前言
操作系统是计算机专业中非常核心也是很基础的课程，但是很多人在学习编程的过程中却忽略了对它的学习，我当时因为疫情在家上网课，所以没有认真学习这门课程。近日有些空闲时间，于是重温了哈工大李治军老师的《操作系统》课程，以此留下学习记录。
一.概述
1.1 什么是操作系统？
操作系统就是一个管理计算机硬件资源的一种软件。它的位置在硬件之上，用户软件之下，可以帮助我们的应用软件更好的进行调度系统硬件资源。
1.2 操作系统的发展过程
- 上古神机IBM7094,造价在250万美元以上。
一台计算机只用做一件事情，批处理操作系统，专注于计算，没有多进程的概念。
- OS/360(1965-1980)
需要让一台计算机做多件事情，有多个程序运行。作业之间的调度和切换称为核心，多进程结构和进程管理开始萌芽。
- MULTICS
每个人启动一个作业，作业之间快速切换。出现了分时系统的概念，核心仍然是线程之间的切换。
- UNIX(1980-1990)
个人计算机的普及，让操作系统的出现更加必要。Ken Thompson,Dennis Ritchi两人开发。
- Linux(1990-2000)
Linus Torvalds编写了Linux.
1.3 操作系统能够解决的问题？
- 屏蔽掉硬件调用的接口，为应用程序员提供了调用硬件资源更好，更简单，更清晰的模型（系统调用接口）。
- 管理计算机的CPU,让CPU能够更加高效的进行工作（多进程切换运行）。
- 管理计算机的内存，让内存的使用更加充分（虚拟内存）。
二.操作系统管理CPU
管理CPU的核心就是要CPU运行的更加的高效。那cpu是如何工作的呢？
2.1 cpu的工作方式
基本知识：
程序在我们的计算机中是如何进行存储的呢？就是一段一段的指令！而计算机运行程序也就是cpu把这个程序的指令从磁盘中加载到内存中，然后读取程序的指令并运行的过程！
CPU执行过程：
CPU的执行就是不断的取指令运行的过程，如果在取指令的过程中存在一条读文件的操作，那么就需要访问磁盘，进行I/O操作。由于磁盘IO的速度和CPU执行的速度相比非常慢，所以CPU在这种情况下就会空闲，直到磁盘IO完成，从而导致CPU的利用率低下。
这种情况下指令是一直保持顺序执行的
所以操作系统就引入了一个多进程执行的概念，这样来执行提高CPU的效率。
等到程序1的磁盘io结束以后，会发出一个中断请求，这时cpu又从程序2切换回程序1继续执行，因为cpu没有处于等待的状态，一直在运行，这样就大大减少了cpu空闲的时间，提高了cpu的效率！
问题1. pc切换进程的时候，如何保存当前进行的执行信息呢？
使用PCB进程控制块，该进程运行的所有信息都会保存在这个结构当中，当切换到这个进程的时候，就会通过保存的PCB恢复进程的运行信息。
问题2. 多进程有哪些调度的方式
1. 先来先服务算法（FCFS）
用一个队列来维护任务列表，按照顺序依次运行。
2. 时间片轮转算法
每隔一段固定的时间进行线程的切换。
3. 短任务优先算法
核心思想还是不通的进程有不同的优先级，而短任务的优先级要比长任务的优先级更高，而我们总是安排高优先级的任务运行。
4. 优先级调度算法
给每一个进程分配一个优先级，每次需要进程切换时，找一个优先级最高的进程进行切换。
问题3. 进程和线程的关系
- 一个进程往往有多个线程，一个线程只属于一个进程。
- 同一进程的多个线程可以共享进程的资源。
- 进程是操作系统分配资源的最小单位，线程是CPU执行的最小单位。
问题4. 内核级线程和用户级线程的关系
