操作系统章节笔记

🌲操作系统章节复习

🌟 第一章基础知识

1. OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口。OS处于用户和计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。用户可以通过以下三种方式使用计算机：命令行；系统调用；图形化
2. OS的定义：操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合
3. 关于操作系统的比喻：魔术师，提供干净、易于使用的物理资源抽象，应用程序的“机器”是由操作系统提供的进程抽象，每个正在运行的程序都在它自己的进程中运行，进程提供了比原始硬件更好的接口。裁判，管理保护、隔离和资源共享，操作系统相互隔离各个过程，操作系统将自己与其他过程隔离开来，即使它们实际上是运行在相同的硬件上！胶水，常见的服务：存储，窗口系统，网络，共享和授权，外观和感觉
4. 进程：进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。进程是程序的一次执行，进程是一个程序及数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。进程=地址空间+线程+与之关联的其他系统状态
5. 操作系统的发展过程：无操作系统的计算机系统、单道批处理系统、多道批处理系统、分时系统、实时系统。多道批处理系统是操作系统成熟的标志。
6. 分时系统的特征：多路性、独占性、及时性、交互性
7. 操作系统的基本特征：并发性、共享性、虚拟性、异步性
8. 共享：系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用，相应地把这种资源共同使用称为资源共享或称为资源复用。
9. 临界资源：在一段时间内只允许一个进程访问的资源
10. 并发和共享是操作系统的两个最基本特征，他们又是互为存在的条件。
11. 虚拟技术：操作系统中所谓的虚拟，是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实的，即实际存在的，后者是虚的，是用户感觉上的东西。用于实现虚拟的技术称为虚拟技术。
12. 操作系统的主要功能：（1）处理机管理功能：进程控制、进程同步、进程通信、调度（2）存储器管理功能：对内存进行分配、保护和扩充、地址映射 （3）设备管理功能：缓冲管理、设备分配、设备处理 （4）文件管理功能：文件存储空间的管理、目录管理、文件的读写管理和保护 （5）操作系统与用户之间的接口：用户接口和程序接口

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🌟 第二章 进程、线程与文件系统

2.1 四个操作系统基本概念

1. 线程：单个唯一执行上下文（PC寄存器、数据寄存器、执行标志、堆栈、内存状态）。当线程驻留在处理器寄存器中时，它是在处理器上执行的。当状态未被加载到处理器时，线程被挂起（不执行） ，处理器状态指向其他线程，程序计数器不指向此线程的下一个指令。线程是虚拟内核，时分复用，线程在真正的物理核心，或保存在内存块中（线程控制块TCB），TCB在线程不运行时保留寄存器的内容，TCB现在存储在内核
2. 地址空间：程序可访问的一组内存地址（用于读取或写入）保护操作系统免受程序攻击：base&bound，重定位，地址空间转换，分页虚拟地址空间
3. 进程：运行程序的实例（受保护的地址空间+一个或多个线程）权利受限的执行环境，具有一个或者多个线程，拥有内存、文件描述符、套接字，封装一个或多个线程共享过程资源，提供内存保护。线程封装并发，地址空间封装保护，并行性
4. 双模式操作保护：只有系统才有能力访问某些资源 内核态/用户态 管态/目态。用户内核模式转换：系统调用fopen、中断（硬件触发，如时钟中断、键盘操作）、陷入或异常
5. code：代码段，程序的可执行指令，编译后的二进制代码 static data：数据段，已初始化的全局变量和静态变量（如 int global_var = 42;）未初始化的全局/静态变量（BSS段，默认值为0，如 static int uninit_var;） heap：堆，通过malloc或者new等动态分配的内存，如运行时创建的数组、对象、数据结构 stack：栈，函数调用的上下文，局部变量、函数参数、返回地址等

2.2 并发进程与线程

1. 并发：多处理器：多个CPU（核心），多道：多个作业/进程，多线程：多个线程/进程
2. 并发性是同时处理多件事情，并行是同时做多件事情
3. 进程管理API：exit终止进程 fork复制当前进程 exec更改当前进程运行的程序 wait等待进程完成 kill向其他进程发送信号（中断式通知） sigaction为信号设置处理程序
4. 基础代码：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
  /* get current processes PID */
  pid_t pid = getpid();
  printf("My pid: %d\n", pid);

  exit(0);
}

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
  pid_t cpid, mypid;
  pid_t pid = getpid();            /* get current processes PID */
  printf("Parent pid: %d\n", pid);
  cpid = fork();
  if (cpid > 0) {		     /* Parent Process */
    mypid = getpid();
    printf("[%d] parent of [%d]\n", mypid, cpid);
  } else if (cpid == 0) {	     /* Child Process */
    mypid = getpid();
    printf("[%d] child\n", mypid);
  } else {
    perror("Fork failed");
  }
}

