由浅到深的操作系统学习

初识操作系统

Linux 源码

https://elixir.bootlin.com/linux/v6.0.6/source/Documentation

操作系统和计算机组成原理的基础讲解

https://www.cnblogs.com/cxuanBlog/p/12376364.html

操作系统的学习框架路线

https://www.cnblogs.com/cxuanBlog/p/13320810.html

操作系统发展史

串行处理、简单批处理系统、多道程序批处理系统、多到程序设计的实现、分时系统

操作系统体系结构

简单结构，层次化结构，微内核结构，模块结构，虚拟机

当今世界上最流行的操作系统时Windows操作系统和苹果操作系统，因为具有良好的生态，UNIX操作系统以网络为核心，安装在服务器上。Linux原名GNULinux免费且开源的多用户的安全的操作系统Redhat，ubuntu，Fedora，Debian等都是以Linux改版完善来的。

操作系统就是为了屏蔽底层硬件，为用户提供一套统一，简单的可以通过对应的指令控制底层的硬件的软件。

一般使用的基于图形界面的操作系统叫做GUI图形用户接口，而基于文本，命令行的就是shell

操作系统运行具有两种模式：用户态模式和内核态模式

底层硬件

CPU，多线程和多核芯片，内存，IO设备，总线

内存架构

处理器执行一条机器指令的过程可以称之为指令循环

指令循环是从取指令循环、解码阶段、执行阶段再次返回到取指令阶段

操作系统的异常

中断，IO设备发生改变，发出的信号触发，异步，总是返回到下一条指令继续执行

陷阱，由程序主动发起的异常，同步，总是返回下一条执行继续执行

故障，由正在执行的指令产生的各种错误引发，有可能是可恢复的，也可能是不可恢复的，同步，可能返回当前指令重新执行，也可能终止当前程序

致命故障，硬件错误引发的不可恢复的错误，同步，终止当前的程序

操作系统模式切换

操作系统分为用户模式和内核模式（特权模式）

比如windows系统默认Ring0是内核模式，Ring1是用户模式

区分两种模式的原因就是保护系统资源，避免越权访问，提高系统安全性

进程

操作系统中最重要的就是进程英文process，进程是对正在运行中程序的一个抽象。CPU正在执行的一个任务，是系统进行资源分配和调度的基本单位

进程的执行就是CPU 会在各个进程之间进行来回切换。

进程的结构

进程 = 用户程序 + 用户数据 + 系统栈 + PCB + 共享区域

进程的创建

1、为新进程分配一个唯一的PID
2、给进程的各组成部分分配地址空间
3、初始化PCB
4、设置正确的连接
5、创建和扩展其他的数据结构

进程控制

1、获取进程ID和父ID

2、创建和终止进程，一个进程创建一个子进程的系统调用是fork()，其特点是调用一次，返回两次，在父进程中返回子进程的ID，在子进程中返回0，终止系统调用的命令是exit()，父子进程拥有不同的PID，地址空间隔离，但是文件资源共享

3、装载运行程序，execve()是调用一次从不返回

进程的切换

进程的切换是操作系统打断一个正在运行的进程，将处理区分配给另一个进程，让其拥有处理器资源并且开始继续执行的状态转换

当处理器执行程序的用户程序部分时，处于用户模式
处理器执行进程的内核程序或者访问内核资源的时候，处于内核模式
当用户程序调用内核提供的服务时，处理器发生用户模式到内核模式的切换
当内核服务完成，返回用户程序的时候，处理器发生内核模式到用户模式的切换

进程的切换伴随着控制流的切换，内存的切换，操作系统模式的切换

进程上下文进行切换的好处

1、保护资源，避免越权访问，提高系统安全性

2、内核程序和用户程序封装在进程上下文中，只需要进行模式的切换，不需要进行进程的切换，减少了系统开销

3、内核程序在内核模式下运行，可以直接访问用户程序和数据，减少了用户程序和内核程序之间的数据传递，提高了进程执行效率

进程的退出

1、根据退出的ID号，在主进程表中找到对应的PCB
2、将退出释放的资源归还给父进程和操作系统
3、若该进程具有子进程，就先退出它的所有子进程，防止子进程脱离控制
4、将进程出队，释放PCB

