计算机操作系统笔记
- 一、操作系统
- 1.1、概念
- 1.2、操作系统的功能和目标
- 1.3、操作系统的四个特征
- 1.4、 操作系统的发展与分类
- 1.5、 操作系统的运行机制体系结构
- 1.6、中断和异常
- 1.7、系统调用
- 二、进程
- 2.1 进程的定义、组成、组织、特征
- 2.1.1、定义
- 2.1.2、组成
- 2.1.3、组织
- 2.1.4、特征
- 2.2、 进程的状态与转换
- 2.2.1、三种状态+两种特殊状态
- 2.2.2、进程状态的转换
- 2.3、 进程控制
- 2.4、进程通信
- 2.5、线程、多线程模型
- 2.5.1、线程的属性
- 2.5.2、线程的实现方式
- 2.5.3、多线程模型
- 计算机操作系统笔记(二)
- 计算机操作系统笔记(三)
- 计算机操作系统笔记(四)
一、操作系统
1.1、概念
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
1.2、操作系统的功能和目标
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。
- 作为系统资源的管理者
提供的功能：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理
目标：安全、高效 - 作为用户和计算机硬件之间的接口
提供的功能: 命令接口（联机命令接口、脱机命令接口）【允许用户直接使用】、程序接口【允许用户通过程序间接使用】、GUI(图形用户界面)
目标：方便用户使用 - 作为最接近硬件的层次
需要提供的功能和目标:实现对硬件机器的拓展
1.3、操作系统的四个特征
- 并发
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。 - 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
互斥共享方式:系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源同时共享方式:系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问 - 虚拟
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（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者)是用户感受到的。
空分复用技术(如虚拟存储器技术)
时分复用技术(如虚拟处理器) - 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。只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性。
1.4、 操作系统的发展与分类
- 批处理阶段――单道批处理系统
引入脱机输入/输出技术（用磁带完成)，并监督程序负责控制作业的输入、输出
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。 - 批处理阶段―—多道批处理系统
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) - 分时操作系统
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。 - 实时操作系统
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
1.5、 操作系统的运行机制体系结构
- 两种指令
特权指令︰如内存清零指令
非特权指令︰如普通的运算指令 - 两种处理器状态
用户态(目态)
核心态(管态) - 两种程序
内核程序：操作系统的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。
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
原语是一种特殊的程序心是最接近硬件的部分，这种程序的运行具有原子性。
时钟管理实现计时功能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。
最常考知识点:
1.特权指令只能在核心态下执行
2.内核程序只能在核心态下执行
3.核心态、用户态之间的切换
1.6、中断和异常
中断本质:发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作
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/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→核心态是通过中断实现的。并且中断是唯一途径。核心态→用户态的切换是通过执行一个特权指令，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（也称异常、例外、陷入) 信号的来源:CPU内部与当前执行的指令有关 eg:缺页|整数除0
外中断 (中断) 信号的来源:CPU外部与当前执行的指令无关 eg:如:I/O操作完成发出的中断信号
外中断的处理过程
Step 1: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
Step 2:如果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)
Step 3:根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
Step 4: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
1.7、系统调用
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。
传递系统调用参数→执行陷入指令（用户态）→执行系统调用相应服务程序（核心态）→返回用户程序
注意:
1.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 2.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
3.陷入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
二、进程
2.1 进程的定义、组成、组织、特征
2.1.1、定义
程序:就是一个指令序列
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。
注意:PCB是进程存在的唯一标志!