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void signal_callback_handler(int signum) {
  printf(“Caught signal!\n”);
  exit(1);
}
int main() {
  struct sigaction sa;
  sa.sa_flags = 0;
  sigemptyset(&sa.sa_mask);
  sa.sa_handler = signal_callback_handler;
  sigaction(SIGINT, &sa, NULL);
  while (1) {}
}

5. 线程掩盖了I/O延迟。

6. 线程的三种状态：运行、就绪、阻塞

7. 多线程程序：运行可执行程序将创建执行该程序的进程，最初新进程在自己的地址空间中只有一个线程。生成多线程程序的方法：调用pthread_create()创建新线程，指定线程函数和参数，使用pthread_join()等待线程结束，编译时需链接-lpthread库。

8. pthread 是一套标准化的C语言线程操作函数库（如 pthread_create, pthread_join），允许程序在单进程内并发执行多个任务，共享进程资源但拥有独立执行流。

9. pthread常用函数包括：

   1. pthread_create() - 创建新线程，需指定线程函数和参数；
   2. pthread_join() - 阻塞等待线程结束并回收资源；
   3. pthread_exit() - 线程主动退出，可返回结果；
   4. pthread_self() - 获取当前线程ID；
   5. 同步控制函数：
      • pthread_mutex_init()/lock()/unlock() - 互斥锁保护共享数据；
      • pthread_cond_wait()/signal() - 条件变量实现线程间通信；
   6. pthread_detach() - 设置线程为分离状态，终止后自动回收资源。

   注：使用时需链接-lpthread库，并注意同步避免竞争条件。

10. 竞争与锁：线程之间的协调，通常涉及共享数据。临界区：访问临界资源的代码，一个线程的临界区必须一次执行完，不能中断。

11. 线程竞争（Race Condition）是指多个线程同时访问和修改同一共享资源时，由于执行顺序的不确定性导致程序结果出现错误或不可预测的行为。例如，两个线程同时对一个变量进行自增操作时，可能因线程切换导致部分修改丢失，最终结果不符合预期。锁（如互斥锁pthread_mutex_t）是解决竞争的核心机制：它在共享资源被访问前加锁（确保同一时间仅一个线程能操作），操作完成后解锁（允许其他线程访问）。锁强制将并发操作转为串行，保证数据一致性，但过度使用可能降低性能。简单来说，竞争是“乱抢资源引发的混乱”，锁则是“排队使用资源的规则”。

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,			     const pthread_mutexattr_t *attr)

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);  

