学习笔记 --《现代操作系统》

现代操作系统

1. 概述

计算机有两种运行模式：内核态和用户态.操作系统，它运行在内核态中。操作系统具有硬件的访问权，可以执行机器能够运行的任何指令。软件的其余部分运行在用户态下。
计算机包含运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五个部分，是冯罗伊曼结构。各个部分通过总线相连。（CPU=运算器+控制器）
- 运算器最主要的功能是对数据和信息进行加工和运算。
- 控制器主要起到了控制命令执行的作用，完成协调和指挥整个计算机系统的操作。控制器是由程序计数器、指令寄存器、解码译码器等构成。
总线(Buses)，在整个系统中运行的是称为总线的电气管道的集合，这些总线在组件之间来回传输字节信息。通常总线被设计成传送定长的字节块（64或32位）。

2.进程与线程

进程（process）是程序的一次执行，是具有独立功能的程序在一个数据集合上的运行过程，系统资源调配的独立单位。
- 严格意义来说，在某一个瞬间，一个CPU 只能运行一个进程。
- 进程是某一类特定活动的总和，它有程序、输入输出以及状态。
进程的创建
- 系统初始化（init）：启动操作系统时，通常会创建若干个进程。
- 正在运行的程序执行了创建进程的系统调用（比如 fork）。
- 用户请求创建一个新进程。
- 一个批处理作业的初始化。
进程的终止
- 正常退出(自愿的) ：多数进程是由于完成了工作而终止。这个调用在 UNIX 中是 exit ，在 Windows 中是 ExitProcess。
- 错误退出(自愿的)：比如执行一条不存在的命令，于是编译器就会提醒并退出。
- 严重错误(非自愿的)
- 被其他进程杀死(非自愿的) ：某个进程执行系统调用告诉操作系统杀死某个进程。在 UNIX 中，这个系统调用是 kill。
进程状态
- 运行态，运行态指的就是进程实际占用 CPU 时间片运行时
- 就绪态，就绪态指的是可运行，但因为其他进程正在运行而处于就绪状态
- 阻塞态，除非某种外部事件发生，否则进程不能运行
进程的实现，
- 操作系统为了执行进程间的切换，会维护着一张表，这张表就是进程表(process table)。
- 该表包含了进程状态的以下重要信息。第一列内容与进程管理有关，第二列内容与存储管理有关，第三列内容与文件管理有关。
- 一个进程在执行过程中可能被中断数千次，但关键每次中断后，被中断的进程都返回到与中断发生前完全相同的状态。
线程，cpu是调度和分派的基本单位，是程序执行流的最小单位。
- 多线程之间会共享同一块地址空间和所有可用数据的能力，这是进程所不具备的。
- 线程要比进程更轻量级，由于线程更轻，所以它比进程更容易创建，也更容易撤销。
- 线程必须在某个进程中执行。进程用于把资源集中到一起，而线程是cpu上被调度执行的实体。
- 线程之间的状态转换和进程之间的状态转换是一样的。
线程实现分为三种类型
- 在用户空间中实现线程，内核对线程一无所知，它不知道线程的存在。
- 在内核空间中实现线程，通过系统调用实现。
- 在用户和内核空间中混合实现线程，采用了一种内核级线程的方式实现。
进程间通信(Inter Process Communication, IPC)
当两个或两个以上的进程/线程处于就绪状态时需要采用一定的调度算法。因为不同的应用程序和不同的操作系统有不同的目标。也就是说，在不同的系统中，调度程序的优化也是不同的
- 批处理(Batch) : 商业领域
  - 先来先服务、最短作业优先
- 交互式(Interactive)：交互式用户环境
  - 轮询调度、优先级调度、多级队列、最短进程优先、保证调度、彩票调度、公平分享调度
- 实时(Real time)分为硬实时(hard real time)与软实时(soft real time)

