操作系统

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(49条消息) 操作系统笔记（含王道计算机考研——操作系统课件）_一只不吃老鼠的猫的博客-CSDN博客

一.概述

操作系统的基本概念

操作系统（Operating System，OS）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机地工作和资源地分配，以提供给用户和其他软件方便地接口和环境，它是计算机系统中最基本的系统软件。

功能

  • 作为系统资源的管理者
  • 作为用户和计算机硬件之间的接口
  • 作为最接近硬件的层次

操作系统的特征

  • 并发

并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件在宏观上是同时发生的，在微观上是交替发生的。

易混淆的概念——并行：两个或多个事件在同一时刻同时发生

  • 共享

共享即资源共享，是指系统中的资源内存中多个并发执行的进程共同使用。

所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的(即分时共享)

  • 虚拟

虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。

  • 异步

异步是指，在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

并发性和共享性互为存在条件：

  • 如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义
  • 如果失去共享性，则QQ和微信不能同时访问硬盘资源，就无法实现同时发送文件，也就无法并发

中断和异常（内中断和外中断、中断处理过程）

中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。

  1. 当中断发生时，CPU立即进入核心态
  2. 当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理。
  3. 对于不同的中断信号，会进行不同的处理。
  4. 有了中断，才能实现多道程序并发执行。
  5. “用户态→核心态”是通过中断实现的，并且中断是唯一途径。“核心态→用户态”的切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字（ PSW）的标志位设置为 “用户态”。

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系统调用

含义

“系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。

作用

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（如存储分配、I/o操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

系统调用和库函数的区别

编程语言（c,java）中里边有很多库函数，其实它们（不是所有的库函数）就是将系统调用封装起来，隐藏一些细节，使上层进行系统调用更加方便。

其他

系统调用发生在用户态，对系统调用的处理发生在核心态。
执行陷入指令（自陷指令或访管指令）会处理内中断，使处理器（CPU）从用户态进入核心态。

二.进程管理

进程的定义，组成，组织方式，特征

程序： 就是指令序列

引入多道程序（CPU可以并发执行多个程序）之后，为了方便操作系统进行管理，引入了进程，进程实体的概念。

PCB，程序段，数据段三部分构成了进程实体（也叫作进程映像）。一般情况下，我们把进程实体简称为进程。

例如，所谓创建进程，实质上是创建进程实体中的PCB;而撤销进程，实质上是撤销进程实体中的PCB.

PCB是进程存在的唯一标识。

进程的组织方式

在一个系统中，通常有数十、数百乃至数千个PCB。为了能对他们加以有效的管理，应该用适当的方式把这些PCB组织起来。
注: 进程的组成讨论的是一个进程内部由哪些部分构成的问题，而进程的组织讨论的是多个进程之间的组织方式问题。

相当于java中的链表和数组。

进程的特征

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进程的状态和转换

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进程是程序的一次执行。在这个过程中，进程的状态会有各种变化。为了方便各个进程的管理，操作系统将进程划分为几个状态。

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转换:

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进程控制

进程控制由原语实现。所谓原语，一般是指由若干条指令组成的程序段，用来实现某个特定功能，在执行过程中不可被中断。

原语采用 “关中断指令” 和 “开中断指令” 来实现。 注意： 原语运行在核心态。

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那么原语是如何实现进程状态的转换呢？

更新PCB中的信息（如修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB、从PCB恢复运行环境)
a.所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志
b.剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境
c.某进程开始运行前必然要恢复期运行环境
将PCB插入合适的队列
分配/回收资源
具体实现如图所示：
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进程通信

进程通信就是进程之间的信息交换。

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。

操作系统提供了三种方法：共享存储，消息传递，管道通信。

共享存储

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2.管道通信
1.管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。
2.各进程要互斥地访问管道。
3.数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write()系统调用将被阻塞，等待读进程将数据取走。当读进程将数据全部取后，管道变空，此时读进程的read()系统调用将被阻塞。
4.如果没写满，就不允许读。如果没读空，就不允许写。
5．数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，这就意味着读进程最多只能有一个，否则可能会有读错数据的情况。

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消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息” 两个原语进行数据交换。

类似于Http协议。

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线程概念和多线程模型

概念

有的进程需要同时做很多事，例如用QQ来进行聊天，发送文件等，而传统的进程只能串行执行一系列程序。因此，引入“线程”，来增加并发度。

  • 可以把线程理解为轻量级的进程。

  • 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。

  • 引入线程后，进程作为除CPU之外的系统资源的分配单元。

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线程分类

用户级线程

  • 用户级线程由应用程序通过线程库实现。所有的线程管理工作都由应用程序负责（包括线程切换)
  • 用户级线程中，线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统干预。
  • 在用户看来，是有多个线程。但是在操作系统内核看来，并意识不到线程的存在。（用户级线程对用户不透明，对操作系统透明)
  • 可以这样理解，“用户级线程”就是“从用户视角看能看到的线程”。

内核级线程

  • 内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。
  • 可以这样理解，“内核级线程”就是“从操作系统内核视角看能看到的线程”。

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

多对一模型:多个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程只对应一个内核级线程。

  • 优点:用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高
  • 缺点:当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行

一对一模型:一个用户级线程映射到一个内核级线程。

  • 优点:当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。
  • 缺点:一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

多对多模型:n用户级线程映射到m个内核级线程(n >=m)。每个用户进程对应m个内核级线程。

  • 克服了多对一模型并发度不高的缺点，又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。

处理机调度的概念和层次

在多道程序系统中，进程的数量往往是多于处理机的个数的，这样不可能同时并行地处理各个进程。

处理机调度，就是从就绪队列中按照一定的算法选择一个进程并将处理机分配给它运行，以实现进程的并发执行。

调度分为三个层次，分别为高级调度，中级调度，初级调度。

高级调度

  • 由于内存空间有限，有时无法将用户提交的作业全部放入内存，因此就需要确定某种规则来决定将作业调入内存的顺序。
  • 高级调度（作业调度)。按一定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个(或多个）作业，给他们分配内存等必要资源，并建立相应的进程（建立PCB)，以使它（们）获得竞争处理机的权利。
  • 高级调度是辅存（外存）与内存之间的调度。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立相应的PCB，作业调出时才撤销PCB。高级调度主要是指调入的问题，因为只有调入的时机需要操作系统来确定，调出的时机必然是作业运行结束才调出。

中级调度

  • 引入了虚拟存储技术之后，可将暂时不能运行的进程调至外存等待。等它重新具备了运行条件且内存又稍有空闲时，再重新调入内存。这么做的目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。
  • 暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。值得注意的是，PCB并不会一起调到外存，而是会常驻内存。PCB中会记录进程数据在外存中的存放位置，进程状态等信息，操作系统通过内存中的PCB来保持对各个进程的监控、管理。被挂起的进程PCB会被放到的挂起队列中。
  • 中级调度（内存调度），就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。
  • 一个进程可能会被多次调出、调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高。

低级调度

  • 低级调度（进程调度），其主要任务是按照某种方法和策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它。
  • 进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度。
  • 进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次。

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