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

2.3 文件与I/O

1. 对于文件的抽象：在UNIX系统中，“万物皆文件” 是其核心设计哲学，此处的“文件”是一个高度抽象的概念，它远不止于磁盘上存储数据的普通文件。本质上，一切可以被读写操作（read/write）的资源都被抽象成了文件，并通过统一的文件描述符（File Descriptor） 接口进行访问。这包括：存储数据的普通文件（-）、提供进程间通信的管道（pipe, |） 和套接字（socket）、代表硬件设备的设备文件（如/dev/sda，分字符c和块设备b）、以及映射进内存的虚拟文件（如/proc目录下的文件，它们实际上是内核数据结构接口）。因此，无论是操作硬盘数据、键盘输入、屏幕输出，还是进行网络通信，在UNIX看来，都只是在用open、read、write、close等相同的系统调用对不同的“文件”进行读写，这种极致抽象极大地简化了系统的设计和应用开发。
2. POSIX I/O：POSIX I/O 是POSIX标准定义的一组文件输入/输出（Input/Output）系统调用，提供跨UNIX/Linux系统的统一文件操作接口。使用前open，面向字节，显式close
3. 文件的缓冲机制：操作系统的文件缓冲机制 是一种提升I/O效率的核心技术，其核心思想是在高速的内存（RAM）中开辟一块区域作为缓冲区，作为慢速的外设（如硬盘）与高速的CPU之间的数据中转站。当进程写入数据时，并不直接写入磁盘，而是先复制到内存缓冲区，由操作系统在后台选择合适的时机（如缓冲区满或定期刷写）再统一写入磁盘，这能将多次零散的小写操作合并为一次大的顺序写操作，极大减少了耗时的磁盘访问次数；读取数据时，操作系统也会预读更多数据到缓冲区，使得后续的读取请求可以直接从内存获取，避免了真实的磁盘寻道。这种机制以少量的内存空间为代价，通过批处理和预读策略，有效地掩盖了I/O速度的不匹配问题，显著提升了系统整体性能，但代价是可能带来数据延迟写入的风险（如突然断电可能导致数据丢失）。
4. 共享文件描述符是指多个进程（如父子进程通过fork()继承）或线程持有指向同一个内核文件表项的描述符编号，这意味着它们不仅共享对底层文件（如普通文件、套接字或管道）的访问权限，更重要的是共享文件的内部状态，尤其是当前读写偏移量。例如，若进程A通过lseek移动了文件指针，进程B接下来的读操作会从新的位置开始；同理，若两个进程同时写入一个共享描述符指向的文件，它们的输出数据会按写入顺序正确拼接，而不会相互覆盖。这种机制是实现进程间顺序协作通信（如管道）的基础，但也要求使用者注意并发操作的同步问题。

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🌟 第三章 进程管理与进程调度

1. 进程控制块（PCB） 是操作系统内核中为每个进程创建的一个核心数据结构，它如同进程的“身份证”和“档案袋”，完整地记录了进程的所有关键信息。当进程被创建时，内核就为其分配一个PCB；当进程被调度执行时，CPU的上下文（如寄存器值）被存入其PCB；当进程被切换下CPU时，其运行状态又从PCB中恢复。PCB中主要包含进程标识信息（如PID）、处理器状态（如寄存器、程序计数器）、进程控制信息（如状态、优先级） 以及资源清单（如打开的文件、内存分配）。因此，PCB是操作系统感知、管理和控制进程的唯一实体，是进程调度的直接依据。
2. 三状态模型（运行、就绪、阻塞）—（+new +terminated）—-> 五状态模型 —-（+suspend）—>七状态模型。

3. 操作系统的上下文切换-调度循环是内核在多进程间实现并发执行的核心机制。其本质是一个“保存-切换-恢复”的循环：当定时中断发生或运行中进程主动放弃CPU时，调度器会首先将当前进程的执行现场（包括程序计数器、寄存器等上下文）保存到其进程控制块（PCB，在内存中）中，并将其状态置为就绪或阻塞；随后，调度算法从就绪队列中选择一个最应运行的进程，并将其PCB中保存的上下文重新加载到CPU寄存器中；最后，CPU开始执行新进程。这个过程循环往复，通过快速轮转，在用户看来便形成了多个进程“同时”运行的假象。整个循环完全由内核在背后驱动，对进程透明，是实现多任务并发的基石。

4. 开销：（1）只有一个CPU核心，非并行 切换开销: 同进程: 低 不同进程: 高 数据保护 同进程: 低 不同进程: 高 共享数据开销 同进程: 低 不同进程: 高 。（2）多个CPU核心，并行 切换开销: 同进程: 低 不同进程: 高 数据保护 同进程: 低 不同进程: 高 共享数据开销 同进程: 低 不同进程同核心：中 不同进程不同核心: 高 （cache)

5. 内部事件源于当前正在CPU上执行的进程自身的动作，而外部事件则源于与该进程无关的系统活动。内部事件：系统调用如fopen、发生异常、主动让出CPU。外部事件：时钟中断、I/O中断。

6. 进程调度主要是队列操作，调度算法从就绪队列中选取线程。

7. CPU进程调度：通过多道程序设计得到CPU的最高利用率。CPU调度决策可能发生在：进程从运行切换到等待，进程从运行切换到就绪，进程从等待切换到就绪，进程终止。14非抢占，23抢占。调度延时：调度程序终止一个进程的运行并并启动另一个进程运行所花的时间

8. 调度算法优化准则：最大的CPU利用率，最大的吞吐量，最短的周转时间，最短的等待时间，最短的响应时间。

9. 调度算法：先来先服务FCFS、短作业优先SJF、最短剩余时间优先（指数平均数）、轮转法、优先级调度、多级队列、多级反馈队列、最早截止时间优先、比例分享调度、可移植操作系统接口（POSIX）实时调度

