操作系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)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(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。而并行是指多個(gè)事件在同一時(shí)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(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程去訪問(wèn)。同時(shí)共享方式：在一定時(shí)間內(nèi)允許多個(gè)進(jìn)程去訪問(wèn)。

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(méi)有并發(fā)就沒(méi)有辦法談共享。若系統(tǒng)不能對(duì)資源并發(fā)進(jìn)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(jìn)程的執(zhí)行不是一貫到底的，而是走走停停，不斷向前推進(jìn)。

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(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者:

(1).處理機(jī)管理

(2).存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口

3.操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)資源的擴(kuò)充

操作系統(tǒng)的目標(biāo):實(shí)現(xiàn)方便性，有效性，可擴(kuò)充性，開(kāi)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(shí)現(xiàn)了對(duì)作業(yè)的連續(xù)處理，但由于只有一個(gè)通道，它解決了人機(jī)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(diǎn):不能充分利用資源，原因是只有一個(gè)通道。

3.多道批處理階段:

優(yōu)點(diǎn):提高了資源的利用率，系統(tǒng)的吞吐量大。

缺點(diǎn):平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，沒(méi)有交互能力。

實(shí)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(wèn)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(shí)操作系統(tǒng)

分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是如何讓用戶與自己的作業(yè)進(jìn)行交互。

5.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

//TODO

1.5操作系統(tǒng)的運(yùn)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(wèn)系統(tǒng)的軟硬資源。

隨之而來(lái)的是兩種運(yùn)行模式(用戶態(tài)和核心態(tài)):

當(dāng)CPU處于核心態(tài)時(shí)就可以使用特權(quán)指令，同時(shí)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(shí)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(guò)程:

當(dāng)CPU在執(zhí)行用戶程序的第i條指令時(shí)檢測(cè)到一個(gè)異常事件，或者發(fā)現(xiàn)了一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，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(wèn)題，則在中斷或者異常處理程序最后，通過(guò)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(cuò)誤就終止用戶程序。

原語(yǔ):

所謂原語(yǔ)就是由若干條指令組成的，用于完成某一特定功能的過(guò)程，它是有原子性的，也就是說(shuō)原語(yǔ)在執(zhí)行過(guò)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(duì)整個(gè)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(yùn)行在內(nèi)核態(tài)，用戶可以通過(guò)陷入指令(trap/訪管指令)來(lái)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(qǐng)求進(jìn)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(duì)系統(tǒng)影響大得操作。必須通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用得方式請(qǐng)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(gè)錯(cuò)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(shí)現(xiàn)，這條指令也是特權(quán)指令(因?yàn)槭窃趦?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(shí)點(diǎn)):

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(gè)程序可以互相調(diào)用。缺點(diǎn):所有的程序都放在內(nèi)核導(dǎo)致維護(hù)起來(lái)很難，并且當(dāng)一個(gè)程序出現(xiàn)錯(cuò)誤，可能就導(dǎo)致整個(gè)內(nèi)核出現(xiàn)錯(cuò)誤。
微內(nèi)核: 只把最核心的功能放入內(nèi)核，優(yōu)點(diǎn):內(nèi)核易于維護(hù)，可靠性高，一個(gè)功能出錯(cuò)不會(huì)影響內(nèi)核。缺點(diǎn):性能低，需要頻繁的進(jìn)行狀態(tài)切換。

1.8虛擬機(jī):

虛擬機(jī):使用虛擬化技術(shù)將一臺(tái)物理機(jī)虛擬化為多臺(tái)虛擬機(jī)器，每臺(tái)虛擬機(jī)都可以獨(dú)立運(yùn)行1個(gè)操作系統(tǒng)。

二者對(duì)比:

第二類的虛擬機(jī)就是我們常用的Vmware,我們將虛擬機(jī)安裝在我們的宿主機(jī)上，所有的資源都依靠于宿主機(jī)，這也就意味著性能會(huì)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(tái)電腦上即可。

第一章知識(shí)點(diǎn)補(bǔ)充:

1.操作系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)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(guò)系統(tǒng)調(diào)用的方式來(lái)請(qǐng)求內(nèi)核為其提供服務(wù)，間接的去訪問(wèn)資源。

5.操作系統(tǒng)不能直接用來(lái)編程，配置操作系統(tǒng)的機(jī)器與裸機(jī)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(jì)算機(jī)開(kāi)機(jī)后，操作系統(tǒng)被加載到RAM中。

8.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)必須在被控制對(duì)象的規(guī)定時(shí)間內(nèi)來(lái)處理來(lái)自外部的請(qǐng)求。

9.計(jì)算機(jī)通過(guò)硬件中斷機(jī)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(gè)部分：時(shí)鐘管理，中斷機(jī)制，原語(yǔ)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(jìn)程與線程

2.1進(jìn)程:

進(jìn)程的概念:

進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過(guò)程，是一個(gè)程序及其數(shù)據(jù)在處理機(jī)上順序執(zhí)行時(shí)所發(fā)生的活動(dòng)，是具有獨(dú)立功能的程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上運(yùn)行的過(guò)程，他是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位。

重點(diǎn):

(1).進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的，具有過(guò)程性。

(2).PCB是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)識(shí)。

(3).進(jìn)程是進(jìn)程實(shí)體的運(yùn)行過(guò)程，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位。

