操作系统学习笔记（学习中）

计算机系统概述

1.操作系统概念

管理系统软/硬件资源，为程序提供服务

2.发展与分类

3.操作系统的运行环境

运行机制

指令：（二进制机器指令），CPU能识别，执行的最基本命令

应用程序：程序员写的跑在操作系统之上的程序

内核程序：实现操作系统的程序，内核：操作系统最核心的部分

CPU的两种状态：

内核态：正在运行内核程序，可以执行特权指令

用户态：正在运行应用程序，只能执行非特权指令

内核态→用户态：执行特权指令，PSW标志位为用户态，操作系统主动让出cpu使用权

用户态→内核态：由中断引发，硬件自动完成变态

中断和异常

中断的作用：让操作系统内核夺回CPU使用权

中断类型：

• 内中断（也称异常）：与当前指令有关，中断信号源于cpu内部
• 外中断：…无关…外部，如时钟中断，I/O请求中断

系统调用

用户在程序中调用操作系统中的一些子功能。凡是与资源共享有关的操作，都需要系统调用来向操作系统提出请求。

操作系统的体系结构

大内核：将操作系统最主要的功能模块作为系统内核，性能高

微内核：只把最基本的功能作为内核，频繁的切换核心态和用户态，性能低。

进程管理

1.进程与线程

进程的概念

进程是进程实体的运行过程，是系统资源分配和的调度的一个独立单位

进程的组成

进程控制块（PCB）：一种数据结构，描述进程的基本情况和运行状态，存放操作系统对进程管理需要的信息，是进程存在的唯一标志

程序段：程序的代码

数据段：运行过程中产生的数据

进程的特征

动态性，并发性，独立性，异步性，结构性

进程的状态与转换，进程的组织

进程控制

进程控制功能：实现进程状态转换

用原语实现进程控制。原语：操作系统中一种特殊的程序，具有原子性。

关中断指令和开中断指令（特权指令）实现原子性：CPU执行了关中断指令后不再检查中断信号，直到执行到开中断指令才恢复对中断信号的检查。

• 进程的创建原语

  

• 进程的终止：撤销原语
  

• 进程的阻塞和唤醒原语（成对使用）

• 进程的切换原语：

  

进程通信

进程通信（IPC）：不同进程之间的数据交互

进程内存空间独立，不能直接访问另一个进程的地址空间

• 共享存储：互斥的访问共享存储（如pv操作）
• 消息传递：
  • 直接通信：消息直接挂在接收进程的消息队列中
  • 间接通信：消息发向中间件（信箱），
• 管道通信：pipe文件，读写遵循先进先出原则，半双工通信（同一时间段单向）

