操作系统

操作系统概述

TODO：本文为目录，后续使用连接补全。

1. 操作系统的定义与功能

定义

操作系统是管理硬件、软件资源，并为应用程序提供服务的系统软件。

功能

• 进程管理
• 内存管理
• 文件管理
• I/O设备管理
• 安全与保护

2. 操作系统的发展

• 批处理系统
• 分时系统
• 实时操作系统
• 网络操作系统
• 分布式操作系统

3. 操作系统的类型

• 单用户与多用户
• 单任务与多任务
• 实时操作系统
• 嵌入式操作系统

二、进程管理

1. 进程与线程

进程（Process）的概念

• 定义：程序执行时的实例
• 状态：新建、就绪、运行、等待、终止

线程（Thread）的概念

• 线程是进程中的最小执行单元
• 分类：用户级线程与内核级线程

2. 进程控制

• 进程创建：系统调用（fork()、exec()、wait()）
• 进程表与进程控制块（PCB）
• 进程终止：正常终止与异常终止；僵尸进程

3. 进程调度

• 调度的分类：非抢占式调度、抢占式调度
• 调度算法：
  • 先来先服务（FCFS, First-Come-First-Served）
  • 短作业优先（SJF, Shortest Job First）
  • 时间片轮转（RR, Round-Robin）
  • 多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue）

4. 线程管理

• 线程的创建与终止
• 多线程编程
• 线程同步
• 线程池

三、同步与互斥

1. 临界区问题

• 定义：同一时刻只能有一个进程或线程进入的共享资源访问区
• 解决方案：禁用中断、锁机制、信号量（Semaphore）、互斥量（Mutex）

2. 同步机制

• 信号量：P操作与V操作；二值信号量与计数信号量
• 管程（Monitor）
• 条件变量：等待和通知机制
• 事件（Event）

3. 死锁

• 概念：多个进程相互等待，无法继续执行
• 必要条件：互斥条件、占有且等待、不可剥夺、环路等待
• 处理方法：死锁预防、死锁避免（银行家算法）、死锁检测与恢复

四、内存管理

1. 内存分配

• 连续内存分配：固定分区分配、动态分区分配（内存碎片问题）
• 非连续内存分配：分页（Paging）、分段（Segmentation）、段页式管理

2. 虚拟内存

• 概念：将部分进程地址空间映射到磁盘上，通过页面调度机制实现内存扩展
• 分页与页面置换
• 页面置换算法：最优页面置换算法（OPT）、最近最少使用（LRU, Least Recently Used）、先进先出（FIFO, First In First Out）
• 页面抖动

3. 内存保护与共享

• 地址转换：基址寄存器与限长寄存器、页表机制、段表机制
• 内存保护：虚拟地址到物理地址的映射、保护位与权限控制、缺页异常

五、文件系统

1. 文件概念与属性

• 定义：存储数据的基本单位
• 属性：名称、大小、类型、权限、时间戳
• 操作：创建、删除、打开、关闭、读写

2. 目录管理

• 目录结构：单级目录、两级目录、树形目录、图形目录（带链接的目录）
• 目录操作：目录创建与删除、目录的遍历与搜索

3. 文件存储管理

• 文件分配方式：连续分配、链接分配、索引分配
• 文件系统的实现：文件控制块（FCB）、索引节点（inode）
• 磁盘空间管理：位图法、空闲表法

4. 文件系统的安全与保护

• 文件权限：读、写、执行权限
• ACL（访问控制列表）
• 文件加密

六、输入/输出系统

1. I/O设备概述

• 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪
• 输出设备：显示器、打印机
• 存储设备：硬盘、光盘、U盘

2. I/O系统结构

• I/O控制方式：程序直接控制、中断驱动I/O、DMA（直接存储器访问）
• I/O接口：设备控制器、设备寄存器

3. 磁盘调度算法

• 先来先服务（FCFS, First-Come-First-Served）
• 最短寻道时间优先（SSTF, Shortest Seek Time First）
• 扫描算法（SCAN）
• 循环扫描算法（C-SCAN）

七、操作系统安全与保护

1. 安全威胁与漏洞

• 恶意软件：病毒、蠕虫、木马、勒索软件
• 系统漏洞：提权漏洞、缓冲区溢出

2. 安全机制

• 认证机制：密码学与加密技术、用户认证（如用户名/密码、双因素认证）
• 访问控制：访问控制矩阵、ACL（访问控制列表）、RBAC（基于角色的访问控制）
• 审计与日志：系统日志、安全审计

3. 安全模型

• 贝尔-拉帕杜拉模型（Bell-LaPadula Model）
• 机密性模型
• 比巴模型（Biba Model）
• 完整性模型

八、分布式系统

1. 分布式系统概述

• 定义：多个独立计算机通过网络协同工作提供服务的系统
• 特点：透明性、扩展性、容错性

2. 分布式系统架构

• 客户机-服务器架构（Client-Server）
• 对等网络架构（P2P, Peer-to-Peer）
• 微服务架构

3. 进程通信与同步

• 进程通信方式：消息传递、远程过程调用（RPC）、分布式对象（CORBA）
• 分布式锁与一致性算法：分布式锁实现（如ZooKeeper）、一致性算法（如Paxos、Raft）

九、虚拟化与云计算

1. 虚拟化技术

• 概念：通过软件模拟硬件资源，使多个虚拟机共享同一物理资源的技术
• 虚拟机管理程序（Hypervisor）：
  • Type 1：裸机虚拟化（如VMware ESXi）
  • Type 2：宿主机虚拟化（如VirtualBox）

2. 容器技术

• 概念：通过操作系统级虚拟化来隔离应用程序
• Docker与Kubernetes

3. 云计算

• 模型：
  • IaaS（基础设施即服务）
  • PaaS（平台即服务）
  • SaaS（软件即服务）