计算机操作系统

操作系统

功能

　　作为用户和计算机硬件之间的接口，协调底层硬件和软件之间的关系，最接近硬件的软件。

并行VS并发

发展

　　1.手工操作：用纸带机，打孔是一，反之则零，但打点太慢，CPU会有大量等待时间

　　2.单道批处理：中间加入磁带，比纸带机快得多，但每次还是一个程序

　　3.多道批处理:一次读多个程序，操作系统的诞生

　　4.分时操作系统：以时间片单位，允许多个用户同时使用一台计算机，不足是不能优先处理一些紧急任务

　　5.实时操作系统：要在严格的时限里完成事件，及时性，可靠性，导弹系统，自动驾驶

运行机制

　　两种处理器状态：用户态，核心态，区别是CPU的执行权限不同，用PSW（程序状态寄存）的某标志位来管理，0用户态，1核心态。

　　内核（KERNEL）：最底层软件，是操作系统的核心部分。

中断机制

　　发生中断意味着操作系统介入，开展管理工作，这意味着操作系统要切换形态，切换到核心态，提高管理权限。

　　内中断：异常，指令中断，硬件故障（缺页），软件中断（整数除零）

　　外中断：狭义的中断，人工干预，外设请求

系统调用

　　向上提供简易的服务，包括命令接口，程序接口，程序接口由一组系统调用组成，系统中各种的共享资源都由操作系统统一掌管，由操作系统代为完成。发生在用户态，执行在核心态。

　　按管理功能分类：设备，文件，进程控制，进程通信，内存管理

进程

　　定义：通过PCB进程控制块，描述进程的各种信息。PCB，数据段，程序段组成进程实体（进程映像），PCB是进程存在的唯一标志

　　组成：

　　　　PCB：PID、UID、状态、优先级、程序段指针、数据段指针、各种处理器信息（寄存器信息）；

　　　　程序段：存放代码；

　　　　数据段：存放数据；

　　组织方式：对成千上万的PCB进行管理，链接方式（根据进程状态将PCB分为多个队列，操作系统持有各个队列的指针）；索引方式（建立索引表，操作系统持有指针）

　　特征：动态，并发，独立，异步，结构，是有生命的

　　进程三（五）状态
　　　　运行态：占有CPU

　　　　就绪态：已具备条件，但由于没有空闲的CPU，暂时不能运行，万事具备，只欠CPU

　　　　阻塞态（等待态）：等待某一事件而暂时不能运行

　　　　创建态：系统完成1创建过程

　　　　终止态：进程运行结束，遇到不可修复的错误

　　进程的控制：以PCB为载体，用原语（特殊的程序）实现，执行期间不能中断，具体有“关中断指令”和“开中断指令”，属于特权指令，必然在核心态。

　　进程通信（各进程拥有的内存地址空间相互独立，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间）：

　　　　共享存储：既然空间相互独立，不能互相访问，那就用共享空间，基于互斥原则。基于数据结构的共享，速度慢，低级通信；基于存储区，速度快，高级通信；

　　　　管道通信：用于连接读写进程的共享文件，半双工通信。当管道写满，写进程会被堵塞；管道变空，读进程被阻塞；

　　　　消息传递：消息头，消息体。直接通信，间接通信，间接通讯是先发到信箱里。

　　互斥：进入区，临界区，退出区，剩余区；空闲让进，忙则等待，有限等待，让权等待

　　　　1.单标志法：每个进程进入临界区的权限只能被另一个进程赋予，违背“空闲让进”，满足条件就会陷入循环中

　　　　2.双标志先检查法：标记各进程想进入临界区的意愿，可能会同时进入临界区，也就是说进入区的检查，上锁操作无法一气呵成

　　　　3.双标志后检查法：为了解决上一个方法的弊端，人们想到先变值，后判断，但会导致都进不去，死锁

　　　　4.Peterson算法：尝试孔融让梨，这里的进入区做了三个判断，中国人算法

　　5.信号量机制（重点）

　　信号量：表示系统中某种资源的数量，是一种变量，但只能做三种操作即初始化，P操作，V操作。wait，signal原语简称为PV（检测，增量）操作，java里也有相应的语句可以实现。

　　整型信号量：

　　记录型信号量：多一个队列来记录

　　进程同步：保证“一前一后”执行的两个操作，通过PV拆开两个进程，即使P2先执行也会被堵塞，等待V操作的加一。前操作后进行V操作，后操作前执行P操作

　　6.生产者，消费者（PV实现）

　　生产者进程生产进程到缓冲区，只要不满就可以继续放，类似管道

　　这两者看起来像一个环状的结构，我生产你才能消费，我消费你才能生产

　　7.管程

　　信号量机制编程难，易出错

　　管程是一种特殊的软件模块，对数据结构的一组函数，其实就是java的封装，你直接调接口就行

线程

　　轻量级进程，增加并发度。引入线程后，进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位。切换进程运行环境，开销大，而线程相对小很多。

