操作系统学习

基础概念

操作系统是什么

是一种软件，提供给用户和其他上层软件方便的接口和环境！！！

系统资源的管理者

• 提供处理机(CPU)、存储器、文件、设备管理

打开QQ -- 相关数据放入内存 -- 进程被CPU处理 -- 视频通话(摄像头设备)

向上层提供方便易用的服务

• GUI(图形 用户 接口) 比如window下拖拽到回收站删除文件
• 联机/脱机命令接口 比如cmd, 联机就是cd ls等，脱机就是.bat 也叫批处理
• 程序接口 比如printf底层就是调用了操作系统的显示接口

最接近硬件的一层软件

• 硬件只能听懂010101，操作系统把这些硬件功能封装成简单易用的服务
• 没有任何软件支持就叫裸机，裸机安装操作系统就更方便使用了！

操作系统特征

并发 共享(二者相辅相成) 虚拟 (有并发才有意义虚拟) 异步(没有并发就不会异步)

并发

• 指两个事件在同一个tick内发生，但实际上是交替(交替很快)发生的 如果实际上也是同时发生，那叫并行！！！！
• 单核CPU只能并发，多核CPU可以并行！！

共享

• 资源共享：指的是多个程序并发时同时使用某资源
• 分为互斥共享（不可同时用摄像头）、同时共享(同时访问硬盘文件 实际上一般也是交替)

虚拟(空分复用 时分复用)

• 把物理实体变为若干个逻辑上的对应物，比如一个程序需要放入内存并分配CPU才可执行，实际上电脑单核，但是用户感受 可以开多个应用，这就叫虚拟！！

异步

• 系统资源是有限的，这个资源被占用了，另一个进程就会被阻塞！！
• 只有并发才会可能导致异步！！！

操作系统的发展

1. 程序员用纸带机输入输出(有孔为1 无孔为0)
   
2. 单道批处理系统
   
3. 多道批处理系统
   
4. 分时操作系统
   
5. 实时操作系统
   

程序

内核程序(Kernel) 应用程序(app)

• 理论上只需内核就可以使用一个操作系统

• CPU可以分辨出哪些是特权指令 哪些是非特权指令

• CPU两状态(通过一个状态寄存器) 内核态(可执行特权指令)和用户态(不可以)

也就是说，内核态到用户态，需要写入这个寄存器

• 刚开机CPU是内核态 若用户态时收到特权指令会中断并拒绝执行该程序后续命令，然后进入内核态执行中断程序，执行完后恢复用户态

• 并不是库函数都涉及系统调用，文件操作肯定涉及系统调用 取绝对值不涉及

中断

没有中断，就不会从用户态切回内核态，就不可能实现并发！！！

• 内中断 ：与当前执行的指令有关(非法指令)，中断信号来自CPU内部
  例如：用户态特权指令、除数为0、应用程序请求内核服务(陷入/trap/访管指令)
• 外中断 ：与当前执行的指令无关，中断信号来自CPU外部
  例如：时钟中断、I/O中断

操作系统体系结构

内核咋设计？

• 原语 哪怕遇到中断也会执行完再中断！！！
• 微内核只包括时钟管理、中断处理、原语。 大内核还包括进程、存储器、设备管理。 微内核比如windows 大内核比如linux unix
• 外核负责分配未经抽象的系统资源(一整块连续的磁盘空间、物理内存)
  

分层结构 模块化

• 模块化可以并行开发，只需要提前定义好函数名、参数、返回值
• 模块化一般可以动态扩充，因为彼此间独立
• 模块化调试困难
• 分层结构调试简单 但是更消耗资源，而且有互相依赖的不好分层

引导

开机后如何让操作系统运行起来

• 在磁盘上安装一个操作系统，如下图
  

1. C盘一般是活动分区（也就是安装了操作系统的分区）分为引导记录PBR(负责找到启动管理器) 根目录 其他
2. ROM存储BIOS(basci input output system) 主要包含ROM引导程序，作用是指示CPU把MBR读入RAM，MBR的磁盘引导程序又把PBR读入RAM，执行启动管理器

总结：CPU从特定地址取指令执行ROM引导(先硬件自检) --> 引导MBR写入RAM(作用是扫描分区表) --> 从活动分区读PBR到RAM --> 找到启动管理器

位于 C:/Windows/BOOT

虚拟机

将一台物理机器虚拟化为多台虚拟机器，实现一个电脑上跑好几个操作系统

进程 线程 协程

进程

进程之间是树形关系，并不是并列关系，也就是说有几个根进程，产生诸多子进程

进程概念

ctrl+shift+ESC 打开任务管理器 每一行都是一个进程

• 程序是一个静态可执行文件，比如一个qq程序打开三次，算三个进程(三个pid)，进程是动态的

• 创建一个进程就会产生一个PCB(进程控制块 一个struct) 包含pid、uid、cpu使用时间使用率 磁盘写入读取情况、占用内存、使用的io设备、寄存器的值等信息

比如三个qq进程，他们的PCB 数据段各不相同，但是程序段相同

进程状态

进程的状态：运行 就绪 阻塞(三基本态) 创建 终止

• 正在创建(创建态) -> 创建完等待运行(就绪) -> 被CPU选中并执行(运行) -> 需要用的设备被占用(阻塞) -> 设备空闲(就绪) -> 运行态 -> 运行结束或遇到错误(终止)
  

• 组织方式(如何实现不通进程切换)可能是通过PCB指针切换，有执行指针、就绪队列指针、阻塞队列指针(可能有多个阻塞队列)，也可能是通过多个索引表，指针指向索引表实现

