操作系統(tǒng)知識點總結(jié):

第一章:操作系統(tǒng)概述

1.1操作系統(tǒng)的概念:

? 操作系統(tǒng)是一種系統(tǒng)軟件，與其他系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件不同，它有自己的基本特征。它的四大基本特征也就是并發(fā)，共享，虛擬，異步。

1.2操作系統(tǒng)的特征(四大基本特征):

1. 并發(fā): 這里我們要理解什么是并發(fā)，什么是并行。并發(fā)是指多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。而并行是指多個事件在同一時刻發(fā)生。
2. 共享: 共享分為兩種共享方式：互斥共享方式：在一定時間內(nèi)只允許一個進程去訪問。同時共享方式：在一定時間內(nèi)允許多個進程去訪問。

其中 **并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)最基本的特征。兩者互為存在條件，**資源共享是以并發(fā)為條件的，沒有并發(fā)就沒有辦法談共享。若系統(tǒng)不能對資源并發(fā)進行有效的管理，那么必將影響到程序的并發(fā)執(zhí)行。

3.虛擬

4.異步: 進程的執(zhí)行不是一貫到底的，而是走走停停，不斷向前推進。

虛擬性以并發(fā)性和共享性為前提，異步性是并發(fā)性和共享性的必然結(jié)果。

1.3操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能:

1.操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)資源的管理者:

(1).處理機管理

(2).存儲器管理

(3).文件管理

(4).設(shè)備管理

2.操作系統(tǒng)作為用戶和計算機硬件系統(tǒng)之間的接口

3.操作系統(tǒng)實現(xiàn)了對計算機資源的擴充

操作系統(tǒng)的目標(biāo):實現(xiàn)方便性，有效性，可擴充性，開放性。

1.4操作系統(tǒng)的發(fā)展歷程:

1.人工操作階段:

2.單道批處理階段:

實現(xiàn)了對作業(yè)的連續(xù)處理，但由于只有一個通道，它解決了人機矛盾和CPU與IO設(shè)備速度不匹配的矛盾。提高了系統(tǒng)的資源利用率和吞吐量。

缺點:不能充分利用資源，原因是只有一個通道。

3.多道批處理階段:

優(yōu)點:提高了資源的利用率，系統(tǒng)的吞吐量大。

缺點:平均周轉(zhuǎn)時間長，沒有交互能力。

實現(xiàn)多道批處理的關(guān)鍵是: 如何分配處理器，多道程序的內(nèi)存分配問題，I/O設(shè)備如何分配，如何保證其安全性和一致性。

4.分時操作系統(tǒng)

分時系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵是如何讓用戶與自己的作業(yè)進行交互。

5.實時操作系統(tǒng)

//TODO

1.5操作系統(tǒng)的運行環(huán)境:

兩種指令(特權(quán)指令和非特權(quán)指令):

特權(quán)指令: 指的是不允許用戶直接使用的指令。
非特權(quán)指令: 是指允許用戶直接使用的指令，它不能訪問系統(tǒng)的軟硬資源。

隨之而來的是兩種運行模式(用戶態(tài)和核心態(tài)):

當(dāng)CPU處于核心態(tài)時就可以使用特權(quán)指令，同時切換到用戶態(tài)的指令也是特權(quán)指令。當(dāng)CPU處于用戶態(tài)時也只能使用非特權(quán)指令。

★★★中斷與異常

中斷:

中斷也被稱為外中斷，是指CPU執(zhí)行指令外部的事件。

異常也被稱為內(nèi)中斷，是指CPU執(zhí)行指令內(nèi)部的事件。

中斷和異常的分類:

外中斷可分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷。

異常分為故障，自陷和終止。

中斷和異常的處理過程:

當(dāng)CPU在執(zhí)行用戶程序的第i條指令時檢測到一個異常事件，或者發(fā)現(xiàn)了一個中斷請求信號，這是CPU打斷當(dāng)前的用戶程序，然后轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷或異常處理程序中去執(zhí)行。若中斷或者異常處理程序能夠解決相應(yīng)的問題，則在中斷或者異常處理程序最后，通過執(zhí)行中斷和異常返回指令，回到被打斷的用戶程序的下一條指令(i+1)條指令繼續(xù)執(zhí)行，若發(fā)現(xiàn)是不可修復(fù)的錯誤就終止用戶程序。

原語:

所謂原語就是由若干條指令組成的，用于完成某一特定功能的過程，它是有原子性的，也就是說原語在執(zhí)行過程中不能被中斷，只能一氣呵成。原子操作在內(nèi)核態(tài)下執(zhí)行，并且常駐內(nèi)存。

1.6系統(tǒng)調(diào)用:

所謂的系統(tǒng)調(diào)用是指用戶在程序中調(diào)用操作系統(tǒng)所提供的一些子功能，系統(tǒng)調(diào)用可視為特殊的公共子程序。

