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¶操作系统概述
¶知识点
¶操作系统四个基本特征
并发、共享、虚拟、异步
¶操作系统的主要功能包括
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处理机管理
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存储管理
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设备管理
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文件管理
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用户接口
¶人机交互的历程
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手工操作阶段
- 人机速度矛盾
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单道批处理阶段
- 系统资源利用率还是很低
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多道批处理阶段
- 缺乏人机交互，进程运行无法终止
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分时操作系统
- 不支持插队，不能处理紧急事件
- 分时系统中，时间片一定，用户数越多，响应时间越长
- 分时系统中，像是给每个用户分一个时间片，排队的进行访问，故用户数越多，排到的时间越长，响应时间越长
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实时操作系统
¶基本概念
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特权指令：不允许用户程序使用（只允许操作系统使用）如IO指令，中断进程
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非特权指令：普通的运算指令
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内核程序：系统的管理者，可执行一切指令、运行在核心态
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应用程序：普通引用程序只能执行非特权指令，运行在用户态
还有一个**“访管指令”**，访管指令是在用户态使用的，该指令的还以是用户资源进入核心态。
核心态无需再次进入核心态
故，CPU处于核心态时，它可以执行出“访管”指令外的全部指令
¶处理机状态
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用户态（目态）：CPU只能执行非特权指令
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核心态（又称管态、内核态）：可以执行所有指令
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用户态到核心态：通过中断（是硬件完成的）
用户态到核心态的转换时通过中断，即硬件完成的，并不是操作系统，也不是中断处理程序。
核心态到用户态的转换，是通过操作系统完成的。
¶原语
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处在操作系统最底层，是最接近硬件的部分
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这些程序的运行具有原子性其操作只能一气喝成
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这些程序的运行时间都较短，而且调用频繁
¶中断、系统调用、体系结构
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内中断（异常，信号来自内部）
- 自愿中断————指令中断
- 强迫中断：硬件中断、软件中断（eg：0/0）
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外中断（中断，信号来自于外部）：外设请求、人工干预（打印机）
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系统调用：
- 系统给程序员（应用程序）提供的唯一接口，可获得OS的服务，在用户态发生核心态处理
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体系结构：大内核、微内核
¶进程管理
进程的组成
包括程序、数据、进程控制块
¶处理机调度
是对处理机进行分配，即从就绪队列中按照指定的算法，选择一个进程并将处理机分配给它运行，以实现进程并发的执行
¶分类
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高级调度（作业调度
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中级调度（内存置换
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多级调度（进程调度
¶进程同步
¶原因
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协调进程之间相互制约关系
¶制约关系
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同步：进程同步也是进程之间直接的制约关系，是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作层次而等待、传递信息所产生的制约关系。进程间的直接制约关系来源于他们之间的合作
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互斥：也称间接制约关系。当一个进程进入临界区使用临界资源时，另给进程必须等待，当占用临界资源的进程退出临界区后，另进程才允许去访问此临界资源
¶临界资源
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一次仅允许一个进程使用的资源
¶临界区
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在每个进程访问临界资源的那段程序，当多个线程并发执行时，如果它们都能够访问和修改同一资源，就可能导致数据的不一致和程序的错误行为。为了避免这种情况，临界区通常通过限制同时执行这段代码的线程数量，来确保对共享资源的访问是互斥的
¶临界区的作用
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保护共享资源
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防止竞态条件
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提高程序稳定性
临界区的实现通常依赖于同步机制，如互斥锁、信号量、或条件变量
¶同步机制
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互斥锁（Mutex）：互斥锁是最常用的同步机制之一。当一个线程进入临界区时，它会获取一个互斥锁；当进程退出临界区时，它会释放互斥锁。其他进程进入临界区时，如果锁已被占用，则会被阻塞，直到互斥锁被释放
