目錄

• 操作系統
• 操作系統特征
• 操作系統的運行機制和體系結構
  • 運行機制
  • 操作系統內核
    • 中斷
    • 中斷的分類
    • 系統調用
• 進程的定義、組成、組織方式、狀態與轉換
  • 為什么要引入進程的概念呢？
  • 進程的定義
  • PCB有哪些組成
  • 進程的狀態
  • 進程狀態的轉換
• 進程的通信
  • 進程通信3種方法
    • 共享存儲
    • 管道
    • 消息傳遞
• 線程
• 進程的同步和互斥
  • 信號量
  • 生產者消費者問題
• 內存的基礎知識和概念
  • cpu如何區分執行程序的數據在內存的什么地方
  • 內存管理-內存空間的分配與回收
• 死鎖
  • 什么是僵屍進程
  • 死鎖產生的原因
  • 死鎖產生的必要條件
  • 死鎖類型
  • 死鎖的恢復方式
  • 破壞死鎖
• 文件管理
  • 文件的屬性
  • 文件內部數據如何組織在一起
  • 文件之間如何組織起來
  • 文件的邏輯結構
  • 文件目錄
  • 文件共享
  • 文件保護
• I/O設備
  • I/O設備分類--按使用特性
  • I/O控制器
  • I/O控制方式

操作系統

操作系統（Operating System，OS）是指控制和管理整個計算機系統的硬件和軟件資源，並合理地組織調度計算機的工作和資源的分配，以提供給用戶和其他軟件方便的接口和環境，它是計算機系統中最基本的系統軟件。

操作系統特征

1. 並發

   指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生。這些享件宏觀上是同時發生的，但微觀上是交替發生的。

2. 共享

   互斥共享：系統中的某些資源，雖然可以提供給多個進程使用，但一個時間段內只允許一個進程訪問該資源。

   例子：使用QQ和微信視頻。同一時間段攝像頭只能分配給其中一個。

   同時共享：系統中的某些資源，允許一個時間段內由多個進程“同時”對它們進行訪問(這個同時是宏觀上的)。

   例子：例子：使用QQ發送文件A，同時使用微信發送文件B。宏觀上看兩邊同時都在讀取並發送數據。微觀上，兩個進程是交替着訪問硬盤的。

3. 虛擬

   概念：虛擬是指把一個物理上的實體變為若干個邏輯上的對應物。物理實體（前者）是實際存在的，而邏輯上對應物（(后者）是用戶感受到的。

   虛擬技術：

   空分復用技術 如：虛擬存儲器技術）：如：我們在電腦上打開多個軟件，超過了電腦的內存（16GB），但這些軟件仍可以在電腦上同時運行。

   時分復用技術 (如：虛擬處理器)：如一個單核CPU電腦可以打開多個程序

4. 異步

   概念：在多道程序環境下，允許多個程序並發執行，但由於資源有限，進程的執行不是一管到底的，而是走走停停，以不可預知的速度向前推進，這就是進程的異步性。

   例如：點外賣，點完外賣之后去做其他事情，等外賣到了再去取外賣。在A事件的空閑期間,我們可以做B事件。當空閑期間結束后，我們再去執行A事件的后續操作。

操作系統的運行機制和體系結構

運行機制

兩種指令：

1. 特權指令：如：如內存清零指令
2. 非特權指令：如：普通的運算指令

兩種處理器狀態：

1. 核心態（管態）：特權指令、非特權指令都可以執行
2. 用戶態（目態）：此時CPU只能執行非特權指令

兩種程序

1. 內核程序：操作系統的內核程序是系統的管理者，既可以執行特權指令，也可以執行非特權指令，運行在核心態。
2. 應用程序：為了保證系統能安全運行，普通應用程序只能執行非特權指令，運行在用戶態

