猿考研之操作系统篇一（体系，线程，进程）

操作系统（Operating System，OS)是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，它是计算机系统中最基本的系统软件。

• 直观的例子：打开Windows操作系统的“任务管理器”（快捷键：Ctrl+Alt+Del)

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系统资源的Boss

• 处理机(CPU)管理
• 存储器管理
• 文件管理
• 设备管理
• 活物与死物的接口
  • 命令接口：允许用户直接使用
    • 交互式 = 联机
    • 批处理shell = 脱机
  • 程序接口：允许用户通过程序间接使用
    • 由一组系统调用组成（程序接口=系统调用）
  • GUl：现代操作系统中最流行的图形用户接口
• 进程是一个程序的执行过程。执行前需要将该程序放到内存中，才能被CPU处理。
• 没有任何软件支持的计算机成为裸机。
• 通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机。

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四法王

并发和共享互为存在条件，也是最基本的两个

并发

• 指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。
• 魔王并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。
• 一个单核处理机（CPU)同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行（这些程序微观上是交替执行的，但宏观上看起来就像在同时执行）
• 事实上，操作系统就是伴随着“多道程序技术”而出现的。因此，操作系统和程序并发是一起诞生的。

共享

• 共享即资源共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
• 互斥共享方式
  • 系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源
• 同时共享方式
  • 系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问
  • 所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的（即分时共享）
• 并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。
• 共享性是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

虚拟（基于并发）

• 虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。
• 空分复用技术（如虚拟存储器技术）
• 时分复用技术（如虚拟处理器）
  • 微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务

异步（基于并发）

• 异步是指，在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

OS发展分类

• 手工操作阶段
  • 缺点：用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低
• 批处理阶段
  • 单道批处理系统
    • 引入脱机输入/输出技术（用磁带完成），并监督程序负责控制作业的输入、输出
    • 优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。
    • 缺点：内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待l/0完成。资源利用率依然很低。
  • 多道批处理系统（操作系统开始出现）
    • 每次往内存中输入多道程序，并发执行
    • 中断技术被发明
    • 优点：多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升，CPU和其他资源保持“忙碌”状态，系统吞吐量增大。
    • 缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行）
• 分时操作系统
  • 计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。
  • 优点：用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受不到别人的存在。
  • 缺点：不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性。
• 实时操作系统
  • 硬实时系统必须在绝对严格的规定时间内完成处理,如自动驾驶，卫星控制系统
  • 软实时系统能接受偶尔违反时间规定，如12306订票系统
  • 优点：能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需时间片排队。
  • 在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性
• 网络操作系统
• 分布式操作系统
• 个人计算机操作系统

魔鬼的步伐与内涵

• 指令
  • “指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令
  • 特权指令：如内存清零指令
    • 不允许用户程序使用
    • 非特权指令：如普通的运算指令
• 状态
  • 用程序状态字寄存器（PSW)中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如0为用户态，1为核心态
  • 用户态（目态）：此时CPU只能执行非特权指令
  • 核心态（管态）：特权指令、非特权指令都可执行
• 程序
  • 操作系统的内核程序是系统的管理者，既可以执行特权指令，也可以执行非特内核程序权指令，运行在核心态。
    • 内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分。
      
  • 应用程序为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态
    
• 内核
  

操作系统的体系结构问题与企业的管理问题很相似。
内核就是企业的管理层，负责一些重要的工作。只有管理层才能执行特权指令，普通员工只能执行非特权指令。用户态、核心态之间的切换相当于普通员工和管理层之间的工作交接

大内核：企业初创时体量不大，管理层的人会负责大部分的事情。优点是效率高；缺点是组织结构混乱，难以维护。
微内核：随着企业体量越来越大，管理层只负责最核心的一些工作。优点是组织结构清晰，方便维护；缺点是效率低。

节奏与鼓点

为了解决串行，人们发明了操作系统（作为计算机的管理者），引入中断机制，实现了多道程序并发执行
本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作

