计算机基础-操作系统篇

本篇为操作系统部分
为增加可读性三部分分为三篇文章，另外两片链接如下：
计算机基础网络篇
计算机原理篇

一，操作系统概览

• what & why
  操作系统是管理计算机硬件、软件的程序。
  方式：管理配置内存、决定资源供需顺序、控制输入输出设备等，并提供操作界面

• 操作系统的基本功能
  管理计算机资源
  实现了对计算机资源的抽象
  提供了对用户的接口（图形，命令，系统调用）

  
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• 相关概念
  并发、共享、虚拟、异步
  1.并行与并发：
  并行：多个事件同一时刻发生
  并发：多个事件同一时间间隔发生
  

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二，进程

1.进程：

是系统进行资源分配和调度的基本单位；
进程是程序独立运行的载体；
进程大幅提升系统资源利用率；

2.主存中的进程形态 --->> 进程控制块 PCB

包括：标识符、状态、程序计数器、内存指针、上下文数据、IO状态信息、记账信息、优先级等
一个进程process可以有多个线程thread；
线程是操作系统运行调度的最小单位

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3.五状态

就绪、阻塞、执行、、创建、终止

• 创建：
  动作 >>> 分配PCB，插入就绪队列
  状态 >>> 拥有PCB，其他资源未就绪
  操作系统提供了fork函数接口创建进程
• 终止：系统清理 >>> 归还PCB
• 就绪：分配到除CPU外所有必要的资源之后
  并发的就绪进程，排列成了就绪队列
• 执行状态：获取CPU后正在运行的
  单处理器中只有一个是执行的
• 阻塞：因某种原因，放弃CPU后，进入的状态（也存在阻塞队列）
  例，执行的时候调用打印机过久，进入阻塞状态，打印机就绪后，又进入就绪状态，分配到CPU后，重新进入执行状态
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4.进程同步

• 因为处理临界资源，多个异步进程抢夺资源会产生bug，顾需要进程同步，协调多进程的资源使用次序
  根源：进程间彼此无通信
• 同步原则
  临界资源，是一种共享资源，但同时只能被单一进程使用。其他进程必须依据操作系统的同步机制等待占用进程释放该资源，才可以重新竞争使用该共享资源
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• 线程同步
  同理，进程内的多线程也需要同步
  方法：互斥量、读写锁、条件变量、自旋锁

5，Linux进程

• Linux进程类型
  前台进程：有终端，可以和用户交互（终端里手动运行一些文件）
  Ctrl+C停止
  后台进程：没有占用终端（优先级稍低于前台进程）（终端里手动运行一些文件、命令，尾部加&，即是后台进程，不占用终端）
  Ctrl+C无法停止，使用kill命令
  守护进程：一种后台进程，通常以d结尾的进程，随系统启动、关闭而启动关闭，保护如http，ssh等操作

• 父子进程
  A调用fork创建进程B，B创建C
  pstree命令查看父子关系

  
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• 状态标记

  
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• 常用命令
  ps:
  查看当前进程
  ps -aux 打印进程的详细信息
  ps -u root 查看指定用户root的进程
  ps -aux | grep 'python3' 查看指定程序的进程
  ps -ef --forest 查看进程树
  排序sort
  top:
  top 查看系统进程的所有状态
  kill:
  给操作系统发送信号
  kill -l 查看信号列表
  kill -9 PID 无条件终止后台进程

6，作业管理

1.进程调度
决策哪个就绪进程获得cpu使用权

• 调度的三个步骤与机制：
  就绪队列排列机制、选择运行进程的委派机制、新老进程切换机制
• 根据老进程是否执行完成，分为：非抢占式调度、抢占式调度
• 相关算法
  先来先服务、短进程优先、高权优先、时间片轮转调度算法

2.死锁
竞争资源、调度顺序、进程通信等原因造成多进程永久等待状态。

• 必要条件：互斥、请求保持、不可剥夺、环路等待。死锁一定满足这四个条件。
• 死锁处理
  预防：破坏必要条件一个或多个
  银行家算法：以银行借贷系统分配策略为基础的算法。用到所需资源表、已分配资源表、还需分配表。

三，存储管理

1.内存分配与回收

• 分配过程
  固定分区分配（最简单）：若干分区，每个分区分配一个程序
  动态分区分配（常用）：根据进程需要，动态分配空间（涉及数据结构与算法）
  相关数据结构：动态分区空闲表（表格），动态分区空闲链（双向链表保存空闲区域）
  动态分区分配算法：
  ①，首次适应算法（FF算法）：分配内存是时，从头遍历链表，合适即用，若无则匹配失败。
  改进：循环适应算法，每次开始不从头部，而从上一次检索的位置开始。
  ②，最佳适应算法（BF算法）：将链表按照大小排序，遍历链表，选择最合适的
  ③，快速适应算法（QF算法）：多个链表，分表储存一样大小的空闲区

