操作系统知识点整理笔记（一）

作者: dev_winner | 来源:发表于2020-11-03 11:36 被阅读0次

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操作系统（Operating System，简称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。
进程是一个程序的执行过程。执行前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。
操作系统的功能和目标：
- 一、作为系统资源的管理者：提供的功能：①处理机管理；②存储器管理；③文件管理；④设备管理。目标：安全、高效。
- 二、作为用户和计算机硬件之间的接口：提供的功能：①命令接口：允许用户直接使用，可以分为联机命令接口（用户说一句，系统做一句，等价于交互式命令接口）和脱机命令接口（用户说一堆，系统做一堆，等价于批处理命令接口）；②程序接口：允许用户通过程序间接使用（由一组系统调用组成，等价于系统调用，也称广义指令）；③GUI：现代操作系统中最流行的图形用户接口。目标：方便用户使用。
- 三、作为最接近硬件的层次：提供的功能和目标：实现对硬件机器的拓展。裸机：没有任何软件支持的计算机。扩充机器（虚拟机）：把覆盖了软件的机器。
操作系统的特征：①并发；②共享；③虚拟；④异步。其中，并发和共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件！
- 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。
- 并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。
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。操作系统和程序并发是一起诞生的。
操作系统的共享性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。
共享（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。有2种共享方式：①互斥共享：一个时间段内只允许一个进程访问该资源，如：对摄像头设备的共享使用；②同时共享（分时共享）：允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问，如：对硬盘资源的共享使用。
虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的。没有并发性，就谈不上虚拟性。
- 电脑中多个程序同时运行需要的内存远大于4GB不会崩掉的原因：虚拟技术中的空分复用技术。如：虚拟存储器技术。
- 单核CPU的电脑中能同时运行多个程序的原因：虚拟技术中的时分复用技术，微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务。如：虚拟处理器。
异步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。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。
OS的发展和分类：
- ①手工操作阶段：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；
- ②批处理阶段：
  - a、单道批处理系统：引入脱机输入/输出技术（用磁带完成），并监督程序（操作系统的雏形）负责控制作业的输入、输出。主要优点：缓解了一定程度上的人机速度矛盾，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。
  - b、多道批处理系统（操作系统开始出现）：每次往内存中输入多道程序，同时引入了中断技术。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和其它资源保持“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）
- ③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。
- ④实时操作系统：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。主要特点是及时性和可靠性。
  - a、硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理，如：导弹控制系统、自动驾驶系统等。
  - b、软实时系统：能接受偶尔违反时间规定，如：12306火车订票系统等。
- ⑤网络操作系统：伴随着计算机网络的发展而诞生的，能把网络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现网络中各种资源的共享（如文件共享）和各台计算机之间的通信，如：Windows NT等。
- ⑥分布式操作系统：主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同地完成这个任务。
- ⑦个人计算机操作系统：如 Windows XP、MacOS，方便个人使用。

使用单道批处理技术处理三个作业

使用多道批处理技术处理三个作业

指令就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令。
- 特权指令：如内存清零指令，不允许用户程序使用；
- 非特权指令：如普通的运算指令ddd。
两种处理器状态：①用户态（目态）：此时CPU只能执行非特权指令；②核心态（管态）：特权指令、非特权指令都可执行。用程序状态字寄存器（PSW）中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如0为用户态，1为核心态。
两种程序：①内核程序：是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态；②应用程序：为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态。

