操作系统个人学习笔记

1.1作为用户与计算机硬件之间的接口

向上层提供的服务

• GUI图形化用户接口
• 命令接口
• 程序接口

1.2操作系统的特征

• 并发
• • 多个事件在同一事件间隔内发生
  • 宏观上同时发生，微观上交替发生
• 共享
• • 系统中的资源可供内存中的多个并发执行的进程共同使用
• 虚拟
• • 把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物
  • 时分复用技术与空分复用技术
• 异步
• • 在多道程序环境下，允许多个程序并发进行，进程的执行是走走停停，以不可预知的速度向前推进

1.3操作系统的运行机制

• 内核程序与应用程序
• • 普通程序员写的也是应用程序
• 特权指令与非特权指令
• • 只有内核才能使用特权指令
  • CPU在设计时就划分了特权指令与非特权指令
• CPU的内核态与用户态
• • 处于内核态时可以运行特权指令
  • PSW程序状态字寄存器 1表示内核态，0表示用户态
  • 用户态到内核态，由中断引起，硬件自动完成

1.4中断与异常

• 中断是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
• 内中断与外中断
• • 内中断（异常）：用户态执行陷入指令主动让出CPU控制权给操作系统内核
  • 外中断（中断）：与当前执行的指令无关，信号来源于CPU外部（例如时钟和IO设备）

1.5系统调用

• 应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务

1.6操作系统体系结构

• 内核功能与非内核功能（如GUI）
• 大内核
• • 将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态
  • 高性能
  • 内核代码庞大，结构混乱，难以维护
• 微内核
• • 内核功能少，结构清晰，方便维护
  • 需要频繁地切换CPU状态，性能低下
• 分层结构
• • 每层可调用更低一层
• 模块化
• • 将内核划分为多个模块，各模块之间可相互协作
• 外核

1.7操作系统引导

• BIOS基本输入输出系统
• 基本步骤
• • CPU从一个特定的主存地址开始，取指令，执行ROM中的引导程序（先进行硬件自检，再开机）
  • 将磁盘的第一块——主引导记录读入内存，执行磁盘引导程序，扫描分区表
  • 从活动分区（安装了操作系统的分区）读入分区引导记录，执行其中的程序
  • 从根目录下找到完整的操作系统初始化程序（启动管理器）并执行，完成开机

2.1进程

• 程序是静态的，进程是动态的
• • 操作系统用不重复的UID（uesr）、PID（process ID）来区分不同的进程
  • UID、PID等都被保存在一个数据结构PCB（process control block）中，即进程控制块
  • PCB是进程存在的唯一标志，当进程被创建时，操作系统为其创建PCB，进程结束时会回收PCB
• 一个进程实体（进程映像）由PCB、程序段、数据段组成
• • 进程是动态的，进程实体是静态的
  • 进程是进程实体的运行过程，是系统进行分配和调度资源的一个独立单位

2.2进程的状态

• 创建
• 就绪 已经具备运行条件，但是由于没有空闲CPU，而暂时不能运行
• 运行 时间片到，或处理机被抢占，进程由运行态变为就绪态
• 阻塞 在进程运行的过程中，可能会请求等待某个事件的发生，此时操作系统会让该进程进入阻塞态，然后让另一个处于就绪态的进程在CPU上运行
• 终止 

    进程的组织

• 链接方式
• 索引方式

2.3进程控制

•  用原语实现，原语具有原子性，即一气呵成，状态的转换不能被中断
• 利用 开中断指令 关中断指令 这两特权指令来实现原子性
• 进程的创建
• • 申请空白PCB
  • 为新进程分配所需资源
  • 初始化PCB
  • 将PCB插入就绪队列
• 创建进程的事件
• • 用户登录
  • 作业调度
  • 提供服务
  • 应用请求
• 进程的终止
• • 从PCB集合中找到需要终止的PCB
  • 若程序正在运行，立即剥夺CPU，将CPU分配给其他进程
  • 终止其所有子进程
  • 将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
  • 删除PCB
• 终止进程的事件
• • 正常结束
  • 异常结束
  • 外界干预
• 进程的阻塞
• • 找到要阻塞的进程的PCB
  • 保护进程运行现场，将PCB状态设置为阻塞态，暂时停止进程运行
  • 将PCB插入相应事件的等待队列
• 引起阻塞的事件
• • 需要等待系统分配某种资源
  • 需要等待相互合作的其他进程完成工作
• 进程的唤醒
• • 在事件等待系统分配某种资源
  • 将PCB从等待队列移除，设置进程为就绪态
  • 将PCB插入就绪队列，等待被调度
• 进程的切换（就绪到运行，运行到就绪）
• • 将运行环境信息存入PCB
  • PCB移入相应队列
  • 选择另一个进程执行，并更新其PCB
  • 根据PCB恢复进程所需要的运行环境
• 引起切换的事件
• • 当前进程事件片到
  • 有更高优先级的进程到达
  • 当前进程主动阻塞
  • 当前进程终止

