计算机操作系统（OS）知识点总结笔记（待完善）

博主最近在搞自动化测试。。。太南了。。OS可能没空更新了

一、操作系统的概念，功能和目标

1、操作系统的概念

操作系统：是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，是计算机中最基本的系统软件

1、操作系统的功能：

• 系统资源的管理者：处理机、存储器、文件、设备管理
• 用户与计算机硬件之间的接口（命令接口，程序接口，程序接口=系统调用），为上层用户、应用程序提供简单服务

2、操作系统的特征：共享
共享即资源共享，系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同调用

• 互斥共享方式：一个时间段内只允许一个进程访问该资源
• 同时共享方式：允许一个时间段内由多个进程同时对他们进行访问

3、虚拟：把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物，物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的------虚拟存储器技术

1、有时候程序同时运行需要的内存远大于4GB，为啥他们还可以在4GB内存的电脑上同时运行？yes，这就是虚拟存储技术，实际只有4GB内存，用户看来却远大于4GB
2、某单核cpu的计算机中，用户同时打开了好些软件。。为什么单核的能同时运行这么多？-----虚拟处理器技术，实际上只有一个cpu，微观上处理机在各个微小的时间段内交替为各个进程服务，让用户看起来有多个cpu在为自己服务（时分复用技术）

4、异步
异步是指，在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一罐彻底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性（有并发性才可能导致异步）

没有共享和并发（2个最基本特征），就谈不上虚拟和异步

5、分时操作系统
计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。解决了人机交互问题。 允许多个用户同时使用一台计算机

2、操作系统的运行机制与体系结构

1、两种指令

• 特权指令：如内存清零指令，不允许用户程序使用
• 非特权指令：如普通的运算指令

2、两种处理器状态

• 用户态：此时cpu只能执行非特权指令
• 核心态：特权指令、非特权指令都可执行

3、两种程序

• 内核程序：是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态
• 应用程序：为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态

4、计算机系统的层次结构图

内核是操作系统最基本最核心的部分，是计算机上配置的底层软件。实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。

5、OS的体系结构

3、中断和异常

（1）中断的概念、作用

• 当中断发生时，CPU立即进入核心态
• 中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由OS内核对中断进行处理
• 对于不同的中断信号，会进行不同的处理

发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。cpu收到计时部件发出的中断信号，从用户态切换为核心态，对中断进行处理

Q：用户态、核心态之间的转换是怎么实现的？
A：用户态------>核心态 是通过中断 实现的，并且中断是唯一途径
核心态------>用户态 是通过执行一个特权指令，将程序状态字PSW标志位设置为“用户态”

（2）中断的分类

• 内中断（也称异常、例外、陷入），包括自愿中断和强迫中断（硬件故障如缺页，软件中断如整数除0）
• 外中断（狭义的中断），包括外设请求和人工干预

4、系统调用

用户接口分为命令接口（允许用户直接使用）和程序接口（允许用户通过程序间接使用）。程序接口就是由一组系统调用组成。

1、系统调用的作用
应用程序通过系统调用请求OS的服务。系统中各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡事与资源有关的操作（如存储分配，I/O操作，文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，由OS代为完成，这样可以保证系统稳定性和安全性。

2、系统调用的过程

传递系统调用参数---->执行陷入指令（用户态）---->执行系统调用相应服务程序（核心态）---->返回用户程序

注意：系统调用发生在用户态，对系统调用的处理发生在核心态

二、进程、线程

1、进程

1、进程实体：PCB（进程控制块，用来描述进程的各种信息）、程序段（存放要执行的代码）、数据段（存放程序运行过程中处理的各种数据）三部分构成。一般情况下，把进程实体就简称为进程。所谓创建/销毁进程，实质上就是创建/销毁进程实体中的PCB。PCB是进程存在的唯一标志

2、严格来说，进程（动态）是进程实体（静态）的运行过程，是具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程，系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

3、进程的组织------链接方式

• 按照进程状态将PCB分为多个队列
• 操作系统持有指向各个队列的指令
  
  4、进程的特征
• 动态性：进程是程序的一次执行过程，是动态的产生、变化和消亡的
• 并发性：内存中有多个进程实体，各进程可并发执行
• 独立性：进程是能独立运行、独立获得资源、独立接收调度的基本单位
• 异步性：各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，OS要提供“进程同步机制”来解决异步问题
• 结构性：每个进程都会配置一个PCB

5、进程的状态与转换

• 运行态：占有CPU，并在运行（单核的话一个时刻最多只有一个进程处于运行态）
• 就绪态：已具备运行条件，但没有空闲cpu所以暂时不能运行
• 阻塞态：因等待某一事件而暂时不能运行

另外两种状态：

• 创建态：进程正在被创建，OS为其分配资源、初始化PCB
• 终止态：进程正在从OS中撤销，OS回收进程拥有的资源，撤销PCB

6、进程控制

进程控制，可以简单理解为，就是实现各个进程状态的转换
原语：用原语实现进程控制。原语的特点是不允许中断，只能一气呵成，采用“开中断指令”和“关中断指令”实现，即原子操作。

无论哪个原语，要做的无非三件事情：更新PCB中的信息，将PCB插入合适的队列，分配/回收资源

7、进程通信
进程通信就是进程之间的信息交换。因为进程是分配系统资源的单位，因此各进程拥有相互独立的内存地址空间。为了保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。
（1）共享内存

共享内存分为：

• 基于数据结构的共享：比如共享空间里只能放一个长度为10的数组。这种方式速度慢，限制多，是一种低级通信方式
• 基于存储区的共享：在内存中划出一块共享存储区，数据的形式、存放位置，都由进程控制，而不是OS。这种方式速度更快，是一种高级通信方式

（2）管道通信

进程1-----写数据----->管道----读数据----->进程2

• 管道是指用于连接读写进程的一个共享文件，其实就是在内存中开辟一个大小固定的缓冲区
• 管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道
• 各进程要互斥地访问管道
• 数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write()系统调用将被阻塞；当读进程将数据全部取走后，管道变空，此时读进程的read()系统调用将被阻塞
• 如果没写满，就不允许读，没读空，就不允许写
• 数据一旦被读出，就从管道中抛弃，这意味着读进程最多只能有一个

（3）消息传递
进程间的数据以格式化的消息为单位，进程通过OS提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换。

• 直接通信方式：消息直接挂到接收进程的消息缓冲队列上
• 间接通信方式：消息要先发送到中间实体（信箱）中，因此也称为“信箱通信方式”（eg., 计网中的电子邮件系统）

2、线程

1、有的进程可能需要同时做很多事，而传统的进程只能串行执行一系列程序，为此引入了线程，来提高并发度。可以把线程理解为轻量级进程

（1）线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位
（2）引入线程之后，不仅进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一步提高系统的并发度，使得一个进程内也可以并发处理各种任务
（3）引入线程后，进程只作为资源分配的基本单位，而线程是