[系统运维]操作系统笔记

第一章 计算机系统的概述

计算机系统自下而上分为：硬件 -> 操作系统 -> 应用程序 -> 用户

1.1操作系统的基本概述

1.1.1操作系统的概念

操作系统是计算机系统中最基本的系统软件

1.1.2 操作系统的特征

操作系统的共有并发，共享，虚拟，异步四个特征，其中并发和共享是最基本的特征

• 并发
  1. 并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生(操作系统和程序并发是一起诞生)。
  2. 并行是指两个或多个事件在同一时刻内发生的。(并行性需要相关硬件的支持，例如多流水线)。
  3. 操作系统的并发性是通过分时得以实现，即为宏观上同时执行，微观上分时执行。
• 共享
  资源共享即为共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
  1. 互斥共享方式： 如打印机，磁带机等，在规定的一段时间内只允许一个进程访问该资源。(这种资源也被称作是临界资源或是独占资源)
  2. 同时访问方式： 这类资源允许在一段时间内由多个进程“同时”访问，这里的同时也是宏观上的同时，微观上这些进程是被“分时共享”的。典型资源：磁盘设备，用重入码编写的文件。
• 虚拟
  虚拟处理器技术是通过多道程序设计技术，采用多道程序并发执行的方法，来分时使用一个处理器。
  虚拟存储器技术将一台机器的物理存储器变为虚拟存储器，从逻辑上扩充存储器的容量。
  时分复用技术：如处理器的分时共享。空分复用技术：虚拟存储器。
• 异步
  在多道程序环境允许多个程序并发执行，以一种不可预知的速度向前推进。

1.1.3 操作系统的目标与功能

操作系统的功能与目标 : 向上层提供方便易用的服务。
功能：

作为资源管理者：

• 处理机管理(可归结为进程的管理)
  包括进程控制，进程同步，进程通信，死锁处理，处理机调度等。
  提高内存的利用率。
• 存储器管理
  内存分配与回收，地址映射，内存保护与内存扩充等功能。
• 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
• 设备管理
  完成用户的I/O请求。缓冲管理，设备分配，设备处理和虚拟设备等。
  提高设备的利用率。

作为用户与计算机系统之间的接口：
操作系统向用户提供了两种接口，用户可以使用命令接口和系统调用(程序接口)两种方式使用计算机。

• 命令接口
  1. 脱机命令接口(控制方式)[批处理命令接口]：适用于批处理系统。
  2. 联机命令接口(控制方式)[交互式命令接口]：适用于分时或者实时系统的接口。
• 程序接口
  由一组系统调用(广义指令) 组成。可以被用户调用操作系统中的一些子功能。
  用户图形接口(GUI) — 用户使用。
  程序接口 —程序员使用。
  系统调用包括
  • 设备管理
  • 文件管理
  • 进程控制
  • 进程通信
  • 内存管理

系统通过硬件中断机制或者是通过异常处理进入核心态。管理程序运行结束，保护现场，然后回到断点继续执行。

1.1.4课后习题

1.B 2.C 3.D 4.D 5.D

6.B 7.C 8.D 9.B 10.B

11.A 12.C 13.A 14.A 15.A

16.D 17.C 18.D 19.D

8. 单处理机系统中，同一时刻只能由一个进程占用处理机。
10. 系统调用只能通过用户程序间接的使用
12. 操作系统提供给程序员的接口是程序接口(系统调用)。
13. 操作系统不允许用户直接使用硬件资源，用户只能通过系统调用请求系统服务，间接的使用资源。
16. 系统不提供管理系统缓存的系统调用，对用户是透明不可见的。shell是命令解析器，命令解释器是命令接口。
库函数与系统调用的区别：

1.2操作系统的发展与分类

1.2.1 手工操作阶段(无操作系统)

缺点： 用户独占全机，资源利用率低；CPU等待手工操作，对于CPU的利用不充分。

1.2.2 批处理阶段(操作系统开始出现)

目的： 为了解决人机矛盾以及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾。
单道批处理系统：
特点： 自动性，顺序性，单道性。
问题： 内存中始终保持一道作业，高速CPU容易处于等待状态。
多道批处理系统：
目的： 为了进一步提高资源利用率高和系统的吞吐量。
特点： 宏观上并行，微观上串行。即多道程序在CPU上轮流运行，每个程序都是相互独立的。
优点： 资源利用率高，系统吞吐量大，CPU和其他资源可以保持“忙碌”的状态。
缺点： 用户响应时间长，没有人机交互能力，用户不能控制计算机也不能控制自己的程序。

