一、概述
1、含义
- 操作系统（Operating System，简称 OS）是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机系统的内核与基?；
- 操作系统本质上是运?在计算机上的软件程序；
- 操作系统为?户提供?个与系统交互的操作界?；
- 操作系统分内核与外壳（我们可以把外壳理解成围绕着内核的应?程序，?内核就是能操作硬件的程序）。
二、进程和线程
1、进程和线程的含义
（1）进程含义
????????进程：指在系统中正在运行的一个应用程序；程序一旦运行就是进程；进程——系统进行资源分配和调度的基本单位。
（2）线程含义
????????线程：线程是进程的一个实体，它是系统分配处理器时间资源的基本单元，或者说进程之内独立执行的一个单元执行流。线程——程序执行的最小单位。
2、进程和线程的联系和区别
（1）联系
- 一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。
- 资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。
- 线程在执行过程中，需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步。
- 处理机分给线程,即真正在处理机上运行的是线程。
- 线程是指进程内的一个执行单元,也是进程内的可调度实体。
（2）区别
????????线程是进程划分成的更?的运?单位,?个进程在其执?的过程中可以产?多个线程。线程和进程最?的不同在于基本上各进程是独?的，?各线程则不?定，因为同?进程中的线程极有可能会相互影响。线程执?开销?，但不利于资源的管理和保护；?进程正相反。
3、进程间的通信
?概有 7 种常?的进程间的通信?式：
- 管道/匿名管道(Pipes) ：?于具有亲缘关系的??进程间或者兄弟进程之间的通信。
- 有名管道(Names Pipes) : 匿名管道由于没有名字，只能?于亲缘关系的进程间通信。为了克服这个缺点，提出了有名管道。有名管道严格遵循先进先出(first in first out)。有名管道以磁盘?件的?式存在，可以实现本机任意两个进程通信。
- 信号(Signal) ：信号是?种??复杂的通信?式，?于通知接收进程某个事件已经发?；
- 消息队列(Message Queuing) ：消息队列是消息的链表,具有特定的格式,存放在内存中并由消息队列标识符标识。管道和消息队列的通信数据都是先进先出的原则。与管道（?名管道：只存在于内存中的?件；命名管道：存在于实际的磁盘介质或者?件系统）不同的是消息队列存放在内核中，只有在内核重启(即，操作系统重启)或者显示地删除?个消息队列时，该消息队列才会被真正的删除。消息队列可以实现消息的随机查询,消息不?定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取.? FIFO 更有优势。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载?格式字节流以及缓冲区??受限等缺。
- 信号量(Semaphores) ：信号量是?个计数器，?于多进程对共享数据的访问，信号量的意图在于进程间同步。这种通信?式主要?于解决与同步相关的问题并避免竞争条件。
- 共享内存(Shared memory) ：使得多个进程可以访问同?块内存空间，不同进程可以及时看到对?进程中对共享内存中数据的更新。这种?式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等。可以说这是最有?的进程间通信?式。
- 套接字(Sockets) : 此?法主要?于在客户端和服务器之间通过?络进?通信。套接字是?持TCP/IP 的?络通信的基本操作单元，可以看做是不同主机之间的进程进?双向通信的端点，简单的说就是通信的两?的?种约定，?套接字中的相关函数来完成通信过程。