操作系統內核

• 時鍾管理：操作系統的時鍾管理是依靠硬件定時器的（具體硬件怎么實現我也不太清楚，好像是靠硬件周期性的產生一個脈沖信號實現的）。時鍾管理相當重要，比如我們獲取時間信息，進程切換等等都是要依靠時鍾管理。
• 中斷處理
• 原語：可以簡單理解為用來實現某個特定功能，在執行過程中不可被中斷的指令集合。原語有一個非常重要的特性，就是原子性（其運行一氣呵成，不可中斷）。
• 對系統資源進行管理的功能：進程管理、存儲器管理、設備管理等。

中斷

• 在程序運行過程中，系統出現了一個必須由CPU立即處理的情況，此時，CPU暫時中止程序的執行轉而處理這個新的情況的過程就叫做中斷。

• 操作系統發現中斷的信號是第一個程序的時間片（每個程序不能一直執行，CPU會給每個程序一定的執行時間，這段時間就是時間片）用完了，應該換第二個應用程序執行了

• 切換到第2個進程后，操作系統會將CPU的使用權交換給第二個應用程序，接着第二個應用程序就在用戶態下開始執行。

• 進程2需要調用打印機資源，這時會執行一個系統調用（后面會講系統調用，這里簡單理解為需要操作系統進入核心態處理的函數），讓操作系統進入核心態，去調用打印機資源

• 打印機開始工作，此時進程2因為要等待打印機啟動，操作系統就不等待了（等到打印機准備好了，再回來執行程序2），直接切換到第三個應用程序執行

• 等到打印機准備好了，此時打印機通過I/O控制器會給操作系統發出一個中斷信號，操作系統又進入到核心態，發現這個中斷是因為程序2等待打印機資源，現在打印機准備好了，就切換到程序2，切換到用戶態，把CPU給程序2繼續執行。

好了，現在可以給出一個結論，就是用戶態、核心態之間的切換是怎么實現的?

• "用戶態 ---> 核心態"是通過中斷實現的。並且中斷時唯一途徑。
• "核心態 ---> 用戶態"的切換時通過執行一個特權指令，將程序狀態的標志位設為用戶態。

中斷的分類

舉個例子，什么是內中斷和外中斷：

假如你對象上課的時候突然異想天開，回過神來已經過好好長一段時間，這是內部中斷。想着想着老師走過來，給了你對象一嘴巴，這是外部中斷。

官方解釋如下：

• 內中斷常見的情況如程序非法操作(比如你要拿的的數據的內存地址不是內存地址，是系統無法識別的地址)，地址越界(比如系統給你的程序分配了一些內存，但是你訪問的時候超出了你應該訪問的內存范圍)、浮點溢出(比如系統只能表示1.1到5.1的范圍，你輸入一個100, 超出了計算機能處理的范圍)，或者異常，陷入trap（是指應用程序請求系統調用造成的，什么是系統調用，后面小節會舉例講）。
• 外中斷常見的情況如I/O中斷（由I/O控制器產生，用於發送信號通知操作完成等信號，比如進程需要請求打印機資源，打印機有一個啟動准備的過程，准備好了就會給CPU一個I/O中斷，告訴它已經准備好了）、時鍾中斷（由處理器內部的計時器產生，允許操作系統以一定規程執行函數，操作系統每過大約15ms會進行一次線程調度，就是利用時鍾中斷來實現的）。

系統調用

為什么需要系統調用？

• 比如你的程序需要讀取文件信息，可讀取文件屬於讀取硬盤里的數據，這個操作應該是CPU在內核態去完成的，我們的應用程序怎么讓CPU去幫助我們切換到內核態完成這個工作呢，這里就需要系統調用了。
• 這里就引出系統調用的概念和作用。
• 應用程序通過系統調用請求操作系統的服務。系統中的各種共享資源都由操作系統統一管理，因此在用戶程序中，凡是與資源有關的操作（如存儲分配、I/O操作、文件管理等），都必須通過系統調用的方式向操作系統提出服務請求，由操作系統代為完成。

