操作系统笔记

最新推荐文章于 2025-05-01 23:18:15 发布

am136633

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分类专栏：操作系统文章标签：操作系统

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本文详细介绍了操作系统的定义、功能、特征和发展，涵盖了进程与线程、处理机调度、进程同步与死锁、存储管理和I/O管理等内容。操作系统作为系统软件，协调硬件和软件资源，提供用户接口。文章还深入讨论了进程的状态转换、调度算法、存储空间管理和I/O设备控制等关键概念。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

操作系统

1、概述

1.1 定义

负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作
为上层的应用程序、用户提供简单易用的服务（提供接口）
操作系统是系统软件,而不是硬件

在这里插入图片描述

1.2 操作系统的功能

处理机管理
存储器管理
设备管理
文件管理

1.2.1 进程调度

1.2.2 为用户提供服务（接口）：

命令接口：允许用户直接使用（联机命令接口、脱机命令接口）
程序接口：（由一组**系统调用（也称广义指令）**组成）:允许用户通过程序间接使用
GUI:现代操作系统中最流行的图形用户接口

1.3 特征

并发:

并发:指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的,但微观上是交替发生的。
并行:指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

共享

互斥共享方式（如：同一段时间内摄像头只能分配给其中一个进程）
同时共享方式（如：对硬盘资源的共享使用）

虚拟

空间复用技术（如虚拟存储器）
时分复用技术（如处理器的分时共享）

异步

多道程序环境允许多个程序并发执行，但由于资源有限，如cpu只有一个，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停的，它以不可预知的速度向前推进。

1.4 OS的发展和分类

手工操作阶段
批处理阶段

单道批处理系统(缺：内存仅能有一道程序运行，资源利用率低)
多道批处理系统(操作系统开始出现，并引进中断技术，各程序可并发执行；缺：没有人机交互功能)

分时操作系统

(以时间片为单位轮流为各个用户服务，实现人机交互功能，缺：平均时间，无应对紧急任务的能力)

实时操作系统

(主要特点：及时性和可靠性；优：能及时处理紧急任务)
- 硬实时系统(必须在绝对严格的规定时间内完成处理)
- 软实时系统

网络操作系统

(实现网络资源的共享和各计算机之间的通信)

分布式操作系统

(主要特点：分布性和并发性)

个人计算机操作系统

1.5 OS的运行机制和体系结构

1.5.1 运行机制

两种指令
- 特权指令（如：内存清零指令）
- 非特权指令
两种处理器状态（通过寄存器PSW的标志位来识别）
- 核心态
- 用户态（CPU只能执行非特权指令）
两种程序
- 内核程序
- 应用程序（只能执行非特权指令）

1.5.2 操作系统内核功能

时钟管理：实现计时功能
中断处理
原语（具有原子性；运行时间短，调用频繁）
对系统资源进行管理的功能
- 进程管理
- 存储器管理
- 设备管理

1.5.3操作系统的体系结构

大内核–>优：高性能，结构混乱，难以维护；缺：内核代码庞大，
微内核–>优：结构清晰；缺：需频繁在核心态和用户态之间切换，性能低

1.6 中断和异常

1.6.1 中断分类：

内中断（异常、例外、陷入）信号来源CPU内部，与当前执行的指令有关
- 自愿中断——指令中断
- 强迫中断
  - 硬件故障（如：缺页）
  - 软件中断（如：整数除零）
内中断（另一种分类方式）
- 陷阱
- 故障
- 终止
外中断（中断）与当前执行的指令无关
- 外设请求（I/O中断请求）
- 人工干预（强行终止）

1.6.2 系统调用

系统调用会使处理器从用户态进入核心态，发生在用户态，执行在核心态（执行陷入指令会产生内中断,使处理器进入核心态）

系统调用——(按功能分类)
- 设备管理：完成设备的请求释放/动等功能
- 文件管理：完成文件的读/写/创建删除等功能
- 进程控制：完成进程的创建撒销/阻塞唤醒等功能
- 进程通信：完成进程之间的消息传递信号传递等功能
- 内存管理：完成内存的分配回收等功能

2、进程与线程

2.1 进程

程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体。

2.1.1 进程的特性

动态性（动态性是进程最基本的特征）
并发性
异步性（各进程以不可预知的速度向前推进,可能导致运行结果的不确定性）
独立性（进程是资源分配、接受调度的基本单位）
结构性

2.2 进程的状态

运行态
就绪态
阻塞态–>指进程因发生某事件（如请求 I/O、申请缓冲空间等）而暂停执行时的状态
创建态–>进程正在被创建,操作系统为进程分配资源、初始化PCB
终止态