4、线程间的通信
- 互斥量(Mutex)：采?互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有?个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。?如 Java 中的 synchronized 关键词和各种 Lock 都是这种机制
- 信号量(Semphares) ：它允许同?时刻多个线程访问同?资源，但是需要控制同?时刻访问此资源的最?线程数量
- 事件(Event) :Wait/Notify：通过通知操作的?式来保持多线程同步，还可以?便的实现多线程优先级的?操作
5、进程的调度算法
- 先到先服务(FCFS)调度算法 : 从就绪队列中选择?个最先进?该队列的进程为之分配资源，使 它?即执?并?直执?到完成或发?某事件?被阻塞放弃占?CPU 时再重新调度。
- 短作业优先(SJF)的调度算法 : 从就绪队列中选出?个估计运?时间最短的进程为之分配资源，使它?即执?并?直执?到完成或发?某事件?被阻塞放弃占?CPU时再重新调度。
- 时间?轮转调度算法 : 时间?轮转调度是?种最古?，最简单，最公平且使?最?的算法，? 称 RR(Round robin)调度。每个进程被分配?个时间段，称作它的时间?，即该进程允许运?的时间。
- 多级反馈队列调度算法 ：前?介绍的?种进程调度的算法都有?定的局限性。如短进程优先的调度算法，仅照顾了短进程?忽略了?进程 。多级反馈队列调度算法既能使?优先级的作业得到响应?能使短作业（进程）迅速完成。因?它是?前被公认的?种较好的进程调度算法UNIX 操作系统采取的便是这种调度算法。
- 优先级调度 ： 为每个流程分配优先级，?先执?具有最?优先级的进程，依此类推。具有相同优先级的进程以FCFS?式执?。可以根据内存要求，时间要求或任何其他资源要求来确定优先级。
6、进程的状态
- 创建状态(new) ：进程正在被创建，尚未到就绪状态。
- 就绪状态(ready) ：进程已处于准备运?状态，即进程获得了除了处理器之外的?切所需资源，?旦得到处理器资源(处理器分配的时间?)即可运?。
- 运?状态(running) ：进程正在处理器上上运?(单核 CPU 下任意时刻只有?个进程处于运?状态)。
- 阻塞状态(waiting) ：?称为等待状态，进程正在等待某?事件?暂停运?如等待某资源为可? 或等待 IO 操作完成。即使处理器空闲，该进程也不能运?。
- 结束状态(terminated) ：进程正在从系统中消失。可能是进程正常结束或其他原因中断退出运 ?。
?
三、死锁
1、产生条件
????????死锁是指多个并发进程因争夺系统资源而产生相互等待的现象。四个条件：
- 互斥：某种资源一次只允许一个进程访问，即该资源一旦分配给某个进程，其他进程就不能再访问，直到该进程访问结束。
- 不可剥夺：别人已经占有了某项资源，你不能因为自己也需要该资源，就去把别人的资源抢过来。
- 请求与保持：一个进程本身占有资源（一种或多种），同时还有资源未得到满足，正在等待其他进程释放该资源。
- 循环等待：存在一个进程链，使得每个进程都占有下一个进程所需的至少一种资源。
2、预防
只要这四个条件中至少有一个条件得不到满足，就不可能发生死锁了。由于互斥条件是非共享资源所必须的，不仅不能改变，还应加以保证，所以，主要是破坏产生死锁的其他三个条件。
- 破坏“不可剥夺”条件:破坏“不可抢占”条件就是允许对资源实行抢夺。方法一：如果占有某些资源的一个进程进行进一步资源请求被拒绝，则该进程必须释放它最初占有的资源，如果有必要，可再次请求这些资源和另外的资源。方法二：如果一个进程请求当前被另一个进程占有的一个资源，则操作系统可以抢占另一个进程，要求它释放资源。只有在任意两个进程的优先级都不相同的条件下，方法二才能预防死锁。
