小浩教你学操作系统

青旅半醒 2022-07-18 01:08 217阅读 0赞

\*\*前言：  
有大神说过，学技术入门可以书籍+视频，6天时间刷了一套视频和看一本书，把操作系统的一些重要部分写成这篇博客，视频和书籍如下：  
哈工大李治军的操作系统教程：[http://mooc.study.163.com/u/3793984885\#/c][http_mooc.study.163.com_u_3793984885_c]  
![这里写图片描述][20160903183559177]

操作系统定义：一个介于计算机硬件和应用程序中间的管理计算机系统资源、控制程序运行的系统软件。

操作系统的组成部分：  
1).处理机管理（核心）  
2).存储器管理  
3).文件管理  
4).作业管理  
5).设备管理

抛砖引玉  
操作系统最重要的观念：取指执行  
操作系统存在于磁盘，开机启动时，操作系统被分段的从磁盘加载到内存。此后，操作系统将常驻从开始0的一段内存，往上的内存留给其它应用程序。

## 1).处理机管理（核心） ##

处理器管理的核心是多进程机制，所以多进程是操作系统的核心的核心，图1所示。  
![这里写图片描述][20160903182528415]

（1）什么是进程？  
进程是并发程序的一次执行过程，进程是一个具有一定独立功能的程序关于某个集合的一次运行活动。

（2）进程有什么特点？  
动态性、制约性、并发性。

（3）进程有哪些状态？  
运行状态：该进程正占者cpu时间，正在被cpu执行;  
就绪状态：进程已经被调入主存储器中，满足所有的运行条件，但是没有获得cpu时间;  
等待状态：进程缺少满足运行的条件，也没有获得cpu时间;

（4）操作系统感知进程的单位是什么？  
PCB（进程控制块）：描述一个进程与其它进程的关系以及系统资源的关系，还记录着进程的状态。

（5）进程的生命周期（专业术语是叫进程控制原语）  
包括进程的建立、进程的撤销、进程的等待、进程的唤醒。

（6）复杂的操作系统中，进程之间有哪些联系？  
关系：同步、互斥  
这里回顾一下Java编程语言的一些内容，在java的线程（进程中可以并发执行的程序段，是可执行代码的不可拆散的单位）关系中，也有互斥（synchronized/lock）、同步、生产—消费关系等。那么java线程的关系在底层是怎么运作的，原理是什么？java的线程原理的思想也是来源于操作系统进程关系原理。  
其实进程互斥、同步、生产—消费关系在操作系统内部是靠P，V原语算法实现的：

![这里写图片描述][20160903182605822] ![这里写图片描述][20160903182620791]

P，V原语包括信号量和p，v操作组成：  
互斥：  
semaphors S=1;  
进程A:  
…  
P(S);  
CSI;  
V(S);  
…  
进程B:  
…  
P(S);  
CSI;  
V(S);  
…  
同步：  
semaphors S=0;  
进程A:  
…  
V(S);  
…  
进程B:  
…  
P(S);  
…  
（7）我喜欢边听音乐，边写java程序，边使用word做笔记，那么计算机的cpu是怎么管理这么多的功能的呢？  
其实听音乐、写java程序、用word做笔记都分别是独立的进程，cpu把时间分为许多个时间片，交给这些进程交替执行。  
那么进程之间是怎么切换的呢？  
进程由于占用系统资源，在切换中造成时间的浪费，而线程轻巧灵活，因此用进程内部的线程切换完成进程切换，原理如下：

![这里写图片描述][20160903183624522]

其中最重要的切换是Schedule(调度)，它才是真正切换的动作，那么，Schedule内部究竟是什么呢？  
整个操作系统的运转也就是进程间不停地调度，调度是操作系统的发动机。  
linux提供三种调度算法：用于实时进程的先进先出算法、轮转算法、用于普通进程的可抢占式动态优先级算法。  
我们来看看Linux0.11的Schedule函数源码：（其中的counter既表示优先级，又表示时间片）

void Schedule(void){
              while(1){
                        c=-1;
                        next=0;
                        i=NR_TASKS;
                        p=&task[NR_TASKS];
                        while(--i){
                                 if((*p)->state==TASK_RUNNING&&(*p)->counter>c) c=(*p)->counter,
                                      next=i;          
                        }
                        if(c) break;
                        for(p=&LAST_TASK;p>&FIRST_TASK;--p)
                                  (*p)->counter=((*p)→counter>>1)+(*p)->priority;
              }
              switch_to(next);
    }

## 2).存储器（内存）管理 ##

存储器管理的大概意思是：当作业像系统提出存储空间的要求时，存储器在内存中划出一块地址给作业。  
这其中就牵扯到很多东西了，你一个作业（可以理解为程序实体）进来内存，内存要怎么分配内存给你？作业完之后，内存要怎么释放？作业是怎么加载进内存的？…  
总的来说，衡量存储器管理分为几个指标：  
（1）内存划分方式  
（2）作业划分方式  
（3）重定位方式  
（4）分配方式  
（5）存储保护方式  
（6）连接方式  
（7）能否共享  
（8）需要哪些硬件支持  
（9）需要哪些软件支持  
（10）是否支持虚拟存储器  
存储器管理方法也分为以下几种：  
（1）分区管理  
。单一分区  
。固定分区  
。动态分区  
（2）分页管理  
（3）分段管理  
（4）段页式管理

