王道考研-操作系統學習筆記

王道考研-操作系統學習筆記

• 聯機命令接口（交互式命令）&脫機命令接口（批處理命令接口）
• 單道批處理程序時的監控程序是操作系統的原型，多道批處理程序時操作系統正式誕生
• 運行機制
  • 兩種指令
    • 特權指令
    • 非特權指令
  • 兩種狀態（用PSW 寄存器的某個標記位表示）
    • 核心態（管態）
    • 用戶態（目態）
  • 兩種程序
    • 應用程序
    • 內核程序
• 中斷和異常
  • 本質：在多道批處理后引入了中斷機制，本質：中斷發生之后需要操作系統介入，進行一些管理工作
  • 用戶態-->核心態的切換是通過【中斷】實現的，且中斷是唯一的途徑
  • 核心態-->用戶態的切換是通過一個特權指令，獎PSW寄存器的標記設置為“用戶態”即可
  • 中斷分為兩大類
    • 內中斷(信號來源：CPU內部，與當前執行的指令有關，也成為異常、陷入)
      • 自願中斷（如內核系統調用）
      • 強迫中斷（硬件故障，缺頁。軟件中斷，除0）
    • 外中斷(信號來源：CPU外部，與當前執行的指令五關)
      • 外設請求（IO操作完成）
      • 人工干預（用戶強制中斷執行）
  • int 指令（interrupt 又稱為 陷入\trap\訪管指令，在用戶態調用，立即引發內中斷，處理系統調用的相關代碼進入核心態）
  • CPU 每執行一條指令后就會去檢查是否有中斷發生
• 進程
  • 進程由PCB（進程控制塊）、程序段、數據段組成
  • 進程控制-- 實現進程各種狀態的轉換，通過原語實現 ，原語是被 【關中斷】和【開中斷】指令包含的原語代碼，CPU不會被外部中斷打斷
  • 進程控制原語（阻塞原語和喚醒原語需要成對出現 ）
    • 更新PCB中的信息
    • 將PCB 插入合適隊列
    • 分配回收資源
  • 進程通信指是進程間的信息交換
    • 共享存儲（必須互斥、PV操作）
      • 基於數據結構的共享，低級通信
      • 基於存儲區域的共享，高級通信
    • 消息傳遞（以格式化的消息message為單位，通過操作系統提供的發送\接收消息原語進行數據交換）
      • 直接通信，消息直接掛到接收進程的消息隊列
      • 間接通信，消息要先發到中間實體
    • 管道通信
      • 半雙工通信，同一個時刻只能向一個方向通信，兩個管道實現全雙工
      • 需要互斥，寫滿write 阻塞，讀空read阻塞。
      • 沒寫滿，不允許讀，沒讀空，不允許寫。
• 線程
  • 傳統的進程是執行流調度的最小單位，現在線程是CPU執行的基本單元，進一步提高了系統的並發度。
  • 進程只作為除CPU之外的系統資源的分配單元
  • 線程實現方式
    • 用戶級線程，線程通過應用程序的線程庫創建，在用戶空間，由用戶程序負責調度，操作系統看不到
    • 內核級線程，線程通過操作系統內核創建，由內核調度。在內核空間。
  • 多線程模型
    • 多對一、一對一、多對多
• 調度機
  • 不能調度的情況：1、處理中斷的過程中 2、操作系統內核臨界區中不能進行調度 3、原語不能進行調度
  • 進程切換
    • 對原來運行進程的各種數據的保存
    • 對新的進程的各種數據的恢復（計數器、程序狀態字、各種數據寄存器等處理機現場信息，一般保存再進程控制塊中、進程控制塊在隊列中、常駐內存）
  • 多級反饋隊列調度算法：多個隊列優先級從高到低，時間片從小到大
  • 進程同步、互斥
    • 進程異步，各並發執行的進程以各自獨立的、不可預知的速度向前推進，（步調不一致）
    • 進程同步，直接制約關系，協調多個多個異步進程的工作次序，使他們之間相互合作（步調一致）
    • 互斥指臨界資源的訪問方式（識別臨界資源）
      • 代碼分為：進入區、臨界區、退出區、剩余區
      • 遵循原則：空閑讓進、忙則等待、有限等待、讓權等待
    • 進程互斥的軟件實現方法
    • 進程互斥的硬件時間方法
      • 中斷屏蔽方法(開/關中斷指令)
        • 優點：簡單、高效；缺點：不適用多處理機,只適用操作系統內核進程、不適用用戶進程
      • TestAndSet（TS指令、TSL testandsetLock） 是用硬件實現的，執行過程不會被中斷
      • SWAP 指令
    • 信號量實現進程互斥、同步、前驅
      • 實現互斥：
        • 分析出臨界區
        • 設置互斥信號量 mutex 設置為1
          • (信號量是指操作系統中的某種資源，臨界區也可以是一個資源)
        • （進程）程序代碼先對互斥信號量進行P操作，
        • （進程）程序代碼再對互斥信號量進行V操作
      • 實現同步（由於進程並發執行，時間片輪轉、程序內順序執行、程序間存在異步性，同一個程序的多個進程(線程)間的代碼片段交替執行次序是不確定的）
        • 需要先分析什么地方需要實現同步關系（進程間代碼片段1要比代碼片段2先執行）
        • 設置同步信號量S，初始為0
        • 在“前操作”之后執行V(S)
        • 在“后操作”之前執行P(S)
      • 實現前驅（多級同步關系）
        • 需要為每一對前驅關系各設置一個同步變量
        • 在“前操作”之后對響應的同步變量執行V操作
        • 在“后操作”之前對響應的同步變量執行P操作
  • 內存
    • 操作系統負責內存的分配和回收
