【操作系统】一文快速了解操作系统

目录

一：操作系统概述

1.1 什么是操作系统（作用）

1.2 操作系统的功能

1.3 操作系统的特征

1.4 并发和并行的区别（重要）

1.5 操作系统的运行机制

1.6 操作系统的内核

1.7 中断机制 

二：进程和线程

2.1 进程的定义

2.2 PCB（进程控制块）的组成

 2.3 进程的特征

2.4 进程的通信

2.5 线程的定义，为什么要引入线程

2.6 线程的特征

2.7 进程的同步和互斥

2.8 信号量机制

2.9 管程

2.10 死锁

三：内存相关知识

3.1 操作系统对内存的管理

3.2 虚拟技术

3.3 内存空间的分配和回收

3.4 根据段页式存储管理寻找具体的目标单元

3.5 虚拟内存的定义和特征

四：文件管理

4.1 硬链接

4.2 软链接

4.3 硬链接和软连接的区别

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一：操作系统概述

1.1 什么是操作系统（作用）

操作系统是一种系统软件，负责管理协调硬件，软件等计算机资源的工作

1.2 操作系统的功能

1. 管理资源
   1. 处理机管理（CPU）
   2. 存储器管理
   3. 文件管理
   4. 设备管理（摄像头，打印机等）
2. 向用户提供服务
   1. 命令接口
   2. 程序接口
   3. GUI用户图形界面
3. 对硬件机器扩展

1.3 操作系统的特征

1. 并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生，在宏观上是同时发生的，在微观是CPU交替执行发生的
2. 共享：资源共享，系统中的资源可供内存中多个并发的进程共同使用
   1. 互斥共享方式：一个时间端内只允许一个进程访问该资源
   2. 同时共享方式：一个时间端内允许多个进程 “同时” 访问该资源，宏观同时，微观交替进行访问（分时共享）
3. 虚拟：把一个物理的实体变化成若干个逻辑上的对应物，举个例子：单核CPU运行多个进程就是将一个CPU虚拟成了多个CPU
4. 异步：进程的执行不是一贯到底的，而是由不可预知的速度向前推进

1.4 并发和并行的区别（重要）

• 并发：在操作系统中，是指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间，且这几个程序都是在同一个处理机上运行。在宏观上是同时发生的，在微观是通过CPU时间片技术交替执行发生的
• 并行：当系统有一个以上CPU时，当一个CPU执行一个进程时，另一个CPU可以执行另一个进程，两个进程互不抢占CPU资源，可以同时进行，这种方式我们称之为并行

1.5 操作系统的运行机制

操作系统具有两种类型的指令

• 特权指令：不允许用户程序使用的指令（内存清零指令）
• 非特权指令：允许用户程序使用的指令（普通的运算指令）

问题？：cpu如何判断是否可以执行特权命令

操作系统有两个处理器状态

• 核心态：可以执行特权指令和非特权指令
• 用户态：只能执行非特权指令

操作系统具有两种程序

内核程序：内核程序是系统的管理者，可以执行特权指令和非特权指令，运行在核心态

应用程序：为了保证系统能安全运行，应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态

1.6 操作系统的内核

内核是指计算机上配置的底层软件，是操作系统最核心，最基本的部分

1.7 中断机制 

中断机制的诞生：早期计算机各个程序只能串行执行，系统资源利用率低，为了解决此问题，人们发明了操作系统，利用操作系统的中断机制，将多个程序同时放入内存，实现了多道程序并发执行

中断是CPU从用户态进入核心态的唯一途径

CPU的上下文切换（利用了中断机制）

• 进程1在运行，CPU中收到计时部件发出的中断信号，让进程1从用户态切换为核心态，对中断进行处理
• 在核心态，操作系统内核对中断信号进行处理，发现进程1的时间片已经用完了，换进程2运行
• 进程2运行

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二：进程和线程

2.1 进程的定义

进程是程序的一次执行过程，是系统进行除CPU外的资源分配的一个调度单位

进程由PCB（Process Control Block），程序段，数据段三部分组成

2.2 PCB（进程控制块）的组成

 2.3 进程的特征

• 动态性：进程是一次程序执行的过程，是动态产生，变化，消亡的
• 并发性：内存中有多个进程实体，各进程可并发执行
• 独立性：进程是能独立运行，独立获得资源，独立接受调度的基本单位
• 异步性：各进程各自独立，不可预知的速度向前推进，操作系统需要提供“进程同步机制”来解决异步问题
• 结构性：每个进程都会配置一个PCB，进程由PCB，程序段，数据段三部分组成

