第一章 操作系统引论
1、什么是操作系统/h2>
操作系统(Operating 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的分配，以提供给用户和其他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
2、操作系统的目标和作用
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，将裸机改造成功能强，使用更方便的机器。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器，又称之为虚拟机
操作系统的目标与应用环境有关。
例如在查询系统中所用的OS，希望能提供良好的人-机交互性；
对于工业控制、武器控制以及多媒体环境下的OS，要求其具有实时性；
而对于微机上配置的OS，则更看重的是其使用的方便性
操作系统（工匠）对硬件机器（原料）的拓展
通过优秀工匠，这些简单的原料可以组织成房子、桌子……普通用户可直接使用工匠提供的房子、桌子等，而无需关心这些东西在底层是怎么组织起来工作
3、计算机系统层次结构
1. 假如自己组装电脑，如何最终实现和同学聊天/h3>
- 组装裸机
- 安装Windows系统
- 安装微信电脑版
- 和同学聊天
转换为专业术语即：
裸机(硬件、CPU等)–>操作系统–>应用程序(软件)–>用户
2. 操作系统职能
- 负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作
- 为上层的应用程序、用户提供简单易用的服务
- 操作系统是系统软件，不是硬件
3. 操作系统作为系统职能管理者
进程是一个程序的执行。执行前需要将该程序放到内存中，才可以被CPU处理。
提供的功能
- 文件管理(从”我的电脑找到QQ”)
- 存储器管理(双击打开QQ.exe)
- 处理机管理(QQ程序正常运行)
- 设备管理(获取摄像头进行视频聊天)
4. 操作系统作为用户和计算机之间的接口
- 命令接口：允许用户直接使用
- 程序接口：允许用户通过程序间接使用
- GUI：现代操作系统中最流行的图形用户接口(如在Window拖动图标完成操作)
三者统称为用户接口
命令接口(允许用户直接使用)
联机命令接口：用户说一句，系统做一句(如命令提示符中的操作)
脱机命令接口：用户说一堆，系统做一堆(如一些系统文件)
程序接口(允许用户通过程序间接使用)
由一组系统调用组成(程序接口==系统调用)
编程人员在程序中通过程序接口请求操作系统提供服务
图形用户接口(GUI)
采用图形方式显示的计算机操作用户界面
用户可以形象的是使用图形界面进行操作，不需要记忆复杂的命令、参数
例如：Windows操作系统删除文件，只需拖动到回收站即可
4、操作系统的基本特性
①并发 ②共享 ③虚拟 ④异步
并发和共享是两个最基本的特征，互为存在条件
并发
指两个或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。
并行(不要混淆)：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。
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在同时执行)事实上，操作系统就是伴随着“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。
共享
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共同使用。
互斥共享
系统中的某些资源(临界资源)，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访间该资源。
例子：使用QQ和微信视频。同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。
同时共享
系统中的某些资源，允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问
例子：使用QQ发送，同时使用微信发送。
宏观上看，两边都在同时读取并发送文件，说明两个进程都在访问硬盘资源，从中读取数据。微观上看，两个进程是交替着访问硬盘的。
注意：所谓的“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)
虚拟
虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。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。
问题1：为什么内存4G却能运行比4G大的内容/strong>
答：这是虚拟存储器技术。实际只有的内存，但在用户看来似乎远远大于，这是虚拟技术中的“空分复用技术”（第三章介绍）
问题2：一个程序需要被分配CPU才能正常执行，那么为什么单核CPU的电脑中能同时运行这么多个程序呢/strong>
答：这是虚拟处理器技术。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
显然，如果失去了并发性，则一个时间段内系统中只需运行一道程序，那么就失去了实现虚拟性的意义了。因此，没有并发性，就谈不上虚拟性
异步
异步是指在多道程序环境下，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时，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。
如果失去了并发性，则系统只能串行地处理各个进程，每个进程的执行会一贯到底，也就谈不上异步性了。
没有并发和共享，就谈不上虚拟和异步，因此并发和共享是操作系统的两个最基本的特征
5、操作系统的发展与分类
1. 人工操作方式
早期的操作方式是由程序员将事先已穿孔的纸带(或卡片)，装入纸带输入机(或卡片输入机)，再启动它们将纸带(或卡片)上的程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。仅当程序运行完毕并取走计算结果后，才允许下一个用户上机。
缺点
①用户独占全机，即一台计算机的全部资源由上机用户所独占
②CPU等待人工操作(慢)。当用户进行装带(卡)、卸带(卡)等人工操作时，CPU及内存等资源是空闲的。
2. 单道批处理系统
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。
缺点
内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之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(比手动快一点，不过还是慢)。资源利用率依然很低。
3. 多道批处理系统
优点
多道程序并发执行，共享计算机资源。资源利用率大幅提升，CPU和其他资源保持“忙碌”状态，系统吞吐量增加。
