1. 操作系统的定义

1.负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作
2.为上层的应用程序、用户提供简单易用的服务
3.操作系统是系统软件，而不是硬件
 

课本定义：

操作系统(Operating SystemOS) 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。
 

作为系统资源的管理者

提供功能：

1.处理机管理

2.存储器管理

3.文件管理

4.设备管理

目标： 安全、高效

作为用户和计算机硬件间的接口

提供功能：

1.命令接口 ：允许用户直接使用

        1.联机命令接口 : 用户说一句做一句

        2.脱机命令接口：用户说一堆做一堆（如：批处理 .bat文件）

2.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 = 广义指令）

3.GUI：图形界面

目标：方便用户使用

作为最接近硬件的层次

提供功能与目标：实现对硬件机器的扩展

2. 操作系统的特征

并发和共享的操作系统的基本特征，没有并发和共享就没有虚拟和异步

2.1 并发

注意并发与并行的区别：

并发：宏观上同时发生，微观上交替发生。

并行：同一时刻干两件事

操作系统的并发性：同时运行着多个程序

多核处理器：指的是可以有多个程序并行运行

2.2 共享

资源共享：多个并发运行的程序共同使用资源

1.互斥共享：一个时间段只允许一个程序访问（如：视频聊天需要的摄像头）

2.同时共享：允许一个时间段多个程序访问（如：我既可以在QQ发送文件，也可以同时在微信发送文件）

2.3 虚拟

物理上的实体对应到 虚拟上的对应

如： 一个程序需要4GB的运行内存。我的电脑只有4GB，但我却可以运行他和其他一堆的程序。

这就用到了虚拟存储技术

虚拟技术

1.空分复用技术

2.时分复用技术

2.4 异步

因为多个程序并发，且资源有限，导致某个程序并不是能够一贯执行到底。可能会遇到阻塞。

这就是异步性

2.5 总结

只有程序有了并发性后，才会有的异步性

3. 操作系统的发展与分类

3.1 手工操作阶段

纸带打点，输入计算机中运算，输出纸带

主要缺点： 用户独占全机、人机速度矛盾导致计算机资源利用率低

3.2 单道批处理系统

引入脱机输入/输出系统（磁带）,并引入监督程序（操作系统的雏形）负责控制作业的输入输出。

主要优点: 缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升。
主要缺点: 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I/0完成。资源利用率依然很低。
 

3.3 多道批处理系统

过程：每次往内存中输入多道程序

这个阶段： 操作系统正式诞生，并引入了中断技术，由操作系统负责管理这些程序的运行。各个程序并发执行

主要优点: 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。
主要缺点: 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)
 

为何多道批处理系统的系统资源利用率高？

 

3.4 分时操作系统

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。

主要优点: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。
主要缺点: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。
 

3.5 实时操作系统

主要优点: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
 

硬实时操作系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理 （导弹控制系统）

软实时操作系统：能接受偶尔违反时间规定 （订票系统）

3.6 知识点回顾

4. OS的运行机制和体系结构

4.1 指令

简单来说，“ 指令”就是处理器(CPU) 能识别、执行的最基本命令
比如:加法指令就是让CPU进行加法运算
 

指令的两种类型

1. 特权指令

2. 非特权指令

两种处理器状态

1.用户态（目态）

2. 核心态 （管态）

4.2 两种程序

1.内核程序： 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，也可以执行非特权指令，运行在核心态

2.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

4.3 操作系统的内核

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。
实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序。
 

4.3.1 大内核

将操作系统的主要功能模块都作为系统内核，运行在核心态
优点:高性能
缺点:内核代码庞大，结构混乱，难以维护
 

4.3.2 微内核

只把最基本的功能保留在内核
优点:内核功能少,结构清晰，方便维护
缺点:需要频繁地在核心态和用户态之间切换，性能低

4.3.3 类比企业

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。
 

4.4 常考

最常考知识点:
1.特权指令只能在核心态下执行
2.内核程序只能在核心态下执行
3.核心态、用户态之,间的切换(后续讲解内容)
 

5. 中断和异常

5.1 概况

5.2 中断机制的诞生

早期计算机： 各程序只能串行执行，系统资源利用率低
 

 为了解决上述问题，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

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

进程2发出系统调用(内中断信号)，请求输出。CPU切换为核心态，对中断进行处理
喂~打印机开始工作吧，进程2暂停运行等待I/O完成，换进程3运行
 

5.3 中断的概念和作用

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

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。
 

5.4 中断的分类

 内中断：信号的来源: CPU内部，与当前执行的指令有关

                如:系统调用时使用的访管指令(又叫陷入指令、trap指令)
                如:缺页
                如:整数除0 

 外中断：信号的来源: CPU外部，与当前执行的指令无关

                如: /0操作完成发出的中断信号
                如:用户强行终止一个进程

5.4.1 另一种分类方式

 5.5 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)
Step 3:根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
Step 4: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

6. 系统调用

6.1 什么是系统调用，有何作用?

