一 操作系统概述
1 知识框架
2 操作系统基本概念
操作系统概念：
计算机系统自下而上粗分为硬件、操作系统、应用程序、用户。操作系统控制管理计算机系统的硬件、软件资源，为用户和应用程序提供接口、环境。充当硬件与用户之间的中介。操作系统的特征：
- 并发：同一时间间隔内发生（非同时，同一时刻），微观上通过分时实现并发性。引入进程的目的是为了实现并发。
- 共享：分为互斥访问（临界资源、独占资源）、同时访问（微观上为分时访问）两种共享方式。系统资源可供内存中多个并发进程共同使用。并发与共享互为存在条件。
- 虚拟：把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。操作系统的虚拟技术可归纳为时分复用、空分复用。
- 异步：多道程序环境下，进程的执行走走停停，以不可预知的速度向前推进。
- 操作系统的目标和功能：
- 管理计算机系统资源：处理机管理（处理机的分配管理以进程或线程为单位）、存储器管理、设备管理、文件管理。
- 为用户提供接口使用计算机系统硬件：命令接口（分为联机/脱机命令接口，即交互式/批处理命令接口）、程序接口（由一组系统调用命令组成。GUI 本质上是用的程序接口）。
- 用作扩充机器：覆盖了操作系统软件的裸机。
- 知识补充，库函数与系统调用：
- 库函数使用或不使用系统调用来实现功能，不使用系统调用的库函数效率更高。作为语言或应用程序的一部分，运行在用户空间中。
- 系统调用运行在内核空间中。
3 操作系统的发展与分类
- 批处理阶段：单道批处理系统（内存中始终保持一道作业）、多道批处理系统（宏观并行，微观串行）。
- 分时操作系统：多个用户通过终端共享一台主机。实现人机交互的系统，这点不同于多道批处理系统。
- 实时操作系统：不需要时间片排队，在某个时间限制内完成紧急任务。
- 网络操作系统、分布式计算机系统：前者通过网络使用各台计算机（集中式）。后者若干台计算机协同完成同一任务（分布式）。
- 个人计算机操作系统：现在使用最广泛的操作系统。
4 操作系统的运行环境
操作系统的运行机制：
CPU 执行两种不同性质的程序。
一是管理程序（操作系统内核程序，核心态（管态），特权指令，中断与异常）；
二是被管程序（应用程序，用户态（目态），非特权指令，系统调用）。相关概念：
- 系统调用：应用程序调用操作系统提供的一些子功能，系统调用可看作特殊的公共子程序（按功能大致分为：进程控制、进程通讯、内存管理、文件管理、设备管理）。
- 中断：操作系统各项操作的基础，是靠中断驱动的软件。
- 时钟管理：系统管理的方方面面依赖于时钟。
- 原语：操作系统底层可被调用的小程序（最接近硬件、原子操作、调用频繁运行时间短）。
- 补充：中断与异常
5 操作系统的体系结构
根据操作系统提供服务的内容与方法，形成两种主要的体系结构。
- 大内核：主要功能模块作为一个紧密联系的整体运行在核心态。
- 小内核：最基本的功能保留在内核，不需要核心态执行的功能移到用户态（降低内核代码难以维护的问题）。
6 疑难点
- 访管指令与访管中断：
访管指令本身不是特权指令，它是运行在用户态下的，通过访管指令引起访管中断（访管中断处理程序），系统调用。
应用程序 -> 访管指令（非特权指令） -> 访管中断 -> 系统调用（中断与异常，特权指令）。 - 系统调用通过中断（外中断、异常）来在用户态、核心态间切换，进入核心态执行系统调用的功能。
二 进程管理
1 知识框架
2 进程与线程
（1）进程
- 进程的概念：
- 目的：通过进程控制块（PCB）来更好的描述和控制程序，实现并发性、共享性。
- 定义：进程实体的一次运行，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
- 进程映像与进程：进程映像是静态的。进程是动态的。
- 进程组成：
- PCB：进程存在的唯一标志。
- 程序段：可被调度到 CPU 执行的代码片段。注意，程序可被多个进程共享。
- 数据段：存储程序运行期间的相关数据。可是原始数据或处理后的结果。
进程状态与转换：
进程控制：
创建：
终端用户登陆系统、作业调度、系统提供服务、用户程序的应用请求等。（一个进程（父进程）可创建另一个进程（子进程）。子进程被撤销，将资源还给父进程；父进程被撤销，应将子进程也撤销。（分配进程标识号和 PCB；分配资源失败则进入阻塞；初始化 PCB，看是否能进入就绪队列。））终止：
正常结束（完成任务）、发生异常、外界干预。阻塞：
等待资源。唤醒：
资源到达。切换：
时间片用完、主动放弃处理机、被更高优先级的进程剥夺处理机。（进程的切换是在操作系统内核的支持下完成的，与内核紧密相关。）
- 进程通信：
