二、操作系统知识
2.1操作系统概述
- 操作系统的作用：通过资源管理提高计算机系统的效率，改善人机界面向用户提供友好的工作环境
- 操作系统的特征：并发性、共享性、、虚拟性、不确定性
- 操作系统的功能：进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理
- 操作系统的分类：批处理操系统、分时操作系统（轮流使用cpu工作片）、实时操作系统（快速响应）、网络操作系统、分布式操作系统（物理分散的计算机物联系统）、微机操作系统、嵌入式操作系统
- 计算机启动的基本流程：bios->主引导记录->操作系统
2.2进程的组成和状态
- 进程的组成：进程控制款PCB(唯一标志)、程序（描述进程要做什么）、数据（存放进程执行时所需数据）
- 进程基础的状态是左下图中的三态图，正胡思系统自动控制时只有三种状态，而下右图中的五态，是多了两种状态：静止就绪和静止阻塞，需要人为的操作才会进入对应状态，活跃就绪即就绪，活跃阻塞即等待
- 当人为干预后，进程将被挂起，进入进制状态，此时，需要人为激活，才能恢复到活跃状态，之后的本质还是三态图
2.3前趋图
- 前趋图：用力啊表示那些任务可以并行执行，那些任务之间有顺序关系，具体如下图：
- 可知，ABC可以并行执行，但是必须ABC都执行完后，才能执行D，这就确定了两点，任务间的并行、任务间的先后顺序
2.3进程资源图
- 进程资源图：用来表示进程和资源之间的分配和请求关系，如下图所示：
- P代表进程，R代表资源，R方框中有几个圆球就表示有几个这种资源，在图中，R1指向P1，表示R1有一个资源已经分派给了P1，P1指向R2,表示P1还需要请求一个R2资源才能执行
- 阻塞节点：某进程所请求的资源一斤全部分配完毕，无法获取所需资源，改进程被阻塞无法继续。P2
- 费阻塞节点：某进程所请求的资源还有剩余，可以分配给改进程继续运行，p1,p3
- 当一个进程资源图中所有进程都是阻塞节点，即进入死锁状态
2.4同步与互斥
- 互斥：某资源（即临界资源）在同一之间内只能由一个任务单独使用，使用时需要加锁，使用完后解锁才能本其他任务使用，如打印机
- 同步：多个任何无可以并发执行，只不过有速度上的差异，在一定情况下停下等待，不存在资源是否单独活共享的问题，如自行车和汽车
- 临界资源：各进程间需要以互斥方式对其进行访问的资源
- 临界区：指进程中对临界资源实施操作的那段程序，本质是一段程序代码
- 互斥信号量：对临界字眼采用互斥访问，使用互斥信号量后其他进程无法访问，初值为1
- 同步信号量：对共享资源的访问控制，初值一般是共享支援的数量
2.5信号量操作
- P操作：申请资源，S-s-1,若S>0，则执行P操作的进程继续执行，若S<0,则置改进程为阻塞状态（因为无可用资源），并将其插入阻塞队列
- V操作：释放资源，S=S+1,若S<0，则执行V操作的进程继续啊执行，若S<=0，则从阻塞状态唤醒一个进程，并将其插入就绪队列，然后执行V操作的进程继续
- 经典问题：生产者和消费者的问题
- 三个信号量：互斥信号量S0(仓库独立权使用)，同步信号量S1(仓库空闲个数)，同步信号量S2(仓库商品个数)
2.6死锁
- 当一个进程在等待永远不可能发生的事情，就会产生死锁，若系统中有多个进程处于死锁状态，就会造成系统死锁
- 死锁产生的四个必要条件：资源互斥、每个进程占有资源并等待其他资源、系统不能剥夺进程资源、进程资源图是一个环路
- 死锁预防：采用某种策略限制并发进程对于资源的请求，破坏死锁产生的四个条件之一，使系统任何时刻都不满足死锁的条件
- 死锁避免：一般采用银行家算法，就是提前计算出一条不会死锁的资源分派方法，才分配资源，否则不分派资源，相当于借贷，考虑对方还得起才借钱，提前考虑好以后，就可以避免死锁
- 死锁检测：允许死锁产生，但系统定时运行一个检测死锁的程序，若检测到系统中发生死锁，则设法加以解除
- 死锁解除：即死锁发生后的解除方法，如墙绘剥夺资源，撤销进程等
- 死锁计算问题：系统内有N个进程，每个进程需要R个资源，那么发生死锁的最大资源为N(R-1),不发生死锁的最小资源数为N*(R-1)+1
2.7线程
- 传统的进程有两个属性：可拥有资源的独立单位，可独立调度和分配的基本单位
- 引入线程后，线程是独立调度的最小单位，进程是拥有资源的最小单位，线程可以共享进程的公共数据、全局变量、代码、文件等资源，但不能共享线程独有的资源，如线程的栈指针等标识数据
2.8页式存储管理
