操作系统初识

冯诺依曼体系结构

描述了一台计算机是如何构成的（又称为普林斯顿体系结构）

（99% 的计算机都是冯诺依曼体系结构的，硬件的特点会对软件开发造成直接的影响）

 

内存

过去几十年，CPU的发展速度十分迅猛

“摩尔定律”：18个月，芯片集成程度提高一倍，运算能力提高一倍，成本降低一半。

但是，现在这个定律失效了，因为 CPU 集成程度更高，就需要让单个原件尽量小，现在最厉害的工艺 7nm 级别，这样的空间尺度上，经典物理已经接近失效，主要靠量子力学，现在解决这个问题的办法是，人海战术——一个  CPU 没办法再提高速度，那么就只能多搞几个 CPU 来解决，也就是现在的多核

GPU 是一种特殊的 CPU ，专门针对一些特定场景进行优化计算（矩阵等）

 

Java中写得多代码，主要都是在内存中，new 出来的对象就是在内存上申请空间，后面介绍的 IO流，就知道了如何让程序和内存打交道

内存和外存的对比

1. 内存的存储空间比较少，外存的存储空间比较大
2. 内存的访问速度较快（ns级别），外存的访问速度比较慢（μs），大概查了三四个数量级
3. 内存的成本比较高，外存的额成本比较低
4. 内存如果断电，数据就丢失了，外存如果断电了，数据不丢失（持久化存储）

 

操作系统

是一个搞管理的软件。一方面管理计算机的硬件设备，另一方面管理计算机的软件资源。

一个完整的操作系统 = 内核 + 配置的应用程序

 

OS定位

在操作系统中的定位是：一款纯正的搞管理的软件

 

例如：System.out.println("hello world!");

代码真正执行的时候，println 会进入到依赖的库当中，本质上需要操作显示器这个硬件设备来完成，println 然后就会通过相关的系统调用进入到内核当中来执行代码。这个内核中的代码再来执行“让显示器输出”这样的动作。最后，内核调用显卡驱动程序具体操作显示器。

 

操作系统具体怎么管理？

所谓管理核心工作主要是两个方面：

1. 描述：相当于是创建了一个 Student 类，类中包含一些需要的属性，再根据当前的数据创建一堆 Student的实例
2. 组织：借助一定的数据结构，把这些Student 的实例放到一起，然后在按照一定的规则来筛选

 

进程（process）/任务（Task）

进程是一种操作系统中非常重要的软件资源。把一个可执行程序跑起来，系统中就会创建一个对应的进程，如果这个程序执行结束了，系统就会随之销毁对应的进程，进程就可以看成是一个程序的执行的“过程”。

 

注意区分程序和进程，程序也可以成为可执行文件：

• 执行文件就是一个磁盘上的文件，静态的，如果不去操作就不会发生变化
• 当双击某个 exe 文件时，操作系统就会加载这个可执行程序，（加载：把 exe 文件中的很多内容都加载到内存中，分配了一些资源，并开始执行这个可执行程序中包含的指令），执行过程中就是一个进程。

进程也可以认为是操作系统进行资源分配的最小单位。

PID 是进程 id 的身份标识符，关闭一个程序后再次打开，两次产生的PID是不同的

 

进程管理

管理：先描述，再组织。

以 Linux 为例：

• 内核中使用一个 task_struct /PCB（进程控制块）结构体来描述进程
• 每创建一个进程，就同时创建了一个 PCB 这样的类的实例。
• 组织方式：使用双向链表把所有的 PCB 对象串到一起。

双击一个 exe ，创建一个进程的时候，本质上就是在内核中，县创建一个 PCB 对象，然后把这个对象加入到链表中。

关闭一个程序，结束一个进程的时候，本质上就是在内核中，找到这个对应的 PCB 对象，然后从链表上删除，并且释放该对象

通过任务管理器查看到的所有的进程信息，本质上就是在遍历内核中的这个链表，一次读取对应 PCB 中的节点信息

 

PCB 里面包含哪些信息呢？

1. pid（进程id）：进程的身份标识
2. 一组内存指针，指向该进程持有的一些重要数据在内存中得到位置。
3. 状态
4. 优先级
5. 进程的记账信息
6. 上下文

上述中3~6 为了实现“进程调度”，如果资源非常充裕，那么不需要调度。事实上是进程多，系统给进程分配的资源（CPU）很少，目的就是为了让大量的进程能够很好的在有限的 CPU 上进行并发执行

 

并发：同一时刻 CPU 上只能执行一个程序的指令，由于CPU 计算/执行指令速度极快，我们就可以让 CPU 这样工作：先执行进程1 的指令，执行了一段时间后，执行进程2 的指令，再执行进程3 的指令……过一段时间后再继续执行进程1 的指令，期间的时间间隔十分短，宏观上来看，是在同时运行这些进程，但是微观上来看，这些指令是串行执行的，只不过 CPU 切换速度极快，人宏观上感知不到，这就是并发。

并行：是宏观上是同时执行，微观上也是同时进行。（两个CPU 就可以同时执行两个进行的指令）

实际工作中一般不会严格区分并行和并发，两个术语可能会混淆使用。

 

操作系统中实现进程调度的模块叫做“调度器”，实现具体调度的时候有很多策略，这些策略都依赖 PCB 的属性

 

一个进程的状态有这些状态：

• R：就绪状态。正在 CPU 上执行，或者即将执行
• S：睡眠状态。这些进程没法在 CPU 上执行，而是在等待。
• D：深度睡眠状态。进程在长时间的忙于 IO 操作，没精力理会 CPU
• X：退出状态。进程已经被销毁了
• T
• t
• Z
• ……