操作系统

目录

• 操作系统
• 操作系统特征
• 操作系统的运行机制和体系结构
  • 运行机制
  • 操作系统内核
    • 中断
    • 中断的分类
    • 系统调用
• 进程的定义、组成、组织方式、状态与转换
  • 为什么要引入进程的概念呢？
  • 进程的定义
  • PCB有哪些组成
  • 进程的状态
  • 进程状态的转换
• 进程的通信
  • 进程通信3种方法
    • 共享存储
    • 管道
    • 消息传递
• 线程
• 进程的同步和互斥
  • 信号量
  • 生产者消费者问题
• 内存的基础知识和概念
  • cpu如何区分执行程序的数据在内存的什么地方
  • 内存管理-内存空间的分配与回收
• 死锁
  • 什么是僵尸进程
  • 死锁产生的原因
  • 死锁产生的必要条件
  • 死锁类型
  • 死锁的恢复方式
  • 破坏死锁
• 文件管理
  • 文件的属性
  • 文件内部数据如何组织在一起
  • 文件之间如何组织起来
  • 文件的逻辑结构
  • 文件目录
  • 文件共享
  • 文件保护
• I/O设备
  • I/O设备分类--按使用特性
  • I/O控制器
  • I/O控制方式

操作系统

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。

操作系统特征

1. 并发

   指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些享件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的。

2. 共享

   互斥共享：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。

   例子：使用QQ和微信视频。同一时间段摄像头只能分配给其中一个。

   同时共享：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(这个同时是宏观上的)。

   例子：例子：使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。宏观上看两边同时都在读取并发送数据。微观上，两个进程是交替着访问硬盘的。

3. 虚拟

   概念：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。

   虚拟技术：

   空分复用技术 如：虚拟存储器技术）：如：我们在电脑上打开多个软件，超过了电脑的内存（16GB），但这些软件仍可以在电脑上同时运行。

   时分复用技术 (如：虚拟处理器)：如一个单核CPU电脑可以打开多个程序

4. 异步

   概念：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，进程的执行不是一管到底的，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。

   例如：点外卖，点完外卖之后去做其他事情，等外卖到了再去取外卖。在A事件的空闲期间,我们可以做B事件。当空闲期间结束后，我们再去执行A事件的后续操作。

操作系统的运行机制和体系结构

运行机制

两种指令：

1. 特权指令：如：如内存清零指令
2. 非特权指令：如：普通的运算指令

两种处理器状态：

1. 核心态（管态）：特权指令、非特权指令都可以执行
2. 用户态（目态）：此时CPU只能执行非特权指令

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

操作系统内核

• 时钟管理：操作系统的时钟管理是依靠硬件定时器的（具体硬件怎么实现我也不太清楚，好像是靠硬件周期性的产生一个脉冲信号实现的）。时钟管理相当重要，比如我们获取时间信息，进程切换等等都是要依靠时钟管理。
• 中断处理
• 原语：可以简单理解为用来实现某个特定功能，在执行过程中不可被中断的指令集合。原语有一个非常重要的特性，就是原子性（其运行一气呵成，不可中断）。
• 对系统资源进行管理的功能：进程管理、存储器管理、设备管理等。

中断

• 在程序运行过程中，系统出现了一个必须由CPU立即处理的情况，此时，CPU暂时中止程序的执行转而处理这个新的情况的过程就叫做中断。

• 操作系统发现中断的信号是第一个程序的时间片（每个程序不能一直执行，CPU会给每个程序一定的执行时间，这段时间就是时间片）用完了，应该换第二个应用程序执行了

• 切换到第2个进程后，操作系统会将CPU的使用权交换给第二个应用程序，接着第二个应用程序就在用户态下开始执行。

• 进程2需要调用打印机资源，这时会执行一个系统调用（后面会讲系统调用，这里简单理解为需要操作系统进入核心态处理的函数），让操作系统进入核心态，去调用打印机资源

• 打印机开始工作，此时进程2因为要等待打印机启动，操作系统就不等待了（等到打印机准备好了，再回来执行程序2），直接切换到第三个应用程序执行

• 等到打印机准备好了，此时打印机通过I/O控制器会给操作系统发出一个中断信号，操作系统又进入到核心态，发现这个中断是因为程序2等待打印机资源，现在打印机准备好了，就切换到程序2，切换到用户态，把CPU给程序2继续执行。

好了，现在可以给出一个结论，就是用户态、核心态之间的切换是怎么实现的?