進(jìn)程的特征: (1)動(dòng)態(tài)性，(2)，并發(fā)性(3)，異步性(4)，獨(dú)立性

2.2進(jìn)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(yùn)行態(tài): 進(jìn)程正在處理機(jī)上運(yùn)行。

就緒態(tài): 進(jìn)程獲得了除處理機(jī)之外的其他所有資源。一旦得到處理機(jī)就可以開(kāi)始運(yùn)行。

阻塞態(tài): 進(jìn)程正在等待某一事件而暫停運(yùn)行。

注意: 一個(gè)進(jìn)程從運(yùn)行態(tài)轉(zhuǎn)變到阻塞態(tài)是主動(dòng)的行為，從阻塞態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫途w態(tài)是被動(dòng)的。

2.3進(jìn)程的組成:

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

2.4進(jìn)程控制:

進(jìn)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(huì)引起進(jìn)程的創(chuàng)建。

進(jìn)程的終止: (1).正常結(jié)束(2).異常結(jié)束，表示進(jìn)程在運(yùn)行時(shí)，發(fā)生了某種異常事件導(dǎo)致無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行(3).外界干預(yù)

進(jìn)程的阻塞和喚醒

2.5進(jìn)程通信:

進(jìn)程通信是指進(jìn)程之間的信息交換，其中我們所知道的PV操作則是低級(jí)通信方式，而高級(jí)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(jìn)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(jī)的分配單元 ，是程序執(zhí)行流的最小單位。

引入進(jìn)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(shí)所付出的時(shí)空開(kāi)銷，提高操作系統(tǒng)的并發(fā)性能。

2.7線程和進(jìn)程的比較:

(1).調(diào)度:

擁有資源和獨(dú)立調(diào)度的基本單位都是進(jìn)程，進(jìn)程之間的切換開(kāi)銷很大。而線程獨(dú)立調(diào)度的基本單位，線程之間切換的開(kāi)銷遠(yuǎn)小于進(jìn)程。同時(shí)線程之間的切換不會(huì)影響進(jìn)程。進(jìn)程之間的切換會(huì)影響線程。

(2).并發(fā)性:

進(jìn)程之間可以并發(fā)，一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程也可以并發(fā)，不同進(jìn)程中的線程也可以并發(fā)。

(3).獨(dú)立性:

每個(gè)進(jìn)程都擁有獨(dú)立的地址空間和資源。不允許其他進(jìn)程訪問(wèn)，線程共享進(jìn)程的地址空間和資源，并且某個(gè)進(jìn)程中的線程對(duì)其他進(jìn)程是不可見(jiàn)的。

(4).系統(tǒng)開(kāi)銷:

創(chuàng)建和撤銷進(jìn)程的開(kāi)銷要遠(yuǎn)大于創(chuàng)建和撤銷線程的開(kāi)銷。

(5).支持多處理機(jī):

進(jìn)程只能運(yùn)行在一個(gè)處理機(jī)上，對(duì)于多線程進(jìn)程可以在多個(gè)處理機(jī)上運(yùn)行。

2.8線程的實(shí)現(xiàn):

用戶級(jí)線程:

內(nèi)核級(jí)線程:

由圖可以看除內(nèi)核級(jí)線程是放在操作系統(tǒng)中的，因此是由操作系統(tǒng)進(jìn)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(jí)線程的切換必須在內(nèi)核態(tài)下完成。每個(gè)線程都有自己的線程控制塊(TCB)，同時(shí)內(nèi)核級(jí)線程是操作系統(tǒng)能夠看到的線程。

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

缺點(diǎn): 一個(gè)用戶級(jí)線程會(huì)占用多個(gè)內(nèi)核級(jí)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(kāi)銷大。

2.9一對(duì)一模型:

2.10多對(duì)一模型:

2.11多對(duì)多模型:

注意: 內(nèi)核級(jí)線程要小于用戶級(jí)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(jìn)程類似，我們只需要關(guān)注三狀態(tài)轉(zhuǎn)換(就緒，運(yùn)行，阻塞)

2.13進(jìn)程調(diào)度:

進(jìn)程調(diào)度的時(shí)機(jī):

• 當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程主動(dòng)放棄處理機(jī):

  進(jìn)程正常的運(yùn)行完終止。

  進(jìn)程運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生異常終止。

  進(jìn)程主動(dòng)請(qǐng)求進(jìn)入阻塞。

• 當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程被動(dòng)放棄處理機(jī):

  在運(yùn)行過(guò)程中來(lái)了一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程。

  分配給進(jìn)程的時(shí)間片用完。

  有更緊急的事情要處理(I/O)。

進(jìn)程調(diào)度的方式:

搶占式和非搶占式

重點(diǎn)知識(shí):

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

進(jìn)程處于臨界區(qū)時(shí)是可以進(jìn)行處理機(jī)調(diào)度的，為了防止某個(gè)進(jìn)程一直等待臨界資源，占用CPU。

2.14調(diào)度算法:

重要的幾個(gè)公式:

(1).先來(lái)先服務(wù)(FCFS)(非搶占式):

按照作業(yè)到達(dá)的先后順序進(jìn)行調(diào)度:

用于作業(yè)調(diào)度和