操作系统：王道笔记

最新推荐文章于 2025-03-26 17:22:02 发布

it小白666

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操作系统(Operating System,OS)

操作系统(Operating System,OS)

一.认识操作系统

1.1_1:操作系统的概念，功能和目标

概念：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，它是计算机系统中最基本的系统软件。
补充：进程

（processing）：一个程序的执行过程。执行前需要将该程序放到内存中，才能被cpu处理。

1.1_2:操作系统的特征

四个特征：并发，共享，虚拟，异步；其中并发，共享是最基本的特征，二者互为存在条件

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。

注意：并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生

操作系统的并发性：计算机系统中同时存在多个运行着的程序。

一个单核处理器（cpu）同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行（这些程序微观上是交替执行的，但宏观上看起来就像在同时执行）

共享：即资源共享，指系统中的资源可供内存中多个并发执行的程序共同使用。

两种资源共享的方式：互斥共享方式和同时共享方式

(1):互斥共享方式：系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源
例如：视频聊天，qq和微信。
(2):同时共享方式：系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程**“同时”**对它们进行访问
例如：同时给qq和微信发文件

注意：“同时”：往往是宏观的，微观上，这些进程可能是交替对该资源进行访问（即分时共享）

虚拟：指把一个物理上的实体变为若干的逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的。

两种虚拟技术：空分复用技术（虚拟存储器技术）和时分复用技术（虚拟处理器）

异步：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，进程的执行不是一贯到底的。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。

小结：

1.1_3 操作系统的分类与发展

手工操作阶段
批处理阶段：单道批处理，多道批处理（系统资源并行利用）。
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，各个用户可以通过终端与计算机进行交互。优点：用户请求可以被即时响应，解决人机交互问题。
实时操作系统：能优先响应一些紧急任务。分为硬实时系统和软实时系统。
其他操作系统。

小结：

1.1_4 操作系统的运行机制体系结构与

指令：处理器cpu能识别，执行的最基本的命令。如加法指令。

两种指令：特权指令；非特权指令

两种处理器状态：（用程序状态字寄存器（PSW）中都某标志为来标识当前处理器状态）

用户态（目态）：此时cpu只能执行非特权指令
核心态（管态）：特权指令，非特权指令都可以执行

两种程序：

内核程序：操作系统的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

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

操作系统内核图：

计算机系统的层次结构：

操作系统层次结构：

时钟管理：实现计时功能；
原语：一种特殊的程序。最接近硬件的部分，这种程序的运行具有原子性。

—

操作系统的体系结构：

大内核与微内核的区别：
注意：变态（cpu状态的转换）的过程是有成本的，要消耗不少时间，频繁地变态会降低系统性能

小结：

1.1_5: 中断和异常

中断机制的诞生：为解决串行程序执行的问题，引入中断机制，实现了多道程序并发执行。
本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作 。由于操作系统的管理工作（比如进程切换、分配I/O设备等）需要特权指令，因此cpu要从用户态转为核心态。中断可以使cpu从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机等控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。

注意：
用户态到核心态的切换是通过中断实现的，且中断是唯一的途径
核心态到用户态到切换是通过执行一个特权指令，将PSW到标识设置为用户态。
中断的概念和作用
1. 当中断发生时cpu会立即进入核心态
2. 当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
3. 对于不同的中断信号，会进行不同的处理
中断的分类：内中断和外中断（本质区别：信号源）

内中断：也称异常、例外、陷入；信号来源于cpu内部，与当前执行的指令有关。

陷阱、陷入（trap）：有意而为之的异常，如系统调用
故障（fault）：由于错误条件引起的，可能被故障处理程序修复，如缺页
终止（abort）：不可恢复的致命错误造成的结果，终止处理程序不再将控制返回给引发终止的应用程序，如除以0.
外中断：中断；信号来源于cpu外部，与当前执行的指令无关。
I/O中断请求：
人工干预：

外中断的处理过程：

Step1:执行完每个指令之后，cpu都要检查当前是否有外部中断信号
Step2:如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的cpu环境（如程序状态字PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器）
Step3: 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
Step4:恢复原进程的cpu环境并退出中断，返回原进程继续往下执行
小结：

1.1_6:系统调用

系统调用：操作系统给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获取操作系统内核的服务。
应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（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内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。
系统调用的过程：传递系统调用参数->执行陷入指令（用户态）->执行相应内请求程序处理系统调用（核心态）->返回应用程序。
- 注意：
1. 陷入指令（trap指令）是在用户态执行对，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，使cpu进入核心态。
2. 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用对相应处理在核心态下进行*。
小结：

第二章：进程管理

2.1:进程的概念、组成、特征

程序：是静态的，就是个存放在磁盘里的可执行文件，就是一系列的指令集合。

2.1.1:进程的概念

进程（Process）的概念：是动态的，是程序的一次执行过程。同一程序多次执行会对应多个进程。

进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
进程是动态的，进程实体是静态的；进程实体反应了进程某一时刻的状态就像视频中的一帧。
进程，’‘用进程实体（进程映像）更准确’‘：由PCB，程序段（代码：指令序列），数据段（运行过程中产生当各种数据）。其中PCB是给操作系统用的，程序段和数据段是给进程自己用的。
- 操作系统对进程进行管理工作所需的信息都存在PCB中。
- PCB是进程存在的唯一标志，当进程被创建时，操作系统为其创建PCB，当进程结束时，会回收其PCB。
- 进程控制块（PCB）：包括进程描述信息（PID，UID），进程控制和管理信息（CPU、磁盘、网络流量；进程当前状态：就绪态阻塞态/运行态），资源分配清单（正在使用哪些文件，I/O，内存），处理机相关信息（PSW各种寄存器用于实现进程切换）
  - PID：当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的“身份证号”。
  - ID（UID）：基本的进程描述信息，可以让操作系统区分各个进程。

程序的运行

2.1.2:进程的组成

2.1.3:进程的特征

2.2:进程的状态、进程的组织

2.2.1:进程的状态

创建态和就绪态

运行态

阻塞态

终止态

2.2.2:进程状态的转换

2.2.3:进程的组织*

链接方式

索引方式

2.2小结：

2.3:进程控制

进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。就是实现进程状态转换
用原语实现进程控制
原语：是一种特殊的程序，它的执行具有原子性。也就是说，这段程序的运行必须一气呵成，不可中断

原语原子性的实现

利用关中断和开中断

进程控制相关的原语

创建原语

终止原语

阻塞和唤醒原语

-切换原语

2.3:小结：

2.4:进程通信

进程通信：进程之间的信息交换

2.4.1:共享存储

两个进程对于共享空间的访问必须是互斥的（互斥访问通过操作系统提供的工具来实现，操作系统只负责提供共享空间和同步互斥工具（如P，V操作））

基于数据结构的共享：比如共享空间中只能放一个长度为10的数组，这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式
基于存储区的共享：在内存中画出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程控制，而不是操作系统。相比之下，这种共享方式速度更快，是一种高级通信方式

2.4.2:消息传递

2.4.3:管道通信

管道：指用于连续写进程的一个共享文件，又名pipe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write()系统调用将被阻塞，等待读进程将数据取走。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。
如果没有写满，就不允许读。如果没读空就不允许写。
数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，这就意味着读进程最多只能有一个，否则可能会有读错数据的情况