王道-操作系统

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1.1操作系统的概念

书上的作用：
1.作为计算机系统资源的管理者
2.作为用户和计算机硬件系统之间的接口
3.实现对计算机资源的抽象。

1.2操作系统的基本特征

1.3操作系统的发展和分类

各种类型操作系统想解决的问题及解决方式。

1.4 操作系统的运行机制(⭐⭐⭐ 补充)

概念：
①程序的运行：cpu执行一条一条的机器指令的过程。
②内核程序：由许多的内核程序组成"操作系统的内核"Kernel，实现操作系统内核功能。是操作系统最重要、最核心的部分，也是最接近硬件的部分。
操作系统作为计算机资源的管理者是在内核实现的。
③应用程序：运行在操作系统之上的，如程序员编写的程序。

④特权指令：操作系统的内核作为"管理者"会让cpu执行某些特权指令。只存在内核程序中。
⑤非特权指令：应用程序只能运行"非特权指令"。
cpu在设计时就划分了特权指令和非特权指令。

⑥cpu区分应用程序和内核程序：
通过PSW程序状态寄存器中的一个二进制位标记cpu处于何种状态，以此来区分应用程序或内核程序。

⑦cpu实现状态的切换：

”“”“”“”“”“巴拉巴拉啊啊啦啦啦啦啦
详细的操作系统启动过程

”“”“”“”“”“”

1.5 中断和异常(⭐⭐⭐ 补充)

Ⅰ。中断的作用

1. 一个应用程序一旦上cpu运行，就会一直运行下去，除非发生中断，一旦发生中断，cpu就会立即停止当前的应用程序，转而执行相应的内核程序进行中断信号处理。
2. 中断会使cpu由用户态转为内核态，是让操作系统内核夺回cpu使用权的唯一方式。****
3. 如果没有中断机制就无法实现多道程序并发
   

Ⅱ.中断的类型：

内中断：
例子1：试图在应用程序中执行特权指令。
例子2：执行除法指令发现除0
例子3：应用程序请求操作系统的内核服务，此时会执行一条特殊指令（注意不是特权）—陷入指令，以此来引发内部终端信号。

执行 "陷入指令"意味着应用程序主动将cpu的控制权交给操作系统内核。系统调用即是通过"陷入指令"完成的。

外部中断：

1. 两个应用程序是如何在中断机制的作用下实现并发运行的？
   通过时钟中断实现多道并发。
   
2. 1.初始时处于用户态的cpu执行应用程序1，当执行了两条指令后，时间已经过了50ms，此时时钟部件给cpu发送中断信号。
   此时的中断信号与当前的执行指令是无关的，源于cpu外部）
   2.cpu检测到中断信号时，停止当前程序，转而运行一个内核程序来处理这个中断信号。
   3.操作系统内核决定着另一个应用程序上cpu运行，所以当该内核程序结束后，会让程序2同样运行50ms。
   之后以此往复

例子2：I/O中断 —由输入输出设备发来的中断信号。
如当打印机完成打印工作，向cpu发送一个中断信号。

Ⅲ 中断机制原理：

1.6系统调用(🍎🍎🍎)

Ⅰ.系统调用是操作系统提供给应用程使用的接口，可理解为一终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得操作系统内核的服务。

• 应用程序通过系统调用实现对共享资源的互斥共享：

Ⅱ.系统调用的过程（⭐⭐⭐）

注意：陷入指令=trap指令=访管指令

过程：

• 应用程序在请求操作系统内核服务之前，首先要给cpu传递传参指令，给cpu的相应寄存器传递参数。
• 之后执行陷入指令（trape）引发内中断，cpu转而执行相应的中断处理程序–系统调用的入口程序。根据寄存器中的参数决定用户需要那种类型的系统调用。
• 然后让该类型的系统调用的处理程序上cpu运行。内核服务结束后cpu转回用户态继续执行应用程序。

”“”“”“”“”“本节最后”“”“补充 linux系统向上提供了哪些系统调用”“”“”“”“”“”