系統調用的分類：

需要注意的是，庫函數和系統調用容易混淆。

• 庫是可重用的模塊 處於用戶態
• 進程通過系統調用從用戶態進入內核態， 庫函數中有很大部分是對系統調用的封裝

舉個例子：比如windows和linux中，創建進程的系統調用方法是不一樣的。 但在node中的只需要調用相同函數方法就可以創建一個進程。例如

// 引入創建子進程的模塊
const childProcess = require('child_process')
// 獲取cpu的數量
const cpuNum = require('os').cpus().length

// 創建與cpu數量一樣的子進程
for (let i = 0; i < cpuNum; ++i) {
  childProcess.fork('./worker.js')
}

進程的定義、組成、組織方式、狀態與轉換

為什么要引入進程的概念呢？

• 早期的計算機只支持單道程序（是指所有進程一個一個排隊執行，A進程執行時，CPU、內存、I/O設備全是A進程控制的，等A進程執行完了，才換B進程，然后對應的資源比如CPU、內存這些才能換B用）。

• 現代計算機是多道程序執行，就是同時看起來有多個程序在一起執行，那每個程序執行都需要系統分配給它資源來執行，比如CPU、內存。

• 拿內存來說，操作系統要知道給A程序分配的內存有哪些，給B程序分配的內存有哪些，這些都要有小本本記錄下來，這個小本本就是進程的一部分，進程的一大職責就是記錄目前程序運行的狀態。

• 系統為每個運行的程序配置一個數據結構，稱為進程控制塊（PCB），用來描述進程的各種信息（比如代碼段放在哪）。

進程的定義

簡要的說，進程就是具有獨立功能的程序在數據集合上運行的過程。(強調動態性)

比如啟動QQ，這個程序運行過程的整體就是一個進程。

PCB有哪些組成

如下圖

• 進程標識符PID：相當於身份證。是在進程被創建時，操作系統會為該進程分配一個唯一的、不重復的ID，用於區分不同的進程。
• 用戶標識符UID：用來表示這個進程所屬的用戶是誰。
• 進程當前狀態和優先級下一小節會詳細介紹
• 程序段指針：指當前進程的程序在內存的什么地方。
• 數據段指針：指當前進程的數據在內存的什么地方。
• 鍵盤和鼠標：指進程被分配得到的I/O設備。
• 各種寄存器值：指比如把程序計數器的值，比如有些計算的結果算到一半，進程切換時需要把這些值保存下來。

進程的狀態

進程是程序的一次執行。在這個執行過程中，有時進程正在被CPU處理，有時又需要等待CPU服務，可見，進程的 狀態是會有各種變化。為了方便對各個進程的管理，操作系統需要將進程合理地划分為幾種狀態。

進程的三種基本狀態：

進程的另外兩種狀態：

進程狀態的轉換

進程的狀態並不是一成不變的，在一定情況下會動態轉換。

以上的這些進程狀態的轉換是如何實現的呢，這就要引出下一個角色了，叫原語。

• 原語是不可被中斷的原子操作。我們舉一個例子看看原語是怎么保證不可中斷的。

原語采用關中斷指令和開中斷指令實現。

• 首先執行關中斷指令
• 然后外部來了中斷信號，不予以處理
• 等到開中斷指令執行后，其他中斷信號才有機會處理。

進程的通信

為什么需要進程間通信呢？

因為進程是分配系統資源的單位（包括內存地址空間），因此各進程擁有的內存地址空間相互獨立。

進程通信3種方法

共享存儲

因為兩個進程的存儲空間不能相互訪問，所以操作系統就提供的一個內存空間讓彼此都能訪問，這就是共享存儲的原理。

注：同一時刻只能有一個進程訪問共享空間

其中，介紹一下基於存儲區的共享。

• 在內存中畫出一塊共享存儲區，以數據的形式、存放位置都是由進程控制，而不是操作系統。

管道

• 管道數據是以字符流（注意不是字節流）的形式寫入管道，當管道寫滿時，寫進程的write()系統調用將被阻塞，等待讀進程將數據取走。當讀進程將數據全部取走后，管道變空，此時讀進程的read()系統調用將被阻塞。
• 如果沒寫滿就不允許讀。如果都沒空就不允許寫。
• 數據一旦被讀出，就從管道中被丟棄，這就意味着讀進程最多只能有一個。