2.4进程通信

• 共享存储
• • 为避免出错，要保证各个进程对共享空间的访问是互斥的
  • 基于数据结构的共享存储，更低级
  • 基于存储区的共享存储，更高级
• 消息传递
• • 进程间的数据交换以格式化的消息为单位，包括消息头，消息体
  • 直接通信方式，类似IP数据报，直接指明接收方ID
  • 间接通信方式，通过信箱间接通信
• 管道通信
• • 管道是一个特殊的共享文件，pipe文件，即在内存中开辟一个大小固定的内存缓冲区，类似循环队列
  • 信息的流向的单向的，如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道
  • 当管道满时，写进程堵塞，管道空时，读进程堵塞
  • 管道中数据被读出则消失，为防止错乱有两种解决办法
  • • 一个管道运行多个写进程，只运行一个读进程
    • 允许多个写进程，读进程，但会让各个进程轮流从管道中读数据（Linux方案）

2.5线程的概念

• 引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位
• 线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位
• 进程内的各线程也可以并发，提高了系统的并发度
• 进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元（打印机等）
• 进程内的线程之间的切换，不需要切换进程环境，系统开销更小
• 线程的实现
• • 用户级线程
  • • 线程库在用户态运行，不需要操作系统的干涉
    • 不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高
    • 当一个线程被阻塞，其他线程都会被阻塞，并发度不高
  • 内核级线程
  • • 线程的管理工作由操作系统内核完成
    • 内核级线程的切换必须要在核心态下才能完成
    • 一个用户进程会占用多个线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，线程管理成本高，开销大
  • 多线程模型
  • • 一对一模型
    • 多对一模型
    • 多对多模型
• 线程的组织与控制
• • TCB（线程控制块）

2.6调度

• 当有大量任务要处理时，由于资源有限，需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是调度研究的问题
• 三个层次
• • 高级调度（作业调度）
  • • 按一定规则从外存的作业后备队列中挑选一个作业调入内存，创建进程，每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立PCB，调出时撤销
  • 低级调度（进程调度/处理机调度）
  • • 从就绪队列选取一个进程，将处理机分配给他
    • 最基本调度，频率很高，几十毫秒一次
  • 中级调度（内存调度）
  • • 内存不够时，将某些进程的数据调出外存，等待重新调入
    • 暂时调到外存的等待状态叫做挂起状态，被挂起的进程PCB会被组织成挂起队列
    • 一个进程可能被多次调入调出内存，因此频率比高级调度高
  • 挂起
  • • 就绪挂起
    • 阻塞挂起
• 调度器/调度程序（scheduler）
• • 决定让谁运行，运行多长时间
  • 何时触发调度程序？
  • • 创建新进程
    • 进程退出
    • 进程阻塞
    • IO中断发生
  • 调度的对象根据操作系统的不同可以是进程或者线程
• 闲逛进程，没有其他就绪进程的时候，运行闲逛进程
• • 优先级最低
  • 可以是0指令占一个完整的指令周期（指令周期末尾例行检查中断）
  • 能耗低

