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30 操作系统

操作系统是运行在计算机上的软件程序，用来管理计算机硬件和软件资源。
操作系统内核负责

  • 系统内存管理
  • 硬件设备管理
  • 文件系统管理
  • 应用程序管理
    30 操作系统
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系统调用 根据进程访问资源的特点，把进程在系统上的运行分为：
  • 用户态：读取用户程序的数据
  • 系统态：访问计算机的资源
    运行程序基本是在用户态，需要访问以下资源时，需要通过系统调用的方式，向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成。
  • 设备管理：完成设备的请求、释放、启动等
  • 文件管理：完成文件的读、写、创建、删除等
  • 进程控制：完成进程的创建、撤销、阻塞、唤醒等
  • 进程通信：完成进程之间的消息传递或信号传递等
  • 内存管理：完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及地址等
进程与线程的区别 一个进程可以有多个线程，共享进程的堆和方法区（元空间），独享自己的程序计数器，虚拟机栈和本地方法栈。
各进程相互独立，各线程可能相互影响。
进程间的通信方式
  1. 管道/匿名管道：用于具有亲缘关系的父子进程间或者兄弟进程之间的通信。只存在于内存中。
  2. 有名管道：遵循先进先出，以磁盘文件的形式存在，实现本机任意两个进程通信。
  3. 信号：用于通知进程某个事件已经发生。
  4. 消息队列：消息的链表，存放在内核中，由消息队列标识符标识。要先进先出的消费，但可以随机查询。只有内核重启（即操作系统重启）或者显式删除一个消息队列时才会被删除。和消息队列相比，信号承载的信息量少，管道只能承载无格式字节流且缓冲区大小受限。
  5. 信号量：是个计数器，用于多进程对共享数据的访问，意图在于进程间同步。
  6. 内存共享：使多进程同时访问同一块内存空间，需要依靠某种同步操作，例如互斥锁或信号量。
  7. 套接字：用于在客户端和服务器之间通过网络通信，套接字是支持tcp/IP的网络通信的基本操作单元。
线程间的同步的方式
  1. 互斥量：持有“互斥量（就是锁）”的线程才有访问公共资源的权限。
  2. 信号量：允许同一时刻多个线程访问统一资源，但是需要控制最大线程数量。
  3. 事件：wait/notify 通过通知保证多线程同步
进程的调度算法 为了实现最大cpu利用率
  1. 先到先服务算法FCFS：从就绪队列中选第一个进程，立即执行移植到被阻塞放弃占用cpu。
  2. 短作业优先算法SJF：从就绪队列中选执行时间最短的进程，立即执行直到被阻塞放弃占用cpu。
  3. 时间片轮转调度算法：每个进程轮流执行一个时间片
  4. 多级反馈队列调度算法：高优先级和短时间的优先完成。unix系统使用这种算法。
  5. 优先级调度：根据内存要求、时间要求或其他资源要求制定优先级，按照优先级执行。
内存管理 内存的分配与回收（malloc函数申请内存，free函数释放内存）
地址转换：将逻辑地址转换成物理地址
内存管理机制
  • 连续分配管理方式
    • 块式管理
    远古时代，内存分为几个固定大小的块，每个块中只包含一个进程，
  • 非连续分配管理方式
    • 页式管理
    把主存分为较小的页，通过“页表”对应逻辑地址和物理地址，提高内存利用率。
    • 段式管理
    段比页更小，每个段定义一组逻辑信息，例如主程序段main，子程序段X，数据段D，栈段S，通过“段表”对应逻辑地址和物理地址。
    • 段页式管理
    每个段分成若干页
快表和多级页表 内存管理中，最重要的两点是：
  • 虚拟地址到物理地址的转换要快
  • 解决虚拟地址空间大，页面也会很大的问题
    快表
    【30 操作系统】页表的缓存。
    多级页表
    像树一样，一级页表映射二级页表地址，二级页表映射物理地址。
    为了节省页表占用的内存空间，未被真实占用的二级页表可以暂不创建。
    或把二级页表放在磁盘里。
分页和分段的共同点和区别
  • 共同点：都是为了提高内存利用率，减少内存碎片。都是离散存储的，页内、段内都是连续的。
  • 区别：页大小固定，由操作系统决定，段大小不固定，取决于当前运行的程序。段式逻辑单位，分为代码段、数据段等。
cpu寻址
  • 为什么要有虚拟地址：直接访问物理地址会有意无意的造成操作系统和程序崩溃
  • 使用虚拟内存的好处：可以使用相邻的虚拟地址访问物理内存中不相邻的大内存缓冲区，第二条没看懂，不同进程使用的虚拟地址彼此隔离，一个进程无法修改由另一进程或操作系统使用的物理内存。
虚拟内存 虚拟内存使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存，实际上它拥有的是被分割成多个的物理内存碎片，还有部分暂存在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。
局部性原理
  • 时间局部性：因为程序中存在着大量循环操作。某条指令一旦执行，不久后可能再次执行；某数据被访问过，不久之后可能再次被访问。
  • 空间局部性：因为指令通常是顺序存放、顺序执行的，数据一般也是以向量、数组、表等形式簇聚存储的。一旦程序访问了某个单元，不久以后其附近的存储单元也将被访问。
    局部性原理使得只需要装入部分程序到内存就可以开始运行。
虚拟内存的技术实现
  1. 请求分页存储管理，基于“分页管理”+按需置换“页”进内存。
  2. 请求分段存储管理，基于“分段管理”+按需置换“段”进内存
  3. 请求段页式存储管理
页面置换算法
  • 缺页中断：需要访问的页不再主存，需要操作系统将其调入主存后访问。
    如果此时主存已满，就需要删除一个页面，删除页面的规则就是页面置换算法。
  • opt页面置换算法：选择“以后将永不使用”的页面，过于理想无法实现，成为衡量其他算法的标准。
  • fifo置换算法，先进先出。
  • lru置换算法，least currently used，最近没被使用过的先出
  • lfu置换算法，least frequently used，最少使用的先出。

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