- 破坏“请求与保持”条件：就是在系统中不允许进程在已获得某种资源的情况下，申请其他资源。即要想出一个办法，阻止进程在持有资源的同时申请其他资源。方法一：创建进程时，要求它申请所需的全部资源，系统或满足其所有要求，或什么也不给它。这是所谓的 “ 一次性分配”方案。方法二：要求每个进程提出新的资源申请前，释放它所占有的资源。这样，一个进程在需要资源S时，须先把它先前占有的资源R释放掉，然后才能提出对S的申请，即使它可能很快又要用到资源R。
- 破坏“循环等待”条件：破坏“循环等待”条件的一种方法，是将系统中的所有资源统一编号，进程可在任何时刻提出资源申请，但所有申请必须按照资源的编号顺序（升序）提出。这样做就能保证系统不出现死锁。
3、解决
- 加锁顺序（线程按照一定的顺序加锁）
- 加锁时限（线程尝试获取锁的时候加上一定的时限，超过时限则放弃对该锁的请求，并释放自己占有的锁）
- 死锁检测
4、银行家算法
????????银行家算法是一种最有代表性的避免死锁的算法。在避免死锁方法中允许进程动态地申请资源，但系统在进行资源分配之前，应先计算此次分配资源的安全性，若分配不会导致系统进入不安全状态，则分配，否则等待。
????????为了实现银行家算法，在系统中必须设置这样四个数据结构，分别用来描述系统中可利用的资源、所有进程对资源的最大需求、系统中的资源分配，以及所有进程还需要多少资源的情况。
四、内存管理
1、内存管理的工作
????????操作系统的内存管理主要负责内存的分配与回收（malloc
函数：申请内存，
free
函数：释
放内存），另外地址转换也就是将逻辑地址转换成相应的物理地址等功能也是操作系统内存管理做的事情。
2、常见的机制
????????简单分为连续分配管理?式
和
?连续分配管理?式
这两种。连续分配管理?式是指为?个?户程序分配?个连续的内存空间，常?的如 块式管理
。同样地，?连续分配管理?式允许?个程序使?的内存分布在离散或者说不相邻的内存中，常?的如?式管理
和
段式管理
。
- 块式管理 ： 远古时代的计算机操系统的内存管理?式。将内存分为?个固定??的块，每个块中只包含?个进程。如果程序运?需要内存的话，操作系统就分配给它?块，如果程序运?只需要很?的空间的话，分配的这块内存很??部分?乎被浪费了。这些在每个块中未被利?的空间，我们称之为碎?。
- ?式管理 ：把主存分为??相等且固定的????的形式，?较?，相对相?于块式管理的划 分?度更?，提?了内存利?率，减少了碎?。?式管理通过?表对应逻辑地址和物理地址。
- 段式管理 ： ?式管理虽然提?了内存利?率，但是?式管理其中的?实际并?任何实际意义。 段式管理把主存分为?段段的，每?段的空间?要???的空间?很多 。但是，最重要的是段 是有实际意义的，每个段定义了?组逻辑信息，例如,有主程序段 MAIN、?程序段 X、数据段 D及栈段 S 等。 段式管理通过段表对应逻辑地址和物理地址。
- 段?式管理机制：结合了段式管理和?式管理的优点。简单来说段?式管理机制就是把主存先分成若?段，每个段?分成若??，也就是说 段?式管理机制 中段与段之间以及段的内部的都是离散的。???????
3、块表和多级页表
（1）块表
????????为了解决虚拟地址到物理地址的转换速度，操作系统在 ?表?案
基础之上引?了
快表
来加速虚拟地址到物理地址的转换。我们可以把块表理解为?种特殊的?速缓冲存储器（Cache
），其中的内容是?表的?部分或者全部内容。作为?表的 Cache
，它的作?与?表相似，但是提?了访问速率。由于采??表做地址转换，读写内存数据时 CPU
要访问两次主存。有了快表，有时只要访问?次?速缓冲存储器，?次主存，这样可加速查找并提?指令执?速度。
????????使?快表之后的地址转换流程是这样的：
1.
根据虚拟地址中的?号查快表；
2.
如果该?在快表中，直接从快表中读取相应的物理地址；
3.
如果该?不在快表中，就访问内存中的?表，再从?表中得到物理地址，同时将?表中的该映射
表项添加到快表中；
4.
