王道考研-操作系统学习笔记

王道考研-操作系统学习笔记

• 联机命令接口（交互式命令）&脱机命令接口（批处理命令接口）
• 单道批处理程序时的监控程序是操作系统的原型，多道批处理程序时操作系统正式诞生
• 运行机制
  • 两种指令
    • 特权指令
    • 非特权指令
  • 两种状态（用PSW 寄存器的某个标记位表示）
    • 核心态（管态）
    • 用户态（目态）
  • 两种程序
    • 应用程序
    • 内核程序
• 中断和异常
  • 本质：在多道批处理后引入了中断机制，本质：中断发生之后需要操作系统介入，进行一些管理工作
  • 用户态-->核心态的切换是通过【中断】实现的，且中断是唯一的途径
  • 核心态-->用户态的切换是通过一个特权指令，奖PSW寄存器的标记设置为“用户态”即可
  • 中断分为两大类
    • 内中断(信号来源：CPU内部，与当前执行的指令有关，也成为异常、陷入)
      • 自愿中断（如内核系统调用）
      • 强迫中断（硬件故障，缺页。软件中断，除0）
    • 外中断(信号来源：CPU外部，与当前执行的指令五关)
      • 外设请求（IO操作完成）
      • 人工干预（用户强制中断执行）
  • int 指令（interrupt 又称为 陷入 rap访管指令，在用户态调用，立即引发内中断，处理系统调用的相关代码进入核心态）
  • CPU 每执行一条指令后就会去检查是否有中断发生
• 进程
  • 进程由PCB（进程控制块）、程序段、数据段组成
  • 进程控制-- 实现进程各种状态的转换，通过原语实现 ，原语是被 【关中断】和【开中断】指令包含的原语代码，CPU不会被外部中断打断
  • 进程控制原语（阻塞原语和唤醒原语需要成对出现 ）
    • 更新PCB中的信息
    • 将PCB 插入合适队列
    • 分配回收资源
  • 进程通信指是进程间的信息交换
    • 共享存储（必须互斥、PV操作）
      • 基于数据结构的共享，低级通信
      • 基于存储区域的共享，高级通信
    • 消息传递（以格式化的消息message为单位，通过操作系统提供的发送接收消息原语进行数据交换）
      • 直接通信，消息直接挂到接收进程的消息队列
      • 间接通信，消息要先发到中间实体
    • 管道通信
      • 半双工通信，同一个时刻只能向一个方向通信，两个管道实现全双工
      • 需要互斥，写满write 阻塞，读空read阻塞。
      • 没写满，不允许读，没读空，不允许写。
• 线程
  • 传统的进程是执行流调度的最小单位，现在线程是CPU执行的基本单元，进一步提高了系统的并发度。
  • 进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元
  • 线程实现方式
    • 用户级线程，线程通过应用程序的线程库创建，在用户空间，由用户程序负责调度，操作系统看不到
    • 内核级线程，线程通过操作系统内核创建，由内核调度。在内核空间。
  • 多线程模型
    • 多对一、一对一、多对多
• 调度机
  • 不能调度的情况：1、处理中断的过程中 2、操作系统内核临界区中不能进行调度 3、原语不能进行调度
  • 进程切换
    • 对原来运行进程的各种数据的保存
    • 对新的进程的各种数据的恢复（计数器、程序状态字、各种数据寄存器等处理机现场信息，一般保存再进程控制块中、进程控制块在队列中、常驻内存）
  • 多级反馈队列调度算法：多个队列优先级从高到低，时间片从小到大
  • 进程同步、互斥
    • 进程异步，各并发执行的进程以各自独立的、不可预知的速度向前推进，（步调不一致）
    • 进程同步，直接制约关系，协调多个多个异步进程的工作次序，使他们之间相互合作（步调一致）
    • 互斥指临界资源的访问方式（识别临界资源）
      • 代码分为：进入区、临界区、退出区、剩余区
      • 遵循原则：空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待
    • 进程互斥的软件实现方法
    • 进程互斥的硬件时间方法
      • 中断屏蔽方法(开/关中断指令)
        • 优点：简单、高效；缺点：不适用多处理机,只适用操作系统内核进程、不适用用户进程
      • TestAndSet（TS指令、TSL testandsetLock） 是用硬件实现的，执行过程不会被中断
      • SWAP 指令
    • 信号量实现进程互斥、同步、前驱
      • 实现互斥：
        • 分析出临界区
        • 设置互斥信号量 mutex 设置为1
          • (信号量是指操作系统中的某种资源，临界区也可以是一个资源)
        • （进程）程序代码先对互斥信号量进行P操作，
        • （进程）程序代码再对互斥信号量进行V操作
      • 实现同步（由于进程并发执行，时间片轮转、程序内顺序执行、程序间存在异步性，同一个程序的多个进程(线程)间的代码片段交替执行次序是不确定的）
        • 需要先分析什么地方需要实现同步关系（进程间代码片段1要比代码片段2先执行）
        • 设置同步信号量S，初始为0
        • 在“前操作”之后执行V(S)
        • 在“后操作”之前执行P(S)
      • 实现前驱（多级同步关系）
        • 需要为每一对前驱关系各设置一个同步变量
        • 在“前操作”之后对响应的同步变量执行V操作
        • 在“后操作”之前对响应的同步变量执行P操作