进程控制

用原语(一气呵成 不会被中断)实现进程控制

• 为什么要原语，比如一个进程从阻塞变为就绪，至少两步:PCB的state=1 PCB从阻塞队列放入就绪队列。 如果不是一气呵成 那么会出现阻塞队列里的PCB state=1，关键数据信息不统一！！！

• 原语是如何实现的呢？ 关中断--指令1--指令2--开中断，一旦关中断就表示不会被中断打断！

• 进程什么情况下创建呢？ 创建原语、特定事件(登录后起另一个进程 系统服务起一个进程 进程请求创建子进程 外存转到内存需要新建进程)

• 进程什么情况下终止呢？ 撤销原语 特定事件(执行完终止、异常终止、外部干扰)

• 还有阻塞原语、唤醒原语(必须成对使用，由什么阻塞由什么唤醒) 切换原语

进程通信(IPC)

不同进程的内存地址空间互相独立！！！为了安全考虑！！！

1. 共享存储(保证不同进程的访问互斥！！否则会出现写入冲突等)

• 申请共享存储区，不同进程都可以访问这块内存！
  例如linux下

int shm_open(...); //发起通信的进程A  申请共享存储区
void *mmap(...);   //所有参与通信的进程，把共享存储区映射到自己的内存空间！！

• 申请共享数据结构
  相当于一种特殊的全局变量，比如共享区只能放长度10的一个数组，限制多且速度慢！！

2. 消息传递
   进程之间的数据交换以格式化消息为单位，通过发送和接收原语实现！！！

• 格式化的消息：消息头 消息体
• 消息传递分为直接通信(通过pid) 间接通信(通过信箱)
  直接通信也是通过操作系统内核区消息队列传递的，一方发送到内核，一方从内核接收！！
  间接通信是通过发送原语发送到信箱，然后另一个进程从信箱读

3. 管道通信

• 只可能是单向的，实际上就是在内存中开辟一个大小固定的缓冲区，是一个特殊的共享文件
  

• 和共享的区别是，共享没有限制，管道只能单向，一个写一个读，而且先入先出(只要管道不空就可以读 )

• 管道只能是半双工，想全双工只能再开一个管道，由操作系统实现互斥访问

• 管道满了之后，写进程被阻塞，直至读走了一个，管道空了之后，读进程被阻塞，直至写了一个

• linux多写多读，但是要求读进程轮流，轮流呢，也就是多写一读。。。。。

线程

概念

线程是程序执行流(CPU调度)的最小单位！！！ 进程是CPU分配系统资源的最小单位！！！

• 优势：切换进程的运行环境开销很大，但是一个进程不同线程开销不大

• 线程也有TID TCP 有就绪阻塞运行三态 几乎不拥有系统资源(在进程那) 统一进程的线程间通信甚至无需系统干预

实现方式

1. 用户级线程 --早期，用户自己写线程库实现。。。。(包括创建销毁调度)
   

• 优点是无需切换CPU到内核态 开销小 效率高 缺点是并发度低(多核浪费)，容易被阻塞！！！！

2. 内核级线程
   

• 线程切换需要切换到核心态 优点是并发能力强 不怕某线程阻塞 缺点是开销大 成本高

3. 线程库和内核级线程结合: 一个用户级线程对应一个内核级线程 还有 多对一(实际上就是用户级。。。) 多对多(用户级线程数大于内核级线程！！)

调度

按照某种规则决定先处理哪个任务！！

基本概念

1. 高级调度(作业调度):作业指一个具体的任务，好几个作业，看下先写哪个作业，也可以理解为先启动哪个程序,从外存调度到内存，从无到创建！！

2. 低级调度(进程调度/处理机调度):从就绪队列里选一个进程，把处理机分配给他

• 进程调度频率很高，一般几十毫秒一次，是最基本的调度

3. 中级调度(内存调度):内存不足时把某些进程数据调出到外存，进入挂起状态(挂起队列)，调度时回到内存，取消挂起变成就绪！！频率比高级调度高

调度方式

1. 低级调度分为主动放弃(运行结束 异常 主动请求阻塞比如请求I/O)和被动放弃(时间片用完 被插队)

• 中断处理过程不能切换，内核临界区(如访问就绪队列 但是访问打印机可切换)、原语不可以切换

2. 调度方式分为非抢占(即便有紧急任务也先执行完再给你，开销小但是无法及时响应紧急任务)和抢占式(适合分时操作系统 实时操作系统)

3. 调度与切换的关系，调度指的是从就绪队列里挑一个进程运行，这个进程如果是刚刚暂停的进程就不用切换，如果是另一个进程就需要切换！！！！！

进程切换包括保存原来进程的各种数据、恢复新进程的各种数据

• 进程切换不要太循环，否则频繁保存恢复会浪费大量系统资源！！！

调度程序

1. 调度程序就是执行调度过程的程序，需要制定调度的算法和时间(一个时间片)

2. 什么时候会触发？
   创建新进程、退出进程、进程阻塞、I/O中断，对于非抢占，只有阻塞和退出会触发，对于抢占 时钟中断(每个时钟周期检查一次就绪队列，如果有VIP就拿来执行)会触发

3. 调度程序永远的备胎。。闲逛进程，也就是RTOS的空闲任务，优先级最低

调度算法

评价指标：CPU利用率 系统吞吐量(单位时间完成多少作业) 周转时间(作业提交到完成) 等待时间(对于客户和进程来说等待时间不同！！！) 响应时间(提出请求到首次被响应)