每一个线程都有自己的执行栈，这样当执行线程跳转的时候不会出现跳转到其他线程中的错误。当用户级线程经过调用而陷入内核的时候，就会调用核心级线程。
核心级线程也对应着一个栈，但是核心级线程还必须关联着它在用户级下的线程。当核心线程切换的时候，用户线程也必须跟着进行切换。
用户级线程：不需要内核的支持而在用户程序中实现的线程，它的内核的切换时用户态程序自己控制内核的切换，不需要内核的干涉，但是它不能像内核级线程一样更好的运用多核CPU，内核对用户级线程不能感知。
内核级线程：切换由内核控制，当线程进行切换的时候，会从用户态转换为内核态，切换完毕又要从内核态转变为用户态。可以很好的运用多核CPU。
三. 操作系统管理内存
如何让内存使用起来？
我们都知道，程序都是存储在磁盘中的。当我们要运行一个程序的时候，就会把程序加载到内存中，然后cpu取指运行程序。磁盘的容量是很大的，可以完整的存储程序，但是我们内存的容量是非常有限的，并且当我们运行一个程序的时候往往只需要其中的一些功能，而不是全部功能，所以需要把程序的全部代码都加载到内存中吗？
3.1 分段
在实际中，对程序员来说一个完整的程序往往被分为多个不同的段（如数据段，变量集，函数等等）。在程序载入内存的时候，程序以段为单位载入内存，每个段都有一个pc执行单元向下执行。
那这些段是载入到程序的哪些区域呢？如何找到指令所在的地址呢？
这就涉及到了相应的内存分配算法：1. 首先适配 2. 最佳适配 3.最差适配。但是这种分配算法存在缺陷，就是会产生大量的内存碎片，从而当需要进行大数据存放的时候没有完整的内存空间进行分配。
找到指令的地址也简单呀，给每一个段加一个段地址，每条指令有一个偏移地址，此时该条指令的物理地址=段地址+偏移地址 。
但是现在分区又存在一个问题，当空闲内存区域的长度不够分配怎么办？比如现在有一个进程需要100k内存，但是现在空闲内存只有50k和80k,两个合起来就够用，但是分开就不够用，造成空间的浪费，所以引入了一个分页的概念。
3.2分页
为了解决分段所造成的内存碎片问题，我们引入了分页概念。就是将内存作为固定的大小如4k再分为一页一页的形式，在分配程序内存的时候，计算它需要多少页内存，直接分配给对应大小的页即可，使用一张分页表来记录每个页分配的情况，并提供了从虚拟内存到物理内存的映射。
这样分页也会存在问题，如果每一页的内存设置的小的话那么确实减少了内存的浪费，但是极大的增加了页表所占的空间。
解决方案：多级页表。 这样的话空间利用率就高了，但是时间利用率也不是很高，所以又使用快表（TLB）。作用就是页表的cache中存储了当前最有可能被访问到的页表项。只有在TLB无法完成地址翻译任务时，才会到内存中去查询页表，这样就减少了页表查询导致的处理器性能下降。
3.3段页结合（虚拟内存）
在实际使用中我们都是使用的段页结合的方式，在段和内存之间引入虚拟内存的概念。实际内存的分配对用户是不可见的，段的分配对用户来说是可见的。
3.4页面换入换出
当用户访问一个页时，MMU会去查询一个操作系统维护的页表，看看用户访问的页是否存在于内存当中，如果存在，就直接调用；如果没有，就需要开启中断，执行页错误处理程序，在磁盘中找到相应的数据页，并在内存中找到一块空闲，将其载入进来，然后中断返回，执行用户程序，在去访问内存中用户需要的页。
当我们不断地将页面换入内存当中，内存肯定会不足的，我们需要选择一些页面进行换出，为新的数据腾出空间，但是我们应该选择那些页面换出呢？
3.5页面置换算法
FIFO算法： 将最先进入的页面置换出去，让新的页面加载进来。
LRU（Least Recently Used）算法 ： 将最近最少使用的页面置换出去，让新的页面加载进入。