2.2.1 进程状态的转换

在这里插入图片描述

2.3 进程的控制

用原语实现进程控制，原语采用“关中断指令”和“开中断指令”实现

2.3.1 进程映像

一般由程序、数据、栈、PCB组成

2.3.2 PCB（控制代码块）

进程描述信息（PCB是进程存在的唯一标志）
- 进程标识符PID
- 用户标识符UID
进程控制和管理信息
- 进程当前状态
- 进程优先级
资源分配清单
- 程序段指针、数据段指针、键盘、鼠标
处理机相关信息
- 各种寄存器值

2.3.3 原语操作

更新PCB中的信息
将PCB插入适合的队列
分配/回收资源

2.3.2 相关原语

进程的创建
进程的终止
进程的阻塞
进程的唤醒（阻塞和唤醒要成对出现）
进程的切换

2.4 进程的组织

链接方式
索引方式

2.5 进程的通信

共享存储（两个进程对共享空间的访问必须是互斥的）
- 基于数据结构的共享
- 基于存储区的共享（速度快）
消息传递（进程间的数据交换以格式化的消息为单位）
- 直接通信方式（直接挂到进程的消息缓冲队列）
- 间接通信方式（通过中间体（信箱））
管道通信（半双工通信）

2.6 线程、多线程模型

引进线程：可增加并发度，减少并发带来的开销
线程是处理机调度的单位,进程是资源分配的单位

线程的实现方式
- 用户级线程（所有的线程管理工作都由应用程序负责(包括线程切换)）
- 内核级线程（内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。）
- 组合方式(操作系统只“看得见”内核级线程,因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。)
多线程模型
- 多对一（优：进程管理开销小效率高、、缺：一个线程阻塞会导致整个进程都被阻塞(并发度低)）
- 一对一（优：进程管理开销大、、缺：各个线程可分配到多核处理机井行执行,并发度高）
- 多对多（集二者之所长）

在这里插入图片描述

3、处理机调度

按照一定的算法选择一个进程并将处理机分配给它运行

3.1 调度的三个层次

高级调度（作业调度）：外存–>内存
中级调度（内存调度）：挂起–>唤醒
低级调度（进程调度）：就绪态–>运行态

进程的挂起状态与七状态模型

在这里插入图片描述

进程切换的过程主要完成了:

对原来运行进程各种数据的保存
对新的进程各种数据的恢复

3.2 进程调度

3.2.1 时机

什么时候进行进程调度？
- 主动放弃
  - 进程正常结束
  - 因IO请求、P操作、阻塞原语等，从运行态进入阻塞态
- 被动放弃
  - 优先级更高的进程占用
  - 时间片用完
什么时候不能进行进程调度？
- 在处理中断的过程中
- 进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换
- 原子操作过程中(原语)

3.2.2.进程调度的方式

非剥夺调度方式(非抢占式)–>只能由当前运行的进程主动放弃CPU
剥夺调度方式(抢占式)–>可由操作系统剥夺当前进程的CPU使用权

3.2.3 调度算法的评价指标

在这里插入图片描述

3.3 调度算法

3.3.1 先来先服务(FCFS)

非抢占式的算法

3.3.2 短作业优先(SJF)

追求最少的平均等待时间，最少的平均周转时间、最少的平均平均带权周转时间

最短的作业先服务

SJF是非抢占式的算法

也有抢占式的算法–最短剩余时间优先算法（SRTN）

3.3.3 高响应比优先(HRRN)

响应比：（等待时间+要求服务时间）/要求服务时间

非抢占式的算法

3.3.4 时间片轮转调度算法（RR）

各进程轮流执行一个时间片的时间

抢占式算法

3.3.5 优先级调度算法

非抢占式：执行完一个进程再按优先级次序进行调度

抢占式：当执行时发现有更高优先级的进程到达就绪队列，则立即发生调度

3.3.6 多级反馈队列调度算法

抢占式算法

4、进程同步与死锁

4.1 进程同步

并发性带来了异步性，进程同步是为了解决进程的异步问题。异步性是指，各并发执行的进程以各自独立的、不可预知的速度向前推进。
有的进程之间需要相互配合地完成工作，各进程的工作推进需要遵循一定的先后顺序。

4.2 进程互斥

进程互斥指当一个进程访问某临界资源时，另一个想要访问该临界资源的进程必须等待。
即同一时间段内只能允许一个进程访问该资源（临界资源）。

4.2.1 临界资源

只允许一个进程访问的共享资源称为临界资源。

4.2.2 临界资源的访问过程

进入区：检查是否可进入临界区，若可进入，需要“上锁”
临界区：访问临界资源的那段代码
退出区：负责解锁
剩余区：其他代码

4.2.3 临界区访问准则

空闲让进。临界区空闲时，可以允许一个请求进入临界区的进程立即进入临界区；
忙则等待。当已有进程进入临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待；
有限等待。对请求访问的进程，应保证能在有限时间内进入临界区（保证不会饥饿）；
让权等待。当进程不能进入临界区时，应立即释放处理机，防止进程忙等待。