进程的状态

也可以是说是线程在运行时的状态

三个状态
运行(running)态：进程占有处理器正在运行。
就绪(ready)态：进程具备运行条件，等待系统分配处理器以便运行。
等待(wait)态：又称为阻塞(blocked)态或睡眠(sleep)态，指进程不具备运行条件，正在等待某个事件的完成。
通常，一个进程在创建后将处于就绪状态。每个进程在执行过程中，任意时刻当且仅当处于上述三种状态之一。

状态的迁移
运行态 > 等待态：等待使用资源或某事件发生，如等待外设传输等
等待态 > 就绪态：资源得到满足或某事件己经发生，如外设传输结束，睡眠时间结束
运行态 > 就绪态：运行时间片到，或出现有更高优先权进程（如windows的抢占时算法）。
就绪态 > 运行态：CPU空闲时被调度选中一个就绪进程执行。

2.4 进程的通信

为了安全保障，一个进程不能直接访问另外一个进程的地址空间

所有有三种方法完成进程间的通信

•  共享存储：在内存空间中，开辟一段空间作为共享空间，所有进程都能访问，但两个进程对共享空间的访问必须是互斥的，操作系统只提供共享空间和同步互斥工具（P,V操作，信号量）
• 消息传递：利用计算机网络中的通信协议（HTTP协议等）进行通信
• 管道通信：设置一个共享文件(缓冲区)，管道采用半双工通信，不能同时通信，实现双向通道需要建立两个管道，各进程间要互斥访问管道，管道写满时，不能再向管道中写，管道读空时，不能再向管道中读，同时管道没写满时，不能读取，管道没读取完时，不能写

2.5 线程的定义，为什么要引入线程

线程是基本的CPU执行单元，程序执行流的最小单位，是CPU调度的基本单位

引入线程后，不仅进程之间可以并发，进程中的线程也可以并发，提高系统的并发度，减少系统开销。

2.6 线程的特征

• 线程是CPU调度的基本单位
• 多CPU计算机中，各个线程可以占用不同的CPU
• 每个线程都有一个TCB（线程控制块）和线程ID
• 线程几乎不拥有系统资源
• 同一进程的不同线程共享进程的资源
• 共享内存空间，同一进程的线程间通信无须系统干扰

2.7 进程的同步和互斥

• 进程的同步：为了解决异步问题，异步环境下的一组并发进程因直接制约而互相发送消息、进行互相合作、互相等待，使得各进程按一定的速度执行的过程称为进程间的同步。
• 进程的互斥：两个或两个以上的进程，不能同时进入关于同一组共享变量的临界区域，否则可能发生与时间有关的错误，这种现象被称作进程互斥· 也就是说，一个进程正在访问临界资源，另一个要访问该资源的进程必须等待。
• 临界资源：一次仅允许一个进程使用的共享资源
• 临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区（Critical Section）

进程互斥需要遵守的原则

• 空闲让进：临界区空闲时，允许一个进程访问
• 忙则等待：临界区正在被访问时，其他试图访问的进程需要等待
• 有限等待：要在有限时间内进入临界区，保证不会饥饿
• 让权等待：进不了临界区的进程，要让出CPU，防止忙等

2.8 信号量机制

信号量：用来表示系统中某种资源的数量

用户进程可以通过操作系统提供的一对原语对信号量进行操作，从而方便实现进程的互斥和进程的同步，

一对原语信号：PV操作 P减少 V增加

P操作的主要动作是： 

①S减1； 

②若S减1后仍大于或等于0，则进程继续执行； 

③若S减1后小于0，则该进程被阻塞后放入等待该信号量的等待队列中，然后转进程调度。 

V操作的主要动作是： 

①S加1； 

②若相加后结果大于0，则进程继续执行； 

③若相加后结果小于或等于0，则从该信号的等待队列中释放一个等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。 

利用信号量实现进程同步

1. 分析问题，找出哪里需要实现一前一后的同步关系
2. 设置同步信号量，初始值为0
3. 在“前操作”之后执行V操作
4. 在“后操作”之前执行P操作

利用信号量实现进程互斥

1. 分析问题，确定临界区
2. 设置互斥信号量，初始值为1
3. 临界区之前执行P操作
4. 临界区之后执行V操作

2.9 管程

• 为什么引用管程？
  • 解决信号量机制编程麻烦问题，易出错的问题
• 由什么组成？
  • 共享数据结构；        
  • 对数据结构初始化的语句；
  • 一组访问数据结构的方法
• 基本特征
  • 由外部进程/线程通过管程提供的特点入口才能访问共享数据
  • 每次仅仅允许一个进程在管程内执行某个内部过程
• 有什么用？
  • 管程可以实现进程同步和进程互斥的操作

2.10 死锁

什么是死锁？

各进程互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，无法向前推进

死锁产生的四个必要条件

1. 互斥条件：对必须互斥使用的资源争抢才会导致死锁
2. 不剥夺条件：进程拥有的资源只能主动释放，不可强行剥夺
3. 请求和保持条件：保持着某些资源不放的同时，请求别的资源
4. 循环等待条件：存在一种进程资源的循环等待链

