操作系统 - lizi

概述#

操作系统自上而下可分为 4 部分：硬件、操作系统、应用程序、用户。

操作系统的特征#

并发指两个或多个事件在同一时间间隔内发生，并行性是指系统具有同时进行运算或操作的特性。
共享
- 互斥共享方式一个时间段内只允许一个进程访问该资源
- 同时访问方式允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问
虚拟
- 时分复用技术
- 空分复用技术
异步

并发和共享是操作系统的两个最基本的特征

发展历程#

手工操作阶段

缺点

用户独占主机，虽然不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象，但资源利用率低
CPU 等待手工操作，CPU 的利用不充分

批处理阶段

单道批处理系统

自动性
顺序性
单道性

多道批处理系统

多道
宏观上并行
微观上串行

分时操作系统

同时性
交互性
独立性
及时性

实时操作系统

运行环境#

处理器运行模式#

核心态（管态、内核态）此时执行的是内核程序，可以执行特权指令和非特权指令
用户态（目态）此时执行的是应用程序，只能执行非特权指令

包含

时钟管理
中断机制
原语 Atomic Operation
- 处于操作系统的最底层，是最接近硬件的部分
- 这些程序的运行具有原子性，其操作只能一气呵成
- 这些程序的运行时间都较短，而且调用频繁
系统控制的数据结构及处理
- 数据结构作业控制块、进程控制块、设备控制块、各类链表、消息队列、缓冲区、空闲登记区等
- 操作进程管理、存储器管理、设备管理

中断和异常#

内部异常
- 软件中断
  - 故障 Fault
  - 自陷 Trap
- 硬件中断
  - 终止 Abort
外部中断（硬件）
- 可屏蔽中断 INTR
- 不可屏蔽中断 NMI

系统调用#

设备管理
文件管理
进程管理
进程通信
内存管理

操作系统结构#

分层法#

模块化#

宏内核#

系统的主要功能模块都作为一个紧密联系的整体运行在核心态，从而为用户程序提供高性能的系统服务。

微内核#

内核只保存最基本的功能，其他移到用户态，从而降低内核的设计复杂度。

基本功能

进程（线程）管理
低级存储器管理
中断和陷入处理

特点

扩展性和灵活性
可靠性和安全性
可移植性
分布式计算

外核#

操作系统引导#

激活 CPU
硬件自检
加载带有操作系统的硬盘
加载主引导记录 MBR
扫描硬盘分区表
加载分区引导记录 PBR
加载启动管理器
加载操作系统

进程与线程#

进程#

程序段、相关数据段和 PCB（进程控制块 Process Control Block）三部分构成了进程实体（又称进程映像）

进程的状态与转换#

graph LR;
  A((新建)) --创建--> B((就绪))
  B --调度--> B1((运行))
  B1 --时间到--> B
  B1 --事件等待--> B2((阻塞))
  B2 --事件发生--> B
  B2 --退出--> C((终止))

组织#

PCB 包含的内容

进程描述信息	进程控制和管理信息	资源分配清单	处理机相关信息
进程标识符（PID）	进程当前状态	代码段指针	通用寄存器值
用户标识符（UID）	进程优先级	数据段指针	地址寄存器值
	代码运行入口地址	堆栈段指针	控制寄存器值
	程序的外存地址	文件描述符	标志寄存器值
	进入内存时间	键盘	状态字
	处理机占用时间	鼠标
	信号量使用

进程描述信息
- 进程标识符：标志各个进程，每个进程都有一个唯一标识号。
- 用户标识符：进程归属的用户，用户标识符主要为共享和保护服务。
进程控制和管理信息
资源分配清单
处理机相关信息

进程的通信#

共享存储
- 低级方式：基于数据结构的共享
- 高级方式：基于存储区的共享
消息传递
- 直接通信方式
- 间接通信方式
管道通信

线程#

TCB 线程控制块

处理机的调度#

调度的目标

CPU 利用率
系统吞吐量
周转时间
- 周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间
- 平均周转时间 = （1周转时间 + 2周转时间 + … + n周转时间） / n
- 带权周转时间 = 作业周转时间 / 作业实际运行时间
等待时间
响应时间

同步与互斥#

死锁#

调度的实现#

调度程序

排队器
分派器
上下文切换器

进程调度方式

非抢占调度方式（非剥夺方式），当一个进程正在处理机执行时，即使有更紧迫的进程，也要等待该进程进入阻塞态。
抢占调度方式（剥夺方式）

内存管理#

大端序和小端序#

大端序(Big Endian)：高位字节存入低地址，低位字节存入高地址。例：0x1234 [0x12， 0x34]

小端序(Little Endian)：低位字节存入低地址，高位字节存入高地址。例：0x1234 [0x34， 0x12]

网络协议也都是采用 Big Endian 方式传输数据的，所以有时也把 Big Endian 方式称为网络字节序