《操作系统》整理

定义：

操作系统是对计算机资源（硬件、软件）管理、为用户提供服务（交互、运行环境）的软件、是种系统软件。
计算机用户与硬件之间一直运行的一个程序，狭义称为内核（kernel）程序
操作系统设计目标：用户目标：系统应该方便和容易使用、可靠、安全
开发目标：系统容易设计、实现、维护
策略：做什么 机制：怎么做
开发语言：早期：汇编 现在：高级（c、c++）java不行（要有虚拟机）

• 目标：方便用户解决问题、使用计算机，通过管理软件有效使用计算机硬件资源

计算机系统的结构：

• 层次结构 ：用户—>应用程序- >操作系统->硬件

组织：

单个或多个中央处理器通过总线与内存和设备控制器相连

• 启动（Booting）：先确认每个设备是否正常->开启引导程序Bootstrap（主板）、设备初始化、操作 系统载入内存、运行进程，（第一个进程init（））
• 中断 ：一个事件的触发是由软中断、硬中断实现

    软中断是执行中断指令产生的，而硬中断是由外设引发的。
    硬中断的中断号是由中断控制器提供的，软中断的中断号由指令直接指出，无需使用中断控制器。
    硬中断是可屏蔽的，软中断不可屏蔽。
    有专门的文件标识符
    系统一旦发生中断，CPU会运行中断服务程序，且每个中断都有自己的中断服务程序
    系统通过中断向量表（Interrupt Vector Table）来管理中断请求与中断服务程序之间的关系

• Ctrl+Alt+Delete快捷启动是什么中断？
  
  标准输入：键盘
  标准输出：显示器

• I/O结构 ：设备控制器有本地缓冲器，CPU负责内存与本地缓冲器之间的数据传递，设备控制器控制本地缓冲器和外设之间的。通过中断通知I/O设备操作完成
  所以为了提高cpu利用率，采用DMA直接访问内存方式，以块为单位完成传送触发中断

• I/O操作： 同步：只有I/O结束后，用户程序才能运行
         异步：I/O期间，用户程序也能运行

• 存储结构： 寄存器、存储设备（1.磁盘 2.闪存 3.固态硬盘）等

计算机系统的体系结构：

• 单处理器系统：只有1个通用处理器来处理用户进程的指令，其他专用处理器只接受系统指令。
• 多处理器系统：多个处理器共享一个内存，操作系统可以运行在一个或多个CPU上
  每个处理器都有自己的寄存器 -》并行计算能力
  
• 集群系统：互相连接的计算机组成的并行分布式系统

操作系统的结构：

简单结构：MS-DOS THE进行了层次划分

(1) 批处理系统 ：由人为方式调度程序运行
(2) 多道程序系统 ：调度程序已经放在操作系统了（提高CPU使用率）
(3)分时系统，又称多任务系统：给每个任务赋予一个时间片 （让每个任务公平使用CPU）
现在既是多道程序又是多任务系统

多道程序设计的基本特征：无序性、多道性、间断性
分时系统追求：快速响应用户 公平使用cpu

操作：双重模式操作

操作系统有双重运行模式：用户模式、内核模式

• 用户态：执行用户程序
• 管态（核心态）：操作系统执行 用模式位区分

出现中断或陷阱 硬件切换到管态

特权指令：有可能引发错误的指令，在管态正常使用，用户态时：使用系统调用，软中断进入管态

操作系统的服务：

提供用户接口、程序执行、I/O操作、文件系统操作、通信、出错检测（资源分配、账务、保护）

运行程序与操作系统传参：寄存器、内存的一张表、程序把参数 压入栈
命令行界面：CIL 有的在内核实现、有的通过系统程序实现、shell——获取并执行用户指令
图形用户界面：GUI

系统调用

程序通过API（方便、兼容性）访问，而不是直接使用系统调用（也会调用）
三种常用API：1.Windows的Win32 API 2. POSIX（Unix、linux、mac os） 3. java虚拟机的java API

每个系统调用都有一个固定番号，操作系统通过一张系统调用番号表来管理系统调用接口（其实是查地址，但地址动态）
运行程序与操作系统传参：寄存器、内存的一张表、程序把参数 压入栈（call by value 按值传递）、
块（call by reference 快点、引用传递（传地址））