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三：内存相关知识

3.1 操作系统对内存的管理

操作系统需要对内存做什么？

• 操作系统负责内存空间的分配和回收
• 操作系统提供“某种技术”对内存空间进行扩充
• 操作系统需要提供内存地址转换功能，负责程序的逻辑地址和物理地址的转换
• 操作系统需要提供内存保护功能，保证各个进程在各种存储空间内运行，互不干扰

如何实现内存空间进行扩充？

        利用虚拟内存

如何实现地址转换？

        绝对装入：编译器负责地址转换

        可重定位装入：装入程序负责地址转换

        动态运行时装入：运行时进行地址转换

如何提供内存保护功能？

        设置上下限寄存器，每个进程只能在当前进程的上下限寄存器内运行

        利用重定位寄存器，界地址寄存器进行判断

3.2 虚拟技术

覆盖技术

将程序分为多个段（多个模块），常用的段常驻内存，不常用的段在需要时调入内存；

覆盖技术内存分为一个“固定区”和“覆盖区”，需要常驻内存的段放在固定区，固定区调入后不再调出，除非程序运行结束；不需要常驻内存的段放在覆盖区，需要时调入内存，不需时调出内存。

交换技术

内存紧张时，换出某些进程腾出内存空间，换入另外的进程

覆盖技术和交换技术的区别

覆盖技术是在同一个程序或进程中；交换技术是在不同进程或作业中

3.3 内存空间的分配和回收

分配分为连续分配管理和非连续分配管理

连续分配管理有：单一连续分配，固定分区分配，动态分区分配

非连续分配有：分页存储管理，分段存储管理，段页式存储管理

分页式存储管理

• 将内存空间分为一个个大小相等的分区，每个分区为一个内存块，
• 每个内存块有一个内存编号，从0开始，保证可以不连续分配内存

分段式存储管理

• 进程的地址空间按照自身的逻辑关系划分成若干个段，每个段都有一个段名
• 每个段在内存空间中占据连续空间，但各段之间可以不相邻

段页式存储管理：

• 分段+分页的结合，
• 将地址空间按照程序自身的逻辑关系划分为若干个段，在将各段分为大小相等的页面
• 将内存空间分为与页面大小相等的一个个内存块，系统以块为单位为进程分配内存

3.4 根据段页式存储管理寻找具体的目标单元

1. 由逻辑地址得到段号、页号、页内偏移量
2. 段号与段表寄存器中的段长度比较，检查是否越界由段表始址、
3. 段号找到对应段表项
4. 根据段表中记录的页表长度，检查页号是否越界
5. 由段表中的页表地址、页号得到查询页表，找到相应页表项
6. 由页面存放的内存块号、页内偏移量得到最终的物理地址访问目标单元

3.5 虚拟内存的定义和特征

在操作系统的管理下，在用户看来似乎有一个比实际内存大得多的内存，这就是虚拟内存

操作系统虚拟性的一个体现，实际的物理内存大小没有变,只是在逻辑上进行了扩充。基于一下三点。

1. 基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序中很快会用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存，就可以让程序开始执行。
2. 在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续执行程序。
3. 若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存。

虚拟内存有一下三个主要特征:

1. 多次性：无需在作业运行时一次性全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存。
2. 对换性：在作业运行时无需一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，将作业换入、换出。
3. 虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到的内存容量，远大于实际的容量。

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四：文件管理

4.1 硬链接

• 各个用户的目录指向同一个索引结点
• 索引结点中需要有链接计数count
• 某用户想删除文件时，只是删除该用户的目录项，且count--
• 只有count == 0时才能真正删除文件数据和索引结点，否则会导致指针悬空

4.2 软链接

• 在一个Link型的文件中记录共享文件的存放路径(Windows快捷方式)
• 操作系统根据路径一层层查找目录，最终找到共享文件
• 即使软链接指向的共享文件已被删除，Link型文件依然存在，只是通过Link 型文件中的路径去查找共享文件会失败(找不到对应目录项)
• 用软链接的方式访问共享文件时要查询多级目录，会有多次磁盘I/O,因此用软链接访问

4.3 硬链接和软连接的区别

原理上，硬链接和源文件的inode节点号相同，两者互为硬链接。软连接和源文件的inode节点号不同，进而指向的block也不同，软连接block中存放了源文件的路径名。 实际上，硬链接和源文件是同一份文件，而软连接是独立的文件，类似于快捷方式，存储着源文件的位置信息便于指向。

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用于粗略了解操作系统是干什么用的，不是特别具体，文件管理和IO设备不是特别重要没有写，具体参考王道考研操作系统