2024操作系统知识整理

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2024操作系统知识整理

第一章导论

1.操作系统是管理计算机硬件的程序，他还为应用程序提供基础，并且充当计算机硬件和计算机用户的中介。操作系统作用：控制管理计算机的全部软硬件资源；合理组织计算机你内部各部件协调工作；为用户提供操作和编辑页面的程序集合。

2.操作模式：系统模式、用户模式在计算机硬件中增加一个模式位，系统模式(0)和用户模式

(1)，当计算机系统表示用户应用程序正在执行，系统处于用户模式，当用户应用程序需要操作系统的服务，转换到系统模式。双重模式操作提供了保护操作系统和用户程序不受错误用户程序的影响的手段。用户进行系统调用，转换到系统模式。特权指令，如I/O控制，定时器管理和终端管理，转换到用户模式。

3.操作系统功能：进程管理、内存管理、存储管理(文件系统管理、大容量存储器管理、高速缓存、I/O系统)

4.操作系统类型：通用系统：实时嵌入式系统：运行系统简单、操作系统只提供了有限的功能，它们只具有很少或者没有用户接口，而将他们的时间花费在监视和管理硬件设备上，如汽车引擎和机械手。多媒体系统：将多媒体数据加到计算机系统中。多媒体数据包括声音和音像数据。手持系统：个人数字处理

第二章操作系统结构

1.操作系统服务：(了解)用户界面、程序执行、I/O操作、文件系统操作、通信、错误检测、资源分配、统计、保护和安全。

2.系统调用：系统调用把应用程序的请求传给内核，调用相应的的内核函数完成所需的处理，将处理结果返回给应用程序。系统调用实现机制：每个系统调用有一个与其相关的数字，系统调用接口根据这些数字维护一个列表索引，接口调用所需的操作系统内核中的系统调用，并返回系统调用状态及其他的返回值，调用者无需知道系统调用的实现细节，只需要遵循API知道系统调用后系统作了什么，对于程序员，通过API操作系统接口的大部分细节被隐藏，被执行支持库所管理。参数传递方式：通过寄存器传递参数；将参数存在内存的块和表中，将块的地址通过寄存器传递；将参数压入堆或栈中，通过操作系统弹出。系统调用类型：进程控制、文件管理、设备管理、信息维护、通信

3.操作系统结构：优点缺点典型操作系统简单结构利用最小的空间提供最多的功能没有划分成模块没有很好的区分接口和功能层次MS-DOS系统、原始UNI_系统分层方法构造和调试的简单化每层为较高层隐藏了一定的数据结构、操作和硬件的存在对层的详细定义困难与其它方法相比效率差微内核便于扩充操作系统提供了更好的安全性和可靠性由于系统功能总开销的增加而导致系统性能的下降Tru64UNI_操作系统、QN_操作系统模块这样的设计允许内核提供核心服务，也能动态的实现特定的功能这种方法更高效GG资源网现代UNI_，如Solaris、Linu_、MacOS_

4.虚拟机：(了解)虚拟机目的：最根本的原因，在并行运行几个不同的执行环境(即不同的操作系统)时能够共享相同的硬件。虚拟机优点：可以通过共享小型磁盘来共享文件。可以通过定义一个虚拟机的网络，每台虚拟机通过虚拟通信网络来传递消息。

第三章进程

1.进程的概念：进程是一个具有一定独立功能的程序在一个数据集合上的一次动态执行过程,是系统进行资源分配和调度的独立单位进程与程序有何差别？

进程是一个动态概念，程序是一个静态概念；进程有生命周期，有诞生有消亡，短暂的；而程序是相对长久的。进程具有并发性，而程序没有；进程是竞争计算机系统资源的基本单位，其并发性受到系统本身的制约；不同的进程可以包含同一程序，只要程序所对应的数据集不同。进程特点：结构特点：程序段、数据段、进程控制块PC

2.进程调度的类型：长期调度程序、中期调度程序、短期调度程序进程调度的过程：上下文切换(通过执行状态保存来保存CPU当前状态，之后执行状态恢复重新开始运行)

3.进程的基本操作：(了解)进程创建、进程终止、进程挂起、进程唤醒

4.进程间通信：适用场合特点共享内存系统这里的共享存储区属于每个互相通信进程的组成部分。不要求数据移动，一般属于本地通信。对于远程通信来说，每台计算机拥有各自的内存区，不容易实现共享存储区的访问。适合于大块数据，如显卡。消息传递系统直接通信在需要通信的每对进程之间自动建立线路，进程仅需知道相互通信的标识符；一个线路只与两个进程相关；每对进程之间只有一个线路。间接通信只有在两个进程共享一个邮箱时，才能建立通信线路；一个线路可以与两个或更多的进程相关联；两个通信进程之间可有多个不同的线路，每个线路对应于一个邮箱。进程队列实现：令容量、有限容量、无限容量。客户机-服务器系统通信：Socket：一个套接字是通信的一个端点；套接字的信息主要包含IP地址+通信端口；通信在一对套接字之间发生。RPC：RPC提供了在联网的计算机系统之间进行过程调用的机制；客户端的访问代理负责确定server的位置，并将远程过程调用所需的参数按规定的格式封装好；服务器端收到封装好的消息，从中解析出参数，进行过程调用RMI：与RPC不同：RPC支持子程序编程，及智能调用远程的子程序或函数；而RMI是基于对象的，它支持调用远程对象的方法。在RPC中，远程过程的参数是普通数据结构，而RMI可以将对象作为参数传递给远程方法。