线程的概念

线程：程序执行流的最小单位，系统调度的基本单位，一个进程可以有多个线程

线程的实现方式和多线程模型

线程的转换

2.调度

概念

根据某种规则来决定一堆任务执行的顺序

调度的三个层次

1. 高级调度（作业调度）

   作业：一个具体的任务，（程序）

   高级调度：按原则将外存的作业后备队列中挑选一个进入内存。每个作业只被调入，调出一次。

2. 低级调度（进程调度/处理机调度）

   操作系统中最基本的一种调度，频率很高。

3. 中级调度（内存调度）

   挂起状态：暂时调到外存等待的进程状态

   中级调度：选择一个处于挂起状态的进程进入内存

进程调度

进程在操作系统内核程序临界区中不能进行进程调度，而在普通临界区中可以。

进程调度的两种方式：

• 非抢占式：只会主动放弃
• 抢占式：由操作系统剥夺cpu使用权

调度器和闲逛进程

调度器（调度程序）：决定让谁运行，运行多长时间

闲逛进程：没有其他就绪进程时，运行闲逛进程

调度算法的评价指标

调度算法

• 先来先服务（FCFS）：按照作业/进程到达的先后顺序进行服务，是一种非抢占式的调度方式，优点：公平，缺点：对短作业不利，不会导致饥饿

• 短作业优先（SJF）：从就绪队列中选出一个估计时间最短的进程，将处理及分配给它，使它立即执行到执行结束，或者发生某事件阻塞放弃处理机时重新调度

• 高响应比优先算法（HRRN）：

  响应比Rp = （等待时间 + 服务时间）/ 服务时间 = 1 + （等待时间 / 服务时间）

  当等待时间相同时，服务时间更短的优先调度

3.进程同步与互斥

同步：直接制约关系，为完成某任务建立的两个或以上的进程

互斥：间接制约关系，访问临界资源时只允许一个进程访问，其他进程必须等待

进程互斥的软件实现方法

抓住“谦让”和“表达意愿“思想

单标志法：

双标志先检查法：

双标志后检查法：

peterson算法：“压岁钱算法” 谁最后说客气话谁失去行动权

硬件实现

信号量机制

信号量：表示系统中某种资源的数量，可以使用一对原语来对信号量进行操作

一对原语：wait（S），sign（S），被称为P，V操作，用于实现对系统资源的申请和释放

4.经典同步问题

生产者-消费者问题

只有缓冲区没满，生产者才能往缓冲区放东西

只有缓冲区没空，消费者才能从缓冲区取东西

缓冲区也是一种临界资源，只允许互斥地访问

mutex = 1; // 互斥信号量，对缓冲区的互斥访问
empty = n; // 同步信号量，空闲缓冲区的数量
full = 0; // 同步信号量，产品数量，即非空缓冲区数量

读-写者问题

1.允许多个读者对文件进行读操作

2.只允许一个写者进行写操作

3.写者操作完成前不允许读者和其他写者工作

4.写者操作前应该让其他读和写者退出

5.管程

管程的功能

互斥访问：确保多个线程对共享变量的互斥访问

条件等待和通知：线程可以通过条件变量等待某个条件满足后再继续执行，或者通过条件变量停止其他线程某个条件已经满足

简要来说：对PV操作的一种管理

6.死锁

死锁：多个进程因竞争资源而互相等待，双方都无法向前推进

死锁形成的必要条件

1. 互斥条件：对互斥使用的资源进行争夺
2. 不可剥夺条件：进程获取的资源在未使用完之前无法被剥夺，只能自己释放
3. 请求和保持条件：进程至少保持了一种资源，但又提出对其他进程占用的资源的申请，自己的资源又不放
4. 循环等待条件：进程的循环等待链，我等你，你等他，他等我

以上四条件同时满足才算死锁

避免死锁

安全序列：系统按照某种序列分配资源，每个进程都能顺利完成。

系统处于安全状态，则一定不会发生死锁

银行家算法

思想：在进程提出资源申请时，系统先预判此次分配是否会导致系统进入不安全状态，如果会，则暂时不答应请求，让进程先阻塞等待。

系统分配给进程资源，归还后得到的资源为：available + allocation

内存管理

操作系统对内存的划分和动态分配

1.内存管理概念

功能

1.内存分配与回收：由操作系统完成

2.内存保护：保证进程只在自己的内存空间进行访问，不越界

3.地址转换：操作系统将逻辑地址转换为物理地址

4.内存容量的扩充：将容量小的内存从逻辑上通过虚拟技术进行扩充

连续分配管理方式

为用户程序分配连续的内存空间

1.单一连续分配：只用于单任务，单用户的操作系统

2.固定分区分配：将用户区划分为若干个大小相等或不等的分区，每个分区只进行一个作业。

3.动态分区分配：系统不会预先分配内存，而是在进程进入内存时，根据进程的大小动态的分配内存，使得内存大小正好适合进程所需的空间。

动态分区分配算法

为什么要有？当有多个空闲分区满足需求，需要合适的算法来分配空间

1.首次适应算法：从低地址开始找，找到第一个可以满足大小的空闲分区

2.最佳适应算法：为了保证大进程到来时需要的大片连续空间，优先使用小空闲分区，空闲分区按容量递增连接。

3.最坏适应算法：为了解决最佳适应算法导致的内部碎片问题，优先使用大空闲分区，空闲分区按容量递减链接。

分页存储

为什么要分页？减少内存碎片的产生

页框/页帧：内存中大小相等的分区

页面（页）：每一个进程的逻辑地址空间

页表：在内存找到进程的每个页面对应的物理块，系统为每个进程建立一张页表。

页表由页号和块号（页框号）组成，其中只有块号占内存空间，页号是隐含的存储。（类似于数组，下标是不需要存储空间的）

页号=逻辑地址/页面大小

页内偏移量=逻辑地址%页面大小

页表长度：一个页表有多少个页表项

页表项长度：每个页表项占多大的存储空间

页表大小：一个页表占多大存储空间

快表

一种并行查找的高速缓冲存储器，为了提高地址变换的速度。

段页式存储

先分段，段内再分页

2.虚拟内存管理

为什么？

解决传统存储的两个问题：

1.一次性：作业必须一次性全部装入内存才能运行，导致如果作业太大，无法运行

2.驻留性：作业全部转入内存，直到作业结束，然而实际只需要一部分数据便可运行程序，导致浪费空间

是什么？

将暂时需要的信息调入内存，不需要先放在外存，便可执行程序。程序执行时，将不在内存又需要的信息调入内存。同时，若内存空间不够，操作系统将内存中不需要的信息换出到外存。

