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第一章操作系统的概念，功能和目标

操作系统（operation system，os）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源分配，已提供给用户和其它软件方便的接口和环境，它是计算机系统中最基本的系统软件
1.操作系统作为系统资源的管理者（这些资源包括软件，硬件，文件等），需要提供什么功能？
提供的功能：处理机管理，存储器管理，文件管理，设备管理，
目标：安全，高效

补充：进程是一个程序的执行过程，执行之前需要将该程序放入到内存中，才能被CPU处理
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2.操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口，要为其上层的用户，应用程序提供简单易用的服务，需要实现什么功能？
提供的功能：命令接口，程序接口，GUI（图形用户界面）
命令接口：联机命令接口，脱机命令接口
目标：方便用户使用
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3.操作系统作为最接近硬件的层次，需要在纯硬件的基础上实现什么功能？
需要提供的功能和目标：实现对硬件机器的拓展
没有任何软件支持的计算机称为裸机，在裸机上安装的操作系统，可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能方便的机器
通常把覆盖了软件的机器称为扩展机器，又称之为虚拟机

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操作系统的四个特征：并发，共享，虚拟，异步
并发：指两个或者多个事件在同一时间间隔内发生，这些事件宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的
常考易混概念—并行：指两个或多个事件在同一时刻发生
操作系统的并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序
一个单核处理机（CPU）同一时刻只能执行一个程序，因此操作系统会负责协调多个程序交替执行（这些程序微观上是交替执行的，但宏观上看起来就像同时执行的）
事实上，操作系统就伴随着“多道程序技术”而出现的，因此，操作系统和程序并发是一起诞生的
当今计算机，一般都是多核CPU，这意味着同一时刻可以有4个程序并行执行，但操作系统的并发性依然是必不可少
共享：即资源共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程使用
两种资源共享方式：互斥共享，同时共享
互斥共享：系统中某些资源，虽然可以供给多个进程使用，但在一个时间段内只允许一个进程访问该资源
同时共享：系统中的某些资源，允许一个时间段有多个进程，同时使用对他们进行访问
所谓“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的（即分时共享）
如果失去并发性，则系统中只有一个程序正在运行，则共享性失去存在的意义
如果失去共享性，则系统中两个程序不能同时获取硬盘资源，并发性也就失去了意义
虚拟：是指把一个物理上的实体变为若干逻辑上的对应物，物理实体（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的
虚拟技术：空分复用，时分复用
虚拟技术中的“时分复用技术”，微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务
异步：在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的。而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性

系统并发性那么共享性，虚拟，异步也都没有意义了，
并发和共享是操作系统最基本的两个特征，

操作系统的发展与分类
手工操作阶段
主要缺点：用户独占全机，人机速度矛盾导致资源利用率极低，
批处理阶段—单道批处理系统
引入脱机输入输出技术（磁带完成），并监督程序负责控制作业的输入，输出
主要其优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升
主要缺点：内存中仅有一道程序程序运行，只有该程序运行结束后才能调入下一道程序，CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成，资源利用率依然很低，
批处理阶段—多道批处理系统
主要优点：多道程序并发执行计算机资源，资源利用率大幅度提升，CPU和其他资源保持忙碌状态，系统吞吐量增大
主要缺点：用户响应时间长，没有人机交互功能（用户提交自己的作业之后只能等待计算机完成，中间不能控制自己的作业执行）
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分时操作系统：计算机以时间片为单位轮流为每个用户/作业服务，各个用户可以通过终端计算机进行交互
主要优点：用户请求可以被及时响应，解决了人机交互问题，允许多个用户使用一台计算机，并且用户对计算机的操作相互独立，感受办不到别人的存在
主要缺点：不能优先处理一些紧急任务，操作系统对各个用户/作业都是完全公平的，循环地为每个用户/作业服务一个时间片，不区分任务的紧急性
实时操作系统：
主要优点：能够响应一些紧急任务，某些任务不需要时间片排队
在实时操作系统的控制下，计算机系统接受到外部信号后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事件，事实操作系统的主要特点是及时性和可靠性
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操作系统的运行机制和体系结构
什么是指令？与代码有什么区别？
一条该机语言的代码翻译过来可能对应多条指令
指令：特权指令，非特权指令
特权指令：比如内存清零指令，不允许用户使用的指令
非特权指令：如普通的运算指令
那么CPU如何判断当前是否可以执行特权指令
两种处理器状态：用户态（目态）和核心态（管态）
用户态此时CPU只能执行非特权指令
核心态此时特权指令和非特权指令都可以执行
两种程序：内核程序和应用程序
内核程序：操作系统的内核程序是系统的管理者既可以执行特权指令，也可以执行非特权指令，运行在核心态，
应用程序：为了保证系统能安全运行，普通应用程序只能执行非特权指令，运行在用户态
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操作系统内核
内核时计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本的，最核心的部分
实现操作系统内核功能的那些程序就是内核程序

