计算机操作系统 - 概述.md
计算机操作系统 - 概述
基本特征
1. 并发
并发是指宏观上在一段时间内能同时运行多个程序,而并行则指同一时刻能运行多个指令。
并行需要硬件支持,如多流水线、多核处理器或者分布式计算系统。
操作系统通过引入进程和线程,使得程序能够并发运行。
2. 共享
共享是指系统中的资源可以被多个并发进程共同使用。
有两种共享方式:互斥共享和同时共享。
互斥共享的资源称为临界资源,例如打印机等,在同一时刻只允许一个进程访问,需要用同步机制来实现互斥访问。
3. 虚拟
虚拟技术把一个物理实体转换为多个逻辑实体。
主要有两种虚拟技术:时(时间)分复用技术和空(空间)分复用技术。
多个进程能在同一个处理器上并发执行使用了时分复用技术,让每个进程轮流占用处理器,每次只执行一小个时间片并快速切换。
虚拟内存使用了空分复用技术,它将物理内存抽象为地址空间,每个进程都有各自的地址空间。地址空间的页被映射到物理内存,地址空间的页并不需要全部在物理内存中,当使用到一个没有在物理内存的页时,执行页面置换算法,将该页置换到内存中。
4. 异步
异步指进程不是一次性执行完毕,而是走走停停,以不可知的速度向前推进。
基本功能
1. 进程管理
进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。
2. 内存管理
内存分配、地址映射、内存保护与共享、虚拟内存等。
3. 文件管理
文件存储空间的管理、目录管理、文件读写管理和保护等。
4. 设备管理
完成用户的 I/O 请求,方便用户使用各种设备,并提高设备的利用率。
主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理、虛拟设备等。
系统调用
如果一个进程在用户态需要使用内核态的功能,就进行系统调用从而陷入内核,由操作系统代为完成。
Linux 的系统调用主要有以下这些:
Task | Commands |
---|---|
进程控制 | fork(); exit(); wait(); |
进程通信 | pipe(); shmget(); mmap(); |
文件操作 | open(); read(); write(); |
设备操作 | ioctl(); read(); write(); |
信息维护 | getpid(); alarm(); sleep(); |
安全 | chmod(); umask(); chown(); |
宏内核和微内核
1. 宏内核
宏内核是将操作系统功能作为一个紧密结合的整体放到内核。
由于各模块共享信息,因此有很高的性能。
2. 微内核
由于操作系统不断复杂,因此将一部分操作系统功能移出内核,从而降低内核的复杂性。移出的部分根据分层的原则划分成若干服务,相互独立。
在微内核结构下,操作系统被划分成小的、定义良好的模块,只有微内核这一个模块运行在内核态,其余模块运行在用户态。
因为需要频繁地在用户态和核心态之间进行切换,所以会有一定的性能损失。
中断分类
1. 外中断
由 CPU 执行指令以外的事件引起,如 I/O 完成中断,表示设备输入/输出处理已经完成,处理器能够发送下一个输入/输出请求。此外还有时钟中断、控制台中断等。
2. 异常
由 CPU 执行指令的内部事件引起,如非法操作码、地址越界、算术溢出等。
3. 陷入
在用户程序中使用系统调用。