1.2.3分时操作系统

实现人机交互的系统。
重要性能是系统的响应事件：利用优先级+非抢占式调度算法可以改进系统的响应时间。
特点：

1. 同时性：终端上的用户基本可以同时访问一台计算机。
2. 交互性：增加了人机交互能力。
3. 独立性：多个用户可以彼此独立地进行操作，互不干涉。
4. 及时性：采用时间片轮转方式，可以对用户请求及时反馈。

缺点： 无法完成一些紧急任务的及时响应。如(飞机订票，导弹制导系统)

1.2.4 实时操作系统

为了能使在某个时间限制内完成某些紧急任务而不需要时间片排队。
必须在被控制对象规定时间内处理来自外部的事件。
通常采用的抢占式的优先级高者优先算法。
资源利用率不是实时操作系统追求的目标
被分为两种实时操作系统：
5. 必须完成–硬实时系统(飞行器的飞行自动控制系统)
6. 可以有违反时间规定且不会引起永久性危害的–软实时系统(飞机订票)

主要特点： 及时性和可靠性

1.2.5 网络操作系统和分布式计算机系统

网络操作系统：网络中各种资源的共享及各台计算机之间的通信。服务于计算机网络，集中控制的方式。
分布式计算机系统：若干计算机相互协同完成同一任务。
特点是:分布性和并行性。

1.2.6个人计算机操作系统

1.2.7课后习题

1. D 2. D 3. C 4. B 5. A

6. D 7. B 8. C 9. B 10. D

11. C 12. B 13. C 14. B

15. B A C D 16. C

1. 脱机技术解决独占设备的问题。多道程序设计技术提高了单机资源利用率。
3. 多道程序设计的基本特征的是：制约性，间断性，共享性。
5. 允许多个程序放入内存，并允许他们在CPU中交替运行，并共享系统中的各种软/硬件的资源。
6. 多道程序系统的特点：开销大，吞吐量大，CPU利用率高，I/O设备利用率高。
综合应用题：
1. 简述批处理系统，分时系统，实时操作系统的区别
批处理系统是用户脱机使用计算机，作业是成批处理的，系统内多道程序并发执行，交互能力比较差。
分时操作系统：可以让用户同时使用计算机，人机交互能力强，具有用户独立使用计算机的独占性，具有及时性和可靠性。
实时操作系统：能在被控制对象规定时间内完成任务，可靠性和及时性较强，资源利用率低。

1.3 操作系统的运行环境

1.3.1 操作系统的运行机制

CPU执行两种不同的程序：一种是操作系统的内核，一种是用户自编程序(应用程序)；前者是后者的管理者
特权指令包括： I/O指令，置中断指令，存取用于内存保护的寄存器，送程序状态字到程序状态字寄存器的指令。
将CPU的状态划分为：用户态和核心态。
诸如时钟管理，中断处理，设备驱动等与硬件紧密联系的模块，还有进程管理，存储器管理，设备管理等，这两部分构成了操作系统的内核，这部分的指令操作工作在内核态中。
所谓内核是计算机配置上的底层软件，主要包括如下内容：
7. 时钟管理：通过时钟中断实现进程的切换，例如分时操作系统中的时间片轮转算法，实时操作系统中按照规定时间控制运行。
8. 中断机制：目的为了提高多道程序运行环境中的CPU的利用率，在中断机制中，部分功能属于内核，负责保护和恢复中断现场，转移控制权到相关的处理程序。
mermaid graph LR 中断--> A(内中断) A-->Z(自愿中断)-->指令中断 A-->Q(强迫中断)-->硬件故障 Q-->软件中断 中断-->W(外中断-强迫中断) W-->外设请求 W-->人为干预
外中断：CPU执行指令以外的事件
内中断(异常，例外，陷入(trap))：CPU执行指令内部的事件，如算术溢出，地址越界等
中断的处理流程：
mermaid graph LR AA关中断-->B保存断点-->C中断服务程序寻址-->D保存现场和屏蔽字-->E开中断-->F执行中断服务程序-->G关中断-->H恢复现场和屏蔽字-->I开中断-->J中断返回
B:是将程序计数器PC保存起来。
C:是去除中断服务程序的入口地址送入PC中。
中断机制和通道技术出现后，使得多道程序概念才变的更加有用，详解见P25;
9. 原语：具有以下特点的成为原语。
- 处于操作系统最底层。
- 具有原子性，一气呵成不可以被中断。
- 运行时间短，被调用的频繁
10. 系统控制的数据结构及处理
- 进程管理
- 存储器管理
- 设备管理