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信号量（Semaphore）：信号量是一种更通用的同步机制，它可以用来控制多个线程对多个资源的访问。在临界区场景中，信号量可以被设置为1，以模拟互斥锁的行为
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条件变量（Condition Variable）：条件变量通常与互斥锁一起使用，用于在多个进程之间传递信号。虽然条件变量不直接用于实现临界区，但它可以在线程鞥带进入临界区时提供有效的等待和唤醒机制
¶临界区互斥
¶原则
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空闲让进
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忙则等待
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有限等待
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让权等待
¶PV操作
PV必须成对出现
¶死锁
¶定义
多个进程因争夺资源而造成的一种僵局，如果没有外力，这些进程将无法推进
¶产生的原因
非剥夺资源的竞争和进程的不恰当推进顺序
¶必要的条件
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互斥
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环路等待
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不可剥夺
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请求和保持
¶解决方法
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预防死锁
- 破坏互斥条件
- 破坏不剥夺条件
- 破坏请求和保持条件
- 破坏循环等待条件
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避免死锁
- 安全状态、银行家算法
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检测死锁
- 利用死锁定理
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解除死锁
- 资源剥夺法
- 撤销进程法
- 进程回退法
¶内存管理
¶内存管理的目的和意义
¶引入目的
更好的至此多道程序的并发执行，提高系统性能
¶主要功能
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内存空间的分配与回收
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存储的保护与共享
保证各道作业在各自的存储空间内运行，互不干扰
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地址变换
在多道程序环境下，程序中的逻辑地址与内存中的物理地址不可能一致，因此存储管理必须提供地址变换功能，把逻辑地址转换成相应的物理地址
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内存扩充
利用虚拟存储技术或自动覆盖技术，从逻辑上扩充内存
¶用户程序的主要处理阶段
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编辑阶段：创建源文件
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编译阶段：由编译程序将用户进程源代码编译成若干目标模块，生成目标文件
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链接阶段：由链接程序编译后形成的一组目标模块及所需的库函数链接到一起，形成一个完整的装入模块，生成可执行文件
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装入阶段：由装入程序将装入模块装入内存运行
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运行阶段：
¶相关概念
¶程序的装入
¶绝对装入
在编译时，如果知道程序将驻留在内存什么位置，那么，编译程序将产生绝对地址的目标代码。即按照物理内存的位置赋予实际的物理地址
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优点：在时间上效率很高
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缺点：
- 由于内存大小限制，能够装入内存的并发执行的进程大大减少
- 编译程序必须知道内存当前空闲地址部分和其地址，而在多道程序下，编译程序根本不可能知道当前空闲地址的部分，因此绝对装入方式只适用于弹道程序环境
¶静态重定位
在程序装入对目标代码装入内存的过程中完成，是指在程序开始运行前，程序中指令数据的各个地址均已完成重定位，即完成虚拟地址到内存地址的映射。地址变换通常是在装入时一次完成的，以后不会改变
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优点：不需要硬件支持（这里的硬件，指的是后文提到的重定位寄存器）（对比动态重定位）
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缺点：程序在静态重定位之后就不能在内存中搬动了，并且要求程序的存储空间是连续的（对比动态重定位）
¶动态重定位
动态重定位的方式是把地址转换推迟到程序真正执行时才进行。但这种方式需要硬件支持，也就是重定位寄存器的支持，否则会影响指令执行速度
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优点：可以解决碎片问题。（因为不需要像静态重定位一样要求程序装入，每个模块之间的存储位置不一定需要相联，只需要由自己的重定位寄存器就行）
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缺点：需要硬件支持
¶程序的链接
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静态链接：在程序运行之前，先将各目标及他们所需要的库函数链接生成一个完整的可执行程序，以后不在拆开
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装入式链接：将用户源程序编译后所得到的一组目标模块，在装入内存时，采用边装入边链接的链接方式
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运行时链接：对某些目标模块的链接，是在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行的链接。其优点时便于修改和更新，便于实现对目标模块的共享。
¶内存空间的分配与回收
¶连续分配管理方式
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单一连续分配：分配到内存固定的区域（单用户/单任务的操作系统）