操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接
口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。
 

“系统调用”是操作系统提供给应用程序(程序员/编程人员)使用的接口，可以理解为一种可供应用
程序调用的特殊函数，应用程序可以发出系统调用请求来获得操作系统的服务。
 

应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作(如存储分配、I/O操作、文件管理等)，都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。
 

6.2 系统调用与库函数的区别

 6.3 系统调用背后的过程

 int x

int是interrupt 中断的意思 ，x 是 系统调用号（比如用0,1,2,3 代表不同的调用【exit,begin......】）

调用过程

1.传递系统调用参数
2.执行陷入指令
3.执行系统调用相应服务程序
4.返回用户程序

7. 进程

7.1 进程的定义

程序:就是一个指令序列，早期的计算机(只支持单道程序)
 

 程序段在高地址部分，数据段存在低地址部分

程序的代码放在程序段内，程序运行过程处理的数据放在数据段内(如变量)
 

引入多道程序技术之后:
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)

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!
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: 
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一一个独立单位

强调“动态性”
 

 7.2 进程的组成

PID ： 当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的ID，用于区分不同的进程(类似于身份证号)

各种寄存器值：当进程切换时需要把进程当前的运行情况记录下来保存在PCB中，如程序计数器的值表示了当前程序执行到哪一句
 

7.3 进程的组织

7.3.1 链接方式

 7.3.2 索引方式

7.3.3 总结

7.4 进程的特征

7.5 进程的状态与转换

7.5.1 进程的三种状态

 注意:单核处理机环境下，每时刻最多只有一个进程处于运行态。(双核环境下可以同时有两个进程处于运行态)

就绪态：进程已经拥有了除处理机之外所有需要的资源，一且获得处理机，即可立即进入运行态开始运行。即:万事俱备，只欠CPU
 

阻塞态：如:等待操作系统分配打印机、等待读磁盘操作的结果。CPU是计算机中最昂贵的部件，为了提高CPU的利用率，需要先将其他进程需要的资源分配到位，才能得到CPU的服务
 

7.5.2 另外两种状态

 

7.5.3 进程状态总结

7.6 进程控制

进程控制就是各种进程状态之间的转换

7.6.1 如何进行进程控制

 

 

 

 

7.7 进程通信

什么是进程通信？

7.7.1 共享存储

7.7.2 消息传递

7.7.3 管道通信

8. 线程

8.1 什么是线程？为什么要引入线程？

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

 传统的进程是程序执行流的最小单位

 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

 可以把线程理解为“轻量级进程”。

线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。

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)

 

 8.2 引入线程后，有什么变化？

类比：去图书馆看书。

切换进程运行环境:有一个不认识的人要用桌子，你需要你的书收走，他把自己的书放到桌上
向一进程内的线程切换=你的舍友要用这张书桌，可以不把桌子上的书收走

8.3 线程的属性

8.4 线程的实现方式

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)

重点重点重点:
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。
 

 

 8.5 多线程模型

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。

集二者之大成

 

 8.6 小节总结

9. 处理机调度

9.1 调度基本概念

 从就绪队列安装一定算法选择一个进程，将处理机分配给它

9.2 作业调度

高级调度（作业调度） ：外存于内存之间的调度

9.3 内存调度

中级调度（内存调度）：决定将哪个处于挂起状态的进程调入内存

 进程七状态模型：引入挂起态

9.4 进程调度

低级调度（进程调度）：从就绪队列选个进程，分配处理机

9.5 三个调度的联系与对比

高级调度：创建完PCB，放入就绪队列

中级调度：让挂起-> 阻塞

低级调度：就绪-> 运行态

9.6 调度总结

中级调度：引入了挂起态

9.7 进程调度的时机

需要进程调度与切换：

        1. 进程主动放弃

        2. 进程被动放弃

不能进程调度与切换：

        1.中断

        2.临界区

        3.原子操作

注意区分 普通临界区和操作系统内核程序临界区

 

9.8 进程调度的方式

非抢占式

抢占式

9.9 进程的切换与过程

狭义的进程调度

广义的进程调度

进程切换代价 

总结 

9.10 调度算法的性能指标

9.10.1 CPU利用率

 CPU利用率 = 

 9.10.2 系统吞吐量

系统吞吐量 = 总共完成作业数 / 总共花费时间

9.10.3 周转时间

周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间

平均周转时间 = 各作业周转时间之和 / 作业数

9.10.4 等待时间

处于等待处理机状态时间之和

9.10.5 响应时间

提交请求到首次产生响应

9.11 FCFS、SJF、HRRN 调度算法

9.11.1 FCFS

非抢占式算法

按先后顺序，等待时间越久越优先得到服务，

对长作业有利，对短作业不利。（排队买奶茶）

例子：

 发现P3的带权周转时间非常大，P3用户体验非常糟糕

FCFS总结：

9.11.2 SJF

最短的作业/进程优先得到服务

SJF 非抢占式

追求最少的平均等待时间、周转时间、平均带权周转时间

默认短作业是非抢占式的

在所有

例子：

发现SJF的算法是优于FCFS的

SRTN：抢占式的短作业优先算法，最短剩余时间优先算法 

选择当前完成作业剩余时间最短的进程

采用抢占式后，三个指标更小了，又一次优化

严谨性问题：

很多书上都会说“SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”
1. 严格来说，这个表述是错误的，不严谨的。之前的例子表明，最短剩余时间优先算法得到的平均等待时间、平均周转时间还要更少
2. 应该加上一个条件“在所有进程同时可运行时，采用SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”;
3. 或者说“在所有进程都几乎同时到达时，采用SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”;