• Step1 用户态：CPU收到计时部件发出的中断信号，切换为核心态对中断进行处理
• Step2 核心态：操作系统内核负责对中断信号进行处理
• Step3 进程1的时间片已用完，换进程2运行
• Step4 用户态：进程2发出系统调用（内中断信号），请求输出(特权指令)。CPU切换为核心态，对中断进行处理
• Step5 核心态：操作系统内核负责对中断信号进行处理
• …

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• 要点：
• 1.当中断发生时，CPU立即进入核心态
• 2.当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
• 3.对于不同的中断信号，会进行不同的处理
• “用户态->核心态”是通过中断实现的。并且中断是唯一途径。
• “核心态->用户态”的切换是通过执行一个特权指令，将**程序状态字（PSW)**的标志位设置为“用户态”

发生了中断，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作。由于操作系统的管理工作（比如进程切换、分配I/o设备等）需要使用特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态。中断可以使CPU从**用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权。**有了中断，才能实现多道程序并发执行。

中断分类一

中断分类二

外中断的处理过程

• Step 1:执行完每个指令之后，CPU都要检查当前是否有外部中断信号
• Step 2:如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字PSW、程序计数器PC、各种通用寄存器）
• Step3：根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
• Step4：恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行

进程与线程

• 程序：就是一个指令序列
• 早期的计算机（只支持单道程序）
  • 内存：程序的代码放在程序段内，程序运行过程处理的数据（全局变量，局部变量，宏定义）放在数据段内（如变量）
• 引入多程序后
  • 内存中多道程序
  • 为了方便操作系统管理，完成各程序并发执行，引入了进程、进程实体的概念
  • 系统为每个运行的程序配置一个数据结构，称为进程控制块（PCB），用来描述进程的各种信息（如程序代码存放位置）
    • 操作系统通过PCB来管理进程，因此PCB中应该包含操作系统对其进行管理所需的各种信息。

进程：程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体（进程映像）。一般情况下，我们把进程实体就简称为进程，例如，所谓创建进程，实质上是创建进程实体中的PCB；而撤销进程，实质上是撤销进程实体中的PCB。
注意：PCB是进程存在的唯一标志！

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从不同的角度，进程可以有不同的定义，比较传统典型的定义有（强调“动态性”）：

• 1.进程是程序的一次执行过程。
• 2.进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
• 3.进程是具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位

进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

进程的组织

• 方式
  • 链接方式
  • 按照进程状态将PCB分为多个队列
  • 操作系统持有指向各个队列的指针
    
• 索引方式
  • 根据进程状态的不同，建立几张索引表
  • 操作系统持有指向各个索引表的指针
    

独一无二的你

总结

喜怒哀乐我都爱你

进程是程序的一次执行。在这个执行过程中，有时进程正在被CPU处理，有时又需要等待CPU服务，可见，进程的状态是会有各种变化。为了方便对各个进程的管理，操作系统需要将进程合理地划分为几种状态。

• 进程运行结束（或者由于bug导致进程无法继续执行下去，比如数组越界错误），需要撤销进程。操作系统需要完成撤销进程相关的工作。完成将分配给进程的资源回收，撤销进程PCB等工作,So

你变了我也陪着你

进程控制

进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。
简化理解：反正进程控制就是要实现进程状态转换

过程

• 如果某一个进程把它的PCB（小块）从一个队列放到了另一个队列，因为PCB里面的状态没有修改为新的状态，出现错误，所谓为了解决这个问题。
• 用原语实现进程控制。原语的特点是执行期间不允许中断，只能一气呵成。
• 这种不可被中断的操作即原子操作。
• 原语采用“关中断指令”和“开中断指令”实现
• 关/开中断指令的权限非常大，必然是只允许在核心态下执行的特权指令
  
• 进程控制会导致进程状态的转换。无论哪个原语，要做的无非三类事情：
  • 1.更新PCB中的信息（如修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB、从PCB恢复运行环境）
    • a.所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志
    • b.剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境
    • c.某进程开始运行前必然要恢复期运行环境
  • 2.将PCB插入合适的队列
  • 3.分配/回收资源
    
    
    
    

