一、操作系统结构

1、中断和异常

（1）内核

    内核是计算机配置的底层软件，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程序就是内核程序。包括
时钟管理、中断处理、原语等。

（2）用户态&核心态

针对权限的控制，操作系统把内存分为两部分：

• 用户态：此时CPU只能执行非特权指令。

• 核心态：特权指令、非特权指令。

（3）中断

    中断：需要操作系统介入，开展管理工作。中断可以使CPU从用户态转为核心态，使操作系统获取计算机的控制权。

1. 当中断发生时，CPU立即进入核心态。
2. 发生中断时，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统对中断进行处理。
3. 对于不同中断信号，进行不同处理。

中断分类：

问题一：用户态、核心态的转换？

答：用户态到核心态是通过中断实现的，并且中断是唯一的途径。当应用程序使用系统调用时，会产生一个中断。中断产生，CPU会中断当前进程，开始处理中断。处理完成后，主动触发中断，将CPU交回给用户程序，回到用户态继续工作。核心态到用户态时通过执行一个特权指令，将程序状态字（PSW）标志位置为用户态。

2、系统调用

系统调用：通过应用程序进行调用的特殊函数，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。

二、进程

1、进程

（1）定义

1. 进程就是程序的一次执行过程。

2. 进行是一个程序及其数据在处理机上顺序执行所发生的活动。

3. 进程由程序段、数据段、PCB三部分组成。

（2）状态和转换

• 运行态：占有CPU资源，在CPU上运行。

• 就绪态：具备运行条件，但是没有空闲的CPU，暂时不能运行。

• 阻塞态：因为等待某个时间而暂停不能运行。

• 创建态：进程正在被创建，操作系统为进程跟配资源，初始化PCB。

• 终止态：进程从系统中撤销，操作系统回收资源。

进程状态的转换：

（3）进程通信

    进程通信是指进程之间的信息交换。各进程拥有独立的内存地址空间。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。但是进程间的信息交换又是必须的，因此通过以下方法实现。

1. 共享存储

    通过共享空间连接两个进程，两个进程对共享空间的访问必须是互斥的。一种基于数据结构的共享，限制存储数据的结构，
    限制多，速度慢；另一种基于存储区共享，有进程控制数据的格式，速度快。
   

2. 消息传递

    进程间以格式化的消息通信。
   

3. 管道通信

    管道：指连接读写进程的一个共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的缓冲区。
   

• 管道只能采用半双工通信，即某一时间段内只能实现单向的传输。如果想实现双向同时通信，则需要两个管道。

• 各进程要互斥的访问管道。

• 数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write()系统调用会被阻塞，等待读进程取走数据。当读进程将数据全部取走后，管道变空，读进程的read()系统调用将被阻塞。

• 如果没写满，不允许读；如果没读空，则不允许写。

• 一旦数据被读出，就会从管道中被抛弃，意味着读进程只能有一个。

2、线程

（1）定义

1. 线程是一个基本的cpu执行单元，也是程序执行流的最小单元。

2. 引入线程后，不仅进程间可以并发，线程间也可以并发。

3. 引入线程后，进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元。

3、进程调度

（1）进程切换

1. 进程切换需要对原来运行进程各种数据保存。

2. 对新的进程各种数据的恢复。

（2）调度算法

饥饿：进程长时间等不到CPU的调度。

饿死：进程一直获取不到CPU的调度。

1、先来先服务（FCFS）

算法规则：按照进程到达的先后顺序进行调度，非抢占式算法。

优缺点：公平、算法实现简单。但是排在长作业后的短作业等待时间过长。

2、短作业优先(SJF)

算法规则：最短的作业/进程优先的到服务，非抢占式算法。最短剩余时间优先是抢占式的。

优缺点：对短作业有利，对长作业不利。可能产生饥饿现象。

3、高响应比优先(HRRN)

