操作系统 - 哈尔滨工业大学孙志刚笔记

笔记目录：

操作系统结构

进程管理

线程

CPU调度

死锁

内存管理

操作系统结构

为了保证稳定和安全，应用程序和操作系统内核之间通过系统调用接口实现通信，应用程序不能直接操纵内核的信息。

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中断服务程序一定是操作系统编写的。
一般很少用到的系统程序，如系统分区，磁盘碎片整理，磁盘快照。系统级的功能有系统级的程序来完成，这部分程序普通的用户不常用，一般由系统管理员用。
功能和需求以及硬件和工作的环境决定操作系统的结构。

操作系统的简单结构

聚内核（无结构内核）
UNIX的系统构造-内核部分无结构

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微内核
MINIX3的结构

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LINUX的诞生：
Torvalds在阅读了他当时操作系统老师写的MINIX操作系统后，完成了LINUX系统，但是他的老师觉得他写的LINUX一团糟，因为他认为LINUX仍然没有摆脱UNIX的设计范畴，仍然使用大内核。后来他的老师提出了微内核的概念，并在MINIX3系统中实现。

内核做尽量少的事情，把更多的任务放到用户空间（如磁盘操作等）。（效率问题是微内核的死穴）

Solaris System

运用了面向对象的思想，将磁盘操作，文件读写等功能仍然放在内核部分，但划分了不同的模块。

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混合结构-MacOS
MacOS系统有两个内核，一个BSD内核（聚内核），一个Mach内核（微内核）。

虚拟机结构

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未来虚拟机的结构：

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硬件之上直接是虚拟机，虚拟机上面再分各种内核。

进程管理

计算机系统在启动后，会进入两种模式，一个叫用户模式，一个叫内核模式。用户程序在用户模式下运行，不能随意读写任意内存。

系统引导
计算机通了电之后都经历了哪些事情？

（加电自检）当我们按下开机键之后，首先BIOS会加电自检（Power On Self Test -post）。BIOS执行内存地址为FFFF：0000H处的跳转指令，跳转到固化在ROM中的自检程序，对系统硬件（显卡，CPU及硬盘、内存、光驱信息，主板信息）进行检查。
（磁盘引导）自检完成后，ROM BIOS会按照系统CMOS设置中的启动顺序搜索装有操作系统的磁盘驱动器。（ps：从磁盘加载操作系统的原因有二：一是操作系统升级简单容易，二是使用户拥有选择操作系统的自由。）BIOS将相应启动设备的第一个扇区（MBR扇区（存储着磁盘分区等信息，大小固定为512字节））读入内存地址为0000:7C00H。
（执行MBR程序）检查0000:7DFEH-0000:7DFFH(MBR的结束标志位)是否等于55AAH，若不等于则转去尝试其他启动设备，如果没有启动设备满足要求则显示"NO ROM BASIC"然后死机。
当检测到有启动设备满足要求后，BIOS将控制权交给相应启动设备。启动设备的MBR将自己复制到0000:0600H处, 然后继续执行。
根据MBR中的引导代码启动引导程序。
此时的机器才是真正意义上的计算机。

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当操作系统内核被加载，开始运行内核时，就不是boot的内容了。

加载操作系统的程序叫bootstrap。

在计算机的ROM（计算机主板ROM芯片）里会有一段引导的初始程序。计算机在加电后最先运行的程序就是存放在ROM中的引导程序。

百度百科：

BIOS（Basic Input Output System）。是个人电脑启动时加载的第一个软件。它是一组固化到计算机内主板上的一个ROM芯片上的程序。它保存着计算机最重要的基本输入输出程序，开机后自检程序和系统自启动程序，它可以从CMOS中读写系统设置的具体信息。其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。此外，BIOS还向作业系统提供一些系统参数。系统硬件的变化是由BIOS隐藏，程序使用BIOS功能而不是直接控制硬件。现代作业系统会忽略BIOS提供的抽象层并直接控制硬件组件。

BIOS中主要存放：

自诊断程序：通过读取CMOSRAM中的内容识别硬件配置，并对其进行自检和初始化；
CMOS设置程序：引导过程中，用特殊热键启动，进行设置后，存入CMOS RAM中；
系统自举装载程序：在自检成功后将磁盘相对0道0扇区上的引导程序装入内存，让其运行以装入DOS系统；
主要I/O设备的驱动程序和中断服务：由于BIOS直接和系统硬件资源打交道，因此总是针对某一类型的硬件系统，而各种硬件系统又各有不同，所以存在各种不同种类的BIOS，随着硬件技术的发展，同一种BIOS也先后出现了不同的版本，新版本的BIOS比起老版本来说，功能更强。

CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）互补金属氧化物半导体。CMOS是主板上一块可读写的RAM芯片，用于保存当前系统的硬件配置信息和用户设定的某些参数。CMOS RAM由主板上的钮扣电池供电，即使系统断电信息也不会丢失。对CMOS中各项参数的设定和更新可通过开机时特定的按键实现（一般是Del键）。进入BIOS设置程序可对CMOS进行设置。一般CMOS设置习惯上也被叫做BIOS设置。有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实CMOS是主板上的一块可读写的并行或串行FLASH芯片，是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。