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类比：
操作系统的体系结构与企业管理问题很相似
内核就是企业的管理层，负责一些很重要的工作，只有管理层才能执行特权指令，普通员工只能执行非特权指令，用户态，核心态的切换相当于普通员工和管理层之间的工作交接
大内核：企业初创时体量不大，管理层的人会负责大部分的事情，优点是效率高，缺点是组织结构混乱，难以维护
微内核：随着企业体量越来越大，管理层只负责最核心的一些工作，优点是组织结构清晰，方便维护，缺点是效率低

中断和异常
中断机制的诞生
为了解决早期计算机各个程序只能串行执行，系统资源利用率低，引入多道程序并发执行，本质：发生中断就意味着需要操作系统介入，开展管理工作
中断的概念和作用
1.当中断发生时，CPU立即进入核心态
2.当中断发生后，当前运行的进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
3.对于不同的中断信号，会进行不同的处理
发生了中断，就意味着需要操作系统介入，开展管理工作，由于操作系统的管理工作（比如进程切换，分配I/O设备等）需要特权指令，因此CPU要从用户态转为核心态，中断可以使CPU从用户态切换为核心态，使操作系统获得计算机的控制权，有了终端，才能实现多道程序的并发执行
问题用户态到核心态是怎么实现的？核心态到用户态怎么实现，
是通过中断实现的，并且中断是唯一途径，核心态到用户态的切换是通过执行一个特权指令，将程序状态字（PSW）的标志位设置为用户态，
中断的分类
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外部中断的处理过程
step1：执行完每个指令之后，CPU都需要检查当前是否有外部中断信号
step2：如果检测到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字PSW，程序计数器PC，各种通用寄存器）
step3：根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
step4：恢复原进程的CPU环境并推出，返回原进程继续往下执行

系统调用
什么是系统调用，有何作用？
“系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用和层序可以发出系统调用请求来获取操作系统的服务
应用程序通过系统调用请求操作系统的服务，系统中各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是和资源有关的操作（如存储分配，I/O操作，文件管理等）都必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，操作系统代为完成，这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法的操作
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库函数和系统调用的区别

系统调用背后的过程

第二章进程线程

进程的定义：在计算机发展史上，进程是为了解决什么问题而被引入的？
进程的组成：每个进程由哪些部分组成？
进程的组织方式：系统中各个进程之间是如何被组织起来的？
进程的特征：相比于程序，进程有哪些特征？

程序：就是一个指令序列
早期计算机（只支持单道程序），程序的代码放在程序段内，程序运行过程处理的数据放在数据段内（如变量）
引入多道程序技术之后：内存中同时放入多道程序，各个程序的代码，运算数据存放的位置不同，操纵系统要怎样才能找到各个程序存放的位置呢？为了方便操作系统管理，完成各程序并发执行，引入了进程，进程实体的概念，PCB），用来描述进程的各种信息（如程序代码存放地址），进程控制块（PCB），程序段，数据段三部分构成了进程实体（进程映像）
所谓创建进程，实质上创建进程就是创建进程实体的PCB，而撤销进程，实质上就是撤销进程实体中的PCB，（PCB是进程存在的唯一标志）
进程的定义：1.进程是程序的一次执行过程，2.进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动，3.进程是具有独立功能的程序在数据集合上所运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位，
引入进程实体后，把进程定义为：进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
注意：严格来说，进程实体和进程并不一样，进程实体是静态的，进程则是动态的，不过，除非题目专门考察二者的区别，否则可以认为进程实体就是进程，因此我们可以说进程是由程序段数据段PCB三部分组成