算法规则：每次调度时先计算各个作业的响应比，选择响应比最高的作业。响应比等于等待时间+要求服务时间/要求服务时间。非抢占式的算法，只有当前运行的作业主动放弃CPU时（正常/异常完成，或主动阻塞），才会使用该算法。

优缺点：折中算法，等待时间相同时，要求服务时间短的优先（SJF的优点）；要求服务时间相同，等待时间长的优先（FCFS的优点），对于长作业，随着等待时间越长，响应比越大，避免长作业饥饿。

4、时间片轮转（RR）

算法规则：按照各进程达到就绪队列的顺序，轮流让各个进程执行一个时间片(如100ms)。若进程未在一个时间片内执行完，则剥夺CPU，将进程重新放到就绪队列末尾重新排队。抢占式算法，由时钟装置发出时钟中断通知CPU时间片已到。

优缺点：如果时间片太大，每个进程都能在一个时间片内完成作业，就会退化成先来先服务算法，增大进程响应时间。如果时间片太小，进程间切换过于频繁，系统消耗大。

5、优先级调度

算法规则：每个进程都有各自的优先级，调度时选择优先级最高的进程。非抢占式的只有当前进程主动放弃CPU后，其他进程才能使用该算法。抢占式的，每次调度时选择当前已到达且优先级最高的进程，当前进程主动放弃。

优缺点：区分紧急程度，灵活调整对各个进程的偏好程度。可能导致饥饿。

6、多级反馈队列

算法规则：设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大。新进程优先进入第一级队列，按先进先服务原则等待分配时间片，若用完时间片进程还未结束，则进入下一级队列队尾。如果已经在最下级队列，重新放回该队列队尾。只有上一级队列为空，才会为下下一级队列队头分配时间片。抢占式的。

优缺点：可以灵活调整对各类进程的偏好程度。

3、进程同步、进程互斥

进程同步

1. 多个进程相互协调的完成工作。

进程互斥

1. 互斥共享方式：一个时间段内只允许一个进程访问该资源。
2. 同时共享方式：允许一个时间段内，多个进程访问该资源。

三、死锁

1、死锁

（1）定义

1. 死锁：两个或两个以上的进程相互等待对象的资源，从而导致的死锁的现象。发生死锁的进程一定处于阻塞状态。

2. 饥饿：可能只有一个进程发生饥饿，既可能处于阻塞态（长期得不到需要的IO设备）也可能处于就绪态（长期获取不到处理机资源）。

（2）死锁的产生条件

• 互斥条件：进程必须互斥抢夺资源。

• 不剥夺条件：进程所获得的资源在未使用完之前，不能由其他进程强行夺走，只能主动释放。

• 请求和保持条件：进程已经获得一个资源，仍然去获取新的资源。

• 循环等待:相互等待。

2、死锁的处理策略

（1）预防死锁

通过破坏死锁的产生条件预防产生死锁。

• 破坏互斥条件：将独占资源改造为共享资源；可行性不高。

• 破坏不剥夺条件：申请不到资源时，立即释放拥有的资源；复杂度高，可能导致工作失效。

• 破坏请求和保持条件：运行前分配好资源，之后一直保持；资源利用率低，可能导致饥饿。

• 破坏循环等待条件：给资源编号，必须按编号从小到大顺序申请资源；导致资源浪费，麻烦。

四、内存

1、内存

内存由程序段、数据段、PCB构成。虚拟内存是操作系统提供的⼀种机制，将不同进程的虚拟地址和不同内存的物理地址映射起来。

（1）逻辑地址

    程序所使用的地址。

（2）物理地址

    硬件存在的真实地址。

2、内存管理

（1）内存基本理论

1、内存保护

通过重定位寄存器存放进程的起始物理地址，界寄存器存放进程最大的逻辑物理地址。CPU发生调度时，会优先跟界寄存器中的地址比较进程的逻辑地址是否越界，没越界，则加上重定位寄存器的地址就可以访问该物理地址上的存储单元。

