學習筆記 --《現代操作系統》

現代操作系統

1. 概述

• 計算機有兩種運行模式：內核態和用戶態.操作系統，它運行在內核態中。操作系統具有硬件的訪問權，可以執行機器能夠運行的任何指令。軟件的其余部分運行在用戶態下。
  
• 計算機包含運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五個部分，是馮羅伊曼結構。各個部分通過總線相連。（CPU=運算器+控制器）
  • 運算器最主要的功能是對數據和信息進行加工和運算。
  • 控制器主要起到了控制命令執行的作用，完成協調和指揮整個計算機系統的操作。控制器是由程序計數器、指令寄存器、解碼譯碼器等構成。
    
• 總線(Buses)，在整個系統中運行的是稱為總線的電氣管道的集合，這些總線在組件之間來回傳輸字節信息。通常總線被設計成傳送定長的字節塊（64或32位）。
  
  

2.進程與線程

• 進程（process）是程序的一次執行，是具有獨立功能的程序在一個數據集合上的運行過程，系統資源調配的獨立單位。
  • 嚴格意義來說，在某一個瞬間，一個CPU 只能運行一個進程。
  • 進程是某一類特定活動的總和，它有程序、輸入輸出以及狀態。
• 進程的創建
  • 系統初始化（init）：啟動操作系統時，通常會創建若干個進程。
  • 正在運行的程序執行了創建進程的系統調用（比如 fork）。
  • 用戶請求創建一個新進程。
  • 一個批處理作業的初始化。
• 進程的終止
  • 正常退出(自願的) ： 多數進程是由於完成了工作而終止。這個調用在 UNIX 中是 exit ，在 Windows 中是 ExitProcess。
  • 錯誤退出(自願的)：比如執行一條不存在的命令，於是編譯器就會提醒並退出。
  • 嚴重錯誤(非自願的)
  • 被其他進程殺死(非自願的) ： 某個進程執行系統調用告訴操作系統殺死某個進程。在 UNIX 中，這個系統調用是 kill。
• 進程狀態
  • 運行態，運行態指的就是進程實際占用 CPU 時間片運行時
  • 就緒態，就緒態指的是可運行，但因為其他進程正在運行而處於就緒狀態
  • 阻塞態，除非某種外部事件發生，否則進程不能運行
    
• 進程的實現，
  • 操作系統為了執行進程間的切換，會維護着一張表，這張表就是進程表(process table)。
  • 該表包含了進程狀態的以下重要信息。第一列內容與進程管理有關，第二列內容與存儲管理有關，第三列內容與文件管理有關。
    
  • 一個進程在執行過程中可能被中斷數千次，但關鍵每次中斷后，被中斷的進程都返回到與中斷發生前完全相同的狀態。
• 線程，cpu是調度和分派的基本單位，是程序執行流的最小單位。
  • 多線程之間會共享同一塊地址空間和所有可用數據的能力，這是進程所不具備的。
  • 線程要比進程更輕量級，由於線程更輕，所以它比進程更容易創建，也更容易撤銷。
  • 線程必須在某個進程中執行。進程用於把資源集中到一起，而線程是cpu上被調度執行的實體。
    
  • 線程之間的狀態轉換和進程之間的狀態轉換是一樣的。
• 線程實現分為三種類型
  • 在用戶空間中實現線程，內核對線程一無所知，它不知道線程的存在。
  • 在內核空間中實現線程，通過系統調用實現。
  • 在用戶和內核空間中混合實現線程，采用了一種內核級線程的方式實現。
• 進程間通信(Inter Process Communication, IPC)
  
• 當兩個或兩個以上的進程/線程處於就緒狀態時需要采用一定的調度算法。因為不同的應用程序和不同的操作系統有不同的目標。也就是說，在不同的系統中，調度程序的優化也是不同的
  • 批處理(Batch) : 商業領域
    • 先來先服務、最短作業優先
  • 交互式(Interactive)： 交互式用戶環境
    • 輪詢調度、優先級調度、多級隊列、最短進程優先、保證調度、彩票調度、公平分享調度
  • 實時(Real time)分為硬實時(hard real time)與軟實時(soft real time)