• "用户态 ---> 核心态"是通过中断实现的。并且中断时唯一途径。
• "核心态 ---> 用户态"的切换时通过执行一个特权指令，将程序状态的标志位设为用户态。

中断的分类

举个例子，什么是内中断和外中断：

假如你对象上课的时候突然异想天开，回过神来已经过好好长一段时间，这是内部中断。想着想着老师走过来，给了你对象一嘴巴，这是外部中断。

官方解释如下：

• 内中断常见的情况如程序非法操作(比如你要拿的的数据的内存地址不是内存地址，是系统无法识别的地址)，地址越界(比如系统给你的程序分配了一些内存，但是你访问的时候超出了你应该访问的内存范围)、浮点溢出(比如系统只能表示1.1到5.1的范围，你输入一个100, 超出了计算机能处理的范围)，或者异常，陷入trap（是指应用程序请求系统调用造成的，什么是系统调用，后面小节会举例讲）。
• 外中断常见的情况如I/O中断（由I/O控制器产生，用于发送信号通知操作完成等信号，比如进程需要请求打印机资源，打印机有一个启动准备的过程，准备好了就会给CPU一个I/O中断，告诉它已经准备好了）、时钟中断（由处理器内部的计时器产生，允许操作系统以一定规程执行函数，操作系统每过大约15ms会进行一次线程调度，就是利用时钟中断来实现的）。

系统调用

为什么需要系统调用？

• 比如你的程序需要读取文件信息，可读取文件属于读取硬盘里的数据，这个操作应该是CPU在内核态去完成的，我们的应用程序怎么让CPU去帮助我们切换到内核态完成这个工作呢，这里就需要系统调用了。
• 这里就引出系统调用的概念和作用。
• 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管理，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。

系统调用的分类：

需要注意的是，库函数和系统调用容易混淆。

• 库是可重用的模块 处于用户态
• 进程通过系统调用从用户态进入内核态， 库函数中有很大部分是对系统调用的封装

举个例子：比如windows和linux中，创建进程的系统调用方法是不一样的。 但在node中的只需要调用相同函数方法就可以创建一个进程。例如

// 引入创建子进程的模块
const childProcess = require('child_process')
// 获取cpu的数量
const cpuNum = require('os').cpus().length

// 创建与cpu数量一样的子进程
for (let i = 0; i < cpuNum; ++i) {
  childProcess.fork('./worker.js')
}

进程的定义、组成、组织方式、状态与转换

为什么要引入进程的概念呢？

• 早期的计算机只支持单道程序（是指所有进程一个一个排队执行，A进程执行时，CPU、内存、I/O设备全是A进程控制的，等A进程执行完了，才换B进程，然后对应的资源比如CPU、内存这些才能换B用）。

• 现代计算机是多道程序执行，就是同时看起来有多个程序在一起执行，那每个程序执行都需要系统分配给它资源来执行，比如CPU、内存。

• 拿内存来说，操作系统要知道给A程序分配的内存有哪些，给B程序分配的内存有哪些，这些都要有小本本记录下来，这个小本本就是进程的一部分，进程的一大职责就是记录目前程序运行的状态。

• 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（比如代码段放在哪）。

进程的定义

简要的说，进程就是具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程。(强调动态性)

比如启动QQ，这个程序运行过程的整体就是一个进程。

PCB有哪些组成

如下图

• 进程标识符PID：相当于身份证。是在进程被创建时，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。
• 用户标识符UID：用来表示这个进程所属的用户是谁。
• 进程当前状态和优先级下一小节会详细介绍
• 程序段指针：指当前进程的程序在内存的什么地方。
• 数据段指针：指当前进程的数据在内存的什么地方。
• 键盘和鼠标：指进程被分配得到的I/O设备。
• 各种寄存器值：指比如把程序计数器的值，比如有些计算的结果算到一半，进程切换时需要把这些值保存下来。