第四章线程

1.线程是CPU使用的基本单元，它由线程ID、程序计数器、寄存器集合和栈组成。

2.为什么引入线程？

优点：响应度高；资源共享；经济；多处理器体系结构的利用。

2.线程模型：用户线程受内核支持，无需内核管理；内核线程由操作系统直接支持和管理。多对一模型：效率高，但是如果一个线程执行了阻塞系统调用，整个进程会阻塞。多个线程不能并行运行在多处理器上。一对一模型：一个线程执行阻塞系统调用时，能允许另一个线程继续执行；它允许多个线程能并行的运行在多处理器系统上。缺点是创建内核线程的开销会影响应用程序的性能，所以这种模型的绝大多数实现了限制了系统所支持的线程数量。多对多模型：允许开发人员创建人一多的用户进程，但是因为内核只能一次调度一个线程，所以并没有增加并发性。开发人员可以创建人一多的用户进程。

3.线程池优势(了解)通常用现有线程处理请求要比等待创建新的线程要快线程池限制了在任何时候可用线程的数量。这对那些不能支持大量并发线程的系统非常重要

第五章CPU调度

1.什么叫抢占调度当一个进程从运行状态切换到等待状态(例如，当I/O请求，或调用wait等待一个子进程的终止)当一个进程从运行状态切换到就绪状态(例如，当出现中断时)当一个进程从等待状态切换到就绪状态(例如，当I/O完成时)当一个进程终止时当调度只能发生在第1和第4种情况时，没有选择只有调度，称调度方案是非抢占的。否则称调度方案时抢占的。CPU调度就绪队列可以为先进先出队列、优先队列、树或简单的无序链表。

2.调度准则CPU使用率、吞吐量、周转时间、等待时间、响应时间(响应时间=等待时间+周转时间)

3.调度过程从就绪队列中取进程调度算法：先到先服务调度：代码编写简单且容易理解，平均等待时间较长，是非抢占调度。最短作业优先调度：平均等待时间最少，经常用于长期调度，但是不能在短期CPU度层次加以实现，可能会出现饥饿现象。优先级调度：可以是抢占或非抢占的，可能会出现饥饿现象。轮转法调度：平均等待时间较长，是可抢占的。多级队列调度：队列之间通常采用固定优先级抢占调度。多级反馈队列调度：

4.分派程序功能：(了解)切换上下文；切换到用户模式；跳转到用户程序的合适位置，以重新启动程序。

5.多处理器调度：(了解)分类：非对称多处理，对称多处理。当一个操作系统具有设法让一个进程保持在同一个处理器上运行的策略，但不能做任何保证时，会出现软亲和性，此时进程可能在处理器之间移动。Linu_系统还支持硬亲和性的调用，允许进程指定他不允许抑制其他处理器上。负载平衡的两种方法：pushmigration和pillmigration。

第六章进程同步(重点)

1.临界区：每段程序中涉及到全局变量操作的代码解决临界区问题必须要满足的三个条件：互斥、前进、有限等待。解决临界区问题的两种方法：抢占内核与非抢占内核。抢占内核更好，因为抢占内核更适合实时编程，抢占内核的响应更快。

2.信号量：含义：信号量是一个变量，包含一个整型值和指向进程的指针。对信号量操作：P(wait)操作：对信号量-1，取资源，如果信号量值0，说明已被取走，把进程放到等待队列中。V(signal)操作：对信号量+1，放资源。如果信号量值逻辑文件系统-文件组织系统-基本文件系统-I/O控制-设备

2.文件系统共有的内容：引导控制块、卷控制块、目录结构、FC

3.虚拟文件系统(VFS)的作用：VFS层通过定义一个清晰的VFS接口，已将文件系统的通用操作和具体实现分开。VFS提供了在网络上唯一标识一个文件的机制。

4.目录的实现方法：线性列表、哈希表

5.分配方法：连续分配方法要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。缺点：时间代价大，无法确定一个文件需要多少空间。链接分配解决了连续分配的所有问题。索引分配通过把所有指针放在一起。

6.空闲空间管理方法：位向量、链表、组、计数

第十二章大容量存储器的结构

1.磁盘的物理结构：读写头飞行于每个磁盘片的表面之上，磁头与磁臂相连，磁臂能将所有磁头作为一个整体而一起移动，此盘片的表面被逻辑的划分为圆形磁道，磁道再进一步划分为扇区，位于同一磁臂位置的磁道集合形成了柱面。

2.磁盘的访问时间：定位时间=寻道时间+旋转等待时间。

3.磁盘附属方法(了解)：主机附属存储、网络附属存储、存储区域网络。