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操作系统学习笔记

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操作系统学习笔记

hesorchen 已于 2022-02-22 10:41:02 修改 1810
分类专栏： # 操作系统 文章标签： 学习
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操作系统(Operating System，OS) 是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源 ，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，它是计算机系统中最基本的系统软件。

计算机系统的层次结构

  1. 裸机（纯硬件）：如CPU、内存、硬盘

  2. 应用程序：如QQ

小结

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操作系统的四个特征

1. 并发

指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的（时间片）。

并行：指两个或多个事件在同一时刻内发生。

操作系统的并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。一个单核处理机(CPU)同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行(这些程序微观上是交替执行的，但宏观上看起来就像在同时执行)

2. 共享

共享即资源共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

资源共享又分为：

  • 互斥共享：在同一时间段内只允许一个进程访问。
  • 同时共享：在同一时间段内可以有多个进程并发的访问。

3. 虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变为若千个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实际存在的，而逻辑上对应物(后者)是用户感受到的。

4. 异步

异步是指，在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，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。

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发展与分类

一、手工操作阶段

人工在纸带上打孔，用计算机计算。

主要缺点:用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低

二、批处理阶段——单道批处理系统

引入了外围机，加快了纸带传送速度。

主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。

主要缺点:内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才
能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成。资源利
用率依然很低。

三、批处理阶段——多道批处理系统

每次往内存中输入多道程序，操作系统正式诞生，并引入了中断技术，由操作系统负责管理这些程序的运行。各个程序并发执行。

主要优点:多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升，CPU和其他资源保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。

主要缺点:用户响应时间长，没有人机交互功能(用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行)

四、分时操作系统

计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。

主要优点:用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。

主要缺点:不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。

五、实时操作系统:

主要优点:能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。
在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件。

实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性。

小结

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运行机制和体系结构

指令

特权指令：如内存清零

非特权指令：如加减乘除

两种处理器状态

用户态：只能执行非特权指令

核心态：能执行特权指令、非特权指令。

两种程序

内核程序：运行在核心态

普通应用程序：运行在用户态

操作系统的内核

内核是计算机.上配置的底层软件，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。

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两种体系结构：

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中断和异常

  1. 当中断发生时，CPU立即进入核心态
  2. 当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
  3. 对于不同的中断信号，会进行不同的处理发生了中断，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作(比如进程切换、分配I/O设备等)需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。有了中断，才能实现多道程序并发执行。

用户态进入核心态只可以通过中断实现
核心态进入用户态通过一个特权指令，将程序状态字（PSW）的标志位设置为“用户态”

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应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作(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提出服务请求，由操作系统代为完成。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。

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程序：一个指令序列

程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体(进程映像)。一般情况下，我们把进程实体就简称为进程，例如，所谓创建进程，实质上是创建进程实体中的PCB；而撤销进程，实质上是撤销进程实体中的PCB。

进程控制块PCB：用来保存操作系统所需的数据
程序段：程序的代码
数据段：程序运行过程中处理的数据

注意：PCB是进程存在的唯一标志!

从不同的角度，进程可以有不同的定义，比较传统典型的定义有:

  1. 进程是程序的一次执行过程。
  2. 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
  3. 进程是具有独立功能的程序在数据集合.上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

各种定义都强调了进程的动态性。

进程间的组织

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进程的特征

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进程的状态

  1. 运行态：占有CPU，并正在CPU上运行。（单核处理机中，每一时刻最多只有一个进程处于运行态）

  2. 就绪态：已经具备了运行的条件，但是CPU未空闲，暂时不能运行。

  3. 阻塞态：正在等待某一资源。（因为CPU是计算机中最昂贵的部件，为了提高CPU的利用率，需要先将其他进程需要的资源分配到位，才能得到CPU的服务）

还有另外两种状态：

  • 创建态：操作系统为进程分配资源、初始化PCB
  • 终止态：操作系统回收进程拥有的资源、撤销PCB

进程间状态转化
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进程控制：实现进程状态转换。
用原语实现进程控制。原语的特点是执行期间不允许中断，只能一气呵成。这种不可被中断的操作即为原子操作。

