操作系统

一、基本功能

1. 进程管理

进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。

2. 内存管理

内存分配、地址映射、内存保护与共享、虚拟内存等。

3. 文件管理

文件存储空间的管理、目录管理、文件读写管理和保护等。

4. 设备管理

完成用户的 I/O 请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率。
主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理、虛拟设备等。

二、进程管理

1. 进程与线程

进程

进程是资源分配的基本单位。

进程控制块 (Process Control Block, PCB) 描述进程的基本信息和运行状态，所谓的创建进程和撤销进程，都是指对 PCB 的操作。

下图显示了 4 个程序创建了 4 个进程，这 4 个进程可以并发地执行。

线程

线程是独立调度的基本单位。

一个进程中可以有多个线程，它们共享进程资源。

QQ 和浏览器是两个进程，浏览器进程里面有很多线程，例如 HTTP 请求线程、事件响应线程、渲染线程等等，线程的并发执行使得在浏览器中点击一个新链接从而发起 HTTP 请求时，浏览器还可以响应用户的其它事件。

区别

Ⅰ 拥有资源
进程是资源分配的基本单位，但是线程不拥有资源，线程可以访问隶属进程的资源。

Ⅱ 调度
线程是独立调度的基本单位，在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换，从一个进程中的线程切换到另一个进程中的线程时，会引起进程切换。

Ⅲ 系统开销
由于创建或撤销进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I/O 设备等，所付出的开销远大于创建或撤销线程时的开销。类似地，在进行进程切换时，涉及当前执行进程 CPU 环境的保存及新调度进程 CPU 环境的设置，而线程切换时只需保存和设置少量寄存器内容，开销很小。

Ⅳ 通信方面
线程间可以通过直接读写同一进程中的数据进行通信，但是进程通信需要借助 IPC。

2. 进程的几种状态

运行状态：进程正在处理机上运行
就绪状态：进程已经获得了除处理机之外的一切所需资源
阻塞状态：进程正在等待某一事件而暂停执行
创建状态：进程正在被创建，尚未转到就绪状态。
结束状态：进程正在从系统中消失，分为正常结束和异常退出。

3. 进程间的通信方式

管道( pipe )：管道是通过调用 pipe 函数创建的，只支持半双工通信，只能在父子进程或者兄弟进程中使用。
有名管道（FIFO）：也称为命名管道，也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。
消息队列（message queue）：消息队列可以独立于读写进程存在，从而避免了 FIFO 中同步管道的打开和关闭时可能产生的困难；避免了 FIFO 的同步阻塞问题，不需要进程自己提供同步方法；读进程可以根据消息类型有选择地接收消息，而不像 FIFO 那样只能默认地接收。
信号量（semophore）：它是一个计数器，用于为多个进程提供对共享数据对象的访问。
共享存储（shared memory）：允许多个进程共享一个给定的存储区。
套接字（socket）：可用于不同机器间的进程通信。

进程同步与进程通信区别：

进程同步：控制多个进程按一定顺序执行.
进程通信：进程间传输信息。

进程通信是一种手段，而进程同步是一种目的。也可以说，为了能够达到进程同步的目的，需要让进程进行通信，传输一些进程同步所需要的信息。

二、并发和并行

并发是指宏观上在一段时间内能同时运行多个程序，而并行则指同一时刻能运行多个指令。

并行需要硬件支持，如多流水线、多核处理器或者分布式计算系统。

操作系统通过引入进程和线程，使得程序能够并发运行。

并发和并行

并发：单核，通过任务切换同时完成AB
并行：多核，两个核心同时完成AB

三、死锁

1. 概念

死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

2. 必要条件

(1) 互斥：每个资源要么已经分配给了一个进程，要么就是可用的。
(2) 占有和等待：已经得到了某个资源的进程可以再请求新的资源。
(3) 不可抢占：已经分配给一个进程的资源不能强制性地被抢占，它只能被占有它的进程显式地释放。
(4) 环路等待：有两个或者两个以上的进程组成一条环路，该环路中的每个进程都在等待下一个进程所占有的资源。

3. 处理方法

(1) 鸵鸟策略
把头埋在沙子里，假装根本没发生问题。因为解决死锁问题的代价很高，因此鸵鸟策略这种不采取任务措施的方案会获得更高的性能。
当发生死锁时不会对用户造成多大影响，或发生死锁的概率很低，可以采用鸵鸟策略。

(2) 死锁检测与死锁恢复
不试图阻止死锁，而是当检测到死锁发生时，采取措施进行恢复。利用抢占恢复，利用回滚恢复，通过杀死进程恢复。

(3) 死锁预防
在程序运行之前预防发生死锁。破坏必要条件。

(4) 死锁避免
在程序运行时避免发生死锁。

四、同步任务和异步任务

同步任务：在主线程上排队执行的任务，只有前一个任务执行完毕，才能执行后一个任务。

异步任务：不进入主线程、而进入"任务队列"的任务，只有"任务队列"通知主线程，某个异步任务可以执行了，该任务才会进入主线程执行。

五、编译系统

以下是一个 hello.c 程序：

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("hello, world\n");
    return 0;
}

在 Unix 系统上，由编译器把源文件转换为目标文件。

gcc -o hello hello.c

这个过程大致如下：

(1) 预处理阶段：处理以 # 开头的预处理命令；
(2) 编译阶段：翻译成汇编文件；
(3) 汇编阶段：将汇编文件翻译成可重定位目标文件；
(4) 链接阶段：将可重定位目标文件和 printf.o 等单独预编译好的目标文件进行合并，得到最终的可执行目标文件

3. 操作系统