操作系统速成

操作系统的特征
- 最基本的特征，互为存在条件：并发，共享
进程管理
作业管理
文件管理
- 文件的逻辑结构
- 辅存的存储空间分配
设备管理

[TOC]

操作系统的特征

最基本的特征，互为存在条件：并发，共享

并行：指两个或多个事件可以在同一时刻发生，多核CPU可以实现并行，一个CPU同一时刻只有一个程序在运行
并发：两个或多个事件可以在同一时间间隔发生，用户看起来是每个程序都在运行，实际上是每个程序都交替执行

进程管理

进程控制块（PCB）：用于描述和控制进程运行的通用数据结构，记录进程当前状态和控制进程运行的全部信息，是进程存在的唯一标识

进程（Process）与线程（Thread）：

线程：操作系统进行**”运行调度的最小单位”**
进程：系统进行**”资源分配和调度的基本单位”**

区别与联系：

一个进程可以有一个或多个线程
线程包含在进程中，是进程中实际运行工作的单位
进程的线程共享进程资源
一个进程可以并发多个线程，每个线程执行不同的任务

五状态模型

就绪状态：其他资源（进程控制块，内存，栈空间，堆空间）都准备好，纸擦和CPU状态
执行状态：进程获得CPU，其程序正在执行
阻塞状态：进程因某种原因放弃CPU的状态，阻塞进程以队列的形式放置
创建状态：创建进程时拥有PCB但其它资源尚未准备就绪
终止状态：进程结束由系统清理或者归还PCB的状态

进程同步的方法（重要）

1.使用fork系统调用创建进程：使用fork系统调用无参数，fork会返回两次，分别返回子进程id和0，返回子进程id的是父进程，返回0的是子进程。

fork系统调用的是用于创建进程的；
fork创建的进程初始化状态与父进程一样；
系统会为fork的进程分配新的资源

2.共享内存：在某种程度上，多进程是共同使用物理内存的，但是由于操作系统的进程管理，进程内的内存空间是独立的，因此进程默认是不能访问进程空间意外的内存空间的。

共享存储允许不相关的进程访问同一片物理内存；
共享内存是两个进程之间共享和传递数据最快的方式；
共享内存未提供同步机制，需要借助其他机制管理访问；

3.Unix域套接字

域套接字是一种高级的进程间通信的方法，可以用于同一机器进程间通信。

套接字（socket）：为网络通信中使用的术语

Unix系统提供的域套接字提供了网络套接字类似的功能，如Nfinx，uWSGI等。

服务端和客户端分别使用Unix域套接字的过程：

线程同步的方法（重要）

线程同步的方法：

互斥锁：互斥锁是最简单的线程同步的方法，也称为互斥量，处于两态之一的变量：解锁和加锁，两个状态可以保证资源访问的串行。原子性：指一系列操作不可被中断的特性，要么全部执行完成，要么全部没有执行。

2.自旋锁：自旋锁是一种多线程同步的变量，使用自旋锁的线程会反复检查锁变量是否可用，自旋锁不会让出CPU，是一种忙等待状态，即死循环等待锁被释放，自旋锁的效率远高于互斥锁。特点：避免了进程或者线程上下文切换的开销，但是不适合在单核CPU使用

3.读写锁：是一种特殊的自旋锁，允许多个读操作同时访问资源以提高读性能，但是对写操作是互斥的，即**对多读少写的操作效率提升**很显著

4**.条件变量：是一种相对比较复杂的线程同步方法，条件变量允许线程睡眠，直到满足某种条件，当满足条件时候，可以给先线程信号通知唤醒**

线程同步方法对比（重要）


同步方法	描述
互斥锁	最简单的一种线程同步方法，会阻塞线程
自旋锁	避免切换的一种线程同步方法，属于”忙等待“
读写锁	为”读多写少“的资源设计的线程同步方法，可以显著提高性能
条件变量	相对复杂的一种该线程同步方法，有更灵活的使用场景

进程的标记


状态符号	状态说明
R	（TASK_RUNNING）,进程正处于运行状态
S	（TASK_INTERRUPTIBLE）,进程正处于睡眠状态
D	（TASK_UNINTERRUPTIBLE）,进程正处于IO等待的睡眠状态
T	（TASK_STOPPED）,进程正处于暂停状态
Z	（TASK_DEAD or EXIT_ZOMBIE）,进程正处于退出状态，或僵尸进程