3.存儲管理

• 要使多個應用程序同時運行在內存中，必須要解決兩個問題：保護和重定位
  • 可以使用動態重定位技術或者基址寄存器和變址寄存器解決
    • 基址寄存器：存儲數據內存的起始位置。變址寄存器：存儲應用程序的長度。
    • 每當進程引用內存以獲取指令或讀取、寫入數據時，CPU 都會自動將基址值添加到進程生成的地址中，然后再將其發送到內存總線上。同時，它檢查程序提供的地址是否大於或等於變址寄存器 中的值。如果程序提供的地址要超過變址寄存器的范圍，那么會產生錯誤並中止訪問
• 交換技術，用於解決內存不足。即把一個進程完整的調入內存，然后再內存中運行一段時間，再把它放回磁盤。
  
• 虛擬內存，基本思想是每個程序都有自己的地址空間，這個地址空間被划分為多個稱為頁面(page) 的塊。每一頁都是連續的地址范圍。這些頁被映射到物理內存，但並不是所有的頁都必須在內存中才能運行程序。當程序引用到一部分在物理內存中的地址空間時，硬件會立刻執行必要的映射。當程序引用到一部分不在物理內存中的地址空間時，由操作系統負責將缺失的部分裝入物理內存並重新執行失敗的指令。
  • 大部分使用虛擬內存的系統中都會使用一種分頁的技術。
  • 程序生成的地址被稱為虛擬地址(virtual addresses) 並形成虛擬地址空間(virtual address space){包含虛擬頁號(高位部分)和偏移量(低位)}，在沒有虛擬內存的計算機上，系統直接將虛擬地址送到內存中線上，讀寫操作都使用同樣地址的物理內存。在使用虛擬內存時，虛擬地址不會直接發送到內存總線上。相反，會使用MMU(Memory Management Unit)內存管理單元把虛擬地址映射為物理內存地址，像下圖這樣。
    
    
  • 頁表給出虛擬地址與物理內存地址之間的映射關系。
    • 虛擬頁號可作為頁表的索引用來找到虛擬頁中的內容。
    • 由頁表項可以找到頁框號（如果有的話）。
    • 然后把頁框號拼接到偏移量的高位端，以替換掉虛擬頁號，形成物理地址。
    • 頁表的目的是把虛擬頁映射到頁框中。從數學上說，頁表是一個函數，它的參數是虛擬頁號，結果是物理頁框號
      
  • 頁表項的結構
    
• 頁面置換算法，當發生缺頁中斷（內存不足）時，操作系統必須在內存中選擇一個頁面將其換出內存，以便為即將調用的頁面騰出空間。每次選用不常用的頁面會提高性能。
  • 最優頁面置換算法
  • 最近未使用頁面置換算法
  • 先進先出頁面置換算法
  • 第二次機會頁面置換算法
  • 時鍾頁面置換算法
  • 最近最少使用頁面置換算法
• 最好的頁面置換算法是老化算法和WSClock算法。他們分別是基於 LRU 和工作集算法。他們都具有良好的性能並且能夠被有效的實現
• 空閑內存管理
  • 位圖（bitmap），位圖的大小取決於內存和分配單元的大小
    
  • 空閑列表(free lists)，維護一個記錄已分配內存段和空閑內存段的鏈表。
    • 內存使用算法有首次適配(first fit)、下次適配(next fit)、最佳適配(best fit)算法等。

4.文件系統

• 文件系統，便於OS存儲和管理文件信息，方便用戶對文件的存取、共享和保護等，有效提高系統資源的利用率。
• 文件是一種抽象機制，它提供了一種方式用來存儲信息以及在后面進行讀取。
• 在創建一個文件后，它會給文件一個命名。當進程終止時，文件會繼續存在，並且其他進程可以使用名稱訪問該文件。
• 內存與磁盤之間的數據交換(即讀/寫操作、磁盤I/O)都是以塊為單位進行的。即每次讀塊，或每次寫出一塊。類似於內存分頁。磁盤塊是文件系統讀寫數據的最小單位。
• 文件的物理實現
  • 連續分配，實現簡單、讀取性能強，但會導致磁盤碎片化。
    
  • 鏈表分配，每個文件構造磁盤塊鏈表，每個文件都是磁盤塊的鏈接列表。可以充分利用每個磁盤塊，但隨機訪問困難，指針也會占用一些字節。
    
  • 索引組織，在內存中使用表進行鏈表分配。取出每個磁盤塊的指針字，把它們放在內存的一個表中，就可以解決上述鏈表的兩個不足之處。缺點是需要內存存儲文件分配表，不適合大磁盤。
    
  • i節點
• 磁盤塊與頁的大小一般相等。

參考博客：
https://www.cnblogs.com/cxuanBlog/p/13297199.html
https://www.cnblogs.com/geaozhang/p/7041112.html