原语采用“关中断指令”和“开中断指令”实现。

关中断指令之后，会暂时忽略中断信号：

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学习技巧：进程控制会导致进程状态的转换。无论哪个原语，要做的无非三类事情：

  1. 更新PCB中的信息(如修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB、从PCB恢复运行环境)
    a.所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志
    b.剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境
    c.某进程开始运行前必然要恢复期运行环境
  2. 将PCB插入合适的队列
  3. 分配/回收资源

进程间的通信

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有的进程可能需要“同时”做很多事，而传统的进程只能串行地执行一系列程序。为此，引入了“线程”，来增加并发度。

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处理机调度

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调度算法的评价指标

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FCFS、SJF、HRRN调度算法

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时间片轮转、优先级、多级反馈队列调度算法

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进程的同步与互斥

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进程互斥的软件实现方法

一、单标志检查法

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二、双标志先检查法

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三、双标志后检查法

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四、peterson算法

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进程互斥的硬件实现方法

一、中断屏蔽方法

使用开关中断实现。

二、TestAndSetLock

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三、Swap指令

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信号量机制

信号量其实就是一个变量(可以是一个整数，也可以是更复杂的记录型变量)，可以用一个信号量来表示系统中某种资源的数量，比如:系统中只有一台打印机，就可以设置一个初值为1的信号量。

原语是一种特殊的程序段，其执行只能一气呵成，不可被中断。原语是由关中断/开中断指令实现的。软件解决方案的主要问题是由“进入区的各种操作无法一气呵成”，因此如果能把进入区、退出区的操作都用“原语”实现，使这些操作能“一气呵成”就能避免问题。

一对原语：wait(S)原语和signal(S)原语，可以把原语理解为我们自己写的函数，函数名分别为wait和signal,括号里的信号量S其实就是函数调用时传入的一个参数。wait和signal也常写作P、V操作。

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用信号量实现进程互斥、同步、前驱关系

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生产者消费者问题

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读者写者问题

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哲学家进餐问题

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类似于封装好的类，只需调用接口实现进程的同步、互斥。

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生产者消费者问题管程解决方法：

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要预防死锁，只需破坏死锁产生的必要条件。

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银行家算法

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死锁的检测和接触

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覆盖技术与交换技术

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连续分配管理方式

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动态分区分配算法

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基本分页存储管理的基本概念

页框：将内存空间分为一个个大小相等的分区
页面：将进程的地址空间分为一个个和页框大小相等的分区

最终将页面离散的放入到页框中。

页表：为了知道进程的每个页面在内存中的物理地址，操作系统为每个进程建立一张页表。

页表也存放在页框中。

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基本地址变换机构

页号 = 逻辑地址 / 页框大小

页内偏移量 = 逻辑地址 % 页框大小

根据页号在页表中查找实际的块号：页表起始地址（存放在页表寄存器中） + 页号 * 页表项大小

物理地址 = 块号 * 页框大小 + 页内偏移量

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局部性原理

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具有快表的地址变换机构

快表存放在高速的存储器中，根据局部性原理，将最近查询的页表项放在块表中。

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基本分段存储管理方式

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段页式存储管理方式

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虚拟内存的基本概念

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请求分页管理方式

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页面置换算法

最佳置换算法OPT

该算法预判了以后要访问的页面情况，而这是无法准确预知的，因此该算法实际上无法实现。

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先进先出置换算法FIFO

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最近最久未使用LRU

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时钟置换算法CLOCK

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改进型时钟置换算法

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页面分配、置换策略

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文件的逻辑结构

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文件的物理结构

类似于内存分页，磁盘中的存储单元也会被分为一个个“块/磁盘块/物理块”。很多操作系统中，磁盘块的大小与内存块、页面的大小相同。

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文件存储空间管理

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文件的基本操作

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文件系统的层次结构

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磁盘的结构

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磁盘调度算法

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减少磁盘延迟时间的方法

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磁盘的管理

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I/O设备

I/O设备的概念

I/O设备: 计算机与外界的信息交互的载体。鼠标，键盘，磁盘，声卡，网卡等都属于I/O设备

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I/O控制器

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I/O控制方式

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I/O软件层次结构

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I/O核心子系统

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假脱机技术(SPOOLING技术)

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设备的分配与回收

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缓冲区管理

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  1. 王道考研 操作系统

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