2.7调度算法

• 先来先服务（FCFS）
• • 对长作业有利，对短作业不利，不会导致饥饿
• 短作业优先（SJF）
• • 短作业优先算法，非抢占式，选择已到达且运行时间最短的作业
  • 最短剩余时间优先算法，抢占式，每当有新进程加入就绪队列改变时就需要调度，如果新达到的进程剩余时间比当前运行的进程剩余时间更短，则抢占，当一个进程完成时也如此做。抢占式更快
  • 缺点：对短作业有利，对长作业不利，可能产生饥饿现象，如果有短作业不断到来，可能让长作业长时间得不得服务，可能被饿死
• 高响应比优先（HRRN）
• • 选择高响应比的进程 响应比=等待时间＋要求服务时间/要求服务时间
  • 非抢占式，即只有当前进程主动放弃CPU时才进行调度
  • 较为综合
• 时间线轮转调度算法（RR）
• • 常用于分时操作系统，更注重响应时间 
  • 就绪队列
  • 当时间片到或者进程结束则从就绪队列选取一个进程，所以为抢占式
  • 若时间片到，进程被抢占，则该进程进入队尾
• 优先级调度算法
• • 抢占式或者非抢占式
  • 优先数越大，优先级越高
  • 系统进程高于用户进程，前台进程高于后台进程
  • 操作系统更偏好IO型进程
  • 若源源不断有优先级高的进程准备就绪，可能导致饥饿
• 多级反馈队列调度算法
• • 抢占式
  • 设置多级就绪队列，各队列优先级从高到低，时间片从小到大
• 多级队列调度算法

2.8进程同步与互斥

• 进程互斥的软件实现
• • 单标志法
  • • 每个进程进入临界区的权限智能被另一个进程赋予
  • 双标志先检查法
  • • 使用布尔数组实现
    • 违反了忙则等待原则
  • 双标志后检查法
  • • 先上锁后检查
    • 解决了忙则等待，违背了空闲让进，有限等待原则，会产生饥饿现象
  • peterson算法
  • • 结合单双标志法，如果双方都想进入临界区，尝试谦让
    • turn的值设置为对方的编号
• 进程互斥的硬件实现
• • 中断屏蔽方法
  • • 利用原语不允许被中断的特性
  • TestAndSet指令
  • • 利用硬件实现
  • swap指令
• 互斥锁

2.9信号量机制

• 信号量只能有初始化、P操作、V操作三种操作
• wait原语和signal原语分别简称P、V操作
• 整形信号量表示系统中某种资源的数量
• 记录型信号量中value表示剩余资源数，对信号量进行一次P操作，意味着进程请求一个单位的该类型资源，需要对value--，当value<0表示该类型资源已经分配完毕，此时调用block原语进行自我阻塞，该机制遵循了让权等待
• V操作反之

2.10信号量机制实现进程同步

• 在前操作后执行V操作，在后操作之前执行P操作
• 消费者问题
• • 消费者从临界区消费产品，生产者向临界区生产产品，临界资源的互斥访问
  • 生产者消费者共享一个初始为空，大小 n的缓冲区，有互斥信号量mutex实现对缓冲区的互斥访问，同步信号量empty表示空闲缓冲区的大小，同步信号量full表示产品的数量
• 多生产者消费者问题
• 抽烟者问题
• 读者写者问题
• 哲学家进餐问题

2.11管程--一种高级的同步机制

• 局部于管程的共享数据结构说明
• 对该数据结构进行操作的一组过程
• 对于局部于管程的共享数据设置初始值的语句
• 管程有一个名字
• 一个进程只有通过调用管程内的过程才能进入管程内访问共享数据
• 每次仅允许一个进程在管程内执行某个内部过程
• 引入管程的目的就是要更方便地实现进程互斥和同步，而管程的互斥性由编译器负责实现，程序员不用关心

2.12死锁

• 在并发环境下，各进程因竞争资源而造成的一种互相等待对方手里的资源，导致个进程都阻塞，都无法向前推进的现象
• 死锁的必要条件，缺一不可
• • 互斥条件，只有对必须互斥使用的资源的争抢才会导致死锁
  • 不可剥夺条件，进程所获得的资源在未使用完之前，不能被其他进程强行夺走，只能主动释放
  • 请求和保持条件：进程已经保持了至少一个资源，但是又提出了新的资源请求，而该资源又被其他进程占有，此时请求进程被堵塞，但又对自己已有的资源保持不放
  • 循环等待条件：存在一种进程资源的循环等待链，链中的每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求
• 何时发生死锁
• • 对系统资源的竞争
  • 进程推进顺序非法
  • 信号量的使用不当
• 死锁的检测
• • 用某种数据结构来保存资源的请求和分配信息
  • • 数据结构：两种结点
    • • 进程结点：对应一个进程
      • 资源结点：对应一类资源，一类资源可能有多个
    • 两种边：
    • • 进程结点->资源结点：表示进程想申请几个资源（每条边代表一个）
      • 资源结点->进程结点：表示已经为进程分配了几个资源（没条边代表一个）
  • 提供一种算法，利用上述信息来检测系统是否进入死锁
  • • 资源分配图可完全化简
• 死锁的解除
• • 资源剥夺法，暂时挂起某些死锁进程，抢占它的资源，将这些资源分配给其他死锁进程，但是要防止被挂起的进程长时间得不得资源而饥饿
  • 撤销进程法，强制撤销部分甚至全部死锁进程，并剥夺这些进程的资源。实现简单，单付出的代价大
  • 进程回退法，让一个或多个死锁进程回退到足以避免死锁的地步，考虑进程优先级，已执行时间，进程使用资源，进程是交互式还是批处理式等

