操作系统

概述

操作系统（OS，Operating System）：能有效地组织和管理系统中的各种软硬件资源，合理地组织计算机系统工作流程，控制程序的执行，并且向用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。4个特征是
并发性、共享性、虚拟性和不确定性（异步性）

1. 管理系统的硬件、软件、数据资源
2. 控制程序运行
3. 人机之间的接口
4. 应用软件与硬件之间的接口
5. 操作系统位用户提供了两类接口：操作一级的接口和程序控制一级的接口
   • 操作一级接口：包括操作控制命令、菜单命令
   • 程序控制一级接口：包括系统调用

操作系统

分类

• 批处理操作系统
• 分时操作系统：将 CPU 的工作时间划分为许多很短的时间片
• 实时操作系统
• 网络操作系统
• 分布式操作系统
• 微型计算机操作系统

功能

1. 进程管理（Process Management）：负责创建、调度、终止进程，并处理进程间通信（IPC）
2. 存储管理（Memory Management）：对主存储器空间进行管理，主要包括储存分配与回收、储存保护、地址映射（变换）和主存扩充
3. 设备管理（Device Management）：负责管理计算机的I/O设备，如磁盘、键盘、显示器等
4. 文件管理（File Management）：主要包括文件存储空间管理、目录管理、文件的读写管理和存取控制
5. 作业管理

进程管理

进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单元。它由程序块（描述进程做什么）、*
进程控制块*
（PCB：是进程存在的唯一标志。内容包含进程标识符、状态、位置信息、控制信息、队列指针（链接同一状态的进程）、优先级、现场保护区等）和**
数据块（存放进程执行时所需数据）**三部分组成

1. 进程是可拥有资源的独立单元
2. 进程是可独立调度和分配资源的基本单位

进程 vs 程序

1. 区别：进程是程序的一次执行过程，没有程序就没有进程
2. 程序是一个静态的概念，而进程是一个动态的概念，它由创建而产生，完成任务后因撤销而消亡
3. 进程是系统进行资源分配和调度的独立单元，而程序不是

进程 vs 线程

进程 vs 线程

• 线程只能被独立调度，不可分配资源
• 多个线程可共享进程中的某些资源（内存地址空间、代码、数据、文件等）
• 线程中的程序计数器、寄存器、栈都是独立的

进程状态

进程状态

三态图

1. 就绪（Ready）

• 进程已获得除 CPU 之外的所有必要资源，等待 CPU 调度。
• 进程在 就绪队列 中排队，等待 CPU 运行。

2. 运行（Running）

• 进程正在 CPU 上执行。
• 在单处理器系统中，每个时刻只有一个进程处于运行状态。

3. 阻塞（Blocked / Waiting）

• 进程在等待某些事件（如 I/O 操作完成），无法执行，即使 CPU 空闲也无法运行。
• 进程进入 等待队列，直到所需事件发生。

状态转换

进程在运行过程中会在这三种状态之间进行转换：

1. 就绪 → 运行：进程获得 CPU，并开始执行。
2. 运行 → 就绪：进程因时间片用完或被更高优先级进程抢占而暂停执行。
3. 运行 → 阻塞：进程等待 I/O 操作完成或某个事件发生，无法继续执行。
4. 阻塞 → 就绪：等待的事件发生，进程重新进入就绪队列，等待 CPU 调度。

进程同步 & 互斥

1. 临界资源：各进程间需要以互斥方式对其进行访问的资源。Case：打印机、缓冲区
2. 临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区
3. 互斥：多个进程都要访问同一资源（临界资源），使用时需要加锁，使用完后需要解锁。由于临界资源问题，多个进程之间是间接
   制约关系
4. 同步：多个任务可以并发执行，只不过有速度上的差异，在一定情况下停下等待，不存在资源是否单独或共享的问题。多个进程之间是
   直接制约关系。先后顺序的影响
5. 信号量 S：一种特殊的变量。全局变量。表示资源数量或者排队进程数（S < 0 时，排队进程数 = ），S 初值表示资源个数
6. 互斥信号量：对临界资源采用互斥访问，使用互斥信号量后其他进程无法访问。初值为1
7. 同步信号量：对共享资源的访问控制，初值一般是共享资源数量

PV操作

1. P操作：申请资源。对资源（S）加锁（占用资源）之后会检查资源是否充足，如果不足（S<0）就会进入阻塞队列
2. V操作：释放资源。对资源（S）解锁（释放资源）之后检查是否有阻塞队列（S<=0），如果有则唤醒阻塞进程
3. PV操作一定是成对存在的

PV操作

前驱图 PG(Precedence Graph)

用于表示进程或事务之间的执行依赖关系。它是一种有向无环图，其中 节点（Node） 代表进程或事务，有向边（Edge）
代表执行的先后顺序（即前驱-后继关系）。可以体现直接制约（同步）关系。

• 箭头流出对应V操作
• 箭头流入对应P操作

死锁

如果一个进程在等待一件不可能发生的事，则进程就死锁了。而如果一个或多个进程产生死锁，就会造成系统死锁

死锁

存储管理

页式存储

将程序和内存均划分为同样大小的块，以页为单位将程序调入内存。程序使用逻辑地址（逻辑地址 = 页号 + 页内地址），内存使用*
物理地址（物理地址 = 页帧号(物理块号) + 页内地址），两者使用页表*一一对应。

• 优点：利用率高，碎片小，分配及管理简单
• 缺点：增加了系统开销；可能产生抖动现象

页表

页面淘汰原则：状态位1 & 访问位0 & 修改位0

段式存储

按用户作业中的自然段来划分逻辑空间，然后调入内存，段的长度（段长）可以不一样。 逻辑段地址 = (段号, 段内偏移量)。物理地址 =
基址 + 段内偏移量

• 优点：多道程序共享内存，各段程序修改互不影响
• 缺点：内存使用率低，内存碎片浪费大

段页式存储

段式和页式的综合体。先分段，再分页。一个程序中有若干个段，每个断中可以有若干页，每个页大小相同，但每个段的大小不同。*
段页式地址 = 段号 + 页号 + 页内地址*

• 优点：空间浪费小、存储共享容易、存储保护容易、能动态链接
• 缺点：由于管理软件的增加，复杂性和开销也随之增加，需要的硬件以及占用的内容也有所增加，使得执行速度大大下降

文件管理

1. 顺序结构
2. 链式结构
3. 索引结构

索引结构

1. UNIX 默认有13个索引结点（地址指向，物理块号）
2. 0-9号是直接索引方式。索引结点直接指向物理块，物理块直接保存了文件的逻辑页或数据（0到9号逻辑页）
3. 10号索引结点是一级间接索引方式。索引结点指向一级间接索引表（10到一级间接索引表个数 + 9号逻辑页）
4. 11号索引结点是二级间接索引方式。经过两次间接查找才能确定物理块号
5. 12号索引结点是三级间接索引方式。经过三次间接查找才能确定物理块号
6. 文件在逻辑上一定是连续的，在物理上可以是分散的

空闲空间管理

空闲空间管理用于追踪磁盘上的空闲存储块，以便分配给新文件或释放已删除文件占用的空间

位示图法

用二进制位表示磁盘块是否空闲：

• 0：表示该块空闲
• 1：表示该块已占用

位示图法

树形目录结构

1. 文件属性
   • R：只读文件属性
   • A：存档属性
   • S：系统文件
   • H：隐藏文件
2. 文件名组成：驱动器号 + 路径 + 主文件名 + 扩展名
3. 绝对路径：是从盘符开始的路径
4. 相对路径：是从当前目录开始的路径