消息傳遞

進程間的數據交換以格式化的消息為單位。進程通過操作系統提供的"發送消息/接收消息"兩個原語進行數據交換。

其中消息是什么意思呢？就好像你發QQ消息，消息頭的來源是你，消息體是你發的內容。如下圖：

直接通信：消息直接掛到接受進程的消息緩沖隊列上

間接通信：消息要先發送到中間實體中，因此也稱“信箱通信方式”。

線程

為什么要引入線程呢？

• 比如你在玩QQ的時候，QQ是一個進程，如果QQ的進程里沒有多線程並發，那么QQ進程就只能同一時間做一件事情（比如QQ打字聊天）
• 但是我們真實的場景是QQ聊天的同時，還可以發文件，還可以視頻聊天，這說明如果QQ沒有多線程並發能力，QQ能夠的實用性就大大降低了。所以我們需要線程，也就是需要進程擁有能夠並發多個事件的能力。

引入線程后帶來的變化

進程的同步和互斥

同步：是指多個進程中發生的事件存在某種先后順序。即某些進程的執行必須先於另一些進程。

例：進程B需要從緩沖區讀取進程A產生的信息，當緩沖區為空時，進程B因為讀取不到信息而被阻塞。而當進程A產生信息放入緩沖區時，進程B才會被喚醒。

互斥：是指多個進程不允許同時使用同一資源。當某個進程使用某種資源的時候，其他進程必須等待。

例：進程B需要訪問打印機，但此時進程A占有了打印機，進程B會被阻塞，直到進程A釋放了打印機資源,進程B才可以繼續執行。

信號量

信號量主要是來解決進程的同步和互斥的。

在操作系統中，常用P、V信號量來實現進程間的同步和互斥，我們簡單了解一下一種常用的信號量，記錄型信號量來簡單了解一下信號量本質是怎樣的。

/*記錄型信號量的定義*/
typedef struct {
    int value; // 剩余資源
    Struct process *L // 等待隊列
} semaphore

意思是信號量的結構有兩部分組成，一部分是剩余資源value，比如目前有兩台打印機空閑，那么剩余資源就是2，誰正在使用打印機，剩余資源就減1。

Struct process *L 意思是，比如2台打印機都有人在用，這時候你要用打印機，此時會把這個打印機資源的請求放入阻塞隊列，L就是阻塞隊列的地址。

/*P 操作，也就是記錄型信號量的請求資源操作*/
void wait (semaphore S) {
    S.value--;
    if (S.value < 0){
        block (S.L);
    }
}

需要注意的是，如果剩余資源數不夠，使用block原語使進程從運行態進入阻塞態，並掛到信號量S的等待隊列中。

/*V 操作，也就是記錄型信號量的釋放資源操作*/
void singal (semaphore S) {
    S.value++;
    if (S.value <= 0){
        wakeup (S.L);
    }
}

釋放資源后，若還有別的進程在等待這個資源，比如打印機資源，則使用wakeup原語喚醒等待隊列中的一個進程，該進程從阻塞態變為繼續態。

生產者消費者問題

為什么要講這個呢，主要是node流的機制，本質就是生產者消費者問題，可以簡單的看看這個問題如何解決。

如上圖，生產者的主要作用是生成一定量的數據放到緩沖區中，然后重復此過程。與此同時，消費者也在緩沖區消耗這些數據。該問題的關鍵就是要保證生產者不會在緩沖區滿時加入數據，消費者也不會在緩沖區中空時消耗數據。

