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操作系统学习笔记（1.计算机系统概述 2.进程与线程）

文章目录

  • 第一章 计算机系统概述
    • 操作系统的概念、功能
    • 操作系统的特征
    • 操作系统的发展与分类
    • 操作系统的运行机制
    • 中断和异常
    • 系统调用
    • 操作系统体系结构（上）
    • 操作系统体系结构（下）
    • 操作系统引导
    • 虚拟机
  • 第二章 进程管理
    • 进程的概念，组成，特征
    • 进程的状态与转换
    • 进程控制
    • 进程通信（IPC）
    • 线程的概念
    • 线程的实现方式和多线程模型
    • 线程的状态与转换
    • 处理机调度的概念，层次
    • 进程调度的时机，切换，过程，调度方式
    • 调度器，闲逛进程
    • 调度算法的评价指标
    • 调度算法（1）
    • 调度算法（2）
    • 调度算法（3）
    • 进程同步和进程互斥
    • 进程互斥的软件实现方法
    • 进程互斥的硬件实现方法
    • 互斥锁
    • 信号量机制
    • 用信号量机制实现进程互斥，同步，前驱关系
    • 生产者消费者问题
    • 多生产者-多消费者问题
    • 吸烟者问题
    • 读者写者问题
    • 哲学家进餐问题
    • 管程
    • 死锁的概念
    • 死锁的处理策略-预防死锁
    • 死锁额处理策略--避免死锁（银行家算法）
    • 死锁的处理策略--检测和解除

第一章 计算机系统概述

操作系统的概念、功能

操作系统的概念

  • 操作系统是系统资源（软硬件）的管理者
  • 是最接近硬件的一层软件
  • 向上层提供方便易用的服务

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作为系统资源的管理
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向上层提供方便易用的服务
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GUI图形化接口
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命令接口

  • 联机命令接口，也叫交互式命令接口
  • 脱机命令接口，也叫批处理命令接口

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程序接口

  • 通过系统调用来使用程序接口，只能通过程序代码使用

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作为最接近硬件的层次
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知识点小结
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操作系统的特征

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并发

  • 并发：宏观同时，微观交替
  • 并行，多个时间在同一时间同时发生，与并发区分开

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共享

  • 所谓的同时往往是宏观的，微观上可能还是交替的对资源访问
  • 有些资源在微观上也可能是真的被同时共享，比如多个程序同时播放音响设备

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并发和共享的关系

  • 并发和共享互为存在条件

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虚拟

  • 空分复用技术，时分复用技术，这两个有个印象就行，第三章重点讲解

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异步
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知识点小结
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操作系统的发展与分类

可能出选择题

手工操作系统
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批处理阶段–单道批处理系统
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批处理阶段–多道批处理系统
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分时操作系统
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实时操作系统
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其操作系统

  • 了解，考试主要靠前面几个操作系统

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知识点小结

  • 重点理解各类型操作系统解决什么问题，怎么解决的

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操作系统的运行机制

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区分指令和小黑框的命令行

  • 我们说的指令是二进制机器指令，小黑框的命令其实交互式命令接口

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内核程序和应用程序

  • 内核是操作系统最核心的部分，最接近硬件，操作系统不全都是内核

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特权指令和非特权指令

  • CPU在设计和生产时就划分了特权指令和非特权指令，CPU自己能判断出要执行的是不是特权指令

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内核态和用户态

  • CPU如何判断当前执行指令的是内核程序还是应用程序
  • 用程序状态自寄存器PSW的一个标记位表示CPU当前的状态
  • 内核态又称核心态，管态，用户态又称目态

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内核态和用户态的切换

  • 内核态到用户态，执行特权指令
  • 用户态到内核态，由中断引发，硬件自动完成变态过程
  • 但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号

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知识点小结

  • 重要，高频考点，但可能也就出一个选择题

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中断和异常

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中断的作用

  • 没有中断程序就谈不上并发，也谈不上操作系统

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中断的类型
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内中断