系统程序不属于内核，但属于操作系统的一部分

应用程序：提供服务给用户 系统程序：提供服务给其他软件

虚拟机

通过软件模拟的具有完整硬件功能的、运行在一个完全隔离环境的完整计算机系统

其他计算机系统：

分布式、其他专用：实时（带有时间节点）、嵌入式、多媒体、手持系统

其它计算环境：

C/S、点对点、基于web计算

操作系统的管理：

OS的基本特性是并发和共享

进程（process）管理：

顺序执行的特征：顺序性、封闭性（独占系统的资源）、可再现性（初始条件相同、结果相同）

进程是运行着的程序，一个进程被载入内存，这个程序就变成进程
同一程序经过多次创建，运行在不同的数据集上，形成了不同的进程
操作系统会执行程序、进程、任务或作业（任务的1个实例）
程序与进程的概念区别：程序是被动实体，而进程是活动实体，程序是永久的，都可一对多
一个进程：代码段、栈（临时数据）、堆（动态数据）、数据段（全局变量）
- 进程控制块PCB：专门的数据结构，记录进程外部特征，描述进程的运动变化过程。包含许多与特定进程相关的信息

• 进程的特征：结构特征（进程实体=程序段+相关数据段+PCB）、动态性、并发性、独立性、异步性
  task_struct
  

进程之间是树形结构

调度：

进程调度队列 ：就绪（在内存就绪并等待运行）、I/O设备队列

1.长程调度（作业调度程序）：从作业的缓冲池中选择进程，并装入就绪队列中等待执行（I/O调度） 慢点
2.短程调度（CPU调度）：从准备执行队列中选择一个进程，并为之分配cpu 快点
3.中程调度：将进程从内存中取出，缓解内存紧张 分时系统

• 上下文切换：将CPU切换到另一个进程需要保存当前进程的状态，并恢复另一个进程状态
• 进程的属性：1.拥有资源`的独立单位（一直是） 分配时间片

进程创建：

进程之间是树形结构
OS根据PID来识别进程


级联终止：一个进程终止，它的所有子进程也将终止
僵尸进程：进程结束，但它的父进程没有等待它

进程间的通信模型（IPC）

1.消息传递：

receive、send ：直接通信、间接通信（信箱）、同步和异步、缓冲（零容量、有限容量、无限容量）

用信箱实现进程间互通消息的通信机制要有两个通信原语：发送原语和接收原语

交换的消息都在缓冲中，零容量（阻塞）、有限容量、无限容量

2.共享内存：

共享内存区域：无线缓冲、有限缓冲

生产者-消费者问题

套接字：通信的端点，由IP地址和端口号组成
远程过程调用（RPC）：:存根 传普通数据结构
远程方法调用（RMI）：传对象

管道：文件 匿名管道（半双工的、数据单向）、命名管道（可靠的）

线程

cpu调度的最小单位（拥有很少的资源）可独立调度和分派的基本单位`
状态 ：就绪、阻塞、执行 可并发执行
可与属于同一个进程的线程共享代码段、数据段、操作系统资源
创建线程：只需复制栈和寄存器的内容

   用户线程：用户级线程库进行管理，不受内核管理，且内核不能感知。按进程分配时间
   内核线程（真正的资源调度单位）：由内核创建、切换由内核完成 按线程分配时间

线程模型：

     多（用户线程）对一（内核线程）
     一对一：希望内核线程少
     多对多 
     两级模型（混合模型）允许用户线程绑定一个特定的内核线程

线程库：

为程序员提供的、创建和管理线程的API

线程的一些命令

线程取消

目标线程：线程完成任务之前终止线程的任务，需要取消的线程

取消方式：
   	 异步取消：
   	 延迟取消：

• 信号：用来通知进程某个特定事件的发生，是OS提供内核和进程之间的通信机制
  

线程池

在进程开始时创建一定数量的进程，并放入到进程池中等待工作

• 调度程序激活：一种解决用户线程库和内核间通信的方法

CPU调度

非抢占式调度：一旦分配后，不会被其他进程使用
抢占式调度：会被其他进程使用

调度准则：
CPU使用率
吞吐量（一个时间单位里完成的进程数量）
等待时间（在就绪队列等待的时间）
响应时间（提交请求到第一次响应）
周转时间（从进程提交到进程完成） 

上下文切换时间

调度算法

选择下一个CPU区间（剩余CPU区间），而不是进程整个区间长度，分为非抢占调度和抢占调度

1.先到先得 FCFS：非抢占 最简单的调度 有利于长作业、CPU作业 可用于作业、进程调度 根据到达次序

• 护航效果：所有其他小进程都等待一个大进程

2.最短作业优先 SJF（最优的，给出最短的平均等待时间）：关联到每个进程下次运行的CPU脉冲长度，调度最短的进程
分非抢占 、抢占（最短剩余时间优先调度） 可能会出现饥饿现象（长的一直等下去）