作业管理

进程调度

作业管理值进程调度

定义：指计算机通过决策决定哪个就绪进程就可以获得CPU使用权

进程调度方式：

非抢占式调度：只能由当前运行的进程主动放弃CPU；

处理器一旦分配给某个进程，就让该进程一直使用下去；
调度程序不以任何原因抢占正在被使用的处理器；

抢占式调度：可由操作系统剥夺当前进程的CPU使用权。

允许调度程序以一定的策略暂停当前运行的进程；
保存好旧进程的上下文信息，分配处理器给新进程；

进程调度的三大机制

就绪队列的排队机制：为了提高进程调度的效率，将就绪进程按照一定的方式排成队列，以便调度程序可以最快找到就绪进程

选择运行进程的委派机制：调度程序以一定的策略，选择就绪进程，将CPU资源分配给它
新老进程的上下文切换机制：保存当前进程的上下文信息，装入被委派执行进程的运行上下文。

进程调度算法：

先来先服务算法：按照在就绪队列中的先手顺序执行
短进程优先调度算法：优先选择就绪队列中估计运行时间最短的进程，不利于长作业进程的执行
高优先权优先调度算法：进程附带优先权，优先选择权重高的进程，可以使得紧迫的任务优先处理
时间片轮转调度算法：按照FIFO的原则排列就绪进程，每次从队列头部去除待执行进程，分配一个时间片执行，是相对公平的调度算法，但是不能保证就是响应用户

饥饿：

由于长期得不到资源导致进程无法推进

死循环：

代码逻辑BUG

死锁：

两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信二造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去，永远在相互等待的进程称为死锁进程

死锁的产生：竞争资源（共享资源数量不满足各进程需求），进程调度顺序不当，当调度顺序为A->B->C->D时会产生死锁，但改为A->D->B->C则不会产生。

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死锁的四个必要条件

互斥条件：必须互斥使用资源才会产生死锁
请求保持条件：进程至少保持一个资源，又提出新的资源请求，新资源被占用，请求被阻塞，被阻塞的进程不释放自己保持的资源
不可剥夺条件：进程获得的资源在未完成使用前不能被剥夺（包括OS），只能由进程自身释放
环路等待条件：发生死锁时，必然存在进程-资源环形链，环路等待不一定造成死锁，但死锁一定有环路等待

死锁的处理策略

一.预防死锁的方法：破坏四个必要条件的中一个或多个。

破坏互斥条件：将临界资源改造成共享资源（Spooling池化技术）；（可行性不高，很多时候无法破坏互斥条件）
破坏请求保持条件：系统规定进程运行之前，一次性申请所有需要的资源；（资源利用率低，可能导致别的线程饥饿）
破坏不可剥夺条件：当一个进程请求新的资源得不到满足时，必须释放占有的资源；（实现复杂，剥夺资源可能导致部分工作失效，反复申请和释放造成额外的系统开销）
破坏环路等待条件：可用资源线性排序，申请必须按照需要递增申请；（进程实际使用资源顺序和编号顺序不同，会导致资源浪费）

二.银行家算法：检查当前资源剩余是否可以满足某个进程的最大需求；如果可以，就把该进程加入安全序列，等待进程允许完成，回收所有资源；重复1，2，直到当前没有线程等待资源；

三.死锁的检测和解除：死锁检测算法，资源剥夺法，撤销进程法（终止进程法），进程回退法

文件管理

文件的逻辑结构

逻辑结构的文件类型：有结构文件（文本文件，文档，媒体文件），无结构文件（二进制文件，链接库）
顺序文件：按顺序放在存储介质中的文件，在逻辑文件当中存储效率最高，但不适合存储可变长文件
索引文件：为解决可变长文件存储而方面，需要配合索引表存储

辅存的存储空间分配

辅存的分配方式：连续分配（读取文件容易，速度快），链接分配（隐式链接和显示链接），索引分配
辅存的存储空间管理：空闲表，空闲链表，位示图。

目录树：使得任何文件或目录都有唯一的路径

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目录	描述
/bin	存放二进制可执行文件（ls,cat,mkdir等），常用命令一般都在这里
/etc	存放系统管理和配置文件
/home	存放所有用户文件的根目录，是用户主目录的基点，比如用户user的主目录就是/home/user
/usr	用于存放系统应用程序，比较重要的目录/usr/local本地管理员软件安装目录
/opt	额外安装的可选应用程序包所放置的位置
/proc	虚拟文件系统目录，是系统内存的映射。可直接访问这个目录来获取系统信息
/root	超级用户（系统管理员）的主目录
/sbin	存放二进制可执行文件，只有root才能访问
/dev	用于存放设备文件
/mnt	系统管理员安装临时文件系统的安装点，系统提供这个目录是让用户临时挂载其他的文件系统
/boot	存放用于系统引导时使用的各种文件
/lib	存放跟文件提供中的程序运行所需要的共享库及内核模块
/var	用于存放运行时需要改变数据的文件

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