当快表填满后，?要登记新?时，就按照?定的淘汰策略淘汰掉快表中的?个?。
（2）多级页表
????????引?多级?表的主要?的是为了避免把全部?表?直放在内存中占?过多空间，特别是那些根本就不需要的?表就不需要保留在内存中。多级?表属于时间换空间的典型场景
4、分页机制和分段机制
（1）共同点 ：
- 分?机制和分段机制都是为了提?内存利?率，较少内存碎?。
- ?和段都是离散存储的，所以两者都是离散分配内存的?式。但是，每个?和段中的内 存是连续的。
（2）区别 ：
- ?的??是固定的，由操作系统决定；?段的??不固定，取决于我们当前运?的程序。
- 分?仅仅是为了满?操作系统内存管理的需求，?段是逻辑信息的单位，在程序中可以体现为代码段，数据段，能够更好满??户的需要。
5、虚拟内存
（1）虚拟内存含义
????????
虚拟内存使得应?程序认为它拥有连续的可?的内存（?个连续完整的地址空间），?实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎?，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进?数据交换。
????????这个在我们平时使?电脑特别是 Windows 系统的时候太常?了。很多时候我们使?点开了很
多占内存的软件，这些软件占?的内存可能已经远远超出了我们电脑本身具有的物理内存。为什么可以这样呢？ 正是因为 虚拟内存 的存在，通过 虚拟内存 可以让程序可以拥有超过系统物理内存??的可?内存空间。另外，虚拟内存为每个进程提供了?个?致的、私有的地址空间，它让每个进程产?了?种??在独享主存的错觉（每个进程拥有??连续完整的内存空间）。这样会更加有效地管理内存并减少出错。
（2）局部性原理
????????局部性原理是虚拟内存技术的基础，正是因为程序运?具有局部性原理，才可以只装?部分
程序到内存就开始运?。
????????时间局部性是通过将近来使?的指令和数据保存到?速缓存存储器中，并使??速缓存的层次结构实现。空间局部性通常是使???的?速缓存，并将预取机制集成到?速缓存控制逻辑中实现。虚拟内存技术实际上就是建?了 “
内存?外存
”
的两级存储器的结构，利?局部性原理实现髙速缓存。
（3）虚拟存储器
????????基于局部性原理，在程序装?时，可以将程序的?部分装?内存，?将其他部分留在外存，就可以启动程序执?。由于外存往往?内存?很多，所以我们运?的软件的内存??实际上是可以?计算机系统实际的内存???的。在程序执?过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统将所需要的部分调?内存，然后继续执?程序。另???，操作系统将内存中暂时不使?的内容换到外存上，从?腾出空间存放将要调?内存的信息。这样，计算机好像为?户提供了?个?实际内存?的多的存储器——
虚拟存储器。
????????实际上，我觉得虚拟内存同样是?种时间换空间的策略，你? CPU
的计算时间，?的调?调出花费的时间，换来了?个虚拟的更?的空间来?持程序的运?。
（4）页面置换算法
????????地址映射过程中，若在??中发现所要访问的??不在内存中，则发?缺?中断 。
????????当发?缺?中断时，如果当前内存中并没有空闲的??，操作系统就必须在内存选择?个??将其移出 内存，以便为即将调?的??让出空间。?来选择淘汰哪??的规则叫做??置换算法，我们可以把??置换算法看成是淘汰??的规则。
- OPT ??置换算法（最佳??置换算法） ：最佳(Optimal, OPT)置换算法所选择的被淘汰??将是以后永不使?的，或者是在最?时间内不再被访问的??,这样可以保证获得最低的缺?率。但由于?们?前?法预知进程在内存下的若千??中哪个是未来最?时间内不再被访问的，因?该算法?法实现。?般作为衡量其他置换算法的?法。
- FIFO（First In First Out） ??置换算法（先进先出??置换算法） : 总是淘汰最先进?内 存的??，即选择在内存中驻留时间最久的??进?淘汰。
- LRU （Least Currently Used）??置换算法（最近最久未使???置换算法） ：LRU算法赋予每个???个访问字段，?来记录?个???上次被访问以来所经历的时间 T，当须淘汰?个??时，选择现有??中其 T 值最?的，即最近最久未使?的??予以淘汰。
- LFU （Least Frequently Used）??置换算法（最少使???置换算法） : 该置换算法选择在之前时期使?最少的??作为淘汰?。
???????6、程序的内存结构
?