进程控制块PCB

PCB = 进程标识信息（PID，PPID，UID） + 处理区状态信息（寄存器和栈指针） + 进程控制信息（资源调度，存储，通信）

进程的状态

新建，就绪，运行，阻塞，退出

七模型状态

当一个进程被交换到磁盘中时，就处于挂起的状态。组合之后就出现了四种可能的状态，就绪态，阻塞态，阻塞挂起，就绪挂起

异常分类

中断，陷阱，故障，致命故障

进程切换的时机：异常发生时候

过程调用和系统调用

1、过程调用是为了模块化程序设计的需要，系统调用是用户程序使用计算机资源和服务的一种方式

2、过程调用是通过指令跳转实现的，系统调用是通过异常陷阱实现的

3、过程的调用始终在一种模式下进行的，不会发生进程的切换和进程状态的切换，系统调用是会引起进程的切换和状态的切换

4、一个进程调用一个过程的时候，始终在用户模式下的，在用户进程调用一个系统调用的话，就会发生模式的切换以及在系统调用返回的时候，会再次进行模式的切换

进程的调度

调度目标分为

面向用户的目标，具有周转时间，响应时间，最后期限，可预测性

面向系统的目标，具有并发度，吞吐率，CPU利用率，公平性，资源平衡

进程调度

长程调度，目标是并发度，决定一个进程是否被允许进入到计算机系统中进行处理，一旦进入，就将该进程添加到短程调度的队列中等待调度

中程调度，和进程的内存管理相关

短程调度（分派程序），精确的决定下一次执行哪一个进程，执行频率最高

短程调度策略

周转时间T = 等待时间w + 服务时间s = 完成时间 - 到达时间

【带权周转时间】归一周转时间T/s = 周转时间 T / 服务时间 s

线程

线程是环境和资源的抽象，是程序执行流的抽象，是操作系统能够进行运算调度的最小单位，包含在进程中，是进程中的实际运作单位

线程的结构 = 线程控制块 + 线程执行栈 + 线程局部存储

线程的实现方式分为两大类即是用户级线程和内核级线程

使用范围

1.服务器中的文件管理或通信控制

2.前后台处理

3.异步处理

进程的并发和死锁

信号量Semaphore和P、V操作

• P(s)操作，将信号量的是s.count--，如果s.count < 0，则操作系统就把系统调用P(s)的进程置为阻塞态，将其加入到s.queue中，如果s.count >= 0，则P(s)直接退出

• V(s)操作，s.count++，如果s.count <= 0，就在s.queue中选择并移出一个进程，将他从阻塞态变为就绪态，并加入就绪队列中，然后退出。如果 s.count > 0，则V(s)直接退出

死锁

DeadLock是系统中多个进程并发执行时，由于资源占有和请求引起的一种进程永远被阻塞的状态的现象，就是进程之间持有自己的资源不愿放手，又要请求其他进程的资源满足自己的需要，造成的一种无解的，互相一直僵持的状态。

哲学家就餐问题就是一个典型的死锁问题，5 个哲学家，2把叉子，6个资源就会保证发生死锁

同类资源个数m，n个进程互斥使用，每个进程对于该类资源的最大需求量是k，为了保证在任何调度情况下都不会发生死锁的条件 n * ( k - 1) + 1 <= m

资源分配图刻画进程和资源关系

死锁发生的条件，互斥 + 占有且等待 + 不可抢占 + 循环等待，这四个条件组合在一起，同时发生就会造成死锁

死锁的处理

• 死锁的预防，预分配，顺序分配方法

• 死锁的避免，银行家算法，每种资源的总量Resource，剩余每种资源的总量Available，进程最大资源需求矩阵Claim，资源分配矩阵Allocate，每个进程还需要请求的资源矩阵 Need = Claim - Allocate

• 死锁的检测，银行家算法，一旦剩余资无法满足任何一个进程资源的需求就报出出现死锁

死锁的恢复

取消全部死锁的进程，将每一个死锁进程回滚到检查点，连续取消死锁进程，连续抢占资源，直到不再存在死锁

内存

内存管理的四大基本需求，重定向，共享，保护，存储器扩充

虚拟内存

虚拟内存是对进程结构进行内存管理的一个中间数据结构

虚拟内存是一个由连续字节存储单元构成的数组，而虚拟地址空间是虚拟内存中每一个字节的虚拟地址集合