• 回收过程

  
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2.段页式存储管理

将进程逻辑空间等分为若干大小的页面，相应的物理内存空间分成同页面大小的物理块，然后以页面为单位，把进程空间分散的装进物理内存

• 内存碎片
  所以页面的大小一般是512B ~ 8K

  
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• 页表
  记录进程逻辑空间与物理空间映射的表
  页表的缺点如下，故需要多级页表

  
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• 多级页表
  一级页表保存二级页表的地址，按需加载二级页表
• 段式存储管理
  当一段逻辑存在于多个页表，执行效率降低，为此引入段式
  同页式，段式页式将逻辑空间分段，但是是根据连续逻辑的长度，分为若干不等的片段。
  使用段表记录
• 终极方案：段页式存储
  先按段式分成若干逻辑段，再按页式将每个段按页的大小分页

3.虚拟内存

• 概念：进程的逻辑空间很大，程序需要使用的内存，存至物理内存，暂时不用的放入磁盘中
• 程序的局部性原理
  CPU访问存储器时，无论是存取指令，还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中，（因此才可以实现虚拟内存）
  当访问页不在内存时，发出缺页中断，发起页面置换
  以上，就实现了程序拥有很大的内存空间，即虚拟内存
• 虚拟内存的置换算法
  与高速缓存和主存之间的替换算法一样，是之前学过的FIFO，LFU，LRU
  前者解决了速度的问题，后者解决了容量的问题

4.Linux储存管理

• buddy内存管理算法
  主要解决内存外碎片问题。将外碎片转换为内碎片。
  原则是分配内存向上取整2的幂次方，申请77k，分配128K。
  算法：创建一系列空闲块链表，比如每个块大小相同，1K ~ 1M等一系列的链表，分配与回收~~
  分配：1M的内存，申请77K，开始只有1M的链表，删除节点，512K链表添加两个节点，判断512K过大，拿出一个512K节点分为两个256K节点。。。最后，拥有一个空的1M链表，拥有一个节点的512K链表，256K链表，128K链表，分配出去一个128K的内存。
  回收：归还128K内存，判断buddy节点，有一个空的128K节点，两者结合，128K链表为空，向256K链表添加一个节点，再次判断buddy节点，有buddy节点，继续合并。。。结果，1K ~ 512K链表都为空，1M的链表有一个节点。
  页内碎片：已经分配出去的内存空间，大于请求使用的空间，空闲部分是页内碎片（同段页式的内存碎片）
  页外碎片：没有分配出去的，但由于太小，无法分给新进程的内存碎片
• Linux交换空间 swap
  swap实际是磁盘分区，系统物理内存满的时候，会把一些内存交换至swap，系统初始化的时候配置；
  由于实际是磁盘内存，故尽量少用，否则会降低系统速度；
  top命令可以查看swap空间；
  作用：冷启动的依赖（大型应用启动的时候需要大量内存）；系统睡眠依赖（系统睡眠时内存存至swap，下次启动快）；大应用依赖；
  对比虚拟内存：
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四，文件管理

1.文件的逻辑结构

• 有结构文件：文本，图片视频，文档等
  文件内容由定长记录和可变长记录组成
  定长记录储存文件格式，文件描述等结构数据
  可变长记录，存储具体内容
• 无结构文件：二进制文件和链接库，exe文件，dll文件，so文件等
  内容长度以字节为单位

2.辅存的空间分配

• 辅存的分配方式
  连续分配，链接分配（隐式和显式），索引分配
• 存储空间管理
  空闲表，空闲链表，位示图
• 目录管理
  目录树

3.Linux文件操作

• Linux目录

  
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• Linux文件常用操作
  相关命令自查

• Linux文件类型
  ls -al 查看文件列表，每个文件信息的第一个字符代表文件类型

  
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4.Linux文件系统

• Linux文件系统
  常见的文件系统：FAT，NTFS，EXT2/3/4
  FAT：file allocation table，是微软dos/windows使用的，有FAT16/FAT32，使用一张表保存盘块信息
  NTFS：new technology file system Windows系统现在用的，从FAT发展而来
  EXT： extend file system Linux，macos使用，window不识别（Linux可使用和识别fat,ntfs）

• ext文件系统
  由boot sector和很多block group组成
  前者是启动扇区，安装开机管理程序；后者是存储数据的块
  block group的组成：
  命令：stat + 文件名可以查看文件信息（一个文件有好多block group）

  
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五，操作系统设备管理

1.IO设备的缓冲区
为减少IO请求频率，提高CPu与IO并行行（类似减少DOM操作）
程序的多次对IO设备的交互，改为程序先写入缓冲区，再统一发送给IO设备，变成一次交互。
某一特定的进程可以拥有专用缓冲区，但是专用过多会占用大量内存，所以也存在公共缓冲区，即缓冲池。
2.spooling技术（同步变异步）（虚拟技术）
（类似于减少DOM操作，也不太一样）
原来三个进程要使用打印机，会排队等待，进程会出现阻塞
spooling单独创建一个控制打印机的进程，三个进程把要打印的内容都写入spooling进程（很快），然后三个进程（认为已经打印完成了）不阻塞继续工作，打印机持续输出。

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