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固定连续分配：分配到内存不同的固定区域，分区可以相等可以不等，但要求一定是固定。
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动态连续分区：
- 最佳适应
- 最坏适应
- 邻近适应
¶分页分段
¶页面置换算法
¶文件系统
文件是以计算机硬盘为载体的存储在计算机上的信息集合
文件系统：就是操作系统中负责操纵和管理文件的一整套设施，它实现文件的共享和保护，方便文件“按名存取”
¶功能
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文件管理
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目录管理
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文件空间管理
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文件共享和保护
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提供方便的接口
¶文件的逻辑结构
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无结构文件
- 无结构文件按顺序组织起记录并积累保存，他是有序相关信息项的集合，以字节为单位（或称，字节流文件）
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有结构文件（记录式文件）
- 顺序文件：文件中的记录一个接一个的顺序排列，在访问时需要顺序搜索文件
- 索引文件：通过一个索引表来检索文件
- 索引顺序文件：上述两者结合
¶目录和目录结构
¶文件控制块
在文件系统内部给每个文件唯一的设置一个文件控制块，它用于描述和控制文件的数据结构，与文件一一对应
FCB中包含了文件的基本信息（文件名，物理地址，逻辑地址，物理结构等），存取控制信息（是否可读/可写、禁止访问的用户名单等），使用信息（如文件的建立时间、修改时间等）
最重要，最基本的还是文件名、文件存放的物理地址。
¶目录结构
单级目录，二级目录，树形目录，图形目录
¶文件实现
¶文件分配方式
连续分配，链接分配，索引分配
对应的结构分别是顺序结构，链式结构，索引结构
¶文件存储空间管理
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空闲表法
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空闲链表法
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位示图法
¶磁盘管理
¶磁盘的物理结构
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柱面号、盘面号、扇面号
¶磁盘调度算法
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先来先服务（FCFS
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最短查找时间优先算法（SSTF
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扫描算法（电梯算法（SCAN
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循环扫描算法（CSCAN
¶设备管理
¶目标
使用方便、与设备无关、效率高、管理统一
¶IO设备
¶分类
存储设备或者输入输出设备、块设备或字节设备、低速中高速设备。
¶IO控制方式
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程序直接控制方式（查询方式
CPU不断的去查询设备控制器是否将数据放到了数据存储器中，或者从数据存储器存到设备中，当完成IO时CPU才能去干别的事
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中断方式：
这种方式当CPU发出指令后就可以去干别的时，当设备控制器把数据存在数据寄存器后向CPU发出中断请求，然后CPU再来处理这部分数据。
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DMA方式：
虽然中断方式提高了CPU的利用率，但是数据基础器有限，中断是以字节单位进行中断，也就是说读取或存储一个字节后就需要进行中断，那么其实CPU的利用率还是很低的，所以就诞生了DMA方式，这种方式由DMA控制器直接将设备中的数据以数据块为单位直接传输到内存中，当传输结束后才向CPU发起总段
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IO通道控制方式：
DMA虽然大大提升了CPU的利用率，但是DMA只能传输一个连续的数据块。所以引入了IO通道的控制方式，IO通道控制方式可以传输不连续的数据块，减少了CPU干预。CPU通过对IO通道发出指令，然后让IO通道自己工作，等待数据传输完才向CPU发起中断
¶缓冲区
¶引入目的
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缓和CPU与外设间速度不匹配的矛盾
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提高CPU与外设之间的并行性
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减少CPU的中断次数
¶设置方式
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单缓冲
当数据到达率与离去率相差很大时，可采用单缓冲方式
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双缓冲
当信息输入和输出率相同（或相差不大）时，可利用双缓冲区，实现两者的并行
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多缓冲
对应阵发性的输入、输出，为了解决速度不匹配问题，可以建立多个缓冲区
¶设备的分类
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独占设备：
不能共享的设备，即：在一段时间内，该设备只允许一个进程独占。如打印机
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共享设备：
可由若干各进程同时共享的设备，如磁盘
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虚拟设备：
是利用某种技术把独占设备改造成可由多个进程共享的设备
¶三种分配技术
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独占分配技术
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共享分配技术：通常用于高速、大容量的直接存取存储设备
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虚拟分配技术：利用共享设备去模拟独占设备，从而使独占设备变成可共享的、快速IO的设备。实现虚拟分配的最有名的是SPOOLing技术，也称作假脱机操作