进程的组成
进程（进程实体）由程序段，数据段，PCB三部分组成
程序段：程序代码存放的地方
数据段：程序运行时使用，产生的运算数据，如全局变量，局部变量，宏定义的常量就存放在数据端内
PCB：操作系统通过PCB来管理进程，因此PCB中应该包含操作系统对其进行管理所需的各种信息
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在一个系统中，通常有数十，数百乃至数千个PCB，为了能对他们加以有效的管理，应该用适当的方式把这些PCB组织起来
注意：进程的组成讨论的是一个进程内部由哪些部分组成的问题，而进程的组织讨论的是多个进程之间的组织方式问题
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进程的特征：

进程状态的转换

进程是程序的一次执行，在这个执行过程中，优势进程正在被CPU处理，有时又需要等待CPU服务，可见，进程的状态是会有各种变化，为了方便对各个进程的管理，操作系统需要将进程合理地划分为几种状态
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创建状态：操作系统需要完成创建进程，操作系统为该进程分配该进程分配所需的内存空间等系统资源，并为其创建，初始化PCB（如：为进程分配PID）
进程运行结束（或者由于bug导致进程无法继续执行下去，比如数组越界错误），需要撤销进程
终止状态:操作系统完成进程相关的工作，完成将分配给进程的资源回收，撤销进程PCB等相关工作

那么在什么情况下需要进行进程状态的转换呢
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进程控制
什么是进程控制：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，它具有创建新进程，撤销已有进程，实现进程状态转换等功能，简言之就是反正进程控制就是实现进程状态的转换
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如何实现进程控制
用原语实现进程控制，原语的特点是执行期间不允许中断只能是一气呵成，这种不可被中断的操作即原子操作，原语采用“关中断指令”和“开中断指令”实现

关/开中断执行的权限非常大，必然是只允许在和心态下执行的特权指令
进程控制相关的原语：
1.更新PCB中的信息（如修改进程状态标志，将运行环境保存到PCB，从PCB恢复运行环境）所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志，剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境，某进程开始运行前必须要恢复其运行环境
2.将PCB插入合适的队列
3.分配/回收资源
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进程通信

进程通信就是指进程之间的信息交换
进程是分配系统资源单单位（包括内存地址空间），因此个进程拥有的内存地址空间相互独立。为了保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间，但是进程之间的信息交换又是必须实现的，为了保证进程之间的安全通信，操作系统提供了一些方法，共享存储，消息传递，管道通信，
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线程概念和多线程模型

在没有引入进程之前，系统中各个程序只能串行执行，引入后各个程序可以并行执行，能同时干多见事情，进程是程序的一次执行，但多个事件执行显然不可能是由一个程序顺序处理就能实现的，有的进程可能需要同时做很多事情，而传统的进程只能串行执行一系列程序，为此引入了线程，来增加并发度，传统的进程是程序执行流的最小单位，引入线程后，线程成为程序执行流的最小单位，可以把线程理解为轻量级进程，线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单元，引入线程之后，不仅是进程之间可以并发执行，进程内的各线程之间也可以并发执行，进一步提升了系统的并发度，使得一个进程内也可以并发处理多个任务，引入线程后，进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元（如打印机，内存地址空间都是分配给进程的）
引入线程机制后，有什么变化？
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线程属性