4.3 互斥的软件实现方法

单标志法
双标志先检查
双标志后检查
Peterson算法
1. 在进入区"主动争取一主动谦让—检查对方是否想进、己方是否谦让"
  主要问题：不遵循"让权等待"原则，会发生“忙等”

4.4 互斥的硬件实现方法

中断屏蔽方法
TestAndSet(TS指令/TSL指令)
Swap指令 (XCHG指令)

4.5 信号量机制

一对原语：wait(S)原语、signal(S)原语，简称P(S)、V(S)操作

整型信号量
1. 用一个整数型变量作为信号量，数值表示某种资源数
2. 整型信号量与普通整型变量的区别：对信号量只能执行初始化、P、V 三种操作
3. 整型信号量存在的问题：不满足让权等待原则
记录型信号量
1. S.value 表示某种资源数，S.L 指向等待该资源的队列
2. P 操作中,一定是先S.value–之后可能需要执行 block 原语
3. V 操作中,一定是先S.value++,之后可能需要执行 wakeup 原语
4. 注意：要能够自己推断在什么条件下需要执行 block或wakeup
5. 可以用记录型信号量实现系统资源的“申请”和“释放”
6. 可以用记录型信号量实现进程互斥、进程同步
AND型信号量

4.6 经典的进程同步问题

生产者-消费者问题
多生产者-多消费者问题
读者-写者问题
哲学家进餐问题
吸烟者问题
打瞌睡的理发师问题

4.7 管程

为了解决信号量机制编程麻烦、易错的问题

4.8 死锁

死锁：各进程互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，无法向前推进。
饥饿：由于长期等待得不到想要的资源，无法向前推进。

4.8.1 产生死锁的必要条件

互斥条件
部分分配（占有且等待）条件
不可抢占（非剥夺）条件
循环等待条件

4.8.2 什么时候会发生死锁？

各进程对不可剥夺的资源（如打印机）的竞争
请求和释放资源的顺序不当
实现互斥的P操作在实现同步的P操作之前

4.8.3 死锁的处理策略

预防死锁：破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或几个。
避免死锁：用某种方法防止系统进入不安全状态，从而避免死锁（银行家算法）
1. 安全序列、安全状态、不安全状态
2. 避免系统进入不安全状态------银行家算法
死锁的检测和解除：允许死锁的发生，不过操作系统会负责检测出死锁的发生，然后采取某种措
施解除死锁。
死锁的检测
解除死锁的主要方法有：
1. 资源剥夺法：挂起（暂时放到外存上）某些死锁进程，并抢占它的资源，将这些资源分配给其他的死锁进程。但是应防止被挂起的进程长时间得不到资源而饥饿。
2. 撤销进程法（或称终止进程法）：强制撤销部分、甚至全部死锁进程，并剥夺这些进程的资源。这种方式的优点是实现简单，但所付出的代价可能会很大。因为有些进程可能已经运行了很长时间，已经接近结束了，一旦被终止可谓功亏一赛，以后还得从头再来。
3. 进程回退法：让一个或多个死锁进程回退到足以避免死锁的地步。这就要求系统要记录进程的历史信息，设置还原点。

5、存储管理

5.1 存储

内存可存放数据。程序执行前需要先放到内存中才能被CPU处理-----缓和CPU与硬盘之间的速度矛盾

指令的工作原理—操作码+若干参数（可能包含地址参数）

5.1.1 地址空间

逻辑地址（相对地址）
物理地址（绝对地址）

5.1.2 从写程序到程序运行—编译、链接、装入

编译：由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块（编译就是把高级语言翻译为机器语言
链接：由链接程序将编译后形成的一组目标模块，以及所需库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块
装入（装载）：由装入程序将装入模块装入内存运行

5.1.3 链接的三种方式

1.静态链接：在程序运行之前，先将各目标模块及它们所需的库函数连接成一个完整的可执行文件（装入模块）之后不再拆开。
2.装入时动态链接：将各目标模块装入内存时，边装入边链接的链接方式。
3.运行时动态链接：在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行链接。其优点是便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享。

5.1.4 装入的三种方式

绝对装入：编译时产生绝对地址

静态重定位：装入时将逻辑地址转换为物理地址

动态重定位：运行时将逻辑地址转换为物理地址，需设置重定位寄存器