1. 先来先服务

该算法用于作业调度，考虑哪个作业先到达后被队列，用于进程调度，考虑哪个进程先到达就绪队列

• 优点就是公平，实现不复杂，缺点是有利于长作业，如果是排在长作业后面的一个短作业，他就很愤怒

• 非抢占式 不会导致饥饿

2. 短作业(进程)优先

该算法考虑追求最少的平均周转时间、平均等待时间，选择当前已到达且运行时间最短的作业！！比如说我只用一秒就处理完了，我前面这个比要五秒，我就先干我的让他等一秒！！！

• 会饥饿 默认非抢占式(也有抢占式，叫最短剩余时间优先！！) 被抢占后不用从头开始 剩多少干多少

• 优点是整体数据更好看，缺点是运行时间其实是用户提供的，如果被骗了，会导致诚实的长作业饿死

3. 高响应比优先

该算法优先考虑响应比

• 不会饥饿 一般是非抢占式！！！！
  

以上的三种算法，根本没考虑用户的响应时间和任务紧急程度，只用于早期的批处理系统！！！！

4. 时间片轮转(时间片太大就退化为先来先服务了 时间片太小就消耗太多时间、资源用于切换了)

公平、轮流的为各个进程服务，一个时间片没弄完就滚去队尾等下一次服务吧！！

• 只用于进程调度(因为只有作业从外存放到内存才涉及时间片概念)

• 抢占式，不会饥饿

5. 优先级调度

选择优先级高的进程，优先级可以是静态的，也可以是动态调整的
(系统进程>用户进程 前台进程>后台进程 IO繁忙进程>CPU繁忙进程)

• 作业调度、进程调度 甚至I/O调度都会用到

• 有抢占也有非抢占 会饥饿

6. 多级反馈队列调度

基于多个队列，每个进程刚来的时候放在最高优先级的队列，一个时间片后放到次高优先级队尾，直至执行完或跑到了最低优先级队列！！！

• 优先级越高的队列，时间片越小！！！ 只有当前优先级队列空了，才会继续执行下一级优先级队列!!

一种情况: 当前还没执行完, 更高优先级队列又来一个, 那就把他放在当前队列队尾 无需降优先级！

• 相对公平 每个进程都可以较快被响应 避免用户谎报运行时间，
• 抢占式算法！可能导致饥饿 一般情况下就说他是无敌平衡的6666

不同类型的进行导入不同优先级的队列，比如系统进程 交互式进程(打字 游戏) 批处理进程(特效渲染)

调度方式不仅可以高优先级空了再低优先级，也可以时间片划分，比如依次分配0.5 0.4 0.1的时间

不同队列也可以采用不同调度策略

进程同步与互斥

异步指的是各个并发执行的进程以各自独立、不可预测的速度推进

比如进程通信的管道通信中，写数据和读数据异步，但是要保证先写再读，就需要同步！！

资源共享分为互斥共享和同时共享 原则:空闲让进 忙则等待 有限等待 让权等待(临界区空闲直接进，不空闲就等，设置最长等待时间，到期了还没进就让出处理机)

软件实现互斥

1. 单标志法: 定义一个int，指定哪个进程可以进入临界区，也就是说某个进程进入临界区的权限只能通过另一个进程给予
   

• 问题：违反空闲让进，前一个进程让出了临界区，下一个进程迟迟不访问的情况(⑦turn=0只能表示P1用完临界区了，P0如果不想运行，会卡在②) 运行时序P0-P1-转给P0 但是P0不用了-P1想用不能用

2. 双标志先检查法：定义一个bool数组，用于标记想进入临界区的意愿，flag[i]=true表示想且能立即进入临界区
   

• 问题：违反了忙则等待，二者并发运行，①之后没来得及执行② 就切换并执行了⑤ 会导致二者抢占，

二者的区别在于，单标志法是检测临界区是否被使用，不被使用就进入(哪怕我现在不需要进入临界区)，双标志法是先看对方是否想用，直至对方不想用了，再表示自己想用，使用完后再表示自己不用了
也就是说不想用时单标志法会卡在临界区执行语句，双标志法会卡在给flag[]赋值的语句

3. 双标志后检查法
   

• 问题: 违背了空闲让进和有限等待 并发时会卡在2 6，产生饥饿！！！

4. Peterson（皮特森算法）
   

• 并发时，看谁后谦让！！！后谦让的算数，谁后说的客气话，谁失去执行权!!!

未遵循让权等待！！！其实就是结合单标志和双标志

硬件实现互斥

5. 中断屏蔽方法(硬件)

• 也就是通过关中断--临界区--开中断 实现！！优点是简单高效 缺点是不适用多处理机，不适用用户进程(用户进程操作内核态特权指令开关中断不安全！！)

6. TS/TSL指令(硬件)
   

• 只是逻辑展示，实际上是通过硬件寄存器实现的，稳定可靠，可用于多处理机环境，但仍不满足让权等待

7. swap指令(Exange XCHG)(硬件)
   

• 最开始的lock已经有值了，但我们不知道他是啥，进入循环，lock=true，old=刚刚的lock,如果此时的old=true，说明已经上过锁了，那么两个true继续交换直至lock变成false(在另一个占用临界区的进程里变成false) 这时再交换一下old就会变成false，执行临界区代码