线程的实现方式

多线程模型
在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了多线程模型的问题

处理机调度的概念和层次

当一堆任务需要处理，但是由于资源有限，这些事情没办法同时处理，这就需要某种规则来决定处理任务的顺序，这就是“调度”研究的问题
在多道程序系统中，进程数量往往多余处理机个数，这样不可能同时并行的处理各个进程，处理机调度，就是从就绪队列中按照一定的算法选择一个进程并将出理解分配给它运行，以实现进程的并发执行，
调度的三个层次—高级调度
由于内存空间有限，又是无法将用户提交的作业全部放入内存，因此就需要确定某种规则来决定将作业调入内存的顺序
高级调度（作业调度），按照一定的原则从外存上处于后备队列的作业中选择一个或多个作业给他们分配内存等必要的资源，并建立相应的进程（PCB），使他们获得竞争处理机的权利
高级调度是辅存（外存）与内存之间的调度，每个作业只调入一次，调出一次，作业调入时会创建相应的PCB，作业调出时才撤销PCB，高级调度主要是指调入的问题，因为只有调入的实际需要操作系统来确定，但调出的实际必然是作业运行结束才调出
调度的三个层次—中级调度
引入虚拟存储技术之后，可将暂时不能运行的进程调至内存等待，等他重新具备了运行条件且内存又稍有空闲时，重新调入内存，这么做的目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量
暂时调到外存等待的进程为挂起状态，值得注意的是，PCB并不会一起调到外存，而是常驻内存，PCB中会记录进程数据和在外存中存放的位置，进程状态等信息，操作系统通过内存中的PCB来保持对各个进程的监控，管理，被挂起的进程的PCB会被放到挂起队列中
中级调度（内存调度）就是要决定将那个挂起状态的进程重新调入内存，一个进程可能会被多次调出，调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高
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调度的三个层次—低级调度
低级调度（进程调度）其主要任务就是按照某种方法和策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给他
进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度，进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次
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进程调度的时机和切换与过程调度的方式

调度算法的评价指标

CPU利用率

系统吞吐量

周转时间

等待时间

响应时间

调度算法

先来先服务

短作业优先

高响应比优先

时间片轮转调度算法
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如果时间片太大，使得每个进程都可以一个时间片内完成。则时间片轮转调度算法就会退化为先来先服务调度算法，并且会增大进程的响应时间，一次时间片不能太大，（比如：系统中有十个进程并发执行，如果时间片为一秒，则一个进程被响应的时间可能需要等待9秒，也就是说，如果用户在自己进程的时间片外通过键盘发出调试命令，可能需要等待9秒才能被系统响应）
另一方面，进程调度，切换是有时间代价的（保存，恢复环境），因此如果时间片太小，会导致进程切换过于频繁，系统会花大量的时间来处理进程切换，从而导致实际用于进程执行的时间比例减小，可见时间片也不能太小，
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优先级调度算法

补充：就绪队列未必只有一个，可以按照不同的优先级来组织，另外，也可以把优先级更高的进程排在更靠近队头的位置，根据优先级是否可以动态改变，可以将优先级分为静态优先级和动态优先级两种，静态优先级，创建进程后，优先级一直不发生改变，动态优先级：创建进程时有一个初始值，之后根据情况动态地改变优先级，通常系统进程优先级高于用户进程，前台优先级高于后台优先级，操作系统更偏好于I/O型进程（或者说I/O繁忙型进程，与之相对的是计算型进程）（i/o设备和CPU可以并行工作，如果优先让i/o繁忙型进程优先的话，则越有可能让I/O设备尽早地投入工作，则资源利用率，系统吞吐量都会得到提升）可以从追求公平，提高资源利用率等角度考虑，如果某个进程等待了很长时间了，则可以适当提高其优先级，如果发现一个进程频繁地进行I/O操作，则可以是当地提高其优先级
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多级反馈队列调度算法
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进程同步，进程互斥

进程互斥的软件实现方法

进程互斥的硬件实现方法

信号量机制
信号量机制：整型信号量，记录型信号量

用信号量机制实现进程互斥，同步，前驱关系
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生产者-消费者问题

多生产者-多消费者问题

吸烟者问题

读者-写者问题

哲学家进餐问题

管程

死锁

死锁的处理策略—死锁的预防

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死锁的处理策略—避免死锁