计算机操作系统学习笔记

1、http://c.biancheng.net/skill/os/list_113_1.html
2、https

1.1 课程概述

1.1.1 理论学习

基本概念及原理
操作系统介绍
中断及系统调用
内存管理
进程及线程
调度
同步
文件系统
I/O子系统

1.1.2 实验学习

（使用uCore这个迷你操作系统作为实验平台）

系统启动与中断
物理内存管理
虚拟内存管理
内核线程管理
用户进程管理
CPU调度
同步与互斥
文件系统

1.2 什么是操作系统

1.2.1 操作系统的定义

1）从用户角度上来说，操作系统是一个控制软件。用于管理应用程序、为应用程序提供服务、杀死应用程序；
2）从操作系统内部工作角度上来说，操作系统用于资源管理。用于管理外设、分配资源。

1.2.2 操作系统的架构层次

1）在硬件之上，应用程序之下；
2）OS在应用软件之下，为其提供服务支撑。

1.2.3 操作系统组成

OS主要分为shell（外壳）和kernel（内核），GUI属于shell。

1.2.4 OS Kernel的特征

1）并发（多个程序在同一段时间段内一起运行，快速反复的交替运行），计算机系统中同时存在多个运行的程序，需要OS管理和调度；
2）共享，即可以“同时”访问、互斥共享；
3）虚拟，即一台物理计算机虚拟出多台虚拟机（利用多道程序设计技术，让每个用户都觉得有一个计算机专门为他服务）；
4）异步，程序的执行不是一贯到底，而是走走停停，向前推进的速度不可预知，但只要运行环境相同，OS需要保证程序运行的结构也要相同。

并发和并行的区别：

并行(parallel)： 指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上（多核CPU）同时执行。所以无论从微观还是从宏观来看，二者都是一起执行的。

并发(concurrency)： 指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，使多个进程快速交替的执行。

1.3 为什么学习操作系统

OS结合了许多不同的课程和知识：程序设计语言、数据结构、算法、计算机体系结构、材料、操作系统概念和原理，源代码、技能、操作系统的设计和实现。
OS还在不停的发展，在工控等各种领域有强烈的需求，OS很酷，很有用，有挑战，它由硬件的发展和应用的需求所驱动。

1.3.1 设计操作系统需要满足的要求

1.4 如何学习操作系统

我听到的我会忘记；
我看到的我能记住；
只有我做过的我才能理解。

1.5 操作系统实例

UNIX家族
Linux家族
Windows家族

1.6 操作系统的历史

1.7 操作系统结构

1.8 小结

2.1 操作系统的启动

中断：外部设备发出
异常：应用程序意想不到的行为发出的
系统调用：应用程序请求操作提供服务

2.2 操作系统的中断、异常和系统调用

开销

3.1 计算机体系结构/内存分层体系

3.1.1 计算机体系结构

CPU
内存
设备（I/O）

在OS中管理内存的不同方法
1）程序重定位
2）

3.2 地址空间与地址生成

地址空间的定义：包含物理地址空间和逻辑地址空间。

地址生成：
地址安全检查：

3.3 连续内存分配

内存碎片：空间内存不能被利用
外部碎片：在分配单元之间间的未使用内存
内部碎片：已分配给应用程序，但未使用的内存

3.4 连续内存分配：压缩式与交换式碎片整理

以上三种内存分配的方式，都会产生内存碎片，为了提高内存使用率，减少碎片，有2种办法：
1）压缩式碎片整理：重置程序以合并孔洞（将程序从内存中一个地方移到另一个地方）。这要求所有程序是动态可重置的，但要考虑何时重置，以及它的开销。
2）交换式碎片整理：将当前未运行的程序放入硬盘（虚拟内存）中，需要执行时再调出。

4.1 非连续内存分配：分段

连续内存分配的缺点：
1）分配给一个程序的物理内存是连续的
2）内存利用率较低
3）有外碎片、内碎片的问题
非连续分配的优点：
1）一个程序的物理地址空间是非连续的
2）更好的内存利用和管理
3）允许共享代码与数据（共享库等…）
4）支持动态加载和动态链接
非连续分配的缺点：
如何建立虚拟地址和物理地址之间的转换：硬件方案和软件方案的设计
两种硬件方案：分段、分页
分段要考虑：程序的分段地址空间和分段寻址方案

4.2 非连续内存分配：分页

绝大部分CPU主要采用分页的方式实现非连续内存分配。

4.3 非连续内存分配：页表–概述、TLB

4.4 非连续内存分配：页表–二级、多级页表

4.5 非连续内存分配：页表–反向页表

5.1 虚拟内存的起因

5.2 覆盖技术

5.3 交换技术

5.4 虚拟内存技术（上）

5.5 虚拟内存技术（下）

6.1 局部页面置换算法–最优页面置换算法

6.2 局部页面置换算法–先进先出算法

6.3 局部页面置换算法–最近最久未使用算法（Least Recently Used ,LRU）

6.4 局部页面置换算法–时钟页面置换算法

6.5 局部页面置换算法–二次机会法

6.6 局部页面置换算法–最不常用算法（Least Frequently Used , LFU）

6.7 局部Belady现象、LRU、FIFO、Clock的比较

6.8 局部页面替换算法的问题、工作集模型

6.9 两个全局页面置换算法

6.10 抖动问题

7.1 进程的定义

7.2 进程的组成

一个程序每次执行时，处理的数据不同，得出的结果不同，导致形成不同的进程。

7.3 进程的特点

7.4 进程控制结构

7.5 进程的生命周期原理

创建、运行、等待、唤醒、结束

7.6 进程状态变化模型

7.7 进程挂起

7.8 为什么使用线程

7.9 什么是线程

什么时候用进程，什么时候用线程？
高性能计算中用线程；浏览器打开多个网页用进程，因为某个网页如果崩溃，若使用的线程，会导致浏览器打开的所有网页全部崩溃。

7.10 线程的实现

用户线程与内核线程之间的对应关系：一对一、多对一、多对多

7.11 上下文切换

上下文切换的定义：

进程切换的过程：

7.12 进程控制–创建进程

讲解与7.11重复 to do

7.13 进程控制–加载和执行进程

7.14 进程控制–等待和终止进程

进程控制块PCB是代表进程存在的唯一标识

8.1 CPU调度

8.2

9.1 进程/线程 同步互斥问题

9.2 基本概念（上）

同步/互斥是为了解决进程PID不确定性的问题

9.3 基本概念（中）

锁
解锁
死锁

9.4 基本概念（下）

临界区
互斥

9.5 临界区

临界区的属性：