虽然严格来说，SJF的平均等待时间、平均周转时间并不一定最少，但相比于其他算法(如FCFS) ,SJF依然可以获得较少的平均等待时间、平均周转时间

如果选择题中遇到“SJF算法的平均等待时间、平均周转时间最少”的选项，那最好判断其他选项是不是有很明显的错误，如果没有更合适的选项，那也应该选择该选项
 

 总结

 回顾

FCFS算法是在每次调度的时候选择一个等待时间最长的作业(进程)为其服务。但是没有考虑到作业的运行时间，因此导致了对短作业不友好的问题。

SJF算法是选择- - 个执行时间最短的作业为其服务。但是又完全不考虑各个作业的等待时间，因此导致了对长作业不友好的问题，甚至还会造成饥饿问题
 

能不能设计一个算法，即考虑到各个作业的等待时间，也能兼顾运行时间呢?

 

9.11.3 高响应比优先 HRRN

综合考虑作业的等待时间和要求服务的时间

响应比 = （等待时间 + 要求服务时间） / 要求服务时间

综合考虑了等待时间和运行时间(要求服务时间)
等待时间相同时，要求服务时间短的优先(SJF 的优点)

9.11.4 对比

这三种算法一般使用在早期，无交互性

9.12 其他调度算法

9.12.1 时间片轮转调度算法（RR）Round-Robin

诞生于分时操作系统

公平地、轮流地为各个进程服务，让每个进程在一定时间间隔内都可以得到响应（时间片）

抢占式

例子：

 

 

时间片大小为5的情况：

 如果时间片太大，使得每个进程都可以在一个时间片内就完成，则时间片轮转调度算法退化为先来先服务调度算法，并且会增大进程响应时间。因此时间片不能太大。

如何理解会增大进程响应时间？

 另一方面，进程调度、切换是有时间代价的( 保存、恢复运行环境)，因此如果时间片太小，会导致进程切换过于频繁，系统会花大量的时间来处理进程切换，从而导致实际用于进程执行的时间比例减少。可见时间片也不能太小。

一般来说， 设计时间片时要让切换进程的开销占比不超过1%

总结

9.12.2 优先级调度算法

随着计算机的发展，特别是实时操作系统的出现，越来越多的应用场景需要根据任务的紧急程度来决定处理顺序

每个作业/进程有各自的优先级，调度时选择优先级最高的作业/进程。

有：

1.抢占式

2.非抢占式

例子：

补充:

就绪队列未必只有一一个，可以按照不同优先级来组织。另外，也可以把优先级高的进程排在更靠近队头的位置

根据优先级是否可以动态改变，可将优先级分为静态优先级和动态优先级两种。
静态优先级:创建进程时确定，之后- -直不变。
动态优先级:创建进程时有一个初始值，之后会根据情况动态地调整优先级。
 

如何合理地设置各类进程的优先级?

通常:
系统进程优先级高于用户进程
前台进程优先级高于后台进程
操作系统更偏好I/O型进程(或称I/0繁忙型进程)
注:与I/0型进 程相对的是计算型进程(或称CPU繁忙型进程)
 

如果采用的是动态优先级，什么时候应该调整?

可以从追求公平、提升资源利用率等角度考虑
如果某进程在就绪队列中等待了很长时间，则可以适当提升其优先级
如果某进程占用处理机运行了很长时间，则可适当降低其优先级
如果发现一个进程频繁地进行I/O操作，则可适当提升其优先级
 

总结

9.12.3 多级反馈队列调度算法

对其他调度算法的折中权衡
优点多

抢占式

动态过程：规则较为复杂

• 设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大
• 新进程到达时先进入第1级队列，按FCFS原则排队 等待被分配时间片。若用完时间片进程还未结束，则进程进入下一级队列队尾。如果此时已经在最下级的队列，则重新放回最下级队列队尾
• 只有第k级队列为空时，才会为k+1级队头的进程分配时间片被抢占处理机的进程重新放回原队列队尾

 总结

9.12.4 三种算法对比

 注:比起早期的批处理操作系统来说，由于计算机造价大幅降低，因此之后出现的交互式操作系统(包括分时操作系统、实时操作系统等)更注重系统的响应时间、公平性、平衡性等指标。而这几种算法恰好也能较好地满足交互式系统的需求。因此这三种算法适合用于交互式系统。( 比如UNIX使用的就是多级反馈队列调度算法)

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