计算机基础——操作系统篇概览

操作系统

1.os基础

1. 操作系统基本概念：运行在计算机上的一种程序，管理计算机上的软件和硬件资源，包括进程，内存管理，硬件设备管理等（内核负责）。
2. 系统调用：运行在用户态的程序需要调用系统态下的资源，包括设备、文件、内存等。

2. 进程管理

1. 进程和线程的概念、区别

   • 进程是指的程序的执行过程，是资源分配的基本单位。进程占用内存多，切换复杂，进程间相互独立不会互相影响
   • 线程是进程中执行运算的基本单位，一个进程中包含多个线程。线程相对于进程则恰好相反，占用内存小，且线程切换代价较小，线程间共用地址空间（堆）可能会相互影响。

2. 进程的状态：5种分别是——创建、就绪、运行、阻塞、结束。如图：

   

3. 进程间的通信方式

   1. 管道：分为匿名和命名管道；都以先进先出的方式通信？？好像

      • 匿名管道只能用于父子进程或兄弟进程间的通信，且存在与内存中。

      • 命名管道可以是任意两个进程间进行通信，以磁盘文件的方式存在。

   2. 信号

      • signal()；用于通知接收进程某个事件已经发生

   3. 消息队列

      • 消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取.比 FIFO 更有优势。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字 节流以及缓冲区大小受限等缺点。

   4. 信号量

      是一个计数器，用于多进程共享数据的进程同步问题。

   5. 共享内存

      • 多个进程共享内存空间，可以直接查看其它进程的数据（但是依赖于同步操作实现）

   6. 套接字

      用于客户端和服务器端的通信，支持TCP/IP的网络通信的基本操作单元。

4. 进程间的同步方式

   1. 互斥量，互斥对象只有一个，保证资源一定不会被多个进程同时访问（synchronized和各种lock）
   2. 信号量，允许多个进程访问同一资源，但是需要设置最大访问数量
   3. 事件

5. 进程调度算法

   时间片轮转算法，先到先服务，短作业优先，优先级调度，多级反馈队列调度。

6. 死锁

   • 产生原因：系统资源不足；进程推进顺序不当；资源分配不当
   • 必要条件：互斥；不可剥夺；请求和保持；循环等待死锁的四个必要条件
   • 预防：破坏死锁的必要条件

3. 内存管理

1. 内存管理主要在干啥

   • 负责内存分配(malloc)与回收(free)，地址转换。

2. 内存管理机制

   • 分为连续分配和非连续分配
   1. 分块：连续的，碎片多
   2. 分页：离散的，将主存分页，使用页表对应逻辑地址和物理地址
   3. 分段：离散的，将主存分段，使用段表来对应逻辑地址和物理地址，（段有实际意义）
   4. 段页式：离散的，先将主存分段，再将段分页

3. 快表和多级页表

   • 快表：解决了逻辑地址到物理地址的转换速度，可以理解成是一种特殊的缓冲存储器，存放一部分经常访问的页表。
   • 多级页表：为了解决有时候页表太大的问题，使用多级页表，在顶级页表中存放索引，将二级页表放在磁盘中。

4. 分页机制和分段机制的共同点和区别

   • 同：都是为了提高内存利用率，减少内存碎片；都是离散分配
   • 异：页大小固定，由操作系统决定，段大小不确定，取决于当前运行程序；段是逻辑单位，有实际意义，比如代码段，数据段等，页没有实际意义。

5. 逻辑地址、物理地址、CPU寻址

   • 逻辑地址：也就是虚拟地址，由操作系统决定
   • 物理地址：真实的物理内存中的地址
   • CPU寻址：将虚拟地址翻译成物理地址，访问真实物理内存

6. 为什么需要虚拟地址呢？

   

4. 虚拟内存

1. 什么叫虚拟内存？

   定义了一个连续虚拟地址空间，并将内存过渡到硬盘空间

2. 局部性原理

   • 概念/重要性：局部性原理是虚拟内存技术的基础，正是因为局部性原理，才可以只装入程序的一部分到内存就开始运行

   • 原理表现：

     • 时间局部性：如果程序中的某条指令一旦执行，不久以后该指令可能再次执行；如果某数据被访问过，不久以后该数据可能再次被访问。产生时间局部性的典型原因，是由于在程序中存在着大量的循环操作。
     • 空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址，可能集中在一定的范围之内，这是因为指令通常是顺序存放、顺序执行的，数据也一般是以向量、数组、表等形式簇聚存储的。

3. 实现方法：请求分页；请求分段；请求段页式——（都会导致缺页中断）

4. 页面置换算法：

   • OPT最佳页面置换算法：在以后最长时间不使用的页面换出。
   • 先进先出：先进入内存的先换出，就是在内存里待得最久的先换出。
   • 最近最久未使用：越久没用的越先换出。
   • 最少使用：使用次数最少的换出。