操作系统知识点《一》
一、简单说一下进程和线程以及它们的区别
1、进程是具有一定功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，进程是系统进行资源调度和分配的一个独立的单位。
2、线程是进程的实体，是cpu调度和分派的单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。
3、一个进程可以有多个线程，多个线程也可以并发进行。
二、进程间的通信方式有哪些
进程间通信（IPC，InterProcess Communication）是指在不同进程之间传播或交换信息。
IPC的方式通常有管道（包括无名管道和命名管道）、消息队列、信号量、共享存储、Socket、Streams等。其中Socket和Stream支持不同主机上的两个进程IPC。
1、管道主要分为：普通管道PIPE、流管道（s_pipe）、命名管道（name_pipe）。管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，并且只能在具有亲缘关系的进程间流动，进程的亲缘关系通常是父子进程。
命名管道也是半双工的通信方式，它允许无亲缘关系的进程间进行通信。
2、信号量是一个计数器，用来控制多个进程对资源的访问，它通常作为一种锁机制。
为了防止多个程序同时访问一个共享资源而引发的一系列问题，故有这样一种方法，在任何一个时刻只有一个执行线程访问代码的临界区(临界区是指访问临界资源的代码)，而信号量就可以提供这样的访问机制，同一时刻只允许一个线程访问临界区，也就是说信号量用来协调进程对共享资源访问的，其中共享内存就是用信号量实现的。
信号量工作原理：
由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号，他们是p(sv)操作，v(sv)操作。
p(sv)操作：如果sv的值大于0.他就减1，如果sv的值等于0，它就挂起进程的执行。
v(sv)操作：如果有其他进程因等待sv而挂起，则就让他恢复运行，如果没有进程因等待它而挂起，就让他加1.
3、消息队列是信息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识
4、信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生
5、共享内存就是映射一段能被其他进程访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但是多个进程可以访问。
6、Socket
三、进程的状态有哪些
创建状态：进程在创建时需要申请一个空白PCB，向其中填写控制和管理进程的信息，完成资源分配。如果创建工作无法完成，比如资源无法满足，就无法被调度运行，把此时进程所处状态称为创建状态
就绪状态：进程已经准备好，已分配到所需资源，只要分配到CPU就能够立即运行
执行状态：进程处于就绪状态被调度后，进程进入执行状态
阻塞状态：正在执行的进程由于某些事件（I/O请求，申请缓存区失败）而暂时无法运行，进程受到阻塞。在满足请求时进入就绪状态等待系统调用
终止状态：进程结束，或出现错误，或被系统终止，进入终止状态。无法再执行
如果进程运行时间片使用完也会进入就绪状态。
另外为用户观察需要，进程还有挂起和激活两种操作。挂起后进程处于静止状态进程不再被系统调用，对于操作是激活操作。
四、操作系统常用的进程调度算法有哪些
调度算法是指：根据系统的资源分配策略所规定的资源分配算法。常见的进程调度算法有：
1.先来先去服务（FCFS）
先来先去服务调度算法是一种最简单的调度算法，也称为先进先出或严格排队方案。当每个进程就绪后，它加入就绪队列。当前正运行的进程停止执行，选择在就绪队列中存在时间最长的进程运行。该算法既可以用于作业调度，也可以用于进程调度。先来先去服务比较适合于常作业（进程），而不利于段作业（进程）。
2.时间片轮转法
轮转法是基于适中的抢占策略的，以一个周期性间隔产生时钟中断，当中断发生后，当前正在运行的进程被置于就绪队列中，然后基于先来先去服务策略选择下一个就绪作业的运行。这种技术也称为时间片，因为每个进程再被抢占之前都给定一片时间。
3.最短进程优先
最短进程优先是一个非抢占策略，他的原则是下一次选择预计处理时间最短的进程，因此短进程将会越过长作业，跳至队列头。该算法即可用于作业调度，也可用于进程调度。但是他对长作业不利，不能保证紧迫性作业（进程）被及时处理，作业的长短只是被估算出来的。