进程的状态

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。

进程的三种基本状态：

进程的另外两种状态：

进程状态的转换

进程的状态并不是一成不变的，在一定情况下会动态转换。

以上的这些进程状态的转换是如何实现的呢，这就要引出下一个角色了，叫原语。

• 原语是不可被中断的原子操作。我们举一个例子看看原语是怎么保证不可中断的。

原语采用关中断指令和开中断指令实现。

• 首先执行关中断指令
• 然后外部来了中断信号，不予以处理
• 等到开中断指令执行后，其他中断信号才有机会处理。

进程的通信

为什么需要进程间通信呢？

因为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。

进程通信3种方法

共享存储

因为两个进程的存储空间不能相互访问，所以操作系统就提供的一个内存空间让彼此都能访问，这就是共享存储的原理。

注：同一时刻只能有一个进程访问共享空间

其中，介绍一下基于存储区的共享。

• 在内存中画出一块共享存储区，以数据的形式、存放位置都是由进程控制，而不是操作系统。

管道

• 管道数据是以字符流（注意不是字节流）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。如果都没空就不允许写。
• 数据一旦被读出，就从管道中被丢弃，这就意味着读进程最多只能有一个。

消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息为单位。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。

其中消息是什么意思呢？就好像你发QQ消息，消息头的来源是你，消息体是你发的内容。如下图：

直接通信：消息直接挂到接受进程的消息缓冲队列上

间接通信：消息要先发送到中间实体中，因此也称“信箱通信方式”。

线程

为什么要引入线程呢？

• 比如你在玩QQ的时候，QQ是一个进程，如果QQ的进程里没有多线程并发，那么QQ进程就只能同一时间做一件事情（比如QQ打字聊天）
• 但是我们真实的场景是QQ聊天的同时，还可以发文件，还可以视频聊天，这说明如果QQ没有多线程并发能力，QQ能够的实用性就大大降低了。所以我们需要线程，也就是需要进程拥有能够并发多个事件的能力。

引入线程后带来的变化

进程的同步和互斥

同步：是指多个进程中发生的事件存在某种先后顺序。即某些进程的执行必须先于另一些进程。

例：进程B需要从缓冲区读取进程A产生的信息，当缓冲区为空时，进程B因为读取不到信息而被阻塞。而当进程A产生信息放入缓冲区时，进程B才会被唤醒。

互斥：是指多个进程不允许同时使用同一资源。当某个进程使用某种资源的时候，其他进程必须等待。

例：进程B需要访问打印机，但此时进程A占有了打印机，进程B会被阻塞，直到进程A释放了打印机资源,进程B才可以继续执行。

信号量

信号量主要是来解决进程的同步和互斥的。

在操作系统中，常用P、V信号量来实现进程间的同步和互斥，我们简单了解一下一种常用的信号量，记录型信号量来简单了解一下信号量本质是怎样的。

/*记录型信号量的定义*/
typedef struct {
    int value; // 剩余资源
    Struct process *L // 等待队列
} semaphore

意思是信号量的结构有两部分组成，一部分是剩余资源value，比如目前有两台打印机空闲，那么剩余资源就是2，谁正在使用打印机，剩余资源就减1。

Struct process *L 意思是，比如2台打印机都有人在用，这时候你要用打印机，此时会把这个打印机资源的请求放入阻塞队列，L就是阻塞队列的地址。

/*P 操作，也就是记录型信号量的请求资源操作*/
void wait (semaphore S) {
    S.value--;
    if (S.value < 0){
        block (S.L);
    }
}

需要注意的是，如果剩余资源数不够，使用block原语使进程从运行态进入阻塞态，并挂到信号量S的等待队列中。

/*V 操作，也就是记录型信号量的释放资源操作*/
void singal (semaphore S) {
    S.value++;
    if (S.value <= 0){
        wakeup (S.L);
    }
}