1.7操作系统的体系结构

两种内核的优缺点：

微内核在非内核和内核态之间频繁变态…

• 典型的大内核：Linux、UNIX
• 典型的微内核：Windows NT

1. 操作系统又分为非内核态、内核态。

2. 内核态又根据是否只保留与硬件直接相关的模块 引出两种结构不同的内核类型。

第一章总结

第二章

2.1.1 进程的概念、组成、特征

1.程序和进程的区别：

• 程序：是静态的。放在磁盘里的可执行文件，是一系列指令的集合。

• 进程：是动态的，是程序的一次执行过程。
  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。

• 进程实体（进程映像）: 是静态的。反应进程某一时刻的状态，由 PCB、程序段、数据段 构成。
  （同一程序多次执行，会对应多个进程。）

2.进程的组成：

另外：
作业调度：让外存的程序调入内存的过程。
进程调度：让内存中的进程上CPU运行。

3.PCB的组成：

操作系统对进程进行管理所需要的信息都存在PCB中。

2.1.2 进程状态与转化、进程组织

• 进程PCB中会有一个变量 stats来表示进程当前的状态。

1.进程状态转化：

另外：
阻塞态 又称 等待态
创建态 ~ 新建态
终止态 ~ 结束态

2.进程的组织： 连接方式、索引方式

2.1.3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。

简化理解：进程控制实现进程状态的转换。

1. 如何实现进程控制？ 用"原语"实现。

2. 为什么进程控制需要使用"原语"实现 (为啥进程控制要“一气呵成”）？

答：如果不能“一气呵成”，就有可能导致操作系统中的某些关键数据结构信息不统一的情况，影响操作系统进行别的管理工作。

例如：

3. 如何实现原语的原子性？

使用 两个特权指令：“关中断指令”和“开中断指令”
实现原子性。

补充：
正常情况下：CPU每执行完一条指令都会例行检查是否有中断信号需要处理，如果有，则暂停运行当前程序，转而运行处理中断的程序。

（执行了开中断指令后，要转而处理之前没有检查的中断指令）

1. 进程控制相关的原语：

1. 创建原语：

2. 撤销原语：

3. 阻塞原语–唤醒原语
   
4. 切换原语： 涉及到两个进程的状态转换。
   

原语是如何实现保存运行环境信运行环境（进程上下文)的？

1. 运行环境信息是什么？

CPU中会设计很多 “寄存器”，用来存放程序运行过程中所需的数据。

运行环境信息：即当前寄存器中保存的一些必要的信息。以免当进程再次上cpu时 信息被覆盖。

3. 过程：
   

2.1.4 进程通信

• 进程是分配系统资源的单位，（包括内存地址空间）因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。
• 不同进程的内存地址空间不能相互访问。

1. 进程通信的三种方式

共享存储

各进程互斥访问对共享区间。

消息传递

• 进程间的数据交换以格式化的信息(Message)w为单位，进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换。

直接通信：
接受/发送原语的对象是通信的进程

send/receive（进程，msg）

信箱通信：

进程可以在系统内核地址空间中申请一个独立的信箱。接受/发送原语的对象是信箱，而不是另一个进程。

send/receive(信箱，msg)

管道通信

注：

管道通信和共享存储的区别：

• 通信管道：相当于一个FIFO的循环队列，进程的发送/接受信息必须遵循先进先出的要求。
• 共享存储： 数据的形式、存放位置只由进程自己决定，发送/接受没有限制。

2.1.5 线程的概念

引入线程：
提高并发度。

1.线程是调度的基本单位，是程序执行流的最小单元。
2.进程是系统资源的分配单位。

1. 为什么引入线程

2. 引入线程的变化

3. 线程的属性

2.1.6 线程的实现方式和多线程模型

多线程模型：
⭐⭐⭐只有内核级线程才是处理机调度的单位。
多对一模型：

一对一模型：

多对多模型：

2.2.1 调度的概念和层次(七层模型⭐⭐⭐)