互斥锁

最简单的解决临界区的工具就是互斥锁，acquire()获得锁 release()释放锁 锁里有个布尔变量

• 以上就是自旋锁，比如TSL SWAP 单标志法

• 主要缺点是忙等待，不适用单核处理机，因为忙等的时候不可能获得锁

信号量机制

一对原语，wait(S) signal(S) S表示信号量，简称为P V操作P(S) V(S)

• 分为整形信号量和记录型信号量

1. 对整形信号量的操作，只有三种 初始化 P V
   类似双标志先检查。但他是原语,检查上锁一气呵成,避免异步问题。问题:不满足让权等待
   

2. 记录型信号量 wait原语和整形的不同 解决了让权等待！
   
   这里为什么是≤，因为只有其他资源wait完了才会阻塞，才需要wakeup!!!如果大于零就不需要wakeup了!! 也就是说 阻塞和唤醒 不是必须的操作！！！

• P原语用于分配资源，导致S.value--，直至变成负的说明资源已分配光了，因此自我阻塞。V原语用于释放资源，如果释放后S.value依然≤0，说明还有进程在等待该资源，因此唤醒阻塞队列的其中一个

信号量实现互斥 同步 前驱

互斥：

同步，初始化为0，先P1再P2 还是先P2再P1 都可以保证代码1 代码2 代码4 的顺序

• 总结：在前操作(12)后执行V,在后操作(4)之前执行P

前驱

生产者-消费者问题

类似于读写，满了不能写 空了不能读 “不能”的时候必须等待，另一侧唤醒我！

读写缓冲区，缓冲区是互斥资源，否则会导致第二个资源写的覆盖我写的

死锁

实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后！！！不然会死锁！！！

• V操作顺序无所谓的
• 生产产品和使用产品可以放到临界区，但是会导致临界区执行时间变长，不推荐

多生产者，多消费者问题

也就是多读多写

• 场景 盘子就一个空 父亲放苹果给女儿吃 母亲放橘子给儿子吃

前操作之后V 后操作之前P
对盘子来说前操作是取走水果 后操作是放入水果(初始盘子为1)
对水果来说前操作是放入水果 后操作是取走水果（初始水果0）

• 最终发现不设置mutex也可以....根本原因是盘子容量为1！！！

吸烟者问题

也就是多读一写

• 同样不用设置互斥

个人理解 P相当于加锁、等待xxx V相当于解锁、释放xxx

读者写者问题

要求：可以多个读者同时读 但某时刻只能有一个写，而且有人在写，不可以任何访问(读写)

• 用于防止读的时候发生改变、写的时候发生覆盖！

• 问题在于，P(rw)和count++中间如果发生了进程切换，会出现加锁两次！第一个加的被阻塞
• 解决方法是加mutex
  

潜在问题：读进程优先，如果一直有人在读，写进程就会饿死
解决：添加一个写优先的信号量

哲学家问题

与其他问题不同的是，需要两个资源才可以运行

• 如何预防死锁？

1. 最多允许四个哲学家同时进餐，可以保证至少有一个哲学家可以拿起俩筷子！
2. 奇数先拿左，偶数先拿右

出现的问题：0号拿左拿右 1号无法拿左阻塞，同时他持有mutex，接着切2 2因为没有mutex也被阻塞，尽管左右筷子都空但是还是不让你拿

出现的问题：0号拿左拿右 4号拿左，右边无法拿 如果此时上了3 3就是大怨种，4占着茅坑不拉屎！！！(可以规定只有两边都可以拿，再拿)
虽然是问题 但已经是最好的办法了！！
说白了就是让拿筷子的操作互斥的进行，就算拿筷子拿到一半被阻塞，也没人继续尝试拿筷子

管程

• 每次只允许一个变量访问函数，管程相当于一个class

说白了就是编译器帮你解决怎么互斥，先哪个P再哪个V，我只需要保证

-.- 没听懂，，，，后面再补吧

死锁

上面哲学家问题说过了！！其实就是各个进程都在等待其他资源 不想自己先放

• 死锁指的是各进程都无法推进，饥饿指的是某个进程不能推进，死循环一般是bug
• 饥饿可能处于阻塞(得不到外设)可能处于就绪(得不到CPU) 死锁一定是阻塞

死锁的必要条件 互斥 不剥夺 请求和保持 循环等待

• 只有争抢互斥的资源才会导致死锁，可以同时让多个进程使用的资源不会死锁比如内存
• 资源只能主动释放，不能被抢走
• 请求另一个资源，又不释放当前已有资源
• 循环等待就比如哲学家问题(必要不充分 比如这个资源数量大于1)

处理策略

1. 预防，避免四个必要条件
2. 避免，银行家算法
3. 检测和接触，由操作系统解决

预防死锁

也就是破坏死锁的四个必要条件的某一个/某几个

1. 互斥条件 SPOOLing技术，把互斥的资源改为共享.....NB，对于两个进程来说都在同时访问，只是访问后还需要等罢了，使用比较窄。。
2. 不剥夺条件 请求新资源被拒绝(不可被剥夺) 立即释放当前拥有的所有资源//或者改优先级缺点是实现复杂、反复申请释放增加系统开销，而且释放容易导致前面的工作失效
3. 请求和保持条件 运行前一次性请求完他需要的所有资源！！缺点是资源利用率低 导致饥饿
4. 循环等待条件 规定每个进程必须按编号递增请求，同编号的资源一次申请完 只有已占用小资源才可以申请大资源，所以任何一个时刻总有一个进程拥有最大号的资源，它后面的申请畅通无阻。缺点是不方便新增资源(需要重新编号) 编号顺序不好确定

