王道——操作系统学习笔记

1.11 操作系统的概念与功能

操作系统（operating system，OS）：①是系统资源的管理者——控制和管理计算机系统的硬件和软件资源；②向上层提供方便易用的服务——提供给用户和其他软件方便的接口和环境；3.是最接近硬件的一层软件——是计算机系统中最基本的系统软件。

详细解释1，2，3：
1.系统资源的管理者：提供功能：处理机管理；存储器管理；文件管理；设备管理。
目标：安全、高效
2-在硬件之上安装操作系统，操作系统对外暴露友好的交互接口——封装思想：操作系统奖丑陋的硬件功能封装成简单易用的服务，使用计算机，无需关心硬件。程序接口：可以在程序中进行系统调用来使用程序接口。其中系统调用类似于函数调用，是应用程序请求操作系统服务的唯一方式。
3-覆盖了软件的机器成为扩充机器，或称为虚拟机。

1.1.2 操作系统的特征

4个特征：并发，共享（基本特征，互为存在条件），虚拟，同步
1）并发：
两个或多个事件在同一时间间隔内发生。宏观是同时发生；微观是交替发生（分时共享）。——在一天内进行两个任务，但是某一时刻最多只进行一个任务。
并行：两个或多个事件在同一时刻发生。——同一时刻进行两个任务

操作系统的并发性：计算机系统中“同时”运行着多个程序。宏观同时，微观交替。
4核CPU，只要4个以上程序同时进行，必然并发，并发性是操作系统的最基本特性。

单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发执行；
多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行的执行。

2）共享：
**即资源共享，指系统中的资源可供内存中的多个并发执行的进程共同使用。
两种资源共享：1）互斥共享方式：系统中某些资源，虽然可以供给多个进程使用，但是一个时间段内只允许一个进程访问该资源。——微信视频，摄像头在同一个时间段只能分配其中一个进程。2）同时共享资源：系统中某些资源，运行一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问。——QQ和微信同时发送文件，两个进程都在访问硬盘资源，微观是交通访问硬盘的。
**
小结：共享和并发：两个进程正在并发执行；都需要访问硬盘资源。互为存在条件

3）虚拟：
指把一个物理上的实体变成若干个逻辑上的对应物。实体是实际存在的，对应物是用户感受到的。
一个程序需要放入内存中并给它分配CPU才能执行。
4GB的内存可运行远大于运行内存4GB的程序？单核CPU可以同时运行多个程序？
虚拟技术：空分复用技术（如虚拟存储技术）和时分复用技术（如虚拟处理器）——是在并发性的基础上实现意义

4）异步：
在多道程序环境下，运行多个程序并发进行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。——失去并发，系统只能串行的执行各个程序，就会一贯到底执行。所以只有并发，才有可能导致并发

1.1.3 操作系统的发展与分类

1.1.5 中断与异常

中断作用：会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权
中断类型：中断类型：内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来自CPU内部；外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来自CPU外部
中断机制的基本原理：不同的中断信号，需要不同的中断处理程序区处理。根据中断信号，CPU在“中断向量表”中找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。中断信号类型→中断处理程序指针→中断处理程序（是内核程序，需要运行在内核态）。

1）中断作用：会使CPU由用户态变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权。
背景：CPU上会运行两种程序：操作系统内核程序和应用程序。内核会让出CPU给应用程序，而“中断”是操作系统程序夺回对CPU使用权的唯一途径。
内核态→用户态：执行一条特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统 将主动让出CPU使用权
用户态→内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺 回CPU的使用权。
2）中断类型：内中断：与当前执行的指令有关，中断信号来自CPU内部；外中断：与当前执行的指令无关，中断信号来自CPU外部；
举例：内中断：在用户态下执行特权指令；执行除法发现除数为0；应用程序请求操作系统内核服务，执行一条特殊指令——陷入指令，奖CPU控制权交还操作系统，系统调用通过陷入指令完成。
外中断：时钟中断；I/O中断