- 进程通信指进程间的信息交换。
- 高级通信方式指高效传输大量数据的通信方式。
- 管道只采用半双工通信，父子进程双向传输需定义两个管道。/ 管道通信是共享存储的优化和发展。/ pipe 需要三方面能力：同步、互斥、确定对方存在。
- 进程的代价：
- 时间代价：进行进程间的同步、通信、切换付出的时间开销。
- 空间代价：PCB 及协调各运行机构所占用的内存空间开销。
（2）线程
- 概念与特点：
- 线程是轻量级进程。是一个基本的 CPU 执行单元、独立调度的基本单位。
- 线程自身不拥有系统资源，只拥有一点运行中必不可少的资源（基本不拥有任何系统资源），与同进程中的其他线程共享进程拥有的全部资源。状态同进程状态，也可以创建撤销线程。
- 线程是处理机独立调度的基本单位，进程是拥有资源的基本单位（除处理机外系统资源的分配单位）。
- 线程可直接读写进程数据段（如全局变量）来通信。
引入线程的目的：
使多道程序更好的并发执行。线程的实现方式、多线程模型：
- 多对一模型：优点是线程管理在用户空间，效率高；缺点是一个线程使用内核服务被阻塞会导致整个进程阻塞、多个线程无法并发运行在处理机上。
- 多对多模型：上下两者的折中，兼顾性能、并发性。
- 一对一模型：优点是一个线程阻塞不会影响另一个线程并发能力强；缺点是内核需创建多个线程与用户级线程对应，开销较大，影响程序性能。
3 处理机调度
- 概念：
- 处理机调度就是对处理机的分配。通过算法从就绪队列中选择一个进程，将处理机分配给它运行，实现进程的并发执行（合理利用计算机硬件资源）。
- 作业的三级调度：
- 调度方式：
进程调度方式指，当有优先权更高的进程进入就绪队列，该如何分配处理机资源。
- 剥夺式（抢占方式）：立即分配。
- 非剥夺式（非抢占方式）：仍让当前进程继续执行。
- 调度准则：
- CPU 利用率（尽可能让 CPU 忙，利用率高）。
- 系统吞吐量（单位时间内 CPU 完成作业的数量）。
- 周转时间（从作业提交到完成经历的时间。/ a) 作业周转时间=作业完成时间-作业提交时间 b) 带权周转时间=作业周转时间/作业实际运行时间）。
- 等待时间（进程处于等处理机状态的时间之和。/ 处理机调度算法不影响作业执行、输入输出操作的时间，只影响其处于就绪队列中等待的时间）。
- 响应时间（用户提交请求到系统首次响应所用的时间）。
- 典型调度算法：
4 进程同步
参考：
1、 简书：进程同步一
- 概念：
- 协调进程间的相互制约关系。
- 制约关系：同步：（直接制约关系）需要在某些位置上协调进程间的工作次序，而等待、传递信息所产生的制约关系。/ 互斥：（间接制约关系）当一个进程进入临界资源时，其它要求 “进入临界区” 或 “进区” 必须等待。
- 补充，共享：分为互斥访问（临界资源、独占资源）、同时访问（微观上为分时访问）两种共享方式。
- 临界区互斥：
- 补充，信号量：
信号量是一种功能较强的机制，解决同步、互斥问题。它只能被两个标准的原语 wait(S)、signal(S) 来访问，也可以记作 P 操作、V 操作。
当有进程要求使用共享资源时，需要执行以下操作：a）系统首先要检测该资源的信号量；b）若该资源的信号量值大于 0，则进程可以使用该资源，此时，进程将该资源的信号量值减 1；c）若该资源的信号量值为 0，则进程进入休眠状态，直到信号量值大于 0 时进程被唤醒，访问该资源； 当进程不再使用由一个信号量控制的共享资源时，该信号量值增加 1，如果此时有进程处于休眠状态等待此信号量，则该进程会被唤醒。
- 管程：
- 定义：由一组数据及定义其上对数据的操作组成的软件模块。
- 管程可以看做一个软件模块，它是将共享的变量和对于这些共享变量的操作封装起来，形成一个具有一定接口的功能模块，进程可以调用管程来实现进程级别的并发控制。
- 进程只能互斥得使用管程，即当一个进程使用管程时，另一个进程必须等待。当一个进程使用完管程后，它必须释放管程并唤醒等待管程的某一个进程。
- 管程在功能上和信号量的 PV 操作类似，属于一种进程同步互斥工具，但是具有与信号量及 PV 操作不同的属性。
- P(S) 和 V(S) 操作大量分散在各个进程中，不易管理，易发生死锁。引入管程机制的目的：a）把分散在各进程中的临界区集中起来进行管理；b）防止进程有意或无意的违法同步操作；c）便于用高级语言来书写程序，也便于程序正确性验证。
- 管程特点：管程封装了同步操作，对进程隐蔽了同步细节，简化了同步功能的调用界面。用户编写并发程序如同编写顺序（串行）程序。
- 金典同步问题：
暂略。
5 死锁
三 内存管理
1 知识框架
四 文件管理
1 知识框架
五 输入输出（I/O）管理
1 知识框架