避免死锁

已知安全状态一定不会死锁，不安全状态可能死锁，所以每次分配资源前判断是否不安全即可

也就是说，只有资源数全部满足才可以开始执行，开始执行才可以执行完，执行完才可以归还
如果分配完了找不到安全序列咋办呢！？？？阻塞等待呗

检测和解除

用一种数据结构保存资源的请求和分配情况，根据这些信息判断是否进入死锁

此时P2的资源被P1占用了，比如P1运行完，会归还所有资源也就是相连的边清空

如果最后可以全部消除，说明是一个安全序列，不会死锁

如果不能消除所有的边 一定是正在死锁

• 解除方式：资源剥夺(挂到外存上 记得拿回来) 撤销进程法(简单粗暴 直接给你终止了) 进程回退法(不太容易实现 需要记录历史信息)

如何决定对谁动手？

• 优先级低的，刚开始运行的，还要很久才能结束的，已经用了很多资源的，批处理的进程

内存

基础知识

内存是为了缓和CPU和硬盘(外存)的速度矛盾，因为CPU处理得很快，硬盘很慢！！

• 一个4G的设备，他就一共有4 * 2^30 = 2^32个存储单元，需要32位二进制数表示内存地址

1. “按字节编址”就是一个存储单元一字节，八位；“按字编址”需要看计算机字长几位就是几位

2. 绝对地址问题，比如程序的指令是向地址20的地方写入一个数，实际上程序最后编译成“装入模块”(也就是exe) 起始地址并不是0，就会导致这个数写入位置错误，他应该写入起始地址+20！！

• 策略1：绝对装入，预先知道起始地址为100，直接让他放在120的地址(只适用没操作系统裸机)

• 策略2：可重定位装入(静态重定位)装入时+100(必须一次分配全部内存空间 运行后不可移动)

• 策略3：动态运行时装入(动态重定位)运行时+100(可动态申请内存 可不连续分配 优点多多 只是需要一个重定位寄存器支持)

3. 从写程序到程序运行
   

4. 三种链接方式，和上面三种策略一样。。。

• 静态链接，把所有模块和所需库函数链接，之后不再拆开
• 装入时动态链接，如果有的模块没用上就不装入，其他用到的就边装入边连接
• 运行时动态链接，程序运行时发现需要哪个模块，才链接他

内存管理

实现内存的分配回收、逻辑上扩充物理地址、地址重定位(装入+100)、内存保护(互不干扰)

• 内存保护的方法：上下限寄存器 / 重定位寄存器(基址)+界地址寄存器(限长)

覆盖与交换

内存空间的扩充：覆盖 交换 虚拟存储(这个是重点)

• 覆盖用于解决物理内存 < 程序大小，思想是把程序分段，常用的常驻内存,不常用的需要时调入内存中分为一个固定区(常驻 调入后结束再调出)、若干个覆盖区(需要调入 不需要调出)

• 交换：内存紧张，把某些进程调到外存(挂起！) 中级调度就是用于决定把哪个挂起的放入内存 一般把磁盘分为文件区和对换区，文件区离散分配(磁盘利用率高)，对换区占小部分，存放被挂起的进程 连续分配，也就是说对换区I/O速度更快点

一般优先换出阻塞进程、优先级低的进程 PCB数据结构会常驻内存，不会被换出！！！

连续分配

单一连续分配

分为系统区 用户区，同一时刻只能有一个程序在用户区！！

• 优点是简单 无外部碎片 可以采用覆盖技术 不一定用内存保护，
• 缺点是只能单用户单任务 有内部碎片(分配给某进程的存储空间没用上！！) 存储空间利用率低

固定分区分配

分为两种，分区大小相等/不等

• 大小不等有灵活性，大小相等适合控制多个相同对象

• 通过一个数据结构记录划分情况、使用情况等
  

• 优点是简单 无外部碎片，缺点是用户程序太大只能用覆盖，会产生内部碎片，内存利用率低

动态分区分配

进程装入内存时，再根据进程大小动态划分分区

• 用空闲分区表/链 记录分区情况
  

• 有多个空闲分区可以满足新来进程的要求，放在哪呢？？动态分区算法！！
  

1. 首次适应：每次都从低地址开始，找到第一个能满足大小要求的空闲分区

2. 最佳适应算法：优先使用更小的空闲分区！也就是按容量递增的次数对分区表排序 每次分配从第一个开始找到最小的能装入的分区(缺点会逐渐产生很多的外部碎片！！！)

3. 最坏适应算法：优先使用更大的空闲分区！！！(缺点是后来的大进程无处安放)

4. 临近适应算法：每次从上次查找结束的位置开始查找(好处是更新后也不用重新排列)，解决了首次适应算法导致的低地址存在很多碎片问题

• 回收后空闲分区需要合并，分配后可能导致分区减少，也可能导致增加

• 没有内部碎片(分配了但没用上)，但是有外部碎片(某些空闲分区太小导致无法利用) 外部碎片可以通过紧凑/拼凑基数利用

分页存储管理

内存空间分为很多大小相等的分区(一个分区叫一个页框!!) 进程的逻辑地址也相等分区，叫页面，页面号、页框号从0开始！！

• 页面不必连续存放到页框内！！！

• 操作系统用页表(存在PCB中)控制

• 一般只用存储块号（页框号）i号页面号的地址就是X + 3 * i(存页框号占3字节 起始地址X)

基本地址变换结构

进程没有上CPU时，页表起始地址F和页表长度M放在PCB，上处理机后，放在页表寄存器(PTR)