3.优先级算法 PS：非抢占 、 抢占 用数字表示优先级，数值越小、优先级越高
一个进程的优先级与它的下一个CPU区间的长度成反比
静态优先权在创建就确立，且在整个生命期保持不变 可能会出现饥饿、无限阻塞
解决办法：老化，随着等待时间的长度，增加进程的优先级
所以使用动态优先级：进程的的等待时间、已使用处理机的时间、资源使用情况

4.时间片轮转 RR：分时系统中：为了使多个终端能够得到系统及时响应 可抢占
系统每隔一个时间片发出一个时钟中断，调度另一个进程执行
周转时间依赖于时间片的大小
根据经验：时间片 应大于80%的CPU区间

5.多级队列调度 MQS：将就绪队列分为多个独立的队列
队列内：自己的调度算法
队列间：固定优先级抢占调度、队列间给定时间片调度

6.多级反馈队列调度
进程可以在多个队列之间有移动，老化

线程调度

Linux只支持系统范围的线程调度

实时调度：硬实时系统（硬截止时间）、软实时系统

进程同步

• 竞争：对共享数据的并发访问可能会导致数据的不一致性（进程顺序乱了，且结果不能预测）
• 互斥：指多个进程不能同时使用同一个资源
• 同步：进程之间的协作

临界区：

• 实现： 互斥、前进（有空让进）、有限等待
  定义： 多个进程必须互斥的访问，进程中访问临界资源的一段代码
  执行时间互斥

Peterson”s算法：

前提条件是加载和存储指令是原子指令，即加载和存储指令是不可被中断的指令。
不能没有turn，否则都进入不了临界区

硬件同步

现代计算机系统提供特殊指令叫原子指令( atomic instructions)，运行时不会发生中断

1. TestAndSet ( ) :检查和设置字的内容（返回原来的值，将传入的值变成true）
2. swap( ) :交换两个字的内容 不可中断的指令
   
   全局变量 lock 初始为false，相当于锁
   
   局部变量 key 初始为true 每个进程一个 相当于为钥匙

在swap算法下，若key或lock为false，则可进去临界区
Peterson’s （软件实现）,testandset,swap（硬件实现）都会出现忙等待

所以声明waiting【i】表示等待进入临界区的进程，初始为false
可以进入临界区：lock或waiting[i]为false

信号量

无忙等待的同步工具
1.二进制信号量，又称互斥锁

若想控制进程先后，定义一个前序变量，且初值为0，完成后才+1，执行下一个进程。

无忙等待的信号量

解决忙等待：将忙等待的进程挂起（运行状态—等待状态），可以进入临界区时，让进程重新启动（等待状态—就绪状态）

经典同步问题

有限缓冲问题
读者和写者问题
哲学家进餐问题

管程

条件变量：某一资源类型的信号量

死锁：

• 死锁：指多个进程互不相让，都得不到足够的资源（涉及多个资源）
  原因：竞争资源、进程推进顺序不当
  出现条件：互斥（1个资源只能1个进程占用）、占有并等待、不可抢占、循环等待（P0等待的资源被P1占用，P1等待的资源被P2占用……）。
  通过资源分配图描述：点： 进程、资源 边：请求边、分配边
  

处理死锁方法：

• 忽略死锁

• 预防死锁（限制资源请求、确保至少一个必要条件不成立）
  通常不通过否定互斥条件来预防死锁
  

• 避免（安全状态：使每个进程都可顺序执行 ，确保系统不进去不安全状态
  若单个实例，采用资源分配图 引入需求边看是否会出现环路；
  当进程申请资源时，需求边变成申请边

  对资源的申请，把申请边变成分配边后，如果没有环就允许申请，如有环就不允许申请

  若含有多个实例，银行家算法，安全算法）

银行家算法：

按循环选择下一个
1.安全性算法：确定系统是否处于安全状态

2.资源请求算法：判断是否可安全允许请求的算法

• 检测（也分只有一个实例：维护等待图（进程是节点）
  
  若等待图中有环，则系统存在死锁；
  多个实例：检测算法）
• 恢复（人处理、资源抢占、进程终止、把不能正常运行的回滚到安全状态）

内存管理

重定位：把程序的逻辑地址空间变换成内存中的实际物理地址空间的过程
提高内存使用率、管理数据的存储、指令的运行

内存地址编制方法

一个进程使用的内存地址范围：由一对基地址寄存器和界限地址寄存器来定义

地址绑定是逻辑地址到物理地址的映射
逻辑地址：CPU产生，（虚拟空间）
物理地址：内存设备所读入的地址 可以直接寻址
内存管理单元：MMU
编译、加载时绑定 进行交换必须回到原位；执行时绑定，运行时可以发生地址变化