內存的基礎知識和概念

為什么需要內存

內存是計算機其它硬件設備與CPU溝通的橋梁、中轉站。程序執行前需要先放到內存中才能被CPU處理。

cpu如何區分執行程序的數據在內存的什么地方

• 是通過給內存的存儲單元編址實現的。（存儲單元一般是以字節為單位）
• 如下圖，內存的存儲單元，就像一個酒店的房間，都有編號，比如程序一的數據都在1樓，1樓1號存儲着程序里let a = 1這段代碼。

內存管理-內存空間的分配與回收

• 內存分配分為連續分配和非連續分配，連續分配是指用戶進程分配的必須是一個連續的內存空間。
• 這里我們只講連續分配中的動態分區分配。
• 什么是動態分區分配呢，這種分配方式不會預先划分內存分區，而是在進程裝入內存時，根據進程的大小動態地建立分區，並使分區的大小正好適合進程的需要。（比如，某計算機內存大小64MB，系統區8MB，用戶區56MB...，現在我們有幾個進程要裝入內存，如下圖）

• 隨之而來的問題就是，如果此時進程1使用完了，相應在內存上的數據也被刪除了，那么空閑的區域，后面該怎么分配（也就是說隨着進程退出，會有很多空閑的內存區域出現）

我們講一種較為簡單的處理方法叫空閑分區表法來解決這個問題。如下圖，右側的表格就是一個空閑分區表。

當很多個空閑分區都能滿足需求時，應該選擇哪個分區進行分配呢，例如下圖，分別有20MB，10MB，4MB三個空閑分區塊，現在進程5需要4MB空閑分區，改怎么分配呢？

我們需要按照一定的動態分區分配算法，比如有首次適應算法，指的是每次都從低地址開始查找，找到第一個能滿足大小的空閑分區。還有比如最佳適應算法，指的是從空閑分區表中找到最小的適合分配的分區塊來滿足需求。

連續分配缺點很明顯，大多數情況，需要分配的進程大小，不能跟空閑分區剩下的大小完全一樣，這樣就產生很多很難利用的內存碎片。

這里我們介紹一種更好的空閑分區的分配方法，基本分頁存儲。如下圖

將內存空間分為一個個大小相等的分區（比如：每個分區4KB）.每個分區就是一個“頁框”。頁框號從0開始。

將用戶進程的地址空間分為與頁框大小相等的一個個區域，稱為“頁”。每個頁也是從0開始。

死鎖

什么是僵屍進程

僵屍進程是已完成且處於終止狀態，但在進程表中卻仍然存在的進程。僵屍進程通常發生在父子關系的進程中，由於父進程仍需要讀取其子進程的退出狀態所造成的。

死鎖產生的原因

死鎖產生的原因大致有兩個：資源競爭和程序執行順序不當

死鎖產生的必要條件

資源死鎖可能出現的情況主要有

• 互斥條件：每個資源都被分配給了一個進程或者資源是可用的
• 保持和等待條件：已經獲取資源的進程被認為能夠獲取新的資源
• 不可搶占條件：分配給一個進程的資源不能強制的從其他進程搶占資源，它只能由占有它的進程顯示釋放
• 循環等待：死鎖發生時，系統中一定有兩個或者兩個以上的進程組成一個循環，循環中的每個進程都在等待下一個進程釋放的資源。

死鎖類型

1. 兩階段加鎖
2. 通信死鎖
3. 活鎖
4. 飢餓鎖

死鎖的恢復方式

1. 通過搶占進行恢復
2. 通過回滾進行恢復
3. 殺死進程恢復

破壞死鎖

1. 破壞互斥條件
2. 破壞保持等待的條件
3. 破壞不可搶占條件
4. 破壞循環等待條件

文件管理

文件是什么？

文件就是一組有意義的信息/數據集合。

文件的屬性

文件名、標識符、類型、位置、大小、保護信息。

文件內部數據如何組織在一起

如下圖，文件主要分為有結構文件和無結構文件。

文件之間如何組織起來

通過樹狀結構組織的。

文件的邏輯結構

邏輯結構是指，在用戶看來，文件內部的數據是如何組織起來的，而“物理結構”是在操作系統看來，文件是如何保存在外存，比如硬盤中的。

1.順序文件

什么是順序文件

指的是文件中的記錄一個接一個地在邏輯上是順序排列，記錄可以是定長或變長，各個記錄在物理上可以順序存儲或鏈式存儲

2.索引文件

3. 索引順序文件

索引順序文件是索引文件和順序文件思想的結合。索引順序文件中，同樣會為文件建立一張索引表，但不同的是，並不是每個記錄對應一個索引表項，而是一組記錄對應一個索引表項。