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。
2.1.2、组成
进程（进程实体）由程序段、数据段、PCB三部分组成。
PCB:操作系统通过PCB来管理进程,因此PCB中应该包含操作系统对其进行管理所需的各种信息。
数据段:程序运行时使用、产生的运算数据。如全局变量、局部变量、宏定义的常量就存放在数据段内
程序段:程序代码即存放在此
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
各种寄存器值: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
2.1.3、组织
- 链接方式：（队列）
按照进程状态将PCB分为多个队列
操作系统持有指向各个队列的指针 - 索引方式：（索引表）
根据进程状态的不同，建立几张索引表
操作系统持有指向各个索引表的指针
2.1.4、特征
动态性：进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的【动态性是进程最基本的特征 】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：各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，操作系统要提供"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。结构上看，进程由程序段、数据段、PCB组成
2.2、 进程的状态与转换
2.2.1、三种状态+两种特殊状态
运行态(Running)：占有CPU，并在CPU上运行【注意:单核处理机环境下，每一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)】
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
阻塞态(Waiting/Blocked，又称:等待态)：因等待某一事件而暂时不能运行
创建态(New，又称:新建态)：进程正在被创建，操作系统为进程分配资源、初始化PCB
终止态（Teriminated，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
2.2.2、进程状态的转换
运行态→阻塞态是一种进程自身做出的主动行为
阻塞态→就绪态是不是进程自身能控制的，是一种被动行为
注意:不能由阻塞态直接转换为运行态也不能由就绪态直接转换为阻塞态
2.3、 进程控制
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原子操作。
原语采用“关中断指令”和“开中断指令”实现
- 创建原语
申请空白PCB
为新进程分配所需资源
初始化PCB
将PCB插入就绪队列 - 撤销原语
从PCB集合中找到终止进程的PCB
若进程正在运行，立即剥夺CPU，将CPU分配给其他进程
终止其所有子进程
将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
删除PCB - 阻塞原语
找到要阻塞的进程对应的PCB
保护进程运行现场，将PCB状态信息设置为“阻塞态"，暂时停止进程运行
将PCB插入相应事件的等待队列 - 唤醒原语
在事件等待队列中找到PCB
将PCB从等待队列移除，设置进程为就绪态
将PCB插入就绪队列，等待被调度 - 切换原语
将运行环境信息存入PCB
PCB移入相应队列
选择另一个进程执行，并更新其PCB
根据PCB恢复新进程所需的运行环境**阻塞和唤醒要成对出现**
2.4、进程通信
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。
- 共享存储
两个进程对共享空间的访问必须是互斥的
基于数据结构的共享:比如共享空间里只能放一个长度为10的数组。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式
基于存储区的共享:在内存中画出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程控制，而不是操作系统。相比之下，这种共享方式速度更快，是一种高级通信方式。 - 消息传递
进程间的数据交换以格式化的消息(Message）为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换。
直接通信方式:消息直接挂到接收进程的消息缓冲队列上
间接通信方式:消息要先发送到中间实体（信箱）中，因此也称“信箱通信方式”。Eg:计网中的电子邮件系统 - 管道通信
1．管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。
2.各进程要互斥地访问管道。
3．数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write()系统调用将被阻塞，等待读进程将数据取走。当读进程将数据全部取走后，管道变空，此时读进程的read()系统调用将被阻塞。
4．如果没写满，就不允许读。如果没读空，就不允许写。
5.数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，这就意味着读进程最多只能有一个,否则可能会有读错数据的情况。
2.5、线程、多线程模型
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。
引入线程之后，不仅是进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一步提升了系统的并发度，使得一个进程内也可以并发处理各种任务
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）。
2.5.1、线程的属性
- 线程是处理机调度的单位
- 多CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU 入
- 每个线程都有一个线程ID、线程控制块(TCB)
- 线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态
- 线程几乎不拥有系统资源
- 同一进程的不同线程间共享进程的资源
- 由于共享内存地址空间，同一进程中的线程间通信甚至无需系统=
- 同一进程中的线程切换，不会引起进程切换
- 不同进程中的线程切换，会引起进程切换
- 切换同进程内的线程，系统开销很小
- 切换进程，系统开销较大
2.5.2、线程的实现方式
- 用户级线程
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，无需操作系统干预。 - 内核级线程
内核级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需要在核心态下才能完成。
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。
2.5.3、多线程模型
多对一模型:多个用户及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。
一对一模型:一个用户及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。多对多模型:n用户及线程映射到m个内核级线程(n >= m）。每个用户进程对应m个内核级线程。
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