释放资源后，若还有别的进程在等待这个资源，比如打印机资源，则使用wakeup原语唤醒等待队列中的一个进程，该进程从阻塞态变为继续态。

生产者消费者问题

为什么要讲这个呢，主要是node流的机制，本质就是生产者消费者问题，可以简单的看看这个问题如何解决。

如上图，生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

内存的基础知识和概念

为什么需要内存

内存是计算机其它硬件设备与CPU沟通的桥梁、中转站。程序执行前需要先放到内存中才能被CPU处理。

cpu如何区分执行程序的数据在内存的什么地方

• 是通过给内存的存储单元编址实现的。（存储单元一般是以字节为单位）
• 如下图，内存的存储单元，就像一个酒店的房间，都有编号，比如程序一的数据都在1楼，1楼1号存储着程序里let a = 1这段代码。

内存管理-内存空间的分配与回收

• 内存分配分为连续分配和非连续分配，连续分配是指用户进程分配的必须是一个连续的内存空间。
• 这里我们只讲连续分配中的动态分区分配。
• 什么是动态分区分配呢，这种分配方式不会预先划分内存分区，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区，并使分区的大小正好适合进程的需要。（比如，某计算机内存大小64MB，系统区8MB，用户区56MB...，现在我们有几个进程要装入内存，如下图）

• 随之而来的问题就是，如果此时进程1使用完了，相应在内存上的数据也被删除了，那么空闲的区域，后面该怎么分配（也就是说随着进程退出，会有很多空闲的内存区域出现）

我们讲一种较为简单的处理方法叫空闲分区表法来解决这个问题。如下图，右侧的表格就是一个空闲分区表。

当很多个空闲分区都能满足需求时，应该选择哪个分区进行分配呢，例如下图，分别有20MB，10MB，4MB三个空闲分区块，现在进程5需要4MB空闲分区，改怎么分配呢？

我们需要按照一定的动态分区分配算法，比如有首次适应算法，指的是每次都从低地址开始查找，找到第一个能满足大小的空闲分区。还有比如最佳适应算法，指的是从空闲分区表中找到最小的适合分配的分区块来满足需求。

连续分配缺点很明显，大多数情况，需要分配的进程大小，不能跟空闲分区剩下的大小完全一样，这样就产生很多很难利用的内存碎片。

这里我们介绍一种更好的空闲分区的分配方法，基本分页存储。如下图

将内存空间分为一个个大小相等的分区（比如：每个分区4KB）.每个分区就是一个“页框”。页框号从0开始。

将用户进程的地址空间分为与页框大小相等的一个个区域，称为“页”。每个页也是从0开始。

死锁

什么是僵尸进程

僵尸进程是已完成且处于终止状态，但在进程表中却仍然存在的进程。僵尸进程通常发生在父子关系的进程中，由于父进程仍需要读取其子进程的退出状态所造成的。

死锁产生的原因

死锁产生的原因大致有两个：资源竞争和程序执行顺序不当

死锁产生的必要条件

资源死锁可能出现的情况主要有

• 互斥条件：每个资源都被分配给了一个进程或者资源是可用的
• 保持和等待条件：已经获取资源的进程被认为能够获取新的资源
• 不可抢占条件：分配给一个进程的资源不能强制的从其他进程抢占资源，它只能由占有它的进程显示释放
• 循环等待：死锁发生时，系统中一定有两个或者两个以上的进程组成一个循环，循环中的每个进程都在等待下一个进程释放的资源。