      • 連續分配
        • 固定分區分配
        • 動態分區分配 z
      • 非連續分配
        • 頁框（物理塊）是內存的分配和回收單位，實際物理地址還是字節，是由頁號+頁內偏移量計算得到的，計算機實際操作的地址仍然是字節
        • 邏輯地址和物理地址的轉換
          • 計算進程內頁號（邏輯頁號），計算方法：地址除以頁大小
          • 計算進程內頁面內偏移量（頁內便宜量），計算方法：地址模頁大小
          • 根據頁表得到實際物理塊號
          • 根據物理塊號（塊大小可以得到物理地址）+頁內偏移量得到 物理地址
        • 頁表項大小的計算
        • 頁表在內存中是連續存儲的，數組存儲而不是鍵值對，比如頁表項是3個字節大小，邏輯0號頁，對應的物理地址存在0～2 三個字節中
        • 每個進程有一個頁表，頁表有頁號和塊號組成
          • 每個頁表項長度是相同的，頁號是隱含的，這樣通過數組就能實現頁號和塊號的對應，計算頁表項長度的方法
        • 未運行時頁表啟始地址和頁表長度（校驗頁號是否合法）是放在進程pcb中，當進程被調度時，放入ptr頁表寄存器中。
        • 因為時間局部性和空間局部性引入了快表機制，又稱為聯想寄存器（TLB），內存中頁表又稱為慢表。
        • 單級頁表的問題
          • 頁表必須連續存放，如果頁表很大，需要占用很多連續的頁框
          • 沒必要讓整個頁表常駐內存，大部分情況只需要特定的幾個頁表就可以
          • 多級頁表的大小不能超過一個頁面
        • 基本分段管理（和分頁管理不同是分配的單位不一樣）
          • 按照程序自身邏輯 划分為若干段，各段之間不相鄰，段內地址連續，段內地址從0開始
          • 頁是信息的物理單位，分頁的主要目的是為了實現離散分配，提高利用率，僅僅是系統管理需要，對用戶是不可見的
          • 段是信息的邏輯單位。分段的主要目的是為了更好的滿足程序員的需求。一個段通常包含着一組屬於一個邏輯模塊的信息。分段是對用戶可見的，用戶編程時需要顯示的給出段名
          • 頁大小時固定由系統決定的，段的長度不固定。決定於用戶編寫的程序。分頁是一維的，分段是二維的
          • 分段更容易實現信息的共享和保護（因為分段是按照代碼邏輯划分的，可控制）
        • 段頁式內存管理
          • 一個程序有一個段表，每個段項對應一個頁表。一個進程可能有多個頁表
    • 邏輯上對內存空間進行擴充（虛擬內存）
      • 覆蓋、交換
      • 虛擬內存技術
        • 傳統的缺點：一次性裝入內存、一直駐留內存
        • 請求調頁
        • 頁換出
    • 實現邏輯地址和物理地址的轉換
    • 內存保護
    • LRU (最近最少使用算法)
      • 從當前的訪問位置，向前追溯訪問歷史，最久沒被用到的元素，被淘汰掉。
    • 駐留集：分配給進程的物理塊集合，常駐內存
  • 文件管理
    • 在很多操作系統中磁盤塊的大小設置和內存頁大小一致，便於內存和外存間的數據交換
    • 外存的管理方式和內存思路一樣，分塊、邏輯地址和物理地址及映射表
    • FAT (顯式連接文件分配表)整個磁盤僅僅有一張，索引文件每個文件都有一個分配表
    • 平時使用的個人電腦是把一個磁盤划分為多個邏輯卷，在大型操作系統中，也可以由多個磁盤組成一個邏輯卷
    • Unix 系統使用“成組鏈接法”跟蹤空閑磁盤號，試用超大文件系統，由超級塊記錄
    • 兩種打開文件表
      • 系統的打開文件表（整個操作系統只有一張），提供了打開技術器，一共被多少進程打開
      • 用戶進程的打開文件表
    • 磁盤初始化
      • 低級格式化，划分扇區
      • 磁盤分區
      • 邏輯格式化（創建文件系統）
      • 自舉程序（bootstrap）,ROM 存放了一個很小的“自舉裝入程序”，完整的自舉程序裝在啟動塊中
  • IO控制方式
    • 程序控制方式（輪詢：CPU干預頻率高：傳送單位字：IO設備--》CPU寄存器--》內存：CPU和IO 串行工作）
    • 中斷驅動方式（中斷，每個指令執行末尾檢查中斷：CPU每次IO操作之前和完成之后CPU介入，干預頻率低：每次中斷一個字節：IO設備--》CPU寄存器--》內存：CPU和IO並行處理，傳輸大量數據需要很多中斷，耗費CPU）
    • DMA方式（直接內存訪問:僅僅在傳送一個或者多個數據塊開始結束時才需要CPU干預:每次讀寫一個塊：IO設備--》內存：CPU 和IO並行，性能進一步提高。只能讀寫連續塊，否則也需要CPU多次干預）
    • 通道控制方式（通道是一種硬件，弱雞版CPU，可以識別並執行一系列通道指令：每次讀寫完一組塊數據CPU干預：IO設備-》內存：實現復雜，需要專門硬件支持）
    • 注意的問題：
      • 完成一次讀寫操作的流程
      • CPU干預的頻率
      • 數據傳送的單位
      • 數據的流向
      • 主要的缺點和優點
    • 什么是脫機技術
      • 脫離主機（CPU）的控制進行輸入和輸出的操作。緩解CPU和設備間的速度矛盾，實現數據的預輸入和緩輸出。紙帶機-》外圍控制-》磁帶-》計算機
      • 假脫機（SPOOLING） 用軟件的方式模擬脫機技術。用輸入井模擬外圍控制機+磁帶