2、内存覆盖

早期的计算机通常内存过小，人们引入覆盖技术，解决程序大小超过物理内存总和的问题。

思想：将程序分为多个段。常用的段常驻内存，不常用的段需要时调入内存。内存分为一个固定区和若干个覆盖区。需要常驻内存的段放在固定区，调入后不再调出，除非运行结束。不常用的段放在覆盖区，需要时调入内存，用不到时调出内存。

由于覆盖技术必须由程序员生命覆盖结构，对用户不透明，增加编程负担，早期使用。

3、内存交换

内存紧张时，将内存中某些进程暂时换出外存，具备运行条件时换入内存。暂时换出内存等待的进程状态为挂起状态。则塞挂起进程调出内存。

（2）内存空间的分配

1、内存分配

• 内部碎片：分配给某个进程的内存区域中，如果有些部分没有使用。

• 外部碎片：指内存中的某些空闲分区由于太小无法使用。

1. 单一连续分配：内存分为系统区和用户区。内存区只能有一个用户程序，实现简单。有内部碎片。

2. 固定分区分配：将用户区分割为多个固定大小的区域，每个区域一个作业。内部碎片。

3. 动态分区分配：不会预先划分内存，进程装入内存时，根据进程大小动态建立分区。没有内部碎片，有外部碎片。

2、动态内存分配算法

3、分页存储管理

将内存空间分为一个个大小相等的分区，称为页框。将用户进程的地址空间分为与页框大小相等的区域，称为页。

通过逻辑地址对应的页号和页面在内存中的起始地址，以及逻辑地址在页面中的偏移量，物理地址等于页面地址加偏移量。

1. 基本地址变换机构

   通过页表寄存器（PTR），存放页表在内存中的起始地址和页表长度。进程未执行存放在PCB中，调度时放在页表寄存器中。

2. 快表（高速缓冲存储器）

   基本地址变换机构，每次访问一个逻辑地址，都需要查询内存中的页表。可能连续查到的都是同一个页表项。 快表，又称联想寄存器（TLB）。用于存放当前访问的若干页表项，以加速地址变换过程。类似于我们使用缓存。

3. 两级页表

4、分段存储管理

将进程的地址空间按照程序自身的逻辑关系划分为若干个段，每个段都有一个段名，每段从0开始编址。为每个进程建立一张段映射表，称为段表。段表记录记录该段在内存中的起始位置和段的长度。各个段表项的长度是相同的。

分段和分页管理对比

1. 页是信息的物理单位。分页的目的是实现离散分配，提升内存利用率。对用户是不可见的。

2. 段是信息的逻辑单位，分段是为了满足用户需求。一个段通常包含一个逻辑模块的信息。对用户课件。

虚拟内存

操作系统虚拟性的体现，实际的物理内存大小没变化，只是逻辑上进行扩充。

（3）页面置换算法

当内存空间不足时，操作系统负责将内存中暂时不使用的信息换出到外存，用页面置换算法决定选择哪些页面。由于页面的换入、换出需要磁盘I/O，会有较大开销，因此页面置换算法应该追求更少的缺页率。

1、最佳置换算法（OPT）

每次选择淘汰永不使用的页面，或者在最长时间内不再访问的页面，保证最低的缺页率。理想算法，只有进程执行的过程中才能知道接下来会访问的页面，无法提前预判页面的访问顺序，无法实现。

2、先进先出置换算法（FIFO）

每次选择淘汰最早进入内存的页面。性能差。

3、最近最久未使用置换算法（LRU）

每次淘汰最近最久未使用的页面。用访问字段记录该页面上次被访问以来所经历的时间。实现需要专门的硬件支持，算法开销大。

3、时钟置换算法（CLOCK）

简单CLOCK算法：为每个页面设置一个访问位，再将内存中的页面通过指针链接成一个循环队列。访问位为1表示最近访问过，访问位为0表示最近没访问过。当某页被访问时，设置为1。需要淘汰时，检查访问位，如果是0，换出页面，如果是1，置位0。最多经过两轮扫描。