- 将进程空间分为一个个页，假设每个页大小为4K，同样的将系统的物理空间分为一个个4k大小的物理块（页幁号），这样，每次将需要运行的逻辑页装入物理块中，运行完再装入其他需要运行的页，就可以分批次运行完进程，而无需将整块逻辑空间全部装入物理内存中
- 优点：利用率高、碎片小、分派及管理简单
- 缺点：增加了系统开销，可能产生抖动现象
2.9页面置换算法
- 最优算法：OPT，理论上的算法，无法实现，是在进程执行后进行的最佳效率计算，用来让其他算法比较差距，原理是选择未来最长时间内不被访问的页面置换，这样可以保证未来执行的都是马上要访问的
- 先进先出算法：FIFO，先调入内存的页先被置换淘汰，会产生抖动现象，即分配的页数越多，缺页率可能越多
- 最近最少使用：LRU，在最近的过去，进程执行过程中，过去最少使用的页面被置换淘汰，根据拒捕性原理，这种方式效率高，且不会产生抖动
2.10快表
- 是一块小容量的相联存储器，由快速存储器组成，接内容访问，速度快，并且可以从硬件上保证内容并行查找，一般用来存放当前访问最频繁的少数活动页面的页号
- 快表示将页表存与Cache中，慢表示将页表存与内存上
- 因此慢表需要访问两次内存才能去除页，而快表示访问一次cache和一次内存，因此更快
2.11段式存储管理
- 将进程空间分为一个个段，每段也有段号和段内地址，与页式存储不同的是，每段物理大小不同，分段是根据逻辑整体分段的
- 地址表示：（段号 段内偏移）；其中段内偏移不能超过该段号对应的段长，否则越界错误，而次地址对应的真正内存地址应该是：段号对应的基地址+段内偏移
- 优点：程序逻辑完整，刘改互不影响
- 缺点：内存利用率低，内存碎片浪费
2.12段页式存储管理
- 对进程空间先分段，后分页
- 优点：空间浪费小，存储共享容易，能动态连接
- 缺点：优越管理软件的增加，复杂性和开销也增加，执行速度下降
- 优点：程序逻辑完整，修改互不影响
- 缺点：内存利用率低，内存碎片浪费大
2.13文件结构
- 文件索引结构
- 系统中有13个索引节点，0-9为直接索引，即每个索引节点存放的是内容，假设每个物理盘大小为4KB,可存4KB*10=10KB数据
- 10号索引节点为一级间接索引节点，大小为4KB，存放的并非直接数据，而是链接到直接物理盘块的地址，假设每个地址占4B，共有1024个地址，对应1024个物理盘，可存1024*4KB=1098KB数据
- 二级索引节点类似，直接盘存放一级地址，一级滴啊之再存放物理盘块地址，而后链接到存放数据的物理盘块，容量又扩大了一个数量级，为1024*1024*4KB
2.14树形文件目录
- 相对路径：是从当前庐江开始的路径
- 绝对路径：是从根目录开始的路径
- 全文件名=绝对路径+文件名，绝对路径和相对路径是不加最后的文件名的，只是单纯的路径序列
- 树形结构主要是区分相对路径和绝对路径
2.15空间存储空间管理
- 空闲取表示法：将所以空闲空间整合成一张表，即空闲文件目录
- 空闲链表法：将所有空闲空间链接成一个链表，根据需要分配
- 组成链接法:既分组内又链接成链表，是上述两种方法的综合
- 位示图法：对每个物理空间用一位标识，为1则使用，为0则空闲，形成以张位示图
2.16设备管理
- 设备的分类方式
- 按数据组织分类：块设备、字符设备
- 资源分配角度分类：独占设备、共享设备、虚拟设备
- 数据传输速度分类：低速设备、中速设备
- 告诉设备
- I/O软件层次结构
2.17输入输出技术
- 程序控制方式：cpu主动查询外设是否完成数据传输，效率极低
- 程序中断方式：外设完成数据传输后，向CPU发送中断，等待cpu处理数据，效率相对较高，使用与键盘灯实时性较高的场景
- 中断响应时间是指从发出中断请求到开始进入中断处理程序，中断处理时间指的是从中断处理开始到中断处理结束，中断向量提供中断服务程序的入口地址，多级中断嵌套，使用堆栈来保护断点和现场
- DMA方式（直接主存存取）：cpu只需要完成必要的初始化等操作，数据传输的整个过程都由DMA控制器来完成，在主存和外设之间建立直接的数据通路，效率很高，适用于硬盘灯高速设备
- 在一个总线周期结束后，cpu会响应DMA请求开始读取数据，cpu响应程序中断方式请求是在一条指令执行结束时，区分指令执行结束和总线周期结束
2.18虚设备和SPOOLING技术
- 引入SPOOLING技术，就是在外设上建立两个数据缓冲区，分别称输入和输出，这样。无论多少进程，都可以共用这一台打印机，只需要将打印命令发出，数据就会排队存储在缓冲区中，打印机会自动按顺序打印，实现了物理外设的共享，使得每个进程都感觉使用一个打印机，这就是物理设备虚拟化