  • 陷入指令是一种特殊的指令，但不是特权指令

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外中断

  • 例如时钟中断
    • 系统需要并发运行两个应用程序
    • 首先在用户态，运行应用程序1
    • 时钟部件发现时间到了，发给CPU一个中断信号
    • CPU检测到中断信号，暂停应用程序，转为内核态，执行处理中断的内核程序，发现该让应用程序2运行了
    • 内核程序将CPU使用权交给应用程序2，切换为用户态，开始执行应用程序2
    • 当应用程序2执行时间达到一定时，重复以上过程
  • 例如输入输出设备发来的中断信号
    • 应用程序请求打印服务，打印服务完成后向CPU发送中断信号，CPU对这个中断信号进行处理

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中断的分类

  • 狭义，广义
  • 考试一般提到的中断特指外中断，
  • 内中断我们一般说成是异常，例外
  • 之前我们讲解的其实是广义的中断，泛指所有的中断

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中断机制的基本原理

  • 不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理，通过中断向量表保存中断处理程序的指针
  • 中断处理程序一定是内核程序

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知识点小结
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系统调用

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什么是系统调用，作用

  • 操作系统给用户直接使用的是命令接口，给应用程序使用的程序接口就是系统调用
  • 应用程序通过系统调用获取操作系统的内核服务

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系统调用与库函数的区别

  • 系统调用是比高级语言更为底层的接口
  • 有的库函数涉及系统调用，有的不涉及系统调用

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系统调用的重要性

  • 应用程序都想使用共享资源，因此用系统调用进行统一管理
  • 用户进程想要使用共享资源，只能通过系统调用向操作系统内核发出请求

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什么功能需要系统调用

  • 凡是共享资源都需要系统调用，保证系统的稳定性和安全性，防止用户非法操作

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系统调用的过程

  • 应用程序运行在用户态，想要系统调用，首先向CPU寄存器传必要参数，用于后续的系统调用，比如指明需要哪种系统调用，传参可能有多条
  • 应用程序执行陷入指令，陷入指令引发内中断
  • CPU识别trap导致的内中断，切换为内核态，转入对应的中断处理程序（系统调用入口程序）
  • 在系统调用入口程序中，检查参数，判断出需要执行哪个系统调用
  • CPU执行对应的系统调用处理程序
  • 系统调用程序执行完，CPU转为用户态，接着处理用户的应用程序

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系统调用的过程

  • 1.陷入指令是用户态执行的，触发内中断，使CPU进入核心态
  • 发出系统调用的请求是在用户态下，对系统调用的相应处理是在核心态下进行

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知识点小结
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操作系统体系结构（上）

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操作系统的内核

  • 操作系统内部进一步划分，内核和非内核功能

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操作系统的内核

  • 内核程序必须运行在内核态
  • 时钟管理，中断处理，原语是内核中最底层的，与硬件关联紧密，必须再内核态运行
  • 进程管理，存储器管理，设备管理，更多是对数据结构的操作，不会直接涉及硬件
  • 因此有两种关于内核的设计方法，大内核，微内核，区别在于是否把进程管理，存储器管理，设备管理等功能划入到内核功能内

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操作系统的体系结构

  • 两种体系结构的区别
  • 微内核的体系结构会导致CPU在内核态和用户态转换更加频繁，频繁变态会降低系统性能
  • 所以大内核的状态切换少，但是程序复杂；微内核的状态切换更频繁，但是程序简单些
  • 答题时要用术语，叫状态切换，不要讲变态

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知识点小结

  • 考试重点考察两种体系结构的区别，优缺点

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操作系统体系结构（下）

今年新增考点：分层结构，模块化，外核
如果出题，也是简单的选择题，了解各体系结构的特性，优缺点

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汇总表格

  • 标星号的是出题概率较大的，红色是新内容，黄色是老内容
  • 表格列举的比较清晰了，可以直接看表，不理解的再看视频详细解释

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