作为大学必修的一门操作系统课程，现对整体框架进行总结和梳理。必须要知道计算机发展经历了四个阶段：批处理操作系统（单通道，多通道）、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。
操作系统总共包括4大部分，其中处理机管理、文件管理、存储管理和设备管理。用一个图来表示其整体架构可以如下图所示。（操作系统也可是扩充机器）
上图是对各个管理模块的描述和之间的依赖关系，详细内容分布（操作系统特征、运行机制、体系结构）主要看下图：
一、操作系统特征
- 并发：宏观上一段时间内完成两个或者多个任务称为并发。并行是指在同一时刻能运行多条指令。引入进程的目的一是系统可以并发执行。
- 共享：资源共享即为共享，有两种类型：互斥共享（打印机等类似资源等待的任务）、同时共享（磁盘共享）。
- 虚拟：把一个物理存储空间映射为一个连续的较大的虚拟地址（地址空间）。包括两种：分时复用技术（CPU时间段分开）、空分复用技术（资源占有分时利用）。
- 异步：进程不是一次执行结束，而是在一个时间段内走走停停，但最后执行完任务。
在这里：并发和共享构成了操作系统的基本特征，两者相互依存又相互影响。
二、操作系统的系统作为资源的管理者，共包含四大部分。
- 处理机管理：主要是进程的管理，包括：进程调度，进程同步、进程通信、死锁、进程控制。
- 文件管理：计算机内部信息的文件存储，文件管理包括：文件存储空间管理、目录管理、文件读写和保护。
- 存储管理：内存分配、地址映射、内存保护和共享、内存扩充（虚拟表映射）。
- 设备管理：用户和计算机的I/O操作，包括：缓存管理、设备分配、虚拟设备。
三、体系结构
- 大内核：将操作系统作为一个整体放在内核当中。
- 微内核：将操作系统的功能进行详细划分，只有微内核在内核态中存在，其他的在用户态。由于存在用户态和内核态的切换所以会影响系统整体性能。
四、运行机制
中断：外中断（强迫中断，包括了人为干预、外部设备请求，时钟中断）；内中断（自愿中断：指令中断，强迫中断：硬件或者软件故障）。
异常：
系统调用概念：一个进程在用户态想使用内核态的功能时，就需要进行系统陷入内核状态，其过程由操作系统完成。简要操作如下图所示。
用户态（目态）：
内核态（管态）：与硬件紧密相关联的模块；包含了时钟管理（计时，分时调度，程序运行时间长度）；中断机制（提高多道程序运行效率）；原语（接近底层的硬件驱动程序，控制硬件的交互。其中有处理机管理、存储管理、设备管理）
Linux系统调用包括：
进程控制：fork(); wait();阻塞 exit();
进程通信：pipe();管道 shmget(); mmap(); 文件地址映射
文件操作：open(); read(); write();
设备操作：ioctrl(); read(); write();
信息维护：getpid(); alarm(); sleep();
安全：chmod(); 改变文件访问权限 umask(); chown();
处理机管理中进程管理为核心部分。
进程：资源分配的基本单位，进程控制块（PCB）记录进程的基本信息和运行状态。程序会调用一个或多个进程。
线程：独立调度的基本单位，一个进程中有多个线程占有共有资源。
进程和线程的区别：
- 占有资源：进程是资源分配的基本单位，线程不拥有独立的资源，可访问在独立进程下的资源。
- 调度：线程是调度的基本单位，同一进程之间的线程是不引起进程的切换，进程切换会引起切换。
- 系统开销：进程（资源回收）之间的调度会花费比线程（寄存器信息存储）多的资源空间。
- 通信方面：进程通信需要用到：互斥和同步。线程通信需要创建全局变量。
进程的状态和切换
就绪状态ready：资源和其他条件具备，需处理机分配执行时间。
阻塞状态wait：资源不够用，或事件驱动使其等待。
运行状态running：任务处理。