死锁类型

1. 两阶段加锁
2. 通信死锁
3. 活锁
4. 饥饿锁

死锁的恢复方式

1. 通过抢占进行恢复
2. 通过回滚进行恢复
3. 杀死进程恢复

破坏死锁

1. 破坏互斥条件
2. 破坏保持等待的条件
3. 破坏不可抢占条件
4. 破坏循环等待条件

文件管理

文件是什么？

文件就是一组有意义的信息/数据集合。

文件的属性

文件名、标识符、类型、位置、大小、保护信息。

文件内部数据如何组织在一起

如下图，文件主要分为有结构文件和无结构文件。

文件之间如何组织起来

通过树状结构组织的。

文件的逻辑结构

逻辑结构是指，在用户看来，文件内部的数据是如何组织起来的，而“物理结构”是在操作系统看来，文件是如何保存在外存，比如硬盘中的。

1.顺序文件

什么是顺序文件

指的是文件中的记录一个接一个地在逻辑上是顺序排列，记录可以是定长或变长，各个记录在物理上可以顺序存储或链式存储

2.索引文件

3. 索引顺序文件

索引顺序文件是索引文件和顺序文件思想的结合。索引顺序文件中，同样会为文件建立一张索引表，但不同的是，并不是每个记录对应一个索引表项，而是一组记录对应一个索引表项。

如上图，学生记录按照学生姓名的开头字母进行分组。每个分组就是一个顺序文件，分组内的记录不需要按关键字排序

文件目录

一个文件对应一个FCB，一个FCB就是一个目录项，多个FCB组成文件目录

文件目录的结构通常是树状的

• 需要注意的是，树状目录不容易实现文件共享，所以在树形目录结构的基础上，增加了一些指向同一节点的有向边（可以简单理解为引用关系，就跟js里的对象一样）
• 也就是说需要为每个共享节点设置一个共享计数器，用于记录此时有多少个地方在共享该结点。只有共享计数器减为0，才删除该节点。

文件共享

文件共享分为两种

1. 基于索引结点的共享方式（硬链接)
2. 基于符号链的共享方式（软链接)
   • 软连接可以理解为windows里的快捷方式。
   • 硬链接可以理解为js里的引用计数，只有引用为0的时候，才会真正删除这个文件。

文件保护

操作系统需要保护文件的安全，一般有如下3种方式：

• 口令保护。是指为文件设置一个“口令”（比如123），用户请求访问该文件时必须提供对应的口令。口令一般放在文件对应的FCB或者索引结点上。
• 加密保护。使用某个"密码"对文件进行加密，在访问文件时需要提供正确的“密码”才能对文件进行正确的解密。
• 访问控制。在每个文件的FCB或者索引节点种增加一个访问控制列表，该表中记录了各个用户可以对该文件执行哪些操作。

I/O设备

什么是I/O设备

I/O就是输入输出(Input/Output)的意思，计算机的外部设备，属于计算机中的硬件部件。

I/O设备分类--按使用特性

• 人机交互类设备，这类设备传输数据的速度慢。例：鼠标、键盘、打印机。

• 存储设备，这类设备传输数据的速度较快。例：移动硬盘、光盘等。

• 网络通信设备，这类设备的传输速度介于人机交互设备和存储设备之间

I/O控制器

CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，因此I/O设备还要有一个电子部件作为CPU和I/O设备机械部件之间的“中介”，用于实现CPU对设备的控制。这个电子部件就是I/O控制器。

主要功能：

• 接收和识别CPU发出的指令是指，比如CPU发来读取文件的命令，I/O控制器中会有相应的控制寄存器来存放命令和参数
• 向cpu报告设备的状态是指，I/O控制器会有相应的状态寄存器，用来记录I/O设备是否空闲或者忙碌
• 数据交换是指I/O控制器会设置相应的数据寄存器。输出时，数据寄存器用于暂存CPU发来的数据，之后再由控制器传送给设备。
• 地址识别是指，为了区分设备控制器中的各个寄存器中的各个寄存器，也需要给各个寄存器设置一个特性的“地址”。I/O控制器通过CPU提供的“地址”来判断CPU要读写的是哪个寄存器

I/O控制方式

• 这里我们只讲一下目前比较先进的方式，通道控制方式。
• 通道可以理解为一种“弱鸡版CPU”。通道可以识别并执行一系列通道指令。

通道最大的优点是极大的减少了CPU的干预频率，I/O设备完成任务，通道会向CPU发出中断，不需要轮询来问I/O设备是否完成CPU下达的任务。