参考：磁盘引导程序原理及简介

进程的定义
简单来说，运行起来的程序叫进程。

进程在内存中：

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进程的几个状态：

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进程各个状态转换图：

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处于running态的进程拥有CPU
当处于running态的进程需要等待I/O操作或者等待某个点击事件后才能进行下一步操作，则此时会进入waiting态，让出CPU。
当处于waiting态的进程获得点击事件或者I/O资源时，则会进入 ready态。
处于ready态的进程获得CPU后，便会运行起来，进入running态。

PCB
操作系统通过PCB来控制进程的状态。

进程的切换：

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系统切换进程有两种方式：中断和系统调用
中断的作用就是CPU暂时停止当前程序的执行转而执行处理新情况。
比如，当一个进程运行了比较长的时间，操作系统会发出一个中断信号（如通过晶振发出），这时CPU会暂停当前进程的执行，来到操作系统中的代码块，此时操作系统占有CPU，操作系统利用CPU将当前进程的状态置为ready，切换到其他进程的执行。

操作系统进入到等待态是应用程序主动通过一些操作进入到等待态：
而running态的到waiting态的进程状态切换，则是通过当前进程通过主动发起系统调用，将CPU的使用权转给操作系统，再由操作系统改变进程的状态。

PCB表的组织形式：

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？？下面这一块不太懂

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进程间的协作：独立与合作

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进程合作的优点：

信息共享

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计算速度加快

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进程间的通信方式：消息传递和共享内存
消息传递效率更高。因为共享内存的方式会进行大量的系统调用。

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阻塞方式指的是，在该进程没得到自己所需资源时，就会被阻塞，被置为waiting态。

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接收方不拿走这个消息就会被丢弃

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会被缓存一会，收的慢的情况下也会丢失

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没有限制

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线程

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线程的下面这些资源是独享的，每个线程会有自己：

线程ID
程序计数器（存放下一条指令的地址）
寄存器集
栈（记录程序的执行路径）

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其他的进程的大部分资源会被线程们共享。

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单线程与多线程：单线程只有一条执行路线。多线程有各自的执行路线。

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为什么要创建多线程，而不是选择创建多进程。（比如把耗时的操作，fork一个进程放到里面）：

多线程的好处是资源共享（协作起来更方便），经济实惠。进程与进程之间是完全分隔的，不共享（也可以共享，但比较麻烦），进程的创建，销毁，切换开销都大于线程。

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线程分为用户级线程和内核级线程：

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用户级线程指的是，一个程序在自己内部模拟出多个线程，比如，保存当前正在执行的线程的数据现场，切换到另一个现场，继续执行，这样模拟出了多线程。

用户级线程的优点：

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用户级线程的优点：

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而且用户级线程还有一个缺点，就是当模拟出多个线程中的一个发生系统级的阻塞时，该程序的所有（模拟出的）线程都将被阻塞。因为在系统看来，它就是一个线程。

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结束线程：

直接强制杀死。（会造成一些难以预料的错误，比如该保存的资料没保存）
告诉线程该退出了。设置个退出条件，达到条件自己主动退出。

总结

各个进程之间是完全独立的
线程模型不稳定，任何一个线程出问题，导致整个进程的崩溃
从安全角度看，线程的安全性比进程的安全性差

进程与线程的区别：

进程绝对隔离，线程完全共享
进程效率低，线程效率高

CPU调度

调度的目的是最大限度的利用CPU。

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CPU和I/O交替进行：

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有些进程利用CPU比较多，有些利用I/O比较多：

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CPU调度发生的情形：

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CPU调度分为抢占式和非抢占式：

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分配CPU（恢复上次运行状态等处理，效率靠硬件来决定）：

恢复上次运行状态

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从系统态切换到用户态

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切换完成后跳转到正确的地址开始执行：

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调度进程和分配资源所花费的时间：

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调度准则：1.最大化利用CPU

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调度准则：2.大的吞吐量（单位时间运行的进程数量）

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调度准则：3.尽可能小的周转时间（从创建到结束一共经过多久wall time（周转时间））

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调度准则：4.尽可能小的等待时间（在就绪队列等待时间）

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调度准则：5.尽可能小的响应时间（接收一个事件到处理该事件经过的时间）

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先来先服务：

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最短作业优先：

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两种调度模式：

非抢占式和抢占式

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最短剩余时间优先：

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优先级调度（一种实现策略）

优先级调度可能会导致优先级低的进程被饿死。

Round Robin（时间片轮转）

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如果时间片太大，就变成了先来先服务
如果时间片太小，各个进程就会被频繁切换，进程切换时比较耗时间的（保存当前进程的现场，调度算法决定下次调用哪个进程）

将时间片轮转和优先级结合进行调度：

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多级队列（将队列分为不同的优先级）

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系统进程应该处于最高的优先级队列中（I/O绑定的进程：用CPU的时间比较短，大部分在时间用来I/O）