3）中断机制的基本原理
不同的中断信号，需要不同的中断处理程序区处理。根据中断信号，CPU在“中断向量表”中找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。中断信号类型→中断处理程序指针→中断处理程序（是内核程序，需要运行在内核态）。

1.1.6 系统调用

系统调用定义：
系统调用与库函数：
系统调用是必须的：
什么功能要用系统调用实现：
系统调用过程：

1）系统调用定义，作用：是操作系统提供给应用程序（程序员）使用的接口，可以理解为可供应用程序调用的特殊函数。应用程序通过系统调用来获取操作系统内核服务。

背景：操作系统需要向上层提供一些简单易用的服务，主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。

2）系统调用与库函数的区别：应用程序可以使用库函数，也可直接进行系统的调用；有的库函数涉及系统调用（重建一个文件夹），有的不涉及（取绝对值） ；
普通应用程序 ：可直接进行系统调用，也可使用库函数。 有的库函数涉及系统调用，有的不涉及 ；
编程语言 ：向上提供库函数。有时会将系统调用封装 成库函数，以隐藏系统调用的一些细节， 使程序员编程更加方便。
操作系统 ：向上提供系统调用，使得上层程序能请求内核的服务
裸机

3）系统调用的必须：多个用户进程需要使用共享资源，必须系统调用向内核请求，内核处理协调。
wps中的打印和word中的打印，两个进行并发进行，共享打印机资源，打印结果会混乱，这时需要操作系统内核对共享资源进行统一管理，并向上提供“系统调用”，用户进行需要使用打印机资源，必须提供系统调用向操作系统内核发出请求。内核会对各个请求进行协调处理

4）什么功能要用到系统调用：应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是 与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提 出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

1.1.7 操作系统体系结构

大内核/单核/宏内核：
微内核：

1）操作系统内核：内核是操作系统最基本，最核心的部分；实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。操作系统内核需要运行在内核态；非内核功能运行在用户态。

第二章 进程与线程

2.1.1 进程的概念，组成与特征

概念：理解进程与程序的区别：程序：是静态的，就是个存放在磁盘里的可执行文件，就是一系列的指令集合。进程（Process）：是动态的，是程序的一 次执行过程

组成：哪些部分：进程由PCB（给操作系统用）、程序段和数据段（给进程自己用）组成。其中：pCB包括：进程描述信息，进程控制和管理信息、资源分配清单、处理机相关信息；程序段：程序的代码（指令序列）；数据段：运行过程中产生的各种数据（如：程序中定义的变量。

特征：主要特征：1-动态性：进程是程序的一次执行过程，是动态产生，变化和消亡的——基本特性。
2-并发性：内存中有多个进程实体，各进程可以并发执行；
3-独立性：进程是能独立运行，独立获取资源，独立接受调度的基本单位；
4-异步性：各进程各自独立的，不可以预知的速度向前推进，操作系统要提供”进程同步机制“来解决异步问题——导致并发程序执行结果不确定性。
5-结构性：每个进程都会配置一个PCB，结构上看，进程由PCB，程序段和数据段组成。

1）进程与程序概念：程序：是静态的，就是个存放在磁盘里的可执行文件，就是一系列的指令集合。进程（Process）：是动态的，是程序的一 次执行过程

同一个程序对此执行会对应多个进程。怎么区分进程？

2）进程的组成： 进程由PCB（给操作系统用）、程序段和数据段（给进程自己用）组成。其中：pCB包括：进程描述信息，进程控制和管理信息、资源分配清单、处理机相关信息；程序段：程序的代码（指令序列）；数据段：运行过程中产生的各种数据（如：程序中定义的变量。）