1. 作业的概念：

2. 挂起的情况：

程序出现卡顿时可能就是因为启动的进程处于外存，需要先调入内存再为其分配处理机所以会出现卡顿的情况。

3. ⭐⭐⭐进程的七状态模型

只要是挂起说明该进程映像，数据等资源在外存。

1. 进程创建后可能由于内存没有空间无法调入内存，所以创建态后会进入就绪挂起状态。
2. 当一个处于运行态的程序下处理机时可能直接调入到就绪挂起态。

4.三层调度：

内存调度是将 处于外存的挂起的程序调入内存

2.2.2 进程调度的时机、切换与过程

1.进程调度的时机：
1.需要进行进程调度与切换的时机：

2.不能进行进程调度与切换的时机：

1. 1.在处理中断的过程中。
2. 2.进程在 操作系统内核程序临界区
3. 3.在原子操作过程中。
   
   2.进程调度的方式
   1.非抢占式：
   2.抢占式：
   
   可优先处理优先级更高的程序，也可实现让进程按各个时间片轮转，适用于分时操作系统和实时操作系统。

3.进程切换与过程

2.2.3 调度算法的评价指标

1.系统吞吐量：单位时间内完成作业的数量
2.周转时间：作业被提交给操作系统开始 到 作业完成为止这段时间间隔。

3.带权周转时间必然>=1，对于周转时间相同的作业，带权周转时间越小，该作业时间的等待时间越短。满意度越高
4.等待时间：周转时间-服务时间

 一个作业被提交的一开始是*挂在外存的作业后备队列中*。作业调入内存后，***建立对应的进程，***

综上可知：如果一个进程创建后，既需要计算，有需要I/O；则⑦等待时间=周转时间-计算时间-I/O时间

作业的实际运行时间一般是不变的，调度算法优化的是作业/进程的等待时间。

2.2.4 调度算法：FCFS、SJF、HRRN

先来先服务FCFS


二、SJF、SRNT之间的区别

（非抢占式）短作业优先SJF、 短进程优先SPF

（抢占式）SRTN 最短剩余时间优先

对上述各种算法计算的结果比较：
          平均等待T      平均周转T    平均带权周转T
FCFS：  4.75       8.75         3.5
SJF:          4          8            2.56
SRNT:       3          7             1.5
z
针对上述那个题目 采用SRNT算法 调度评估指标值是最小的。

优缺点中提到的 SJF 是“最短的”：是不严谨的！！

注意

更严谨的说法：

• 在所有进程同时可运行时， 采用SJF算法 的平均等待时间、平均周转时间是最短的。

• 在所有进程都几乎同时达到时， 采用SJF算法 的平均等待时间、平均周转时间是最短的。

• 抢占式的短作业/短进程优先调度算法(SRNT) 的平均等待时间、平均周转时间是最短的。

4.如果选择题中遇到 “短作业SJF/SPF 的平均等待时间、平均周转时间是最短的” 这种说法最好判断一下其他选项是否有明显错误。

FCFS 在每次调度的时候考虑的是等待时间，选取一个等待时间最长的进行调度，忽略了运行时间。
SJF 考虑的是运行时间，选择运行时间最短的的，不利于长作业调度，可能会导致饥饿。

三、高响应比优先 HEEN
既可用于作业调度也可用于进程调度

FCFS、SJF、HRRN 不考虑响应时间、事件的紧急程度一般适用于早期的批处理系统。

2.2.5 调度算法：时间片轮转，优先级，多级反馈队列

一、时间片轮转RR

时间片太大或者太小的影响：
若上述题目 时间片设置为5，则 算法退化为FCFS。

因此时间片不能过大也不能过小

二、优先级调度

非抢占式：
每次调度选择当前已经到达且优先级最高的进程。
1。当前进程主动放弃处理机时会发生调度。

抢占式版本：
每次调度选择当前已经到达且优先级最高的进程。
1。当前进程主动放弃处理机时会发生调度。
2**.就绪队列发生改变**时也需要检查是否进行抢占。

如何合理设计各类进程的优先级：

偏向于I/O繁忙型的原因：

这应该说的就是cpu运算速度与存储器的读取速度之间的鸿沟吧…

若采用动态优先级则什么时候调整？

三、多级反馈队列

2.3.1 进程同步、进程互斥