虚拟内存的特点

1.多次性：允许多次将作业调入内存

2.对换性：作业在程序运行时换进换出

3.虚拟性：在逻辑上扩充内存容量

怎么做（虚拟内存技术）

实现基础：根据多次性，肯定不能连续存储管理，而是离散分配的内存管理

用什么实现？

1.请求分页管理。2.请求分段管理。3.请求段页式管理

请求分页管理

是什么？两个功能：

1.调页功能：操作系统将缺失的页面调入内存

2.置换功能：操作系统将暂时没用的页面换入外存

页表项：

状态位：表示页面是否被调入内存

访问字段：表示页面被访问次数，用于置换算法使用

修改位：表示页面是否被修改过

缺页中断机构

请求分页中两个重要的点：

1.是否在内存：不在则产生缺页中断，并阻塞缺页的进程，操作系统将页面调入内存

2.是否有空闲块：没有则淘汰某页（如果该页在内存中被修改过，则换回外存）

地址变换机构

页面置换算法

用来干嘛？决定换入换出哪些页面

1.最佳置换算法：将以后永不访问或最长时间不访问的页面淘汰。（无法预知，不可实现）

2.先进先出置换算法：每次将最早进入内存的页面淘汰。

3.最近最久未使用置换算法（LRU）：每次淘汰最近最久未使用的页面。实现：在访问字段中记录该页上次使用时间t，每次替换t最大的即可。

4.时钟置换算法（CLOCK）

改进型CLOCK：先找（0，0），再找（0，1），没有的话，把所有访问位（第一个）置为0，再循环那样查找

文件管理

1.文件基本概念

文件是什么？

文件是通过硬盘为载体，存储在计算机上的数据集合

文件控制块

是什么？

英文名FCB，用来存放控制文件所需信息的数据结构，包含了==

一个FCB对应一个文件目录项，多个FCB组成文件目录

索引节点

是什么？

索引节点将除了文件名以外的属性都放入索引节点中

有什么用？

因为检索文件时只需要用到文件名，所有可以提高检索效率

文件逻辑结构

在文件内部，数据在逻辑上是如何组织起来的

无结构文件（流式文件）：文件没有结构，访问只能通过穷举搜索的方式

有结构文件（记录式文件）：

• 顺序文件：串结构：按记录的存入时间排序。

  ​ 顺序结构：按关键字的顺序排列。

• 索引文件：解决可变长记录文件检索慢的问题，本身就是一个定长记录的顺序文件

文件物理结构

磁盘空间分配方法：

1.连续分配：每个文件在磁盘上占有一组连续的块。类似于数组，所以它支持顺序访问和直接访问。

缺点：文件长度不宜动态增长。增加和删除需要移动相邻的记录。反复增删文件回产生外部碎片。

2.链接分配：离散分配的方式，通过指针链接每个磁盘块，分为隐式链接和显示链接。

隐式链接：除最后一个盘块，每个盘块都含有指向文件下一个盘块的指针。不支持随机访问

显示链接：为什么叫显示？它把用于连接文件各物理块的指针显示的存放在一张表中，称为文件分配表（FAT）。支持随机访问

索引链接

2.目录

目录结构

1.单级目录结构

实现了文件的按名存取

缺点：查找速度慢，不允许重名，不便于共享

2.两级目录结构：

解决了重名问题

缺点：不能对文件分类

3.树形目录结构：

解决了不能分类的问题

缺点：查找文件时每次按路径名逐级访问中间节点，增加了磁盘访问次数

4.无环图目录结构

解决了树形结构不便于文件共享的问题。

目录实现

查找某个文件有两种方法

1.线性列表：实现简单，但查找费时

2.哈希表：根据文件名得到一个名，并返回一个指向线性列表中元素的指针。查找速度快。

文件共享

1.硬链接：基于索引节点的共享方式。

多个指针指向一个索引结点，只要还有一个指针指向索引结点，索引结点就不能删除。

2.软链接：基于符号链实现共享。

把到达共享文件的路径记录下来，要访问文件时，根据路径寻找文件。

查找速度：硬＞软

3.文件系统

输入输出管理

2.I/O控制方式

DMA：直接存储器存取