3.1内存

• 操作系统负责的内存管理
• • 内存空间的分配与回收
  • 提供某种技术从逻辑上对内存空间进行扩充
  • 提供地址转换功能，负责程序的逻辑地址与物理地址的转换
  • 内存保护
  • • 法一：在CPU中设置一对上下限寄存器
    • 法二：重定位寄存器（基地址寄存器）和界地址寄存器（限长寄存器）
• 内存的覆盖技术（过时）
• • 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”中，调入后就不再调出（除非运行结束）
  • 缺点：对用户不透明，增加了用户编程的负担
• 交换技术
• • 内存空间紧张时，系统将内存中的某些进程暂时换出外存，把外存中某些已具备运行条件的内存换入内存（内存在内存与磁盘间动态调度）
  • PCB不会被交换
  • 分为“对换区”（小）（连续分配方式）和“文件区”（大）（离散分配方式）
  • 优先换出阻塞进程，可换出优先级低的进程，为了防止优先级低的进程被反复调入换出，有的系统考虑了进程在内存的驻留时间

3.2内存空间的分配

• 连续分配
• • 单一连续分配
  • • 内存被分为系统区和用户区
    • 只能有一道用户程序
    • 实现简单，无外部碎片，可以采用覆盖技术扩充内存，不一定需要采取内存保护
    • 只能用于单用户，单任务的操作系统，有内部碎片，存储器利用率低
  • 固定分区分配
  • • 将整个用户空间划分为固定的分区
    • 分区说明表包括对应分区的大小、起始地址、状态
    • 实现简单，无外部碎片
    • 用户程序太大，分区可能无法满足要求，降低了性能
    • 会产生内部碎片，内存利用率低
  • 动态分区分配（可变分区分配）
  • • 不会预先划分内存区，在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区
    • 两种常用的数据结构
    • • 空闲分区表（包括区号、分区大小、起始地址、状态等）
      • 空闲分区链
    • 分区算法
    • • 首次适应算法
      • • 每次都从低地址开始查找，找到第一个能满足大小的空闲分区
        • 空闲地址以地址递增的次序排列
      • 最佳适应算法
      • • 按容量递增的次序连接，每次分配内存时按顺序查找空闲分区表，使得总能留下较大的一整片区域
        • 缺点：每次都选最小的分区进行分配，会留下越来越多、很小的难以利用的内存块，因此会产生很多的外部碎片
      • 最坏适应算法
      • • 优先使用最大的空间，以免留下太多难以利用的小碎片
        • 容量递减的次序连接。。。
        •  导致较大的连续空闲去区被迅速用完，之后如果有大进程到达，就没有内存分区可用了
      • 邻近适应算法
      • • 每次分配内存时从上次查找结束的位置开始查找空闲分区链
        • 可能导致无大分区可用
    • 首次适应算法的效果反而更好

3.3非连续分配管理方式 分页存储

• 每一个分区就是一个页框=页帧=内存块=物理块=物理页面，每个页框都有一个页框号，从0开始
• 进程的逻辑地址空间也分为与页框大小相等的一个个部分，每个部分称为页，与页框一一对应
• 内存空间分为“页框”，进程的逻辑地址空间分为“页”

3.4基本地址变换

• 在系统中设置一个页表寄存器（PTR），存放页表在内存中的起始地址F和页表长度M。进程未执行时，页表的地址和页表长度放在进程控制块（PCB）中，当进程被调度时，操作系统内核会把它们放到页表寄存器中
• 检查页号（P）是否越界，查询页表，找到对应的页表项，确定页面存放的内存块号，用内存块号和页内偏移量得到物理地址并访问
• 页面管理中地址是一维的
• 通常使一个页框恰好能放入整个页表项。为了方便找到页表项，页表一般是放在连续内存块中的