1.3.4 课后习题

9. 用户态到核心态的转换由硬件完成
核心态下发生的：进程切换，置时钟指令，访管指令仅在用户态使用，执行访管指令时从用户态转为核心态。运行操作系统的代码的状态为核心态。广义指令存在于核心态中，所以执行一定在核心态。
输入输出指令涉及中断操作，工作在核心态。
系统内核态执行的操作时整数除零需要中断操作和read系统调用函数，
sin()在用户态下进行。
trap指令，跳转指令，压栈指令均可以在用户态。
开关中断为特权指令，必须在核心态，
处理外部中断时，应该由操作系统保存的是通用寄存器的内容。

重点记忆

并发性和并行性
特权指令和非特权指令
访管指令和访管中断

第二章 进程管理

2.1进程与线程

2.1.1 进程的概念

进程特点：无封闭性，具有间断性和不可再现性。复习一下操作系统最基本的特点：并发性和共享性。
进程实体(进程映像)：由程序段，相关数据段，PCB(进程控制块) 三个部分组成。
进程实体是静态的，而进程是动态的。
创建进程实为创建进程实体的PCB，撤销进程实为撤销进程的PCB。
定义：进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上(或者是进程实体)运行的过程，是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单元。
进程特点：
1. 动态性：有创建，活动，暂停，终止等过程，具有生命周期，是进程最基本的特征。
2. 并发性：提高资源利用率。
3. 独立性：(为建立PCB的程序都不能作为独立的单元参与运行)。能独立运行、独立获得资源和独立接受调度的基本单位。
4. 异步性：进程具有执行的间断性，以不可预知的速度运行，故必须配置进程同步。
5. 结构性：程序段，数据段，PCB组成。

2.1.2 进程的状态和转换

七状态模型：

11. 运行态
12. 就绪态
13. 阻塞态
14. 运行态
15. 终止态
16. 挂起态(阻塞挂起，就绪挂起)[七状态模型]
运行态变为阻塞态是主动的行为，从阻塞态变成就绪态是被动的行为。

2.1.3 进程控制

进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它拥有创建进程，撤销进程，进程状态转化等功能。
用于进程控制的程序段称为原语(是一个不可分割的基本单元)。
1.进程的创建(创建原语)的流程：

1. 分配PID，申请一个空白的PCB(有限资源)，若申请失败，则创建失败。
2. 为进程分配资源。(若资源不足，则处于阻塞态)
3. 初始化PCB
4. 若就绪队列能够接纳，则插入就绪队列中(创建态–>就绪态)

2.引起进程的终止的事件有如下几个：

• 正常结束
• 异常结束
• 外界干预

操作系统终止进程的过程如下**(撤销原语)**:被终止的进程将资源还给父进程或者操作系统，将该PCB从队列中删除。
3.进程的阻塞[运行态–>阻塞态]和唤醒[阻塞态–>运行态] (必须成对出现)：

@阻塞原语的执行过程(进程的阻塞是一种主动的行为，当请求资源失败，等待其他进程释放资源或是无新工作的时候,系统自动调用Block原语，使其阻塞。)：

1. 找到将要被阻塞进程的标识符对应的PCB。
2. 若为运行态，保护现场，并将其阻塞。
3. 将该进程的PCB插入等待队列，将处理机调度返还给其他就绪队列。

@唤醒原语的执行过程(当阻塞进程期待的事件发生时,由相关进程调用WakeUp原语，将等待该事件的进程唤醒。)：

1. 在该事件的等待队列中找到相关进程的PCB
2. 将其移出，并设置为就绪态 。
3. 将PCB插入就绪队列，等待调度。

3.进程的切换[运行态–>就绪态，就绪态–>运行态] ：
任何进程都是在操作系统的内核中支持下完成的。进程切换是处理机由一个进程的运行到另一个进程上运行。
@进程切换:

1. 保存上下文，包括程序计数器等寄存器。
2. 更新PCB信息。
3. 将PCB插入队列中。
4. 选择另一个进程进行执行，并更新PCB。
5. 更新内存管理的PCB。
6. 恢复处理机上下文。

何时发生进程切换，进程切换一定发生在中断／异常／系统调用处理过程中，常见的有以下情况：

1. 阻塞式系统调用、虚拟地址异常。
   导致被中断进程进入等待态。
2. 时间片中断、I/O中断后发现更改优先级进程。
   导致被中断进程进入就绪态。
3. 终止用系统调用、不能继续执行的异常。
   导致被中断进程进入终止态。

2.1.4 进程的组织

2.1.4.1 进程控制块(PCB)

PCB是进程实体的一部分，是进程存在的唯一标志。

1. 进程描述信息。进程标识符PID，用户标识符UID
2. 进程控制和管理信息：进程的当前状态(即就绪态，阻塞态等状态)。进程优先级(抢占处理机的优先级)
3. 资源分配清单
4. 处理机相关信息

2.2处理机的调度

2.3进程同步

2.4死锁