　　用户级线程，内核级线程：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。

　　多线程模型：多对一（并发弱，一个阻塞了会影响其他的），一对一（各不影响），多对多（组合模式）

处理机调度

　　概念：银行（vip优先），上厕所（时间短的优先），按照某种规则来决定处理这些任务的顺序

　　三个层次：

　　　　高级调度【作业调度，外存与内存，从外存队列挑选一个作业，建立PCB，获得竞争处理机的权利，作业调出时撤销PCB】

　　　　中级调度【内存调度，引入虚拟存储技术，可将暂时不能运行的进程调至外存等待，称为挂起状态，但PCB会常驻内存。中级调度就是决定哪个挂起状态的进程重新调入内　　存，发生的频率比高级调度更高】

　　　　低级调度【进程调度，按照某种策略，从就绪队列选取一个进程放入CPU】

图解：

进程调度

　　进程切换的过程主要完成了对原有数据的保存，对新的进程数据的恢复。

　　非抢占方式：运行过程中，即便有紧迫的任务，当前进程依然会继续使用，直到进程终止或主动要求进入阻塞态

　　抢占方式：可优先处理紧迫的任务

　　进程调度算法指标：

　　　　CPU利用率：cpu利用时间/总时间

　　　　系统吞吐量：单位时间完成作业的数量

　　　　周转时间：作业提交给系统到作业完成

　　　　周转时间=等待时间+运行时间+（I/O操作时间）

　　　　平均周转时间：各作业周转时间之和/作业数

　　　　带权周转时间：周转时间/运行时间

　　　　平均带权周转时间：各作业带权周转时间/作业数

　　　　等待时间，平均等待时间，响应时间

调度算法

　　FCFS（先来先服务）：用于作业调度，考虑谁先到后备队列（外存）；用于进程调度，考虑谁先到就绪队列

　　SJF（短作业优先）：会导致饥饿现象，如果一直有短作业插入的话

　　抢占式SJF：最短剩余时间优先

　　HRRN（高响应比优先Highest response ratio next）：先计算响应比，选择响应比最高的，响应比=（等待时间+要求服务时间）/要求服务时间，不会导致饥饿

　　时间片轮转（RR，Round-Robin）：根据到达就绪队列的顺序，轮流让各进程执行一个时间片（100ms），一个时间片内若未执行完，将进程重新放到就绪队列队尾。如果时间片分配的太长，就会退化为先来先服务，太小的话，切换太频繁会消耗系统资源

　　优先级：优先级高的先运行，看清题目中优先数与优先级的关系。就绪队列未必只有一个，可按不同的优先级来组织，也可把优先级更高的排在靠近队头的位置。系统的，前台的进程的优先级高于用户的，后台的，且操作系统更偏好I/O型进程

　　多级反馈队列：综合以上的优点，很骚气，折中权衡，抢占式，你等的时间多，那我就给你补偿，下次给你更多的时间片，UNIX就是这个算法

死锁🔒

　　在并发环境下，各进程竞争资源而造成的一种互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，都无法向前推进的现象。

　　必要条件：互斥，不剥夺，请求和保持

　　饥饿：例如之前的短进程优先算法，有源源不断的短进程到来，长进程一直得不到处理，从而引发饥饿

　　预防死锁：破坏死锁的其中一个条件即可

　　死锁的检测：化简资源分配图，最后还连着边的进程就是死锁进程

　　死锁的解除：挂起某些死锁进程，但应防止饥饿现象；终止进程法；进程回退法

　　如何决定对谁动手：1.进程优先级；2.执行时间少的；3.还要多久；4.已经使用了多少资源；5.是交互式还是批处理

内存管理

　　装入模块装入内存：绝对装入（灵活性低，适用于单道程序环境，编译器完成）；静态重定位（装入的起始物理地址为100，则所有地址参数都+100）；动态重定位（运行时，在段寄存器的基础上加上逻辑地址）