4.最短剩余时间优先
最短剩余时间是针对最短进程优先增加了抢占机制的版本。在这种情况下，进程调度总是选择预期剩余时间最短的进程。当一个进程加入到就绪队列时，他可能比当前运行的进程具有更短的剩余时间，因此只要新进程就绪，调度程序就能可能抢占当前正在运行的进程。像最短进程优先一样，调度程序正在执行选择函数是必须有关于处理时间的估计，并且存在长进程饥饿的危险。
5.最高响应比优先
根据比率：R=(w+s)/s （R为响应比，w为等待处理的时间，s为预计的服务时间）
如果该进程被立即调用，则R值等于归一化周转时间（周转时间和服务时间的比率）。R最小值为1.0，只有第一个进入系统的进程才能达到该值。调度规则为：当前进程完成或被阻塞时，选择R值最大的就绪进程，它说明了进程的年龄。当偏向短作业时，长进程由于得不到服务，等待时间不断增加，从而增加比值，最终在竞争中赢了短进程。
6.多级反馈队列调度算法
多级反馈队列算法，不必事先知道各种进程所需要执行的时间，他是当前被公认的一种较好的进程调度算法。其实施过程如下：
1)设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。在优先权越高的队列中，为每个进程所规定的执行时间片就越小。
2)当一个新进程进入内存后，首先放入第一队列的末尾，按照先来先去原则排队等候调度。如果他能在一个时间片中完成，便可撤离；如果未完成，就转入第二队列的末尾，同样等待调度.....如此下去，当一个长作业（进程）从第一队列依次将到第n队列（最后队列）后，便按第n队列时间片轮转运行。
3)仅当第一队列空闲的时候，调度程序才调度第二队列中的进程运行；仅当第1到（i-1）队列空时，才会调度第i队列中的进程运行，并执行相应的时间片轮转。
4)如果处理机正在处理第i队列中某进程，又有新进程进入优先权较高的队列，则此新队列抢占正在运行的处理机，并把正在运行的进程放在第i队列的队尾。
7、多级队列调度算法
将就绪队列分成多个独立的队列，每个队列都有自己的调度算法，队列之间采用固定优先级抢占调度。其中，一个进程根据自身属性被永久地分配到一个队列中。
8、优先级调度算法
优先级调度算法(可以是抢占的，也可以是非抢占的)：优先级越高越先分配到CPU，相同优先级先到先服务，存在的主要问题是：低优先级进程无穷等待CPU，会导致无穷阻塞或饥饿
五、线程同步的方式有哪些
线程同步的概念：所谓同步，就是并发的线程在一些关键点上可能需要互相等待与互通信息，这种互相制约的等待与互通信息称为进程同步。
互斥量：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。
信号量：它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量。
事件（信号）：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操作。
六、临界资源和临界区的概念
临界资源：临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源。各进程采取互斥的方式，实现共享的资源称作临界资源。属于临界资源的硬件有，打印机，磁带机等；软件有消息队列，变量，数组，缓冲区等。诸进程间采取互斥方式，实现对这种资源的共享。
临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区（criticalsection），每次只允许一个进程进入临界区，进入后，不允许其他进程进入。不论是硬件临界资源还是软件临界资源，多个进程必须互斥的对它进行访问。多个进程涉及到同一个临界资源的的临界区称为相关临界区。使用临界区时，一般不允许其运行时间过长，只要运行在临界区的线程还没有离开，其他所有进入此临界区的线程都会被挂起而进入等待状态，并在一定程度上影响程序的运行性能。
七、异步、同步、阻塞、非阻塞
同步和异步：
同步: 当一个同步调用发出去后，调用者要一直等待调用结果的通知后，才能进行后续的执行。
异步：当一个异步调用发出去后，调用者不能立即得到调用结果的返回。
异步调用，要想获得结果，一般有两种方式：
主动轮询异步调用的结果;
被调用方通过callback来通知调用方调用结果。
阻塞与非阻塞：
阻塞与非阻塞的重点在于进/线程等待消息时候的行为，也就是在等待消息的时候，当前进/线程是挂起状态，还是非挂起状态。
阻塞调用在发出去后，在消息返回之前，当前进/线程会被挂起，直到有消息返回，当前进/线程才会被激活.