  • 内存
    • 操作系统负责内存的分配和回收
      • 连续分配
        • 固定分区分配
        • 动态分区分配 z
      • 非连续分配
        • 页框（物理块）是内存的分配和回收单位，实际物理地址还是字节，是由页号+页内偏移量计算得到的，计算机实际操作的地址仍然是字节
        • 逻辑地址和物理地址的转换
          • 计算进程内页号（逻辑页号），计算方法：地址除以页大小
          • 计算进程内页面内偏移量（页内便宜量），计算方法：地址模页大小
          • 根据页表得到实际物理块号
          • 根据物理块号（块大小可以得到物理地址）+页内偏移量得到 物理地址
        • 页表项大小的计算
        • 页表在内存中是连续存储的，数组存储而不是键值对，比如页表项是3个字节大小，逻辑0号页，对应的物理地址存在0～2 三个字节中
        • 每个进程有一个页表，页表有页号和块号组成
          • 每个页表项长度是相同的，页号是隐含的，这样通过数组就能实现页号和块号的对应，计算页表项长度的方法
        • 未运行时页表启始地址和页表长度（校验页号是否合法）是放在进程pcb中，当进程被调度时，放入ptr页表寄存器中。
        • 因为时间局部性和空间局部性引入了快表机制，又称为联想寄存器（TLB），内存中页表又称为慢表。
        • 单级页表的问题
          • 页表必须连续存放，如果页表很大，需要占用很多连续的页框
          • 没必要让整个页表常驻内存，大部分情况只需要特定的几个页表就可以
          • 多级页表的大小不能超过一个页面
        • 基本分段管理（和分页管理不同是分配的单位不一样）
          • 按照程序自身逻辑 划分为若干段，各段之间不相邻，段内地址连续，段内地址从0开始
          • 页是信息的物理单位，分页的主要目的是为了实现离散分配，提高利用率，仅仅是系统管理需要，对用户是不可见的
          • 段是信息的逻辑单位。分段的主要目的是为了更好的满足程序员的需求。一个段通常包含着一组属于一个逻辑模块的信息。分段是对用户可见的，用户编程时需要显示的给出段名
          • 页大小时固定由系统决定的，段的长度不固定。决定于用户编写的程序。分页是一维的，分段是二维的
          • 分段更容易实现信息的共享和保护（因为分段是按照代码逻辑划分的，可控制）
        • 段页式内存管理
          • 一个程序有一个段表，每个段项对应一个页表。一个进程可能有多个页表
    • 逻辑上对内存空间进行扩充（虚拟内存）
      • 覆盖、交换
      • 虚拟内存技术
        • 传统的缺点：一次性装入内存、一直驻留内存
        • 请求调页
        • 页换出
    • 实现逻辑地址和物理地址的转换
    • 内存保护
    • LRU (最近最少使用算法)
      • 从当前的访问位置，向前追溯访问历史，最久没被用到的元素，被淘汰掉。
    • 驻留集：分配给进程的物理块集合，常驻内存
  • 文件管理
    • 在很多操作系统中磁盘块的大小设置和内存页大小一致，便于内存和外存间的数据交换
    • 外存的管理方式和内存思路一样，分块、逻辑地址和物理地址及映射表
    • FAT (显式连接文件分配表)整个磁盘仅仅有一张，索引文件每个文件都有一个分配表
    • 平时使用的个人电脑是把一个磁盘划分为多个逻辑卷，在大型操作系统中，也可以由多个磁盘组成一个逻辑卷
    • Unix 系统使用“成组链接法”跟踪空闲磁盘号，试用超大文件系统，由超级块记录
    • 两种打开文件表
      • 系统的打开文件表（整个操作系统只有一张），提供了打开技术器，一共被多少进程打开
      • 用户进程的打开文件表
    • 磁盘初始化
      • 低级格式化，划分扇区
      • 磁盘分区
      • 逻辑格式化（创建文件系统）
      • 自举程序（bootstrap）,ROM 存放了一个很小的“自举装入程序”，完整的自举程序装在启动块中
  • IO控制方式
    • 程序控制方式（轮询：CPU干预频率高：传送单位字：IO设备--》CPU寄存器--》内存：CPU和IO 串行工作）
    • 中断驱动方式（中断，每个指令执行末尾检查中断：CPU每次IO操作之前和完成之后CPU介入，干预频率低：每次中断一个字节：IO设备--》CPU寄存器--》内存：CPU和IO并行处理，传输大量数据需要很多中断，耗费CPU）
    • DMA方式（直接内存访问:仅仅在传送一个或者多个数据块开始结束时才需要CPU干预:每次读写一个块：IO设备--》内存：CPU 和IO并行，性能进一步提高。只能读写连续块，否则也需要CPU多次干预）
    • 通道控制方式（通道是一种硬件，弱鸡版CPU，可以识别并执行一系列通道指令：每次读写完一组块数据CPU干预：IO设备-》内存：实现复杂，需要专门硬件支持）
    • 注意的问题：
      • 完成一次读写操作的流程
      • CPU干预的频率
      • 数据传送的单位
      • 数据的流向
      • 主要的缺点和优点
    • 什么是脱机技术
      • 脱离主机（CPU）的控制进行输入和输出的操作。缓解CPU和设备间的速度矛盾，实现数据的预输入和缓输出。纸带机-》外围控制-》磁带-》计算机
      • 假脱机（SPOOLING） 用软件的方式模拟脱机技术。用输入井模拟外围控制机+磁带