如上圖，學生記錄按照學生姓名的開頭字母進行分組。每個分組就是一個順序文件，分組內的記錄不需要按關鍵字排序

文件目錄

一個文件對應一個FCB，一個FCB就是一個目錄項，多個FCB組成文件目錄

文件目錄的結構通常是樹狀的

• 需要注意的是，樹狀目錄不容易實現文件共享，所以在樹形目錄結構的基礎上，增加了一些指向同一節點的有向邊（可以簡單理解為引用關系，就跟js里的對象一樣）
• 也就是說需要為每個共享節點設置一個共享計數器，用於記錄此時有多少個地方在共享該結點。只有共享計數器減為0，才刪除該節點。

文件共享

文件共享分為兩種

1. 基於索引結點的共享方式（硬鏈接)
2. 基於符號鏈的共享方式（軟鏈接)
   • 軟連接可以理解為windows里的快捷方式。
   • 硬鏈接可以理解為js里的引用計數，只有引用為0的時候，才會真正刪除這個文件。

文件保護

操作系統需要保護文件的安全，一般有如下3種方式：

• 口令保護。是指為文件設置一個“口令”（比如123），用戶請求訪問該文件時必須提供對應的口令。口令一般放在文件對應的FCB或者索引結點上。
• 加密保護。使用某個"密碼"對文件進行加密，在訪問文件時需要提供正確的“密碼”才能對文件進行正確的解密。
• 訪問控制。在每個文件的FCB或者索引節點種增加一個訪問控制列表，該表中記錄了各個用戶可以對該文件執行哪些操作。

I/O設備

什么是I/O設備

I/O就是輸入輸出(Input/Output)的意思，計算機的外部設備，屬於計算機中的硬件部件。

I/O設備分類--按使用特性

• 人機交互類設備，這類設備傳輸數據的速度慢。例：鼠標、鍵盤、打印機。

• 存儲設備，這類設備傳輸數據的速度較快。例：移動硬盤、光盤等。

• 網絡通信設備，這類設備的傳輸速度介於人機交互設備和存儲設備之間

I/O控制器

CPU無法直接控制I/O設備的機械部件，因此I/O設備還要有一個電子部件作為CPU和I/O設備機械部件之間的“中介”，用於實現CPU對設備的控制。這個電子部件就是I/O控制器。

主要功能：

• 接收和識別CPU發出的指令是指，比如CPU發來讀取文件的命令，I/O控制器中會有相應的控制寄存器來存放命令和參數
• 向cpu報告設備的狀態是指，I/O控制器會有相應的狀態寄存器，用來記錄I/O設備是否空閑或者忙碌
• 數據交換是指I/O控制器會設置相應的數據寄存器。輸出時，數據寄存器用於暫存CPU發來的數據，之后再由控制器傳送給設備。
• 地址識別是指，為了區分設備控制器中的各個寄存器中的各個寄存器，也需要給各個寄存器設置一個特性的“地址”。I/O控制器通過CPU提供的“地址”來判斷CPU要讀寫的是哪個寄存器

I/O控制方式

• 這里我們只講一下目前比較先進的方式，通道控制方式。
• 通道可以理解為一種“弱雞版CPU”。通道可以識別並執行一系列通道指令。

通道最大的優點是極大的減少了CPU的干預頻率，I/O設備完成任務，通道會向CPU發出中斷，不需要輪詢來問I/O設備是否完成CPU下達的任務。