进程创建时，操作系统为改进程分配一个唯一的，不重复的进程ID——PID（process ID），操作系统要记录PID、进程所属用户ID（UID）
还要记录给进程分配了哪些资源（如：分配了多少内存、正在使用哪些I/O设备、正在使用哪些文件）
还要记录进程的运行情况（如：CPU使用时间、磁盘使用情况、网络流量使用情况等） 这些信息都被保存在一个数据结构PCB （Process Control Block）中，即进程控制块 操作系统需要对各个并发运行的进程进行管理，但凡管理时所需要的信息，都会被放在PCB中。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，当进程结 束时，会回收其PCB。**

备注：
1）程序如何运行：
c代码——编译器——机器指令——cpu执行一条一条指令的过程=程序执行
可执行文件——运行前将程序放到内存中——创建PCB，程序段，数据段。==一个进程实体（进程映像）由PCB，程序段，数据段组成；进程时动态的；进程实体时静态的——反映进程在某一时刻的状态（x++后，x=2）
2）进程的组成：
进程时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，是进程实体的组成；
一个进程的调度是指操作系统决定这个进程上CPU运行。

3）进程的特征：
1-动态性：进程是程序的一次执行过程，是动态产生，变化和消亡的——基本特性。
2-并发性：内存中有多个进程实体，各进程可以并发执行；
3-独立性：进程是能独立运行，独立获取资源，独立接受调度的基本单位；
4-异步性：各进程各自独立的，不可以预知的速度向前推进，操作系统要提供”进程同步机制“来解决异步问题——导致并发程序执行结果不确定性。
5-结构性：每个进程都会配置一个PCB，结构上看，进程由PCB，程序段和数据段组成。

进程的组织——链接方式
执行指针——执行态的进程——单核CPU只有一个进程处于执行态；
就绪队列指针——就绪态的进程——优先级高的进程放在队头；
阻塞队列指针——阻塞态的进程。
进程的组织——索引方式

2.1.3 进程控制

1-定义：是对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。（创建态，就绪态，运行态，阻塞态，终止态）
2-如何实现进程控制：原语实现——进程创建，终止，阻塞，唤醒，切换
3-原语：是一种特殊的程序，他的执行具有原子性，这段程序的运行必须一气呵成，不能中断。

2）如何实现进程控制：
1-将PCB2的state设置为1；
2-将PCB2从阻塞队列放到就绪队列。
背景：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，有则暂停当前这段程序，转而执行相应的中断处理程序。开中断指令和关中断指令这两个特权指令实现原子性。 CPU执行关中断指令之后，就不再检查中断信号，直到执行开中断指令为止。

2.1.4 进程通信

共享存储：1-基于数据结构的共享；2-基于存储区的共享：共享存储：两个进程对共享空间的访问必须是互斥的，而操作系统只提供共享空间和同步互斥工具（如P，V操作）。
1-基于数据结构的共享：如：共享空间中只放一个长度为10的数组。速度慢，限制多，低级通信方式；
2-基于存储区的共享：在内存中画出一个共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程控制，而不是操作系统。速度快，高级通信方式。

消息传递：1-直接通信方式；2-间接通信方式：进程间的数据交换以格式化的消息（Message）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。

管道通信：“管道”是指用于连接读写进 程的一个共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟 一个大小固定的缓冲区

1）定义：指进程之间的信息交换。
进程是系统分配资源的单位，各进程拥有的内存地址空间是相互独立的。保证安全：一个进程不能直接访问另一个进程；同时，进程之间的信息交换是必须的。

2）共享存储：两个进程对共享空间的访问必须是互斥的，而操作系统只提供共享空间和同步互斥工具（如P，V操作）。
1-基于数据结构的共享：如：共享空间中只放一个长度为10的数组。速度慢，限制多，低级通信方式；
2-基于存储区的共享：在内存中画出一个共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程控制，而不是操作系统。速度快，高级通信方式。

3）管道通信：“管道”是指用于连接读写进 程的一个共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟 一个大小固定的缓冲区