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在队列之间进行调度：

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固定队列的优先级（有可能发生饥饿）：

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为了降低饥饿发生的概率，在具有优先级的队列之间采用时间片：

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现在操作系统中大多采用多级反馈队列调度算法：

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优先级从上到下依次降低

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进程第一次运行时，都被放在优先级最高的队列中（quantum=8（分配的时间片）的队列），根据该进程运行的状况将其移到响应的队列中。如：当进程第一次被运行时，先被放到上图quantum=8的队列中（优先级从上到下依次降低），当给该队列分配的8个时间片全被该进行消耗完的情况下，将该进程移到下一个优先级较低的队列中；在quantum=16的队列中时，给该队列分配的16个时间片又全被该进程消耗完，则将其移到下一个优先级较低的队列。

多核处理器：

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多处理器面临的问题：

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对称多处理器：

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所有处理器共享同一个就绪队列（会存在一个问题，当进程从一个CPU被切到另一个CPU时，会导致Cache刷新，有性能损耗）

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CPU的亲和性：（可将某个进程与某个特定的CPU绑定）

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防止两个进程同时访问临界区的方法1：

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关了中断后就不会进行进程切换，当一个进程进入临界区后关中断

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死循环等待消耗CPU，造成性能损耗。这种方式也称为自旋锁。

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哲学家就餐问题的另外一种解决方案：

给每个就餐的哲学家按顺序编号，奇数号的哲学家第一次只能拿左边的筷子，偶数号哲学家第一次只能拿右边的筷子。这样便可以保证至少有一个哲学家可以拿到两只筷子。

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不死锁：

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死锁：

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不死锁：

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死锁的四个条件：

互斥
保持和等待
不可剥夺
循环等待（我要你的，你要他的，他要我的）

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解决死锁：

预防死锁
避免死锁
死锁的检测和恢复
鸵鸟算法（死锁装作没看见）(让软件开发者自己去解决)

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最后编辑于：2018.05.19 16:36:36

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道士缉凶录：失踪的卖姜人
文/不坏的土叔我叫张陵，是天一观的道长。经常有香客问我，道长，这世上最难降的妖魔是什么？我笑而不...
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港岛之恋（遗憾婚礼）
正文为了忘掉前任，我火速办了婚礼，结果婚礼上，老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己，他们只是感情好，可当我...
茶点故事阅读 66,731评论 6赞 388
恶毒庶女顶嫁案：这布局不是一般人想出来的
文/花漫我一把揭开白布。她就那样静静地躺着，像睡着了一般。火红的嫁衣衬着肌肤如雪。梳的纹丝不乱的头发上，一...
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城市分裂传说
那天，我揣着相机与录音，去河边找鬼。笑死，一个胖子当着我的面吹牛，可吹牛的内容都是我干的。我是一名探鬼主播，决...
沈念sama阅读 39,703评论 3赞 415
双鸳鸯连环套：你想象不到人心有多黑
文/苍兰香墨我猛地睁开眼，长吁一口气：“原来是场噩梦啊……” “哼！你这毒妇竟也来了？” 一声冷哼从身侧响起，我...
开封第一讲书人阅读 38,473评论 0赞 270
万荣杀人案实录
序言：老挝万荣一对情侣失踪，失踪者是张志新（化名）和其女友刘颖，没想到半个月后，有当地人在树林里发现了一具尸体，经...
沈念sama阅读 44,915评论 1赞 307
护林员之死
正文独居荒郊野岭守林人离奇死亡，尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋以下内容为张勋视角年9月15日...
茶点故事阅读 37,227评论 2赞 331
白月光启示录
正文我和宋清朗相恋三年，在试婚纱的时候发现自己被绿了。大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
茶点故事阅读 39,384评论 1赞 345
活死人
序言：一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡，死状恐怖，灵堂内的尸体忽然破棺而出，到底是诈尸还是另有隐情，我是刑警宁泽，带...
沈念sama阅读 35,063评论 5赞 340
日本核电站爆炸内幕
正文年R本政府宣布，位于F岛的核电站，受9级特大地震影响，放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜，却给世界环境...
茶点故事阅读 40,706评论 3赞 324
男人毒药：我在死后第九天来索命
文/蒙蒙一、第九天我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。院中可真热闹，春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
开封第一讲书人阅读 31,302评论 0赞 21
一桩弑父案，背后竟有这般阴谋
文/苍兰香墨我抬头看了看天上的太阳。三九已至，却和暖如春，着一层夹袄步出监牢的瞬间，已是汗流浃背。一阵脚步声响...
开封第一讲书人阅读 32,531评论 1赞 268
情欲美人皮
我被黑心中介骗来泰国打工，没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留，地道东北人。一个月前我还...
沈念sama阅读 47,321评论 2赞 368
代替公主和亲
正文我出身青楼，却偏偏与公主长得像，于是被迫代替她去往敌国和亲。传闻我的和亲对象是个残疾皇子，可洞房花烛夜当晚...
茶点故事阅读 44,248评论 2赞 352

操作系统 - 哈尔滨工业大学 孙志刚 笔记