操作系统笔记（1）

一、操作系统引论1. 操作系统的核心四特征操作系统是管理计算机硬件与软件资源的系统软件其运行的底层逻辑由四大核心特征支撑- 并发宏观上多个程序同时推进微观上CPU交替执行和“并行”的物理同时执行有区别是OS最核心的特征。- 共享系统资源CPU、内存、外设等被多个并发进程共同使用分互斥共享如打印机和同时共享如磁盘两种模式。- 虚拟通过技术把物理资源转成多个逻辑资源比如虚拟内存、虚拟CPU让用户感觉独占整台机器。- 异步进程以“走走停停”的方式执行执行速度不可预知但初始条件相同时最终结果一致。2. 操作系统的五大核心功能OS本质是资源管理者所有功能围绕资源分配与调度展开- CPU管理负责进程/线程调度分配CPU时间片实现多任务并发。- 内存管理完成内存分配/回收、地址映射、内存保护扩充虚拟内存保障多进程内存隔离。- 设备管理管理I/O设备驱动、分配、缓冲用虚拟设备技术提升设备利用率。- 文件管理统筹文件存储、检索、共享、权限管理目录结构与文件系统实现数据持久化。- 接口管理给用户/应用提供命令接口、程序接口系统调用屏蔽硬件细节。3. 操作系统提供的核心服务OS为上层应用提供标准化服务降低开发门槛- 程序执行加载、调度、运行用户程序。- I/O操作封装硬件细节提供统一的I/O接口。- 文件操作实现文件的创建、读写、删除、权限管理。- 通信服务支持进程间通信、网络通信。- 错误处理捕获异常、做故障恢复保障系统稳定。4. 操作系统的发展历程从手工操作到现代云原生OS的演进始终围绕提升资源利用率、优化用户体验展开手工操作 → 单道批处理 → 多道批处理 → 分时系统 → 实时系统 → 现代OS云/虚拟化- 单道批处理一次只运行一个作业CPU利用率极低。- 多道批处理多作业并发执行大幅提升CPU利用率但无交互性。- 分时系统多个用户分时共享主机具备交互性、及时性、独占性。- 实时系统优先保障响应时间分硬实时如工业控制和软实时如视频直播。5. 操作系统的分类按应用场景分类批处理、分时、实时、个人计算机、网络、分布式、嵌入式操作系统。按内核架构分类- 宏内核单内核所有功能文件、内存、驱动等都在内核态运行效率高、扩展性差、稳定性弱如Linux、Windows早期版本。- 微内核仅核心调度、通信功能在内核态其余服务在用户态安全性高、扩展性强、效率略低如QNX、鸿蒙微内核。- 分层/模块化内核按功能分层结构清晰、模块间依赖少兼顾效率与可维护性。6. 内核态与用户态系统安全的核心屏障- 内核态管态能执行所有指令访问所有硬件/内存资源是OS内核的运行状态。- 用户态目态仅能执行非特权指令无法直接访问硬件是普通应用程序的运行状态。- 切换触发方式仅通过中断、异常、系统调用三种方式切换普通函数调用不会触发态切换。7. 中断 vs 异常特性 中断Interrupt 异常Exception来源 外部硬件事件如键盘输入、I/O完成 内部程序错误/异常如除零、缺页同步性 异步和当前执行程序无关 同步由当前执行指令触发处理逻辑 响应外部事件不影响原程序正常执行 处理内部错误可能终止原程序共同点 都会触发内核态切换由内核统一处理8. 系统调用用户态访问内核的唯一入口系统调用是用户程序请求内核服务的标准化接口本质是通过软中断进入内核态执行内核功能后返回用户态比如 open() 、 read() 、 write() 都是典型的系统调用。二、进程与线程并发执行的核心载体1. 进程的本质程序的一次执行进程是程序的一次执行过程是系统进行资源分配的基本单位而PCB进程控制块是进程的唯一标识系统通过PCB管理所有进程。2. 进程的三态模型与状态转换进程有三个核心状态就绪态、运行态、阻塞态状态转换由事件触发是进程调度的核心逻辑。进程状态转换示意图进程状态转换图状态转换规则- 就绪 → 运行CPU调度时间片分配、高优先级进程抢占- 运行 → 阻塞主动等待I/O事件、资源请求如读磁盘、等待信号量- 阻塞 → 就绪I/O完成、等待的事件到来、资源可用- 运行 → 就绪时间片用完、被高优先级进程抢占补充完整五态模型还包含创建态、终止态用于进程的生命周期管理。3. 进程的核心操作- 创建通过fork()等系统调用分配PCB、分配资源创建子进程。- 终止通过exit()等系统调用释放资源、销毁PCB。- 阻塞进程主动放弃CPU等待事件触发。- 唤醒等待的事件到来时将阻塞态进程转为就绪态。- 挂起将进程移出内存暂存到外存释放内存空间。4. 进程控制块PCBPCB是进程存在的唯一标志存储进程管理所需的全部信息核心作用和包含信息如下- 作用作为进程标志提供进程管理所需信息实现进程间的调度与切换。- 核心信息进程标识符、进程状态、优先级、程序计数器、CPU寄存器、内存管理信息、I/O设备信息、资源清单等。5. 进程间通信IPC进程运行在独立地址空间需通过IPC实现数据交换与同步主要方式- 共享存储多个进程共享一块内存区域需同步互斥如共享内存。- 消息传递通过直接/间接通信传递消息是进程间最常用的通信方式如管道、消息队列。- 管道通信半双工通信基于文件的通信方式分为无名管道父子进程和命名管道无亲缘进程。6. 线程CPU调度的基本单位线程是进程内的执行单元是CPU调度的基本单位共享进程的内存资源开销远小于进程可实现更高效的并发。- 线程与进程的关系一个进程可包含多个线程线程共享进程的地址空间、文件描述符等资源线程切换无需切换进程地址空间开销更低。