　　链接方式：静态链接；装入时动态链接；运行时动态链接

　　内存的扩充：

　　　　覆盖技术：一个固定区，多个覆盖区，需要用到时调入内存，用不到时调出内存，必须由程序员声明覆盖，对用户不透明（单进程）

　　　　交换技术：内存与外存的交互，分为对换区，文件区，对换区的I/O速度比文件区的更快（多进程间）

连续分配（内存空间为进程连续分配，只需要维护头内存块地址+内存块数）：

　　单一连续分配：整个用户程序独占用户区，无外部碎片，有内部碎片（分配给进程的内存区域，有些部分没有用上）

　　固定分区分配：每个分区只能装入一个作业，分为分区大小相等，大小不等

　　动态分区分配：根据实际大小再建立分区，两种常用的数据结构：空闲分区表，空闲分区链（双向链表），可通过紧凑（Compaction）技术解决外部碎片

动态分区分配算法：

　　1.首次适应（First Fit）：从低地址开始查找，找到第一个满足大小的空闲分区

　　2.最佳：按容量递增排列，刚好满足即可。这样会导致留下越来越多的小内存块，会产生很多的外部碎片

　　3.最坏：按容量递减，优先使用最大的

　　4.邻近适应：首次适应会导致低地址部分出现很多小的空闲分区，若能从上次查找结束的位置开始检索，就是该算法的目的。此外，该算法的开销小，不需要排序

非连续分配（内存空间为进程非连续分配，）：

　　1.基本分页：将内存细化，将进程也细化，利用微分思想，将内部碎片降低到尽可能地小。内存细化为等长的页框（大小一定为2的整数幂），相对应地，进程也细化为相同长度的页面，每个页面会离散的存放到页框中。一个进程对应一张页表，页表中存储的信息为页号（逻辑地址的起始位置）和内存块号（内存物理地址的起始位置）——页表项。

　　确定页面大小后，可以根据计算机以二进制进行存储的特性，确定每个页表项的大小（向上取2的整数幂），确定了页表项大小后，可以隐藏页号，根据起始地址和页表项长度即可找到所有进程对应的内存块地址，此处的页表项长度即为一个页面中包含的页表项数量。

　　局部性原理：时间局部性（某个数据被访问，不久之后很可能会被再次访问），空间局部性（一旦访问某个存储单元，不久之后其附近的存储单元很可能会被再次访问）

　　快表：相当于一个高速缓存，查询时先查快表，若是快表没有，再去慢表（内存中），之后向快表加一条记录

　　单级页表问题：由局部性原理可知，进程在一段时间内只需要访问某几个页面就可以正常运行了，没有必要让整个页表都常驻内存

　　两级页表：做个分组，整出二级页表，这样页表就变小了

　　2.基本分段：类似于分页，有段表。每个段的大小不一致，是按逻辑功能划分的。编程更方便，可读性强。

　　3.段页式：结合以上两种优点，先分段再分页。段号的位数决定每个进程分为多少段，页号位数决定每段最大多少页，页内偏移量决定页面大小，内存块大小。

虚拟内存

　　传统存储管理方式：作业必须一次性全部装入内存才能开始运行，大作业无法运行；驻留性：一旦作业进入内存，会一直驻留在内存。

　　在操作系统的管理下，用户看起来有一个比实际内存大得多的内存，这就是虚拟内存。磁盘参与存储，进程中未激活部分存入磁盘中，在激活后被调入内存中。

　　虚拟内存特性：多次行，对换性（允许作业的换入换出），虚拟性

　　请求分页方式：在基本分页的基础上加了几个表项，状态位（是否在内存），访问字段，修改位（修改过的页面才能置换到外存），外存地址

　　页面置换算法：内存不够时，将暂时不用的信息换到外存，追求更少的缺页率（频繁的换入换出会导致缺页）

　　　　1.最佳置换算法：最理想的算法，所以无法实现

　　　　2.先进先出：这个黄兄在黑板上讲过，谁在内存块的时间长，谁淘汰。会产生Belady异常（当为进程分配的物理块数增大时，缺页次数不减反增），实现简单，性能差

　　　　3.最近最久未使用（LRU）：最近最久未使用的先淘汰，需要专门的硬件支持，算法开销大

　　　　3.时钟置换算法（CLOCK）：设置访问位，连接成循环队列，是零，就将该页面换出

　　　　4.改进版时钟置换算法：优先淘汰没有修改过的页面，新加一位修改位，最多四轮扫描（00，01，10，11），条件依次放宽

文件管理

　　逻辑结构：无结构文件（流式文件）；有结构文件（记录式文件）

　　FCB：文件控制块，文件的基本信息

文件的物理结构：

　　1.连续分配：

　　2.隐式链接分配：

　　3.显示链接分配：

　　4.索引分配：

　　索引分配的优化：

空间管理：

　　1.空闲表法：起始位置，空闲块长度，适用于连续分配

　　2.空闲链表法：盘块链（物理块之间链接），盘区链（多个连续物理块之间链接，每个连续物理块的信息维护在头物理块中）

　　3.位示图法：

　　4.成组链接法：UNIX采用的策略，适合大型文件系统

文件基本操作

　　新建：调用create系统调用，大小，路径，文件名

　　打开：查询系统里的打开文件表，打开计数器来记录有多少进程打开了该文件

　　共享：基于索引节点（硬链接）各用户指向同一个索引节点，索引节点需要有链接计数count，某用户删除文件时，只是删除该用户的目录项，且count–，只有当count==0时，才能真正删除文件数据和索引节点；基于符号链（软链接）类似快捷方式，当双击快捷方式时，系统判断是LINK类型的快捷方式文件时，会根据其中的路径信息检索目录，最终找到exe文件。

　　文件保护：口令保护，口令一般存放在FCB，索引节点中；加密保护，异或加密，对文件原始数据的加密，用户自己记住密码即可。

　　访问控制列表：分组，不同人有不同权限。