系統(tǒng)調(diào)用按功能可分為：

由于系統(tǒng)調(diào)用對整個系統(tǒng)的影響非常的大，因此需要由內(nèi)核程序負(fù)責(zé)完成，要運行在內(nèi)核態(tài)，用戶可以通過陷入指令(trap/訪管指令)來發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用，即是將CPU的使用權(quán)交給操作系統(tǒng)的內(nèi)核程序(CPU的狀態(tài)從用戶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)核態(tài))。讓內(nèi)核程序?qū)ο到y(tǒng)調(diào)用請求進行相應(yīng)得處理，處理完成后將CPU得使用權(quán)還給用戶程序(即由內(nèi)核態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩魬B(tài))。目的就是讓用戶程序不能執(zhí)行對系統(tǒng)影響大得操作。必須通過系統(tǒng)調(diào)用得方式請求操作系統(tǒng)代為執(zhí)行。增加了安全性。

列舉從用戶態(tài)轉(zhuǎn)變到內(nèi)核態(tài)的例子:

(1).用戶程序要求操作系統(tǒng)的服務(wù)，即系統(tǒng)調(diào)用。

(2).發(fā)生一次中斷。

(3).用戶程序產(chǎn)生了一個錯誤狀態(tài)。

(4).用戶程序企圖執(zhí)行一條特權(quán)指令。

(5).從核心態(tài)轉(zhuǎn)向用戶態(tài)由一條指令實現(xiàn)，這條指令也是特權(quán)指令(因為是在內(nèi)核態(tài)下執(zhí)行的指令)，一般是中斷返回指令。

訪管指令是將用戶態(tài)轉(zhuǎn)向核心態(tài)，因此它是在用戶態(tài)下使用的指令，不是特權(quán)指令。

1.7操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(新知識點):

大內(nèi)核: 所有的系統(tǒng)功能都放在了內(nèi)核里。這也保證了狀態(tài)切換的次數(shù)減少，性能增加內(nèi)核內(nèi)部的各個程序可以互相調(diào)用。缺點:所有的程序都放在內(nèi)核導(dǎo)致維護起來很難，并且當(dāng)一個程序出現(xiàn)錯誤，可能就導(dǎo)致整個內(nèi)核出現(xiàn)錯誤。
微內(nèi)核: 只把最核心的功能放入內(nèi)核，優(yōu)點:內(nèi)核易于維護，可靠性高，一個功能出錯不會影響內(nèi)核。缺點:性能低，需要頻繁的進行狀態(tài)切換。

1.8虛擬機:

虛擬機:使用虛擬化技術(shù)將一臺物理機虛擬化為多臺虛擬機器，每臺虛擬機都可以獨立運行1個操作系統(tǒng)。

二者對比:

第二類的虛擬機就是我們常用的Vmware,我們將虛擬機安裝在我們的宿主機上，所有的資源都依靠于宿主機，這也就意味著性能會差，但是可遷移性非常好，我們只需要將我們的鏡像文件ISO拷貝到另一臺電腦上即可。

第一章知識點補充:

1.操作系統(tǒng)管理計算機的硬件資源和軟件資源。

2.系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序使用內(nèi)核功能所提供的接口。

3.操作系統(tǒng)為編程人員提供的接口是程序接口，即系統(tǒng)調(diào)用。

4.用戶不能直接操作硬件資源，只能通過系統(tǒng)調(diào)用的方式來請求內(nèi)核為其提供服務(wù)，間接的去訪問資源。

5.操作系統(tǒng)不能直接用來編程，配置操作系統(tǒng)的機器與裸機相比，資源利用率提高了。

6.操作系統(tǒng)的接口分為 命令接口 和 程序接口(系統(tǒng)調(diào)用)。

7.計算機開機后，操作系統(tǒng)被加載到RAM中。

8.實時操作系統(tǒng)必須在被控制對象的規(guī)定時間內(nèi)來處理來自外部的請求。

9.計算機通過硬件中斷機制完成了由用戶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹诵膽B(tài)。

10.內(nèi)核包含四個部分：時鐘管理，中斷機制，原語和廣義指令。輸入和輸出涉及中斷操作，也屬于內(nèi)核。

11.關(guān)中斷屬于特權(quán)指令。

12.微內(nèi)核結(jié)構(gòu)中，內(nèi)核的功能越少越穩(wěn)定。支持分布式系統(tǒng)。windows屬于宏內(nèi)核

第二章:進程與線程

2.1進程:

進程的概念:

進程是程序的一次執(zhí)行過程，是一個程序及其數(shù)據(jù)在處理機上順序執(zhí)行時所發(fā)生的活動，是具有獨立功能的程序在一個數(shù)據(jù)集合上運行的過程，他是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位。

重點:

(1).進程是動態(tài)的，具有過程性。

(2).PCB是進程存在的唯一標(biāo)識。

(3).進程是進程實體的運行過程，是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位。

進程的特征: (1)動態(tài)性，(2)，并發(fā)性(3)，異步性(4)，獨立性

2.2進程的狀態(tài)與轉(zhuǎn)換:

