斥的访问，进程中访问临界资源的一段代码
执行时间互斥

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Peterson”s算法：

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前提条件是加载和存储指令是原子指令，即加载和存储指令是不可被中断的指令。
不能没有turn，否则都进入不了临界区
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硬件同步

现代计算机系统提供特殊指令叫原子指令( atomic instructions)，运行时不会发生中断

TestAndSet ( ) :检查和设置字的内容（返回原来的值，将传入的值变成true）
swap( ) :交换两个字的内容不可中断的指令

全局变量 lock 初始为false，相当于锁

局部变量 key 初始为true 每个进程一个相当于为钥匙

在swap算法下，若key或lock为false，则可进去临界区
Peterson’s （软件实现）,testandset,swap（硬件实现）都会出现忙等待

所以声明waiting【i】表示等待进入临界区的进程，初始为false
可以进入临界区：lock或waiting[i]为false
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信号量

无忙等待的同步工具
在这里插入图片描述 1.二进制信号量，又称互斥锁

若想控制进程先后，定义一个前序变量，且初值为0，完成后才+1，执行下一个进程。

无忙等待的信号量

解决忙等待：将忙等待的进程挂起（运行状态—等待状态），可以进入临界区时，让进程重新启动（等待状态—就绪状态）

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经典同步问题

有限缓冲问题
读者和写者问题
哲学家进餐问题

管程

在这里插入图片描述条件变量：某一资源类型的信号量

死锁：

死锁：指多个进程互不相让，都得不到足够的资源（涉及多个资源）
原因：竞争资源、进程推进顺序不当
出现条件：互斥（1个资源只能1个进程占用）、占有并等待、不可抢占、循环等待（P0等待的资源被P1占用，P1等待的资源被P2占用……）。
通过资源分配图描述：点：进程、资源边：请求边、分配边

处理死锁方法：

忽略死锁
预防死锁（限制资源请求、确保至少一个必要条件不成立）
通常不通过否定互斥条件来预防死锁
避免（安全状态：使每个进程都可顺序执行，确保系统不进去不安全状态
若单个实例，采用资源分配图引入需求边看是否会出现环路；
当进程申请资源时，需求边变成申请边

对资源的申请，把申请边变成分配边后，如果没有环就允许申请，如有环就不允许申请

若含有多个实例，银行家算法，安全算法）

银行家算法：

在这里插入图片描述按循环选择下一个
1.安全性算法：确定系统是否处于安全状态

2.资源请求算法：判断是否可安全允许请求的算法

检测（也分只有一个实例：维护等待图（进程是节点）

若等待图中有环，则系统存在死锁；
多个实例：检测算法）
恢复（人处理、资源抢占、进程终止、把不能正常运行的回滚到安全状态）

内存管理

重定位：把程序的逻辑地址空间变换成内存中的实际物理地址空间的过程
提高内存使用率、管理数据的存储、指令的运行

内存地址编制方法

一个进程使用的内存地址范围：由一对基地址寄存器和界限地址寄存器来定义

地址绑定是逻辑地址到物理地址的映射
逻辑地址：CPU产生，（虚拟空间）
物理地址：内存设备所读入的地址可以直接寻址
在这里插入图片描述内存管理单元：MMU
编译、加载时绑定进行交换必须回到原位；执行时绑定，运行时可以发生地址变化

地址重定位：
静态：把指令地址全部转换为绝对地址，执行中无需再进行地址转换；
动态：在CPU访问内存前，动态依靠硬件地址变换机构

逻辑地址：CPU生成的地址
物理地址：内单元的地址

静态链接:加载程序合并到二进制程序镜像中，一直驻留在内存
动态链接，链接延迟到运行时，适用于系统库，由操作系统管理，存根：定位适当的内存驻留库程序
动态加载：直到被调用之前，程序不会被载入到内存，即加载延迟到运行时，由程序员决定

内存分配方式

分配内存空间：
在这里插入图片描述
单一连续区管理：基址寄存器
多分区管理：可用于多道程序；固定（静态）分区：作业装入前，就被划分为若干个固定大小的连续分区，运行期间个数，大小不变
动态分配：系统里有一张分区说明表，来记录已分配孔和未分配孔的信息
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拼接（紧缩）：解决碎片，只适用于动态重定位

不连续分配：
分页：把物理内存分成大小固定的块，称为帧
把逻辑内存也分成固定大小的块，叫做页。以页为单位分配内存，设置页表
在这里插入图片描述没有内碎片
（有外碎片：紧缩：I/O不可以）
页表的实现：
1.用一组专用寄存器保存页表基寄存器（PTBR）
2.可以放在主存中：页号，偏移；页表基址寄存器指向页表，页表限长寄存器表明页表的长度
通过联想寄存器（并行查找），对内存两次存取，一次是存取页表，一次是存取数据
解决办法：硬件缓冲，称为 地址转换旁观缓冲 （TLB），键-值

在这里插入图片描述哈希表【虚拟页码，映射的帧号、指向链表下一个元素的指针】
反向页表：减少页表消耗的内存空间，整个系统只有一个页表【进程标识符，页码，页偏移】

分段：以用户视角去管理内存
一般组成：主程序、函数、方法、对象、堆、栈、局部变量、全局变量等
逻辑地址：【分段号，偏移】
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