操作系统知识点

操作系统快速入门

一．绪论

特征：并发、异步、共享、虚拟

1. 并发：同一时间段内，交替执行某个任务
2. 异步：多道程序并发执行，每个程序会不可预知的方式间隔运行
3. 共享：多个进程访问共同资源
4. 虚拟：物理上的一个CPU虚拟为多个逻辑上的CPU，物理内存一段地址映射为多个逻辑上的内存

功能：调度管理、存储管理、设备管理、文件管理

1. 调度管理：进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、调度管理
2. 存储管理：内存分配与回收、地址映射、资源共享、资源扩充
3. 设备管理：用户通过I/O向CPU发起指令，从而访问计算机资源

资源共享根据属性可分为两种形式：

互斥共享形式 （当资源被程序A占用时,其他想使用的话只能等待，只有进程A使用完以后,其他进程才可以使用该资源）

同时访问形式 （某种资源在一段时间内并发地被多个程序访问，这种“同时”是宏观的,从宏观去看该资源可以被同时访问）

提供用户与计算机之间的接口

1. 命令接口：通过控制台或终端向计算机输入指令提供对应的服务
2. 程序接口：使用系统调用请求操作系统提供服务
3. 图形接口：提供友好的操作界面访问计算机资源

运行机制：系统调用、内核态与用户态

1. 系统调用：系统调用都是通过中断实现的，调用服务时通过中断从用户态切换到内核态，执行中断服务程序将结果返回到用户态
2. 内核：是操作系统的管理者，可执行特权命令
3. 中断处理过程：开启断点，保护程序现场，引出中断服务程序，开中断，执行中断服务程序，关中断，恢复现场

二. 进程管理

进程：进程是程序的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位；

进程可以控制程序的并发执行，能够通过进程同步实现操作系统的并发性和共享性；

进程是动态运行的而程序是静态的，进程是竞争计算机资源的基本单位。

线程：线程是CPU调度和分派的基本单位，一个进程由一个或多个线程组成，线程依赖于   进程而存在；

        进程有自己的独立地址空间，线程共享所属进程的地址空间；

        进程是拥有系统资源的一个独立单位，而线程自己基本上不拥有系统资源；

进程管理：进程有自己的独立地址空间，一个进程阻塞时，不影响其他进程的状态，因此多   进程更加健壮；多线程程序有一个程序阻塞会影响其他线程，所持的锁没被释放，   其他线程也会继续等待，导致整个程序异常

进程通信：两个进程同时共享一块内存，可以对内存上的数据修改和读取，达到通信的目的

管道通信

管程的组成：定义的数据结构、定义在这组数据上的操作、共享数据的初始值

管道通信： 为了协调双方（发送进程和接受进程）的通信，必须提供依以下的机制确认对 方的存在：

1.任何时刻，只能有一个进程进入管程执行

2.一组数据和定义在这组数据上的操作，可以单独被一个进程访问资源，数据只能单向传输，只要里面有数据，就可以读出，只要里面有空位，就可以写入，等一个进程访问结束，释放管程资源

3.管程中的共享变量只能被管程的过程访问，任何外部过程不能访问

4.管程中必须包含同步信息

临界区：访问资源的那段代码，任意时刻只允许一个线程对临界资源进行访问

拥有临界区对象的线程可以访问该临界资源，其它试图访问该资源的线程将被挂起，直到临界区对象被释放

进程状态及转换过程：

进程同步：某个进程需要另一个进程提供的消息，获得消息之前进入阻塞态

进程互斥：多个进程在同一时刻只有一个进程能进入临界区（进程访问资源的代码）

进程同步机制：

1. 空闲让进：当无进程处于临界区，可允许一个请求进入临界区的进程立即进入自己的临界区
2. 忙着等待：当临界区内已有进程，所有企图进入临界区的进程必须等待
3. 有限等待：应保证该进程能在有限时间内进入临界区
4. 让权等待：当进程应该进入而不能进入临界区时，应释放处理机资源，避免进入忙等状态（一直尝试进入，其他进程处于阻塞状态），其他进程可以进入临界区

进程唤醒：允许一个线程在处理完一个任务后，主动唤醒另外一个线程执行任务

把被阻塞的进程从等待该事件的阻塞队列中移出，将其PCB中的现行状态由阻塞改为就绪，然后再将该PCB插入到就绪队列中

PCB(Process Control Block)：系统中存放进程的管理和控制信息的数据结构

PCB的作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序，成为个能与其他进程并发执行的进程

信号量：每增加一个进程对共享资源的访问，可用资源计数减1，只要当前可用资源计数大于0，就可以发出信号量信号；如果为0，则将进程放入阻塞队列中等待

互斥量：只有拥有互斥对象的进程才有访问互斥资源的权限，保证互斥资源不会同时被多个进程访问

       当前拥有互斥对象的进程处理完任务后必须将互斥对象交出，以便其他进程访问该资源

死锁：两个或两个以上的进程在执行中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象

死锁原因：

1. 系统资源不足:系统资源数量不足以满足多个进程运行的需要，多个进程会因争夺资源而陷入僵局
2. 进程推进顺序不当：进程在运行过程中,请求和释放资源的顺序不当
3. 信号量使用不当：一个进程访问完系统资源后没恢复计数，则其他进程一直处于阻塞状态

     处理方法：避免死锁、检测死锁、预防死锁、解除死锁

三. 存储管理

功能：内存的分配和回收、地址变换、扩充内存、存储保护

应用程序执行过程：编译、链接、装入

程序链接方式：静态链接、运行时动态链接、装入时动态链接

内存连续分配管理方式：

单一连续分配：简单、无外部碎片，只适用于单用户、单任务的操作系统中，有内部碎片，存储器的利用率极低

固定分区分配：多道程序存储管理方式，将用户内存空间划分为若干个固定大小的区域，每个分区只装入一道作业，是一个循环队列结构

动态分区分配：在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区

四. 设备管理

参考链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/124284469