????????一个程序本质上都是由BSS段、data段、text段三个组成的。可以看到一个可执行程序在存储（没有调入内存）时分为代码段、数据区和未初始化数据区三部分。
- BSS段（未初始化数据区）： 通常用来存放程序中未初始化的全局变量和静态变量的一块内存区域。BSS段属于静态分配，程序结束后静态变量资源由系统自动释放。
- 数据段： 存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。数据段也属于静态内存分配
- 代码段： 存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域属于只读。在代码段中，也有可能包含一些只读的常数变量
??text段和data段在编译时已经分配了空间，而BSS段并不占用可执行文件的大小，它是由链接器来获取内存的。
??bss段（未进行初始化的数据）的内容并不存放在磁盘上的程序文件中。其原因是内核在程序开始运行前将它们设置为0。需要存放在程序文件中的只有正文段和初始化数据段。
??data段（已经初始化的数据）则为数据分配空间，数据保存到目标文件中。
??数据段包含经过初始化的全局变量以及它们的值。BSS段的大小从可执行文件中得到，然后链接器得到这个大小的内存块，紧跟在数据段的后面。当这个内存进入程序的地址空间后全部清零。包含数据段和BSS段的整个区段此时通常称为数据区。
??可执行程序在运行时又多出两个区域：栈区和堆区。
- 栈区： 由编译器自动释放，存放函数的参数值、局部变量等。每当一个函数被调用时，该函数的返回类型和一些调用的信息被存放到栈中。然后这个被调用的函数再为他的自动变量和临时变量在栈上分配空间。每调用一个函数一个新的栈就会被使用。栈区是从高地址位向低地址位增长的，是一块连续的内存区域，最大容量是由系统预先定义好的，申请的栈空间超过这个界限时会提示溢出，用户能从栈中获取的空间较小。???????
- 堆区： 用于动态分配内存，位于BSS和栈中间的地址区域。由程序员申请分配和释放。堆是从低地址位向高地址位增长，采用链式存储结构。频繁的malloc/free造成内存空间的不连续，产生碎片。当申请堆空间时库函数是按照一定的算法搜索可用的足够大的空间。因此堆的效率比栈要低的多。
五、中断
1、含义
????????所谓的中断就是在计算机执行程序的过程中，由于出现了某些特殊事情，使得CPU暂停对程序的执行，转而去执行处理这一事件的程序。等这些特殊事情处理完之后再回去执行之前的程序。
2、类别
中断一般分为三类：
-
由计算机硬件异常或故障引起的中断，称为内部异常中断；
-
由程序中执行了引起中断的指令而造成的中断，称为软中断（这也是和我们将要说明的系统调用相关的中断）；
-
由外部设备请求引起的中断，称为外部中断。简单来说，对中断的理解就是对一些特殊事情的处理。
3、中断处理程序和中断优先级?
（1）中断处理程序??
????与中断紧密相连的一个概念就是中断处理程序了。当中断发生的时候，系统需要去对中断进行处理，对这些中断的处理是由操作系统内核中的特定函数进行的，这些处理中断的特定的函数就是我们所说的中断处理程序了。
（2）中断优先级
????????另一个与中断紧密相连的概念就是中断的优先级。中断的优先级说明的是当一个中断正在被处理的时候，处理器能接受的中断的级别。中断的优先级也表明了中断需要被处理的紧急程度。每个中断都有一个对应的优先级，当处理器在处理某一中断的时候，只有比这个中断优先级高的中断可以被处理器接受并且被处理。优先级比这个当前正在被处理的中断优先级要低的中断将会被忽略。
典型的中断优先级如下所示：
-
机器错误 > 时钟 > 磁盘 > 网络设备 > 终端 > 软件中断