• CPU是怎么按照逻辑地址找到下一条指令地址的呢？

1. 根据逻辑地址算出页面号和偏移量
2. 判断页号是否越界(页号从0，长度至少是1，所以页号≥页表长度都越界)
3. 查询页表找到页号对应的页表项！

• 块号(页框号、页表项)也是存在内存中的，只要是内存就被分为页面了，比如存一个块号要三字节，一个页框/页面是4kb，那最后会导致一个页面能存1365个块号，多出1B碎片！！！！
  最后规定一个页表项占4k，放在连续的内存块, 方便查找。。。

快表地址变换结构

快表又称为联想寄存器，是一种访问速度比内存快很多的缓存！！！注意不是内存是缓存！！

• 进程切换快表要被清除！！所以第一次查找肯定不会命中，要先查找内存，并放入快表，下次用

• 为什么快表命中率高？统计学。。。如果一个指令(数据)被执行，不久后很可能再次被执行 某个存储单元附近的存储单元也可能会在不久后被访问

两级页表

单级页表的问题1：存块号需要连续存储，而光要存块号(页框号 页表项)就要很多。。。不合理
单级页表的问题2：进程在某个时间一般只用访问几个特定的页面，没必要整个页表常驻内存！！

1. 刚刚说过，块号也是放在内存中的，假设一个页面4k，存储一个块号需要4B，那一个页面可以存1024个块号，一共有多少块号呢？取决于一共有多少页面，一共有多少页面呢？比如系统4G，一个页面4k,那也就是2^20个页面/块号，

• 2^{20个块号一共需要存在2}10个页面中(也就是1024个 编号0--1023)！！！！！！！

• 所谓二级页表，就是把上述0--1023个页面，也记录在某个页表中，称为页目录表/顶级页表

• 各级页表大小不要超过一个页面，比如上例，一个页面4k，页表大小1024=1k没超过

1G = 1024 M = 2^10 M

1M = 1024 K = 2^10 K

1K = 1024 B = 2^10 B

**1B = 8字节， 1G = 2^30 B **

基本分段存储管理方式

程序自身分段！！段名是程序员规定的！！进程上CPU也分配段表寄存器(包括始址和长度)

• 每个段可以不同长，所以相比于页，需要一个额外的“段长”

• 每个段表项包括段长、基址，比如规定6B用于存放一个段表项，就可以省略段号不存储
  

• 分页完全是系统行为，用户不可见；分段对用户可见，用户需要显式给出段名

段页式管理

虚拟存储

上述的几种 分页分段 固定、动态分区，都无法解决：大进程无法运行、多进程并发度下降

• 虚拟技术其实就是把程序中很快用到的部分装入，暂时用不到的放在外存，执行时发现要用到再从外存调入，建立在离散分配(分页 分段 段页)的基础上！！！！！！

请求分页管理方式

与基本分页存储管理相比，操作系统还需要知道每个页面在内存还是外存，外存的什么位置

• 需要引入缺页中断(内中断)机构，也就是没在内存的时候产生中断，从外存调入，如果没有空闲页了就需要淘汰一个！！！

页面置换算法

上面说的会淘汰，淘汰哪个呢！！这个决定的，追求最少的缺页率。

1. 最佳置换：每次都淘汰之后不会再用/最长时间不用的页面

实际上根本无法实现啊，洒必，操作系统怎么会知道后面用哪个页面。。

2. 先进先出置换：每次都淘汰最先进入的页面(性能差)

会belady异常：给进程分配内存块数增加，缺页次数反而增加...因为先入的块可能频繁调用

3. 最近最久未使用置换LRU：淘汰自上次被访问后历时最久没有再次被访问的

需要特定的硬件支持，开销大

4. 简单时钟置换：淘汰访问位为0的页面(每个页面预留一个访问位)

最多需要两轮扫描，比如第一轮全是1，扫描时会把1置0，0换出

5. 改进型时钟置换：当页面被淘汰后，如果修改位为0就不用重新写入外存，外存肯定有

最多需要四轮扫描，第一轮找没修改、没访问，第二轮找修改、没访问(1置0) 第三次找没修改没访问 第四次找修改、没访问

页面分配策略

1. 驻留集：给进程分配的物理块的集合

• 采用虚拟技术后，驻留集大小一般小于进程总大小，但太小又会导致缺页，所以要适当选择

• 如何选择呢？ 固定分配 可变分配(驻留集大小可不可变) 局部置换 全局置换(可不可随意置换)

• 固定分配局部置换 容易导致分配不合理

• 可变分配全局置换 容易导致进程驻留集减少，缺页率增加

• 可变分配局部置换 一般认为这个比较叼

• 全局置换意味着进程的驻留集一定会改变，所以全局置换一定不是固定分配
  

• 预调页策略：程序员指定，用于进程首次调入

• 抖动就是频繁的调入调出

内存映射文件

简单来说就是操作系统项程序员提供的接口。。。

• 传统的方式是open seek read write...