五種狀態(tài)以及五種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換:

運行態(tài): 進程正在處理機上運行。

就緒態(tài): 進程獲得了除處理機之外的其他所有資源。一旦得到處理機就可以開始運行。

阻塞態(tài): 進程正在等待某一事件而暫停運行。

注意: 一個進程從運行態(tài)轉(zhuǎn)變到阻塞態(tài)是主動的行為，從阻塞態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫途w態(tài)是被動的。

2.3進程的組成:

PCB(最核心的進程控制塊，是進程存在的唯一標(biāo)識) + 程序段 + 數(shù)據(jù)段

2.4進程控制:

進程的創(chuàng)建: 終端用戶登錄系統(tǒng)，作業(yè)調(diào)度，系統(tǒng)提供服務(wù)都會引起進程的創(chuàng)建。

進程的終止: (1).正常結(jié)束(2).異常結(jié)束，表示進程在運行時，發(fā)生了某種異常事件導(dǎo)致無法繼續(xù)運行(3).外界干預(yù)

進程的阻塞和喚醒

2.5進程通信:

進程通信是指進程之間的信息交換，其中我們所知道的PV操作則是低級通信方式，而高級通信方式是 共享內(nèi)存，消息傳遞，管道通信。

2.6線程:

在引入線程后，進程作為除CPU外的系統(tǒng)資源的分配單元，而線程則作為處理機的分配單元 ，是程序執(zhí)行流的最小單位。

引入進程的目的是更好的使多道程序并發(fā)執(zhí)行，提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。引入線程則是減少程序在并發(fā)執(zhí)行時所付出的時空開銷，提高操作系統(tǒng)的并發(fā)性能。

2.7線程和進程的比較:

(1).調(diào)度:

擁有資源和獨立調(diào)度的基本單位都是進程，進程之間的切換開銷很大。而線程獨立調(diào)度的基本單位，線程之間切換的開銷遠(yuǎn)小于進程。同時線程之間的切換不會影響進程。進程之間的切換會影響線程。

(2).并發(fā)性:

進程之間可以并發(fā)，一個進程中的多個線程也可以并發(fā)，不同進程中的線程也可以并發(fā)。

(3).獨立性:

每個進程都擁有獨立的地址空間和資源。不允許其他進程訪問，線程共享進程的地址空間和資源，并且某個進程中的線程對其他進程是不可見的。

(4).系統(tǒng)開銷:

創(chuàng)建和撤銷進程的開銷要遠(yuǎn)大于創(chuàng)建和撤銷線程的開銷。

(5).支持多處理機:

進程只能運行在一個處理機上，對于多線程進程可以在多個處理機上運行。

2.8線程的實現(xiàn):

用戶級線程:

內(nèi)核級線程:

由圖可以看除內(nèi)核級線程是放在操作系統(tǒng)中的，因此是由操作系統(tǒng)進行管理的。線程的調(diào)度，切換等工作都是由內(nèi)核負(fù)責(zé)的，因此內(nèi)核級線程的切換必須在內(nèi)核態(tài)下完成。每個線程都有自己的線程控制塊(TCB)，同時內(nèi)核級線程是操作系統(tǒng)能夠看到的線程。

優(yōu)點: 當(dāng)一個線程被阻塞時，別的線程還能正常運行，并發(fā)能力強，多線程可以在多核處理機上并行執(zhí)行。

缺點: 一個用戶級線程會占用多個內(nèi)核級線程，線程的切換需要切換到內(nèi)核態(tài)，需要狀態(tài)轉(zhuǎn)換，開銷大。

2.9一對一模型:

2.10多對一模型:

2.11多對多模型:

注意: 內(nèi)核級線程要小于用戶級線程的。

2.12線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換:

線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和進程類似，我們只需要關(guān)注三狀態(tài)轉(zhuǎn)換(就緒，運行，阻塞)

2.13進程調(diào)度:

進程調(diào)度的時機:

• 當(dāng)前運行的進程主動放棄處理機:

  進程正常的運行完終止。

  進程運行過程中發(fā)生異常終止。

  進程主動請求進入阻塞。

• 當(dāng)前運行的進程被動放棄處理機:

  在運行過程中來了一個優(yōu)先級更高的進程。

  分配給進程的時間片用完。

  有更緊急的事情要處理(I/O)。

進程調(diào)度的方式:

搶占式和非搶占式

重點知識:

進程在操作系統(tǒng)內(nèi)核程序臨界區(qū)是不能進行調(diào)度和切換的。

進程處于臨界區(qū)時是可以進行處理機調(diào)度的，為了防止某個進程一直等待臨界資源，占用CPU。

2.14調(diào)度算法:

重要的幾個公式:

(1).先來先服務(wù)(FCFS)(非搶占式):

按照作業(yè)到達(dá)的先后順序進行調(diào)度:

用于作業(yè)調(diào)度和