3.存储管理

要使多个应用程序同时运行在内存中，必须要解决两个问题：保护和重定位
- 可以使用动态重定位技术或者基址寄存器和变址寄存器解决
  - 基址寄存器：存储数据内存的起始位置。变址寄存器：存储应用程序的长度。
  - 每当进程引用内存以获取指令或读取、写入数据时，CPU 都会自动将基址值添加到进程生成的地址中，然后再将其发送到内存总线上。同时，它检查程序提供的地址是否大于或等于变址寄存器中的值。如果程序提供的地址要超过变址寄存器的范围，那么会产生错误并中止访问
交换技术，用于解决内存不足。即把一个进程完整的调入内存，然后再内存中运行一段时间，再把它放回磁盘。
虚拟内存，基本思想是每个程序都有自己的地址空间，这个地址空间被划分为多个称为页面(page) 的块。每一页都是连续的地址范围。这些页被映射到物理内存，但并不是所有的页都必须在内存中才能运行程序。当程序引用到一部分在物理内存中的地址空间时，硬件会立刻执行必要的映射。当程序引用到一部分不在物理内存中的地址空间时，由操作系统负责将缺失的部分装入物理内存并重新执行失败的指令。
- 大部分使用虚拟内存的系统中都会使用一种分页的技术。
- 程序生成的地址被称为虚拟地址(virtual addresses) 并形成虚拟地址空间(virtual address space){包含虚拟页号(高位部分)和偏移量(低位)}，在没有虚拟内存的计算机上，系统直接将虚拟地址送到内存中线上，读写操作都使用同样地址的物理内存。在使用虚拟内存时，虚拟地址不会直接发送到内存总线上。相反，会使用MMU(Memory Management Unit)内存管理单元把虚拟地址映射为物理内存地址，像下图这样。
- 页表给出虚拟地址与物理内存地址之间的映射关系。
  - 虚拟页号可作为页表的索引用来找到虚拟页中的内容。
  - 由页表项可以找到页框号（如果有的话）。
  - 然后把页框号拼接到偏移量的高位端，以替换掉虚拟页号，形成物理地址。
  - 页表的目的是把虚拟页映射到页框中。从数学上说，页表是一个函数，它的参数是虚拟页号，结果是物理页框号
- 页表项的结构
页面置换算法，当发生缺页中断（内存不足）时，操作系统必须在内存中选择一个页面将其换出内存，以便为即将调用的页面腾出空间。每次选用不常用的页面会提高性能。
- 最优页面置换算法
- 最近未使用页面置换算法
- 先进先出页面置换算法
- 第二次机会页面置换算法
- 时钟页面置换算法
- 最近最少使用页面置换算法
最好的页面置换算法是老化算法和WSClock算法。他们分别是基于 LRU 和工作集算法。他们都具有良好的性能并且能够被有效的实现
空闲内存管理
- 位图（bitmap），位图的大小取决于内存和分配单元的大小
- 空闲列表(free lists)，维护一个记录已分配内存段和空闲内存段的链表。
  - 内存使用算法有首次适配(first fit)、下次适配(next fit)、最佳适配(best fit)算法等。

4.文件系统

文件系统，便于OS存储和管理文件信息，方便用户对文件的存取、共享和保护等，有效提高系统资源的利用率。
文件是一种抽象机制，它提供了一种方式用来存储信息以及在后面进行读取。
在创建一个文件后，它会给文件一个命名。当进程终止时，文件会继续存在，并且其他进程可以使用名称访问该文件。
内存与磁盘之间的数据交换(即读/写操作、磁盘I/O)都是以块为单位进行的。即每次读块，或每次写出一块。类似于内存分页。磁盘块是文件系统读写数据的最小单位。
文件的物理实现
- 连续分配，实现简单、读取性能强，但会导致磁盘碎片化。
- 链表分配，每个文件构造磁盘块链表，每个文件都是磁盘块的链接列表。可以充分利用每个磁盘块，但随机访问困难，指针也会占用一些字节。
- 索引组织，在内存中使用表进行链表分配。取出每个磁盘块的指针字，把它们放在内存的一个表中，就可以解决上述链表的两个不足之处。缺点是需要内存存储文件分配表，不适合大磁盘。
- i节点
磁盘块与页的大小一般相等。