10. 操作系统调度算法详解

调度算法	核心思想	调度依据	优点	缺点	适用场景
先来先服务 (FCFS)	像排队一样，先到的进程先接受服务。	进程到达就绪队列的时间。	简单、公平、实现简单。	** convoy效应 **：短进程可能因等待长进程而耗时很久；平均等待时间较长。	早期批处理系统；现已很少作为主要算法。
短作业优先 (SJF)	优先运行预计执行时间最短的进程，以使平均等待时间最小。	进程的（预估）下一个CPU执行区间长度。	理论上的最优平均等待时间（针对非抢占式）。	可能导致长进程饥饿；需要预知未来（执行时间难以准确预估）。	理论模型；适用于能较准确估计运行时间的批作业。
最短剩余时间优先 (SRTN)	SJF的抢占式版本。当新进程就绪时，会与当前进程的剩余时间比较，运行剩余时间最短的。	进程的剩余执行时间。	比SJF有更优的平均周转时间。	实现复杂；需要预知总执行时间；可能造成长进程饥饿。	理论价值高，实际因“预知时间”问题而较少使用。
轮转法 (RR)	为每个进程分配一个固定的时间片，时间片用完则强行切换，进程回到就绪队列末尾。	时间片是否用完。	公平性强，响应时间有保障，适用于分时系统。	时间片设置关键：太长退化为FCFS；太短切换开销过大。平均等待时间较长。	交互式系统的经典算法（如Unix/Linux的默认调度）。
优先级调度	每个进程拥有一个优先级，调度器总是选择优先级最高的进程运行。	进程的优先级（静态或动态）。	能区分任务紧急程度，灵活。	可能导致低优先级进程饥饿；静态优先级不够灵活。	广泛用于各种系统，常与其他算法（如RR）结合使用。
多级队列 (MQ)	将就绪队列划分为多个独立队列，每个队列可拥有自己的调度算法（如系统进程用RR，交互进程用高优先级）。	进程的类型（系统、交互、批处理等）。	根据进程类型区别对待，策略灵活。	队列间调度不灵活（可能存在队列饥饿）；需要预先分类。	用于对任务类型有清晰划分的系统。
多级反馈队列 (MLFQ)	MQ的改进版，是实际系统中最常用的算法之一。允许进程在队列间移动（如未在时间片内完成则降低优先级）。	进程已执行的时间和历史行为。	结合了RR和优先级调度的优点：短作业优先完成，交互式任务响应快，长作业也不会完全饥饿。	参数（队列数量、时间片大小、优先级调整规则）设置复杂，影响性能。	通用操作系统的核心调度算法（如Windows NT、Unix System V）。
最早截止时间优先 (EDF)	优先运行截止时间最早的任务。是动态优先级调度。	任务的绝对截止时间。	理论最优的动态优先级实时调度算法（CPU利用率可达100%）。	进程超载时系统行为难以预测；实现复杂。	软实时系统（如多媒体播放）。
比例分享调度	目标是让每个进程获得其预先定义的CPU时间份额（如A占50%，B占30%）。	进程已获得的CPU时间与其应得份额的差距。	能提供精确的QoS（服务质量）保证。	需要额外的机制（如彩票、步幅）来跟踪和决策。	需要保证特定应用性能的场景（如虚拟化、云平台）。
POSIX实时调度	这是一套API标准，定义了如何控制调度策略，而非具体算法。主要包括： 1. SCHED_FIFO: 类似FCFS，但基于静态优先级，可抢占低优先级任务，无限时间运行。 2. SCHED_RR: 类似SCHED_FIFO，但增加了时间片，同优先级任务按轮转法执行。 3. SCHED_OTHER: 指系统默认的非实时调度策略（如Linux的CFS）。	由程序员通过API设置的静态优先级和策略。	为实时应用提供可预测性和确定性。	需要程序员负责正确设置优先级，否则高优先级任务可能霸占CPU。	硬实时和软实时应用（如工业控制、机器人、航空电子）。

11. 算法评估确定性评价：对于每个算法计算最小平均等待时间。随机过程的排队模型，下一个人将在x时间内到达。概率模型，不是精确值，而是均值