地址重定位：
静态：把指令地址全部转换为绝对地址，执行中无需再进行地址转换；
动态：在CPU访问内存前，动态依靠硬件地址变换机构

逻辑地址：CPU生成的地址
物理地址：内单元的地址

• 静态链接:加载程序合并到二进制程序镜像中，一直驻留在内存
• 动态链接，链接延迟到运行时，适用于系统库，由操作系统管理，存根：定位适当的内存驻留库程序
• 动态加载：直到被调用之前，程序不会被载入到内存，即加载延迟到运行时，由程序员决定

内存分配方式

分配内存空间：

单一连续区管理： 基址寄存器
多分区管理：可用于多道程序；固定（静态）分区：作业装入前，就被划分为若干个固定大小的连续分区，运行期间个数，大小不变
动态分配： 系统里有一张分区说明表，来记录已分配孔和未分配孔的信息

拼接（紧缩）：解决碎片，只适用于动态重定位

不连续分配：
分页：把物理内存分成大小固定的块，称为帧
把逻辑内存也分成固定大小的块，叫做页。以页为单位分配内存，设置页表
没有内碎片
（有外碎片：紧缩：I/O不可以）
页表的实现：
1.用一组专用寄存器保存 页表基寄存器（PTBR）
2.可以放在主存中：页号，偏移 ；页表基址寄存器指向页表，页表限长寄存器表明页表的长度
通过联想寄存器（并行查找），对内存两次存取，一次是存取页表，一次是存取数据
解决办法：硬件缓冲，称为 地址转换旁观缓冲 （TLB），键-值

哈希表【虚拟页码，映射的帧号、指向链表下一个元素的指针】
反向页表：减少页表消耗的内存空间，整个系统只有一个页表 【进程标识符，页码，页偏移】

分段：以用户视角去管理内存
一般组成：主程序、函数、方法、对象、堆、栈、局部变量、全局变量等
逻辑地址：【分段号，偏移】

虚拟内存

基础：程序的局部性理论
允许执行进程时不必完全载入内存，可以部分程序载入到内存


虚拟内存也允许共享，实现进程之间内存共享
页错误：

页置换算法

4.近似LRU的实现：附加引用位算法、二次机会算法、增强型二次机会算法

物理帧的分配：平均分配方式：分配帧大小相同；比列分配：进程大小比例；优先级分配：进程优先级

• 系统颠簸：进程没有分配足够的帧而频繁的页调度
  内存映射文件：采用虚拟内存将文件I/O当成普通内存访问
  内核内存空间的分配：需要连续分配：buddy分配（按2的幂的大小来分配）；slab分配（slab 是由一个或多个物理上连续的页，cache 含有一个或多个 slab）

存储管理：文件系统管理

操作系统对存储设备的物理属性进行了抽象的定义，即文件， 它是存储的逻辑单元。
大容量存储系统、一般是二级存储设备。
高速缓存，临时存储设备、置在高速与低速设备之间
在多任务环境下、多处理器环境下，分布式环境下必须要保
证数据的一致性，用硬件解决

I/O子系统

针对用户隐藏具体硬件设备的特性

1. 一个包括缓冲(buffer)、高速缓存(cache)和假脱机 (spooling)的内存管理部分
2. 通用设备驱动器接口
3. 特定硬件设备的驱动程序

在Linux、unix上，通过文件管理接口实现

1.缓冲(Buffering)：为传输数据暂时存储数据 ，自己用完就清空不用置换
2. 缓存(Caching)：为性能提高暂时存储数据
3. 假脱机(Spooling)：是关于低速字符设备与计算机主机交换信息的一种技 术，通过实现虚拟设备可以共享设备

I/O保护 ：

所有I/O指令都是特权指令
内存保护：保护中断向量、中断服务程序， 基址、界限寄存器
在中断发生后，进入中断处理的程序属于操作系统程序
CPU保护：防止用户陷入死循环 使用timer定时器产生中断，控制权返回OS