就绪、运行、阻塞状态之间的切换如下图所示。
注意：只有就绪状态和运行状态之间存在回路。就绪状态通过进程调度算法获得CPU时间，转为运行态。而运行状态在CPU时间用完之后会转为就绪状态，等待下一次调度。阻塞状态是缺少资源从而由运行状态到阻塞状态转换而来，不包括CPU时间。特别是没有CPU时间会从运行状态转移到就绪状态。
进程调度算法
- 批处理系统：先来先服务（FIFO）、短作业优先、最短剩余时间按优先。
- 交互式处理系统：时间片轮转、队列优先级调度、多级反馈机制。
- 实时系统：硬实时（在规定时间内完成任务，不允许有误差，计算精度高的处理任务）、软实时（在规定时间内可以有延迟，订票）。
进程同步
- 临界资源：一次只允许一个进程使用。
- 同步和互斥：同步多个进程依次执行，互斥多个进程只有一个进程进入临界区。
- 信号量：down阻塞，P操作；up唤醒，V操作。
消费者-生产者问题、读写问题、哲学家进餐问题。手写代码（PV操作）
进程通信是手段，进程同步是目的。为了进程能够达到一定顺序执行，需要传输进程中信息。
进程通信方式
- 管道：半双工通信，用于父子进程。fd[0]读， fd[1]写。
- FIFO：有名管道，去除进程之间限制。
- 共享：设立一个全局变量。
- 消息队列：独立于读写进程之外，避免管道打开困难。阻塞。有选择的接受消息。
- 信号量：计数器，对数据共享访问。
- 套接字：独立与机器存在的信息访问方式。
死锁产生的必要条件：互斥、占有和等待、不抢占、环路等待。
死锁多种处理方法：鸵鸟策略（忽视）；死锁检测和恢复（检测：有向环路检测，满足环路即死锁；每种类型多个资源检测：未被标记发生死锁。恢复：抢占，回滚，杀死进程）
死锁预防：破坏互斥、破坏占有和等待、破坏不抢占和破坏环路等待。
死锁避免：安全状态：不发生死锁而且进程要求的进程请求最大。单银行家资源算法，多银行家资源算法。
内存管理
虚拟内存的目的就是让物理内存拥有更大的虚拟内存，使得程序获得更大的执行空间。
为了更好的管理内存，操作系统将内存映射为地址空间，每个程序都有自己独立的地址空间，这些地址空间被划分为多个块，每个块称为一个页。这些页会被映射到物理内存中，但不需要连续的物理内存，也不需要所有的页都有独立的物理内存。当程序找不到对应的物理空间，硬件会分配一个对应的物理地址，重新执行指令。
分页地址映射：内存管理单元（MMU）保存着地址空间到物理空间的转换，其中页表包含了页（地址空间）和页框（物理地址）的映射。
在发生缺页中断时会调用“页面置换算法”。其包括：最佳、最近最久未使用、最近未使用、先进先出、第二次机会算法、时钟。（绝大多是采用的是链表策略）
分段式：将多个页面划分为多个长短不一的控件，动态增长。
分页式：将地址空间划分为多个固定长度的区域，便于地址映射。
分页和分段的区别：
- 透明性：分页透明，分段需要显示划分。
- 空间地址维度：分页是一维的，分段式二维的。
- 大小是否可以改变：分页不可以，分段可以。
- 出现原因：分页式是地址空间的增大，分段式程序和数据可以被共享使用。
设备管理
磁盘包含了：扇面、磁道、扇区、刺头、制动手臂、主轴。
磁盘调度算法影响条件：旋转时间、寻道时间、数据传输时间。
策略：先来先服务、电梯算法、最短寻道时间。
链接：
编译系统将源程序编译为可执行程序过程如下图所示。
包含了预处理、编译、汇编、链接。
静态链接：封装好的。
一组可重定向的文件组合成为目标文件。
- 可执行文件：在内存中运行。
- 可重定向文件：与其他文件功能生成目标文件。
- 共享文件：运行时动态加载。
动态链接：运行时调用。更新时不需要重新链接，代码复用。
以上就是对操作系统的总体功能总结，有问题可以和我联系[email protected] 。
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