• 内存映射文件是open mmap close不用read write(自动把修改过的保存到磁盘)了。。！！！

• 内存映射可以让多个进程映射到同一个文件，实现共享文档。。！！！

文件

文件管理

1. 同一目录下不允许有重名文件，标识符不是文件名，只是系统区分各个文件的一串乱码

2. 可以分为流式文件(文本,一些二进制/字符流组成)和记录式文件(xls 由一些相同的记录组成)

3. 目录其实也是一种有结构的特殊文件

4. 外存也是分块的！！！

文件的逻辑结构

文件分为无结构(.txt)、有结构(数据库表)文件，有结构根据每条记录占用存储空间是否相等分为定长记录、可变长记录

• 逻辑结构把有结构分为顺序(顺序存储或链式存储、可以按关键字存也可以不按、可以定长也可以不定)、索引、索引顺序

是否可以随机存取？？

我非要用可变长记录，就不能随机存取了吗？不是的，用索引表(定长记录的顺序文件)记录

• 用索引表跟页表一样，好占地方，咋办呢，，索引顺序文件，类似于二级页表的思想。。SB 实际上占用了更大的物理空间，但是可以拓展到更大的虚拟空间，，也就是通过增加io次数，，2B

文件目录

1. 目录也是一种特殊的文件，每个文件都对应一个文件控制块(FCB)

• 索引节点是一种对FCB的改进
  

2. 最开始是单级目录结构，缺点是不允许重名！！

3. 两级目录结构：主文件目录MFD和用户文件目录UFD，可以重名了 还可以添加访问控制！！
   

4. 多级目录结构，又叫树形目录结构，是最常用的(不便实现文件共享)

从根目录出发的路径叫绝对路径！

5. 无环图目录结构

也就是不同的目录可以指向同一个文件！！

• 删除时比较麻烦，可以设置一个共享计数器，这个删了另一个还能看

文件的物理结构

探讨文件的数据要怎么存在外存里！！！

1. 连续分配，就是一个文件的所有块都连续存放在物理地址中

• 需要知道起始块号和长度，支持顺序访问(找2要先01)和直接访问

• 访问磁盘需要移动磁头，两个块离太远访问就太慢，所以连续分配很快

• 缺点是，如果分配着发现不够了，就要整体迁移，很浪费时间的，而且也不能充分利用磁盘空间(全是零散的块无法利用)

2. 连接分配，分为显式连接(指针存放在一张表中)、隐式连接

• 除了最后一块 其他块都会保存一个指向下一块的指针，只能顺序访问

• 显式链接只需在FCB中记录起始块号，隐式链接还要记录结尾块号

• 显式链接需要的表FAT开机时读入内存并常驻，而且可以随机\顺序访问

• 显式链接比隐式链接快，因为FAT常驻内存不用访问磁盘！！！

3. 索引分配，为每个文件建立一个索引表，记录文件每一块对应的物理块！！

• 支持随机访问，易于拓展，但是占用空间！！！！！！

• 索引表也需要存储，如果一个索引表太大，就要采取措施:连接方案(多个索引块链接，但如果要访问最后的一块，就要一级一级读索引，读到索引才可以找，很慢)、多层索引(类似于多级页表，第一层索引指向第二层索引)、混合索引(顶级索引表包含直接地址、一级、二级等)
  

一次完整的文件操作

• 链式存储和连接分配没有直接关系！！！！！

文件存储空间管理

探讨对空闲部分如何分配

1. 空闲表法(记录空闲起始块和总块数)，适合连续分配，可采用首次适应、最佳适应、最坏适应等
   

2. 空闲链表法
   

3. 位示图法

• 也就是用一串二进制数表示，每一位表示每一块是否空闲，

4. 成组链接法

• 目录区中开辟一块内存叫超级块！

文件的基本操作

1. 创建，create系统调用，需要提供外存空间、路径、文件名

• 找到空闲空间、找到路径信息目录

2. 删除，delete系统调用，需要提供路径、文件名

• 找到路径，找到外存位置，回收磁盘块、从目录表中删除该目录项

3. 打开，open系统调用，需要提供路径、文件名、权限控制信息(读写)

• 找到路径、目录复制到“打开文件表(被多个进程打开，会有一个计数项)”
• 如果俩进程同时打开，一个进程想删除就会提示：该文件正在被使用

4. 读文件, read系统调用，需要提供哪个文件(打开文件表的索引号)、读入多少数据(几KB)、读入的数据放在内存的哪里
5. 写文件，write系统调用，需要提供哪个文件、多少内存、数据在内存哪

文件共享

硬链接(索引节点)、软链接(符号链)

1. 索引节点上面写了
2. 软链接：类似于windows的快捷方式。。。是一种特殊格式的文件link类型，打开它时，系统判断他是这个类型就直接跳转到他指向的文件

文件保护

1. 口令保护，为文件设置一个口令(通常在FCB或索引节点里)

• 优点是开销小，缺点是口令存在系统内部不安全啊·！！

2. 加密保护，访问文件时需要根据某密码，对数据解密

• Eg, 异或加密，优点是保密性强，缺点是花费时间
  

3. 访问控制，在每个FCB中增加一个访问控制表
   

• 对每个用户来说太多记录了，精简一下按照组，比如windows的用户组、管理员组、其他成员等
  

文件系统层次结构

• 举例：我现在要删除D:/1.xls的前一百条记录

1. 打开文件，open系统调用，(用户接口)
2. 操作系统找到目录项(文件目录系统)
3. 看看让不让打开，让不让访问(存取控制模块)
4. 把用户提供的要删除的记录号，转变为逻辑地址(逻辑文件系统与文件信息缓冲区)
5. 逻辑地址转换为物理地址(物理文件系统)
6. 删除物理地址上的数据，(设备管理模块) 回收空闲磁盘(辅助分配模块)

文件系统的全局结构

1. 初始磁盘，先物理格式化，就是把磁盘划分为扇区，并检测有无坏扇区，有的话就要用备用扇区顶替他
   

2. 逻辑格式化，进行分卷(C D E盘)