非阻塞调用在发出去后，不会阻塞当前进/线程，而会立即返回。
总结来说，就是同步与异步，重点在于消息通知的方式;阻塞与非阻塞，重点在于等消息时候的行为
八、死锁的概念，死锁产生的条件，死锁的避免，死锁的预防。
死锁的概念：
在两个或者多个并发进程中，如果每个进程持有某种资源而又等待其它进程释放它或它们现在保持着的资源，在未改变这种状态之前都不能向前推进，称这一组进程产生了死锁。通俗的讲就是两个或多个进程无限期的阻塞、相互等待的一种状态。
死锁产生的条件：
互斥条件：一个资源一次只能被一个进程使用
请求与保持(占有并申请)条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得资源保持不放
不剥夺条件：进程获得的资源，在未完全使用完之前，不能强行剥夺。
循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的环形等待资源关系。
死锁的避免：
死锁避免的基本思想：系统对进程发出的每一个系统能够满足的资源申请进行动态检查，并根据检查结果决定是否分配资源，如果分配后系统可能发生死锁，则不予分配，否则予以分配，这是一种保证系统不进入死锁状态的动态策略。
如果操作系统能保证所有进程在有限时间内得到需要的全部资源，则系统处于安全状态否则系统是不安全的。
典型算法：银行家算法
死锁的预防：
我们可以通过破坏死锁产生的4个必要条件来 预防死锁，由于资源互斥是资源使用的固有特性是无法改变的。
破坏“不可剥夺”条件：一个进程不能获得所需要的全部资源时便处于等待状态，等待期间他占有的资源将被隐式的释放重新加入到 系统的资源列表中，可以被其他的进程使用，而等待的进程只有重新获得自己原有的资源以及新申请的资源才可以重新启动，执行。
破坏”请求与保持条件“：第一种方法静态分配即每个进程在开始执行时就申请他所需要的全部资源。第二种是动态分配即每个进程在申请所需要的资源时他本身不占用系统资源。
破坏“循环等待”条件：采用资源有序分配其基本思想是将系统中的所有资源顺序编号，将紧缺的，稀少的采用较大的编号，在申请资源时必须按照编号的顺序进行，一个进程只有获得较小编号的进程才能申请较大编号的进程。
九、中断和系统调用
所谓的中断就是在计算机执行程序的过程中，由于出现了某些特殊事情，使得CPU暂停对程序的执行，转而去执行处理这一事件的程序。等这些特殊事情处理完之后再回去执行之前的程序。
中断一般分为三类：
由计算机硬件异常或故障引起的中断，称为内部异常中断；
由程序中执行了引起中断的指令而造成的中断，称为软中断（这也是和我们将要说明的系统调用相关的中断）；
由外部设备请求引起的中断，称为外部中断。
简单来说，对中断的理解就是对一些特殊事情的处理。
中断处理程序：当中断发生的时候，系统需要去对中断进行处理，对这些中断的处理是由操作系统内核中的特定函数进行的，这些处理中断的特定的函数就是我们所说的中断处理程序了。
中断的优先级：
中断的优先级说明的是当一个中断正在被处理的时候，处理器能接受的中断的级别。中断的优先级也表明了中断需要被处理的紧急程度。每个中断都有一个对应的优先级，当处理器在处理某一中断的时候，只有比这个中断优先级高的中断可以被处理器接受并且被处理。优先级比这个当前正在被处理的中断优先级要低的中断将会被忽略。
典型的中断优先级如下所示：
机器错误 > 时钟 > 磁盘 > 网络设备 > 终端 > 软件中断
当发生软件中断时，其他所有的中断都可能发生并被处理；但当发生磁盘中断时，就只有时钟中断和机器错误中断能被处理了。
系统调用：
进程的执行在系统上的两个级别：用户级和核心级，也称为用户态和系统态(user mode and kernel mode)。
程序的执行一般是在用户态下执行的，但当程序需要使用操作系统提供的服务时，比如说打开某一设备、创建文件、读写文件等，就需要向操作系统发出调用服务的请求，这就是系统调用。
Linux系统有专门的函数库来提供这些请求操作系统服务的入口，这个函数库中包含了操作系统所提供的对外服务的接口。当进程发出系统调用之后，它所处的运行状态就会由用户态变成核心态。但这个时候，进程本身其实并没有做什么事情，这个时候是由内核在做相应的操作，去完成进程所提出的这些请求。