1. 管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置 两个管道。
2. 各进程要互斥地访问管道。
3. 数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write()系统调用将被阻塞，等待读进程将数据 取走。当读进程将数据全部取走后，管道变空，此时读进程的read()系统调用将被阻塞。
4. 如果没写满，就不允许读。如果没读空，就不允许写。
5. 数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，这就意味着读进程最多只能有一个，否则可能会有读错数据的情况

4）消息传递：进程间的数据交换以格式化的消息（Message）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。
消息头——消息头包括：发送进程ID、接 受进程ID、消息类型、消息长 度等格式化的信息（计算机网 络中发送的“报文”其实就是 一种格式化的消息）和消息体；直接通信方式——消息直接挂到接收进 程的消息缓冲队列上和间接通信方式——消息要先发送到中间实体（信箱）中，因此 也称“信箱通信方式”。Eg：计网中的电子 邮件系统

2.1.5 线程的概念和特点

线程定义和引入：
线程与进程相比有什么特点：

1）线程定义和引入：进程是程序的一次执行，这些需要不同的几段程序才能实现，且还需要这几段程序并发运行。
QQ视频，发消息，传文件等功能——几段不同的程序
1-进程是资源分配的基本单位；是调度的基本单位；当切换进程时，需要保存和回复进程的运行环境，还需要切换内存地址空间，开销很大；
2-**进程依然是资源分配的基本单位，**从属于同一进程的各个线程共享进程的资源；**引入线程之后，线程是CPU调度的基本单位；**同一进程内的各个 线程间并发，不需要切换进程运行环 境和内存地址空间， 省时省力
3-比较：
3-1）进程间并发，开销很大，线程间并发，开销更小 。引入线程机制后，并发带来的系统开销降低，系统 并发性提升 注意：从属于不同进程的 线程间切换，也会导致进 程的切换！开销也大！
3-2）从属同一进程的各个线程共享进程拥有的资源。 进程间通信必须请求操作系统服务（CPU要切换到核心态），开销大同进程下的线程间通信，无需操作系统干预，开销更小 注意：从属于不同进程的线 程间通信，也必须请求操作 系统服务！
3-3）**引入线程前，进程既是资源 分配的基本单位，也是调度 的基本单位。 引入线程后，进程是资源分 配的基本单位，线程是调度 的基本单位。线程也有运行 态、就绪态、阻塞态 在多CPU环境下，各个线程 也可以分派到不同的CPU上 并行地执行。**引入线程后，进程是资源分配的基本单位。而 线程几乎不拥有资源，只拥有极少量的资源 （线程控制块TCB、寄存器信息、堆栈等）

可以把线程理解为“轻量级进 程”。 线程是一个基本的CPU执行单元， 也是程序执行流的最小单位。 引入线程之后，**不仅是进程之间 可以并发，进程内的各线程之间 也可以并发，从而进一步提升了 系统的并发度，使得一个进程内 也可以并发处理各种任务（**如QQ
视频、文字聊天、传文件） 引入线程后，进程只作为除CPU之 外的系统资源的分配单元（如打 印机、内存地址空间等都是分配 给进程的）。 线程则作为处理机的分配单元。

2）线程的实现方式：
2-1）用户级线程（User-Level Thread, ULT）：用户级线程由应用程序通过线程库实现。 所有的线程管理工作都由应用程序负责（包 括线程切换） 用户级线程中，线程切换可以在用户态下即 可完成，无需操作系统干预。 在用户看来，是有多个线程。但是在操作系 统内核看来，并意识不到线程的存在。（用 户级线程对用户不透明，对操作系统透明） 可以这样理解，“用户级线程”就是“从用 户视角看能看到的线程
2-2）内核级线程（Kernel-Level Thread, KLT, 又称“内核支持的线程”）：内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。 线程调度、切换等工作都由内核负责，因此 内核级线程的切换必然需要在核心态下才能 完成。 可以这样理解，“内核级线程”就是“从操 作系统内核视角看能看到的线程”
2-3）在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，可采用二者组合的方式：将n个用户级线程映射到m 个内核级线程上（ n >= m）；**重点重点重点： 操作系统只“看得见”内核级线 程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。**例如：左边这个模型中，该进程 由两个内核级线程，三个用户级 线程，在用户看来，这个进程中 有三个线程。但即使该进程在一 个4核处理机的计算机上运行，也 最多只能被分配到两个核，最多 只能有两个用户线程并行执行。