现在流行的是段页式的管理内存方式，重点看看段页式管理，段页式既又对进程程序进行段划分的优势，又有对内存页划分的优点，原理如下图：

1.对进程的程序进行段的划分  
2.对内存进行页的划分  
3.建立段和页的映射

从而实现对有限内存的最大利用

![这里写图片描述][20160903182826072]

但是上面的进程如果太大，而内存剩余的容量不足够容纳进程时会造成无法执行进程，于是虚拟内存出现了，把进程的程序加载到在硬盘开出的指定空间（虚拟内存/也叫交换空间），在分部地与物理内存交换，进而使小的内存能够运行较大的进程。，原理图如下：

1.缺页的意思是内存没有页分配给正在执行的进程，原理图中，当进程太大，内存缺页时，cpu执行中断处理，去执行其他的进程，而中断处的进程会告诉硬件缺页，硬件马上把内存中没有执行进程的页面换出，从磁盘中换进中断进程的其他页，等到cpu会到中断处，又可以继续执行原先进程。

2.而换出内存中的哪张页面，也很有讲究，可以使用clock算法，将最近没有被访问的内存页换出。

3.还记得在安装linux（fedora/redhat）时，有个步骤是指定分区的，其中有一个叫swap（交换分区）的，它的用途是为了实现虚拟内存。

4.swap的目的是实现虚拟内存，而虚拟内存是为了增强段页式管理内存地功能，而段页式的目的是为了尽可能加载更大的程序到内存中，但是内存运行程序的目的是执行进程。进程又属于cpu（处理器）管理。

![这里写图片描述][20160903182907544]

## 3).文件管理 ##

（1）在文件之前还得了解磁盘（内容细节太多，自行百度），这里只提一下磁盘如何与进程交互？

1.进程需要向磁盘请求操作，将请求置于请求队列中（利用电梯算法决定先执行哪个请求）  
2.进程进入sleep状态  
3.磁盘中断处理  
4.唤醒进程  
如下图：

![这里写图片描述][20160903182932607]

（2）文件的结构  
文件分为流式无结构文件和纪录式结构文件，其中我们最熟悉的数据库文件也是一种纪录式结构文件。

（3）文件视图  
文件视图是操作系统的重要组成部分，它把外设、磁盘等IO操作统一起来，全部当成文件使用，用户只需相同的操作，操作系统会区分不同的硬件。看原理图：

![这里写图片描述][20160903183005795]

（4）文件目录的结构  
在《数据结构》中，不管是树、图最终的保存形式都是一维结构。文件也一样，尽管在头脑中展现的是树形结构，但是在底层也是一维结构。linux的文件系统采用基于索引结构的EXT2。索引文件的思想类似于存储管理的分页管理，把文件划分为大小相同的若干连续的逻辑块，每块逻辑块可存放到存储空间中的任一物理块中。系统为每个文件建立一张索引表，给出逻辑块号和分配给它的物理块号的对应信息（inode）。

## 4).作业管理 ##

作业可以理解为用户给计算机一些命令，计算机根据命令做事。  
比如：linux采用了作业控制命令的形式，用户登录系统时就进入了一个称为shell的命令界面。shell解释用户输入的命令行，提交系统内核处理，并将结果返回给用户。（windows采用图形化界面）  
作业的状态有：  
（1）提交状态  
该时期的作业处于输入设备和辅助存储器中，但作业的描述信息还未产生  
（2）后备状态  
与提交状态相比，作业信息已经俱备  
（3）执行状态  
作业被调入主存储器中，并以进程形式存在  
（4）停止状态  
作业已完成指定的功能

对作业的管理主要通过作业调度算法和进程调度算法实现（类似处理器管理的Schedule函数）。  
任务，进程与线程：  
当任务被启动时，对应于该任务的进程也就被建立。进程的运行又有两种情况：以纯粹的进程形式存在或者以线程的形式存在。线程是构成进程的可独立运行的单元，当进程由线程构成时，线程成为占有cpu时间片的实体。

linux处理的对象是进程。

## 5).设备管理 ##

一部计算机除了cpu和内存外，还有显示器、鼠标、键盘、各种驱动器。而这些需要用户操作，输入输出的称为设备  
计算机中的设备需要标识和设备驱动程序  
这里重点讲讲输入输出的控制方式，比如键盘，我们在键盘上打字，计算机是怎样接收的？  
从历史的演化中，有程序控制输入输出方式、中断输入输出方式、直接存储方式（DMA）、通道方式。  
由于每种外设都有相应的驱动程序，生产商的官网一般也会提供驱动下载，这里就不多说。具体看下面的原理图：

![这里写图片描述][20160903183038671]

来看看设备管理涉及到的一些技术：  
1.中断技术  
看图就行：

![这里写图片描述][20160903183059625]

2.缓冲技术  
在内存中专门开辟若干单元作为缓冲区（篇幅太长，自行百度吧）  
最后提一下linux的设备管理  
这是linux的一大特色，linux把每一个I/O设备都看成一个文件，与普通文件一样处理，使得文件与设备操作尽可能统一。对于用户而言，不需要了解I/O的细节，而是当成普通文件一样使用。

## 6).操作系统全局 ##

多进程是核心，cpu为总控制器，内存和io为重要组成部分。

![这里写图片描述][20160903183122688]

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[20160903183122688]: /images/20220717/07207db966424349be1d649ff463b583.png