系统调用和中断的关系就在于，当进程发出系统调用申请的时候，会产生一个软件中断。产生这个软件中断以后，系统会去对这个软中断进行处理，这个时候进程就处于核心态了。
那么用户态和核心态之间的区别是什么呢？
用户态的进程能存取它们自己的指令和数据，但不能存取内核指令和数据（或其他进程的指令和数据）。然而，核心态下的进程能够存取内核和用户地址
某些机器指令是特权指令，在用户态下执行特权指令会引起错误
对此要理解的一个是，在系统中内核并不是作为一个与用户进程平行的估计的进程的集合，内核是为用户进程运行的。
十、分段和分页的概念
段是信息的逻辑单位，它是根据用户的需要划分的，因此段对用户是可见的 ；页是信息的物理单位，是为了管理主存的方便而划分的，对用户是透明的。
段的大小不固定，有它所完成的功能决定；页大大小固定，由系统决定（一般为4k）
段向用户提供二维地址空间；页向用户提供的是一维地址空间
段是信息的逻辑单位，便于存储保护和信息的共享，页的保护和共享受到限制。
分页存储管理：用户程序的地址空间被划分成若干固定大小的区域，称为“页”，相应地，内存空间分成若干个物理块，页和块的大小相等。可将用户程序的任一页放在内存的任一块中，实现了离散分配。
分段存储管理：将用户程序地址空间分成若干个大小不等的段，每段可以定义一组相对完整的逻辑信息。存储分配时，以段为单位，段与段在内存中可以不相邻接，也实现了离散分配。
段页式存储管理：
分页系统能有效地提高内存的利用率，而分段系统能反映程序的逻辑结构，便于段的共享与保护，将分页与分段两种存储方式结合起来，就形成了段页式存储管理方式。
在段页式存储管理系统中，作业的地址空间首先被分成若干个逻辑分段，每段都有自己的段号，然后再将每段分成若干个大小相等的页。对于主存空间也分成大小相等的页，主存的分配以页为单位。
段页式系统中，作业的地址结构包含三部分的内容：段号 页号 页内位移量
程序员按照分段系统的地址结构将地址分为段号与段内位移量，地址变换机构将段内位移量分解为页号和页内位移量。
为实现段页式存储管理，系统应为每个进程设置一个段表，包括每段的段号，该段的页表始址和页表长度。每个段有自己的页表，记录段中的每一页的页号和存放在主存中的物理块号。
十一、页面置换算法
1、最佳置换算法（OPT）（理想置换算法）：从主存中移出永远不再需要的页面；如无这样的页面存在，则选择最长时间不需要访问的页面。于所选择的被淘汰页面将是以后永不使用的，或者是在最长时间内不再被访问的页面，这样可以保证获得最低的缺页率。
2、先进先出置换算法（FIFO）：是最简单的页面置换算法。这种算法的基本思想是：当需要淘汰一个页面时，总是选择驻留主存时间最长的页面进行淘汰，即先进入主存的页面先淘汰。其理由是：最早调入主存的页面不再被使用的可能性最大。
3、最近最久未使用（LRU）算法：这种算法的基本思想是：利用局部性原理，根据一个作业在执行过程中过去的页面访问历史来推测未来的行为。它认为过去一段时间里不曾被访问过的页面，在最近的将来可能也不会再被访问。所以，这种算法的实质是：当需要淘汰一个页面时，总是选择在最近一段时间内最久不用的页面予以淘汰。
4、最少使用次数（LFU）算法：根据使用次数来判断；
5、时钟(CLOCK)置换算法：LRU算法的性能接近于OPT,但是实现起来比较困难，且开销大；FIFO算法实现简单，但性能差。所以操作系统的设计者尝试了很多算法，试图用比较小的开销接近LRU的性能，这类算法都是CLOCK算法的变体。
简单的CLOCK算法是给每一帧关联一个附加位，称为使用位。当某一页首次装入主存时，该帧的使用位设置为1;当该页随后再被访问到时，它的使用位也被置为1。对于页替换算法，用于替换的候选帧集合看做一个循环缓冲区，并且有一个指针与之相关联。当某一页被替换时，该指针被设置成指向缓冲区中的下一帧。当需要替换一页时，操作系统扫描缓冲区，以查找使用位被置为0的一帧。每当遇到一个使用位为1的帧时，操作系统就将该位重新置为0；如果在这个过程开始时，缓冲区中所有帧的使用位均为0，则选择遇到的第一个帧替换；如果所有帧的使用位均为1,则指针在缓冲区中完整地循环一周，把所有使用位都置为0，并且停留在最初的位置上，替换该帧中的页。由于该算法循环地检查各页面的情况，故称为CLOCK算法，又称为最近未用(Not Recently Used, NRU)算法。