3）多线程模型 ：在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引 出了“多线程模型”问题。
3-1） 多对一模型：**多个用户及线程映射到一个内 核级线程。**每个用户进程只对应一个内核级 线程。 优点：用户级线程的切换在用户空间即可完 成，不需要切换到核心态，线程管理的系统 开销小，效率高 缺点：当一个用户级线程被阻塞后，整个进 程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可 在多核处理机上并行运行；
3-2）一对一模型：**一个用户及线程映射到一个内 核级线程。**每个用户进程有与用户级线程同 数量的内核级线程。 优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可 以继续执行，并发能力强。多线程可在多核 处理机上并行执行。 缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程， 线程切换由操作系统内核完成，需要切换到 核心态，因此线程管理的成本高，开销大。
3-3）多对多模型：**n 用户及线程映射到 m 个内核 级线程（n >= m）。**每个用户进程对应 m 个 内核级线程。 克服了多对一模型并发度不高的缺点，又克 服了一对一模型中一个用户进程占用太多内 核级线程，开销太大的缺点。

2.2.1 处理机调度的概念、层次

处理机调度基本概念：
三个层次：高级调度（作业调度）；中级调度（内存调度）；低级调度（进程调度）
三层调度的联系与对比：
补充知识：进程的挂起态；7状态模型

1）处理机调度基本概念：当有一堆任务要处理，但由于资源有限，这些事情没法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理 这些任务的顺序，这就是“调度”研究的问题。
2）三个层次：高级调度（作业调度）；中级调度（内存调度）；低级调度（进程调度）：
高级调度（作业调度）。按一定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个（或多个）作业， 给他们分配内存等必要资源，并建立相应的进程（建立PCB），以使它（们）获得竞争处理机的权 利。高级调度是辅存（外存）与内存之间的调度。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建 立相应的PCB，作业调出时才撤销PCB。高级调度主要是指调入的问题，因为只有调入的时机需要 操作系统来确定，但调出的时机必然是作业运行结束才调出。
中级调度（内存调度），就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。 一个进程可能会被多次调出、调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高。
引入了虚拟存储技术之后，可将暂时不能运行的进程调至外存等待。等它重新具备了运行条件且 内存又稍有空闲时，再重新调入内存。 这么做的目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。 暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。值得注意的是，PCB并不会一起调到外存，而是会常驻 内存。PCB中会记录进程数据在外存中的存放位置，进程状态等信息，操作系统通过内存中的PCB
来保持对各个进程的监控、管理。被挂起的进程PCB会被放到的挂起队列中。
低级调度（进程调度），其主要任务是按照某种方法和策略从就绪队列中选取一个进程，将处理 机分配给它。 进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度。 进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次

3）补充知识：进程的挂起态；7状态模型：
暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态（挂起态，suspend） 挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态 阻塞态 创建态 就绪态 运行态 终止态 五状态模型 à 七状态模型

注意“挂起”和“阻塞”的区别，两种 状态都是暂时不能获得CPU的服务，但 挂起态是将进程映像调到外存去了，而 阻塞态下进程映像还在内存中。 有的操作系统会把就绪挂起、阻塞挂起 分为两个挂起队列，甚至会根据阻塞原 因不同再把阻塞挂起进程进一步细分为 多个队列。

2.2.2 进程调度的时机切换与过程调度方式

时机：什么时候需要进程调度；什么时候不能进程调度
切换与过程：侠义的调度与切换的区别；进程切换过程中需要做什么？
方式：非剥夺调度方式；剥夺调度方式（抢占式）