改进：简单CLOCK算法仅考虑页面是否被访问过。页面只有在被修改过后，才需要写回外存。因此增加修改位，减少IO操作。

五、文件

1、文件基本操作

1. 创建文件（create）：进行create系统调用，在外存中找到文件所需的空间，然后创建文件对应的目录项。

2. 读文件（read）：应用程序通过操作系统提供的读文件功能，即read系统调用，将文件数据从外存中读入内存中。

3. 写文件（write）：应用程序通过操作系统提供的写文件功能，即write系统调用，将文件数据从内存写回外存。

2、文件共享

（1）基于索引节点的共享方式（硬链接）

索引节点：是一种文件目录瘦身策略。检索文件时需要用到文件名，因此将文件名之外的信息放在索引节点中，这样目录项旧只包含文件名、索引结点指针。索引结点上的变量count，表示链接到本索引结点上的用户目录项数。

（2）基于符号链的共享方式（软链接）

创建一个link类型的文件，记录文件1的存放路径，类似于win操作系统的快捷方式，当user3访问文件ccc时，操作系统判断其属于link文件，会根据其记录的路径查找目录，最终找到目录表中的aaa的表项，于是就找到其索引结点。

六、磁盘

1、基本概念

• 磁盘：由磁性物质组成的盘。

• 磁道：磁盘的盘面被划分为一个个磁道。

• 扇区：一个磁道会被分为一个个扇区，每个扇区就是一个磁盘块。各个扇区存放的数据量相同。最内侧磁道上的扇区面积最小，因此数据密度最大。

• 盘面：磁盘的表面。

• 柱面：每个盘面对应一个磁头，所有磁头链接一个磁臂，所有盘面中相对位置相同的磁道组成柱面。

（1）. 从磁盘中读/写数据

需要把磁头移动到想要读/写的扇区所在的磁道。磁盘会转起来，让目标扇区从磁头下面划过，完成对扇区的读/写操作。

（2）. 磁盘的物理地址

可用柱面号、盘面号、扇区号来定义任意一个磁盘块。文件数据存放在外存中的磁盘块中。

（3）. 一次磁盘读/写操作需要的时间

1. 寻道时间：将磁头移动到指定磁道所花的时间，启动磁头臂的时间和移动磁头的时间。

2. 延迟时间：通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间。

3. 传输时间：从磁盘读出或写入数据所经历的时间。

（4）. 如何减少延迟时间

磁头读取一个扇区的内容后，需要一小段时间处理，而盘面是不停地旋转，因此如果相邻的扇区，无法连续读入，因为磁头读取一个扇区的数据后也需要一小段的时间处理。因此逻辑上相邻的扇区在物理上也相邻，则读入几个连续的逻辑扇区，可能需要很长的延迟时间。

1. 采用交替编号策略，让逻辑上相邻的扇区在物理上有一定的间隔。

2. 错位命名：不同盘面扇区对应的编号上下不一致。

2、磁盘调度算法

1. 先来先服务算法（FCFS）

根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度。如果大量进程使用磁盘，请求访问的磁道很分散，则FCFS算法性能很差，寻道时间长。

2. 最短寻找时间优先（SSTF）

优先处理与当前磁头最近的磁道，但是未必总体寻道时间最短。可能产生饥饿现象，磁头在一个小的区域内来回移动。

3. 扫描算法（SCAN）

只有磁头移动到最外侧磁道时才能往内移动，移动到最内侧磁道的时候才能往外移动。会移动过多的磁头，并且各个位置磁道的响应频率不平均。

4. look算法

如果磁头移动方向上已经没有别的请求，就立即改变磁头移动方向。

5.循环扫描算法（C-SCAN）

规定只有磁头朝某个特定方向移动时才处理磁道访问请求，返回时直接快速移动至起始端不处理任何请求，会移动过多的磁头。

6.C-LOOK算法

在c-scan算法的基础上，磁头返回时只需要返回到有磁道访问请求的位置即可。