3. 用户打开文件表存在PCB中
   

虚拟文件系统

普通文件系统，比如有磁盘，U盘，移动硬盘，打开文件的用户接口都不一样，虚拟文件系统就用于统一这些接口！！

• 实际上 是VFS强制要求文件系统实现它的规定格式，不然不让你参与我这个操作系统，，，，666

• 文件系统挂载，，说白了就是吧u盘插电脑上这种，挂载后在vfs中注册挂载表，新来的文件系统需要向vfs提供函数地址(open write..)列表，挂载点指的是挂在哪个父目录下！！

设备管理

I/0设备

UNIX系统把外部设备抽象为一种文件，所以也就是read write做IO

I/0控制器

• 分为机械部件(LED屏 鼠标键盘)和电子部件(插入主板的一块印刷电路板)

• CPU通过控制电子部件，间接控制机械部件！！这个电子部件就叫IO控制器

• 电子部件(IO控制器)作用: 识别CPU命令、向CPU报告设备状态、数据交换、地址识别

I/O控制方式

1. 程序直接控制

• 比如说CPU下发命令让你读，IO控制器中把设备状态寄存器设为1，设备比CPU慢，导致CPU一直轮询检查直至空闲，再读数据寄存器的值
• 优点是实现简单，缺点是CPU轮循一直占用资源

2. 中断驱动方式

• 其实就是IO完成后通过发送中断信号，避免CPU一直轮询，CPU收到中断信号后再切过来处理
• 优点是优化了轮循不断等待这个问题，缺点是频繁中断消耗资源

3. DMA(直接存储器存取)方式

• 上面两个，实际上数据都是一个字一个字地IO设备 <-> CPU <-> 内存这样流向，为了简化，也就是不经过CPU，
• 咋办呢？数据用块做传送单位，只有每块开始/结束才需要用中断找CPU传送，，说白了还是要CPU，萨比
• 优点就是传输效率更高了，缺点就是只能读写连续块，不能离散的

4. 通道控制方式

• 通道是一种硬件，弱化版的CPU，可以识别并执行一系列通道指令
• 优点就是资源利用率更高，缺点就是需要硬件、实现复杂
  

IO软件层次结构

• 各种IO控制器，内部实现肯定也不同，所以就需要驱动程序！！！！！

从上到下依次是：printf、系统调用、设备驱动(独立进程)、中断处理

IO接口和驱动程序接口

• get/put read/write socket套接字
• 阻塞IO指的是，发出系统调用请求后进程要阻塞等待!例如scanf
• 非阻塞IO指的是发出系统调用后可以迅速返回，不用等待，比如write

假脱机(SPOOLing)技术

假脱机技术就是用软件实现脱机技术！！

• 所谓脱机技术，看第一章最开始《批处理阶段》
• 实现方式：输入井/输出井 输入进程/输出进程，比如共享打印机，，，

设备的分配与回收

• 安全分配/不安全分配，分配一个设备后就阻塞，直至IO完成才唤醒进程就叫安全分配，不阻塞就叫不安全
• 静态分配和动态分配，运行前一次性分配所有资源叫静态！！

缓冲区管理

可以用硬件寄存器(联想寄存器 上面有) 或者内存做缓冲区

• 作用是解决CPU和IO的速度矛盾(CPU一下充满就去干别的了，IO慢慢读) 减少CPU中断次数 提高cpu和IO的并行性
• 缓冲区非空，不可写只可读，缓冲区为空，可写且必须写满之后才可读
• 单缓冲、双缓冲...其实就是几个缓冲区的意思！！循环缓冲区指
  
• 缓冲池，就是放了很多缓冲区的池子，
  

磁盘的结构

磁盘原来真的是磁性物质组成，，用这些物质记录二进制数据，，，NB

磁盘调度算法

磁盘一次读写: 启动磁头臂、移动磁头到磁道、磁头转到数据处、读写数据(主要是转磁头到指定位置)，能优化的部分只有移动磁头到磁道这部分！

• 先来先服务的话，优点是简单，缺点是磁道分散的情况下性能极差
  
• 最短寻找时间优先的话，相当于贪心算法，缺点是可能会饥饿！！
  
• 扫描算法：只有移动到最内才可以向外，只有移动到最外才可以向内·
  
• LOOK算法，边移动边观察，移动到最后发现这边没有请求了立即掉头
  
• 循环扫描算法，响应频率更平均，，，但是没什么软用我感觉，，
  
• C-LOOK算法，优化循环扫描，因为循环扫描又叫C-SCAN，，，杀软

减少磁盘延迟方法(旋转的方法)

• 现在读取2号，下一个要读取3，但是转到3的时候2还没处理完就错过了
  
• 读取连续编号扇区时，采用柱面、盘面、扇区更高效(相比盘柱扇)
  解决方式：交替编号，就是让2 3不相邻；错位命名(读连续地址的扇区时)

磁盘的管理

1. 扇区由头 数据区 尾组成，像校验码、链接等一般放在头尾不影响数据
2. 初始化程序放在ROM中(出厂时写入后面无法修改) 现在是在ROM中方很小的初始装入程序，这个程序找到C盘的自举程序(初始化程序)，正因为他在C所以C才是系统盘！！！

固态硬盘SSD

• 固态硬盘是基于闪存技术，机械硬盘是基于磁性物质(闪存芯片就是上图黑黑的那个小块)
  

• 块 = 磁道 页 = 扇区

• SSD优点是无噪音，能耗低，读写快，耐摔！！随机访问性能高，缺点是一个块被擦除次数过多可能会损坏，而且造价贵