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。
操作系统内核：
- 时钟管理：实现计时功能；
- 中断处理：负责实现中断机制；
- 原语：是一种特殊的程序；处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分；这种程序的运行具有原子性（其运行只能一气呵成，不可中断）；运行时间较短、调用频繁。
- 对系统资源进行管理的功能：①进程管理；②存储器管理；③设备管理。
操作系统的体系结构：大内核和微内核。
- 大内核：将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态。优点：高性能；缺点：内核代码庞大，结构混乱，难以维护。
- 微内核：只把最基本的功能保留在内核。优点：内核功能少，结构清晰，方便维护。缺点：需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低。
发生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要从用户态切换为核心态。中断（唯一途径）可以使CPU从用户态转为核心态，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。
当中断发生时，CPU立即进入核心态。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。对于不同的中断信号，会进行不同的处理。
核心态->用户态的切换是通过执行一条特权指令，将程序状态字（PSW）的标志位设置为“用户态”。
中断的分类：
- 内中断（也称为异常、例外、陷入）：
  - 自愿中断：指令中断，如：系统调用时使用的访管指令，有意而为之的异常（又叫陷入指令、trap指令）。
  - 强迫中断：①硬件故障（fault）：由错误条件引起的，可能被故障处理程序修复，如缺页。②软件中断（abort）：不可恢复的致命错误造成的结果，终止处理程序不再将控制返回给引发终止的应用程序，如整数除0。
- 外中断（狭义的中断）：
  - 外设请求，如：I/O操作完成发出的中断信号。
  - 人工干预，如：用户强行终止一个进程。
- 两者的区别：信号的来源：
  - 内中断：CPU内部与当前执行的指令有关；
  - 外中断：CPU外部与当前执行的指令无关。
外中断的处理过程：
- 执行完每个指令之后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号；
- 若检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如：程序状态字PSW、程序计数器PC，各种通用寄存器）
- 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序。
- 恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行。
系统调用是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。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供服务请求，由操作系统代为完成，这样可以保证系统的稳定性和和安全性，防止用户进行非法操作。

系统调用与库函数的区别

系统调用背后的过程：传递系统调用参数->执行陷入命令（用户态）->执行系统调用相应服务程序（核心态）->返回用户程序。
- 陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，从而CPU进入核心态。
- 发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行。
- 陷入指令（非特权指令）是唯一一个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令。
程序就是一组指令序列。早期的计算机中只支持单道程序，在内存中存放程序段（低地址）和数据段（高地址）两部分。程序的代码放在程序段内，程序运行过程处理的数据放在数据段内（如变量）。
内存中同时放入多道程序，各个程序的代码、运算数据存放的位置不同。系统为每个运行的程序配置一个数据结构，称为进程控制块（PCB），用来描述进程的各种信息（如程序代码存放的位置）。
进程实体（进程映像），一般认为是进程：PCB、程序段、数据段。创建进程，实质上是创建进程实体中的PCB，撤销进程实质上是撤销进程实体中的PCB。注意：PCB是进程存在的唯一标志！
- 进程是程序的一次执行过程。
- 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。
- 进程是具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程（强调“动态性”），它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。进程实体是静态的，进程则是动态的。
进程的管理者（操作系统）所需的数据都在PCB中。程序段和数据段存放的是程序本身运行所需的数据。
进程（进程实体）由程序段、数据段、PCB三部分组成。PCB的组成部分：
- 进程的描述信息：①进程标识符PID：当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的ID，用于区分不同的进程（类似于身份证号）；②用户标识符UID。
- 进程控制和管理信息：①进程当前状态；②进程优先级。
- 资源分配清单：①程序段指针；②数据段指针；③键盘；④鼠标。
- 处理机相关信息：各种寄存器（当进程切换时需要把进程当前的运行情况记录下来保存在PCB中，如程序计数器的值表示了当前程序执行到哪一句）。

进程的组织--链接方式

进程的组织--索引方式

进程的几种基本状态：①新建态（New）：进程正在被创建，操作系统为进程分配资源、初始化PCB；②就绪态（Ready）：已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，而暂时不能运行（万事具备，只欠CPU）；③运行态（Running）：占有CPU，并在CPU上运行；④阻塞态（Waiting/Blocked，又称：等待态）：因等待一事件而暂时不能运行。注意：单核处理机环境下，每个时刻最多只有一个进程处于运行态。双核环境下可以同时有两个进程处于运行态。如，等待系统分配打印机、等待读磁盘操作的结果。⑤终止态（Terminated，又称：结束态）：进程正在从系统中撤销，操作系统会回收进程拥有的资源、撤销PCB。

进程状态的转换

进程控制就是要实现进程状态的转换。

用原语实现进程控制。其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原子操作。原语采用关中断指令和开中断指令实现。关/开中断指令的权限非常大，必然是只允许在核心态下执行的特权指令。

无论哪个原语，要做的无非三类事情：
- 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）
  - 所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志；
  - 剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境；
  - 某进程开始运行前必然要恢复其运行环境。
- 将PCB插入合适的队列
- 分配/回收资源

进程的终止

进程的阻塞和唤醒

进程通信：进程之间的信息交换，有3种方式：①共享存储；②消息传递；③管道通信。进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。为了保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。

