操作系统

操作系统

操作系统（OperatingSystem，OS）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；它是计算机系统中最基本的系统软件。

操作系统的特征：并发、共享、虚拟、异步，并发和共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件。

并发：指两个或多个时间在同一时间间隔内发生，宏观上是同时发生但是微观上是交替发生。

单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发进行。多核CPU可以同一时刻运行多个程序，各个程序可以并行运行。

共享：资源共享，指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

中断和异常

用户态、内核态

“中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径。内中断(也称为异常)：当前执行的指令非法，会引发中断信号。外中断：中断信号来源CPU外部(时钟中断)

进程

进程控制块(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，结束时回回收。

进程的状态：运行状态、就绪状态、阻塞状态、创建状态、终止状态。前面三种是基本状态。进程的五状态模型。

衍生出来七状态模型：

线程

线程是一个基本的CPU执行单元，也是线程称为程序执行流最小单位。

线程的状态与转换和进程的类似：线程控制块（TCB）

调度：高级调度（外存到内存，面向作业，相当于要执行一个程序，无到就绪态）、中级调度（外存到内存，面向进程，挂起态到就绪态）、低级调度（内存到CPU，进程调度，发生频率最高，就绪态到阻塞态）。

进程同步和互斥问题

同步亦称直接制约关系，指为完成某种任务而建立的两个或多个进程，这些进程因为需要在某些位置上协调工作次序而产生的制约关系。

互斥，临界资源的使用（比如摄像头打印机等），对临界资源的访问必须要互斥的进行，进程互斥指当一个进程访问临界资源时，另一个想要访问临界资源的进程必须等待。进程互斥分为四个部分：进入区（检查是否能进入临界区，若可进入，则上锁）、临界区（访问临界资源的代码）、退出区（解锁）、剩余区（其余代码部分）

原则：1、空闲等待 2、忙则等待 3、有限等待 4、让权等待

进程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。

单标志法

每个进程进入临界区的权限只能被另一个进程赋予。

违反了空闲让进的原则。

双标志先检查法

设置bool数组 数组中各元素用来标记各进程想进入临界区的意愿。

 违反忙则等待原则。原因是：进入区的检查和上锁不是一气呵成的，检查后上锁前可能发生进程的切换。

双标志后检查法

先上锁再检查

违背了空闲让进和有限等待的原则，导致各进程长期无法访问临界区资源

Peterson算法

结合双标志法、单标志法的思想。

 

 违反了让权等待原则。

互斥锁

自旋锁，需要连续循环忙等的互斥锁，TSL、swap指令、单标志法等。

主要缺点就是忙等待，不是用法单处理机系统，忙等的过程中不可能解锁

优点：等待期间不用切换进程上下文，多处理器系统中，若上锁时间很短，代价很低

死锁

在并发环境下，各进程因竞争资源而造成的一种互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，都无法向前推进的现象，发生死锁后，若无外力干涉，这些进程都将无法向前推进。如果有死锁现象，至少有两个或者两个以上的进程同时发生死锁。发生死锁的进程处于阻塞态。

死锁和饥饿是由于操作系统分配资源策略不合理导致的。

死锁产生的必要条件，必须要满足下述四个条件，只要有一个不成立，死锁就不会发生。（哲学家的筷子例子）

1、互斥条件，必须互斥使用的资源的争抢才会导致死锁。

2、不可剥夺条件，进程所获得的资源未使用完之前，不能由其他进程强行夺走，只能主动释放。

3、请求和保持条件，进程已经保持了至少一个资源，但是又提出了新资源请求，该资源又被其他进程占用，此时请求被阻塞，但是自己已有的资源保持不放。

4、循环等待条件，存在一种进程资源的循环等待链，链中的每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求。

发生死锁的时候一定有循环等待，但是发生循环等待时未必死锁。

死锁处理策略

1、预防死锁，破坏死锁产生的必要条件（静态策略）

破坏互斥条件：eg. SPOOLing技术将互斥使用的资源改为允许共享使用，缺点是：并不是所有资源都可以改造，为了系统安全，有些地方必须保护这种互斥性。很多时候都无法破坏互斥条件。

破坏不剥夺条件：当进程请求的资源被占用时，必须先释放原有的资源，之后再进行申请。或者由操作系统协助，将想要的资源强行剥夺。缺点：实现起来比较复杂，释放已获得的资源可能造成前一段工作失效。反复申请和释放资源会增强系统的开销。

破坏请求和保持条件：采用静态分配的方法，进程在运行前一次申请完它所需要的全部资源，未满足的话不让其投入运行。一旦投入运行，这些资源归其所有。缺点：资源利用率低。可能导致某些进程饥饿。

破环循环等待条件：采用顺序资源分配法，每个进程必须按编号递增的顺序请求资源。缺点：不方便新增设备。导致资源的浪费。用户编程麻烦。

2、避免死锁，用方法防止系统进入不安全状态，从而避免死锁（银行家算法）（动态策略）

如果系统可以找到一个安全序列，说明系统处于安全状态，就一定不会发生死锁，如果系统进入不安全状态，就可能发生死锁。

银行家算法核心思想：在资源分配之前预先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态。

3、死锁的检测和解除，允许死锁的发生，操作系统会负责检测除死锁发生，采取措施解决死锁。

解除死锁的主要方法

1、资源剥夺法，挂起某些死锁进程，将其资源分给其他死锁进程。应防止被挂起的进程长时间得不到资源。

2、撤销进程法，强制撤销部分，甚至全部死锁进程，并剥夺这些进程的所有资源，简单，但是代价可能会很大。

3、进程回退法，让一个或多个死锁进程回退到避免死锁的地步。

内存

程序执行前需要先放到内存中才能被CPU处理。

文件管理