进程通信：喂，110嘛？

进程之间的信息交换
进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。

• 为了保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。
• 但是进程之间的信息交换又是必须实现的。为了保证进程间的安全通信，操作系统提供了一些方法。

共享存储

两个进程对共享空间的访问必须是互斥的（互斥访问通过操作系统提供的工具实现）。
操作系统只负责提供共享空间和同步互斥工具（如P、V操作）

• 基于数据结构的共享
  • 只能存放一种固定的数据结构,比如共享空间里只能放一个长度为10的数组。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式
• 基于存储区的共享
  • 在内存中画出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程控制，而不是操作系统。相比之下，这种共享方式速度更快，是一种高级通信方式。
    

消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息（Message)为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换。

• 直接通信方式
  • 消息直接挂到接收进程的消息缓冲队列上
• 间接通信方式
  • 消息要先发送到中间实体（信箱）中，因此也称“信箱通信方式”。Eg：计网中的电子邮件系统化

管道通信

“管道”是指用于连接读写进程的一个共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的缓冲区,一般和内存页面是一样的，比如Linux一个管道是4kb

• 管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。
• 各进程要互斥地访问管道。
• 数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write（)系统调用将被阻塞，等待读进程将数据取走。当读进程将数据全部取走后，管道变空，此时读进程的read（）系统调用将被阻塞。
• 如果没写满，就不允许读。如果没读空，就不允许写。
• 数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，这就意味着读进程最多只能有一个，否则可能会有读错数据的情况
  

线程，多线程：给你的小纸条~

进程是程序的一次执行。但这些功能显然不可能是由一个程序顺序处理就能实现的。
有的进程可能需要“同时”做很多事，而传统的进程只能串行地执行一系列程序。为此，引入了“线程”，来增加并发度。

• 传统的进程是程序执行流的最小单位,然后线程是程序执行流的最小单位，是一个基本的CPU执行单位。
• 引入线程之后，不仅是进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一步提升了系统的并发度，使得一个进程内也可以并发处理各种任务（如QQ视频、文字聊天、传文件）
• 引入线程后，进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元（如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的）。
• 属性
  • 线程是处理机调度的单位
  • 多CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU
  • 每个线程都有一个线程ID、线程控制块（TCB）
  • 线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态
  • 线程几乎不拥有系统资源
  • 同一进程的不同线程间共享进程的资源
  • 由于共享内存地址空间，同一进程中的线程间通信甚至无需系统干预
  • 同一进程中的线程切换，不会引起进程切换
  • 不同进程中的线程切换，会引起进程切换
  • 切换同进程内的线程，系统开销很小

好的变化

实现方式

用户级线程（User-Level Thread,ULT)

• 用户级线程由应用程序通过线程库实现。
• 所有的线程管理工作都由应用程序负责（包括线程切换）
• 用户级线程中，线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统干预。
• 在用户看来，是有多个线程。但是在操作系统内核看来，并意识不到线程的存在。（用户级线程对用户不透明，对操作系统透明）
• 可以这样理解，“用户级线程”就是“从用户视角看能看到的线程”
  

内核级线程（Kernel-Level Thread,KLT,又称“内核支持的线程”）

• 内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。

• 线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。

• 可以这样理解，“内核级线程”就是“从操作系统内核视角看能看到的线程”
  

• 在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，可采用二者组合的方式：将n个用户级线程映射到m个内核级线程上（n>=m)

• 操作系统只“看得见”内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。

• 例如：左边这个模型中，该进程由两个内核级线程，三个用户级线程，在用户看来，这个进程中有三个线程。但即使该进程在一个4核处理机的计算机上运行，也最多只能被分配到两个核，最多只能有两个用户线程并行执行。

多线程模型

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了“多线程模型”问题。

• 多对一模型：多个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程只对应一个内核级线程。

• 优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高

• 缺点：当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行
  

• 一对一模型：一个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。

• 优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。

• 缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

• 多对多模型：n用户及线程映射到m个内核级线程（n>=m)。每个用户进程对应m个内核级线程。
• 克服了多对一模型并发度不高的缺点，又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。