进程通信--共享存储

进程通信--管道通信

进程通信--消息传递

线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。引入线程后，进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元（如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的）。

引入线程机制后带来的变化

线程的属性

线程的两种实现方式：
- 用户级线程（User-Level-Thread，简写为：ULT）由应用程序通过线程库实现。所有的线程管理工作都由应用程序负责（包括线程切换）。
  - 用户级线程中，线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作完成系统干预。
  - 在用户看来，是有多个线程，但在操作系统内核看来，并没有意识到线程的存在。用户级线程对用户不透明（能看见），对操作系统透明（看不见）。总之，用户级线程就是从用户视角看能看到的线程。
- 内核级线程（Kernel-Level-Thread，简称为KLT，又称为内核支持的线程）的管理工作由操作系统内核完成。线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然要在核心态下才能完成。总之，内核级线程就是从操作系统内核视角看能看的线程。

用户级线程

内核级线程

在同时支持用户级线程和内核线程的系统中，可采用二者组合的方式：将n个用户级线程映射到m个内核线程上（ $n \ge m$ ）。操作系统只“看得见”内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。

在上面这个模型中，即使该进程在一个4核处理机的计算机上运行，也最多只能被分配到两个核，最多只能有两个用户线程并发执行。
多线程模型：
- 多对一模型：多个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程只对应一个内核级线程。
  - 优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高。
  - 缺点：当一个用户级线程被阻塞后，整个线程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行。
- 一对一模型：一个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。
  - 优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。
  - 缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。
- 多对多模型：n个用户级线程映射到m个内核级线程（）。每个用户进程对应m个内核级线程。
  - 优点：克服了多对一模型并发度不高的缺点，又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。

线程、多线程模型

处理机调度就是从就绪队列中按照一定的算法选择一个进程并将处理机分配给它运行，以实现进程的并发执行。
- 高级调度（作业调度）：按一定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个（或多个）作业，给它们分配内存等必要资源，并建立相应的进程（建立PCB），以使它们获得竞争处理机的权利。高级调度是辅存（外存）与内存之间的调度。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立相应的PCB，作业调出时才撤销PCB。高级调度主要是指调入的问题，因为只有调入的时机需要操作系统来确定，但调出的时机必然是作业运行结束才调出。
- 中级调度（内存调度）：引入了虚拟存储技术后，可将暂时不能运行的进程调至外存等待。等它重新具备了运行条件且内存又稍有空闲时，再重新调入内存。目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。即决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。一个进程可能会被多次调出、调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高。
暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态（suspend）。注意：PCB并不会一起调到外存，而是会常驻内存。PCB中会记录进程数据在外存中的存放位置，进程状态等信息，操作系统通过内存中的PCB来保持对各个进程的监控、管理。被挂起的进程PCB会被放到的挂起队列中。
挂起态又可以细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态。

七状态模型

挂起和阻塞的区别：两种状态都是暂时不能获得CPU的服务，但挂起态是将进程映像调到外存中去了，而阻塞态下进程映像还在内存中。
低级调度（进程调度）：其主要任务是按照某种方法和策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它。进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度。进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次。

处理机调度

进程调度时机

进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换。
临界资源：一个时间段内只允许一个进程使用的资源。各进程需要互斥地访问临界资源。临界区：访问临界资源的那段代码。
内核程序临界区：一般是用来访问某种内核数据结构的，比如进程的就绪队列（由各就绪进程的PCB组成）。若还没退出临界区（还没解锁）就进行进程调度，而进程调度相关的程序也需要访问就绪队列，但此时就绪队列被锁住了，因此又无法顺利进行进程调度。内核程序临界区访问的临界资源若不尽快释放的话，极有可能影响到操作系统内核的其他管理工作，即在访问内核程序临界区期间不能进行调度与切换。

进程调度的方式

狭义的进程调度：指的是从就绪队列中选中一个要运行的进程。（这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程，也可能是另一个进程，后一种情况就需要进程切换）
进程切换：指一个进程让出处理机，由另一个进程占用处理机的过程。
广义的进程调度包含了选择一个进程和进程切换两个步骤。
进程切换的过程主要完成了：
- 对原来运行进程各种数据的保存；
- 对新的进程各种数据的恢复。如：程序计数器、程序状态字、各种数据寄存器等处理现场信息，这些信息一般保存在进程控制块。