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就只能等待计算机处理完成，中间不能控制自己的作业执行)
4. 分时操作系统
计算机以时间片(如一个时间片)为单位轮流为各个用户/作业服务，各个用户可通过终端与计算机进行交互。
优点
用户请求可以被即时响应，解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机，并且用户对计算机操作相互独立，感受不到别人的存在。
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
5. 实时操作系统
优点
能够优先响应一些紧急任务，某些紧急任务不需要时间片排队。
在实时操作系统的控制下，计算机系统接收到外部信 后及时进行处理，并且要在严格的时限内处理完事
硬实时操作系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理（如导弹控制系统）
软实时操作系统：能接受偶尔违反时间规定（如校园浇花系统）
6. 络操作系统
络操作系统是伴随着计算机 络的发展而诞生的，能把 络中各个计算机有机地结合起来，实现数据传送等功能，实现 络中各种资源的共享(如文件共享)和各台计算机之间的通信。 （如：Windows NT 就是一种典型的 络操作系统， 站服务器就可以使用)
7. 分布式操作系统
主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同，任何工作都可以分布在这些计算机上，由它们并行、协同完成这个任务。
8. 个人操作系统
如Windows10，MacOs
6、OS运行机制和体系结构
1. 运行机制
指令是CPU能识别、执行的最基本命令
1.1 两种指令
①特权指令：不允许普通用户使用的指令（如内存清零指令）
②非特权指令：普通用户可以任意使用的指令（如加减法）
1.2 两种处理器状态
①用户态（目态）：此时CPU只能执行非特权指令
②核心态（管态）：此时特权指令、非特权指令都可以执行
程序状态字寄存器（PSW）中的某标志位来标识当前处理器处于什么状态。如为用户态，为核心态
CPU如何判断当前是否可以执行特权指令/strong>
答：通过PSW进行判断。当处理器处于用户态时不能执行特权指令；当处于核心态时可以执行特权指令
1.3 两种程序
①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，也可以挠行非特权指令，运行在核心态。
②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
2. 操作系统内核
内核是计算机上配置的底层软件，是操作系统最基本、最核心的部分。
实现操作系统内核功能的程序就是内核程序。
不同操作系统对内核的划分可能不一样
1. 功能
①实现计时功能
②负责实现中断机制
内中断(内部异常)
- 陷阱(trap)：有意而为之的异常，如系统调用
- 故障(fault)：由错误条件引起的，可能被故障处理程序修复，如缺页中断
- 终止(abort)：不可恢复的致命错误造成的结果，终止处理程序不再将控制返回给引发终止的应用程序，如整数除0
外中断
- I/O中断请求
- 人工干预
2. 原语
原语的特点是执行期间不允许中断，只能一气呵成，具有原子性，这种不可被中断的操作即原子操作
比如阻塞态–>就绪态，若PCB修改时被中断了，就会发生错误，因此原语是很必要的
原语采用“关中断指令”和“开中断指令”实现。原语是一种特殊的程序，处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
运行时间较短，调用频繁
当关中断命令开启时，中断指令无法发挥作用；同理可得开中断指令
第二章 进程的描述与控制
1. 前趋图
? 前趋图(Precedence Graph)是指一个有向无循环图，可记为DAG(Directed Acyclic Graph)，用于描述进程之间执行的先后顺序，图中的每个结点可用来表示一个进程或程序段，乃至一条语句，结点间的有向边则表示两个结点之间存在的偏序(Partial Order)或前趋关系(Precedence Relation)。
-
进程(或程序)之间的前趋关系可用“→”来表示
-
如果进程Pi和Pj存在着前趋关系，可表示为(Pi，Pj)∈→，也可写成Pi→Pj，表示在Pj开始执行之前Pi 必须完成。此时称Pi是Pj的直接前趋，而称Pj是Pi的直接后继
-
在前趋图中，把没有前趋的结点称为初始结点(Initial Node)，把没有后继的结点称为终止结点(Final Node)。此外，每个结点还具有一个重量(Weight)，用于表示该结点所含有的程序量或程序的执行时间
2. 程序并发执行特征
? 在引入了程序间的并发执行功能后，虽然提高了系统的吞吐量和资源利用率，但由于它们共享系统资源，以及它们为完成同一项任务而相互合作，致使在这些并发执行的程序之间必将形成相互制约的关系，由此会给程序并发执行带来新的特征。
①间断性：程序只有在自己的时间片内才执行，过程断断续续
②失去封闭性：资源已共享，自然失去封闭性
③不可再现性：比如两个程序和共享变量，做操作，做并清零操作，若和以不同速度运行，则的值会发生变化由此，决定了通常的程序是不能参与并发执行的
3. 进程
1. 进程的描述
程序段、相关数据段、PCB，简称进程(进程实体)
创建进程，实质上是创建进程实体中的PCB；而撤销进程，实质上是撤销进程实体中的PCB。PCB是程序存在的唯一标志！
- 进程是程序的一次执行过程
- 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
- 进程是具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
1.1. 进程组成
1.3 进程特征
①动态性(最基本)：进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的
②并发性：内存中有多个进程实体，各进程可并发执行
③独立性：进程是能独立运行，独立获得资源、独立接受调度的基本单位
④异步性：各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，操作系统要提供”进程同步机制”来解决异步问题
⑤结构性：每个进程都会配置一个PCB，从结构上看，进程由程序段、数据段、PCB构成1.4 进程基本状态
进程是程序的一次执行。在这个执行过程中，有时进程正在被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。
2. 进程控制
进程控制是进程管理中最基本的功能，主要包括创建新进程、终止已完成的进程、将因发生异常情况而无法继续运行的进程置于阻塞状态、负责进程运行中的状态转换等功能（总的来说就是实现进程状态转换）
进程控制一般是由OS的内核中的原语来实现的。过程
在系统中每当出现了创建新进程的请求后，OS便调用进程创建原语Create按下述步骤创建一个新进程：
- 申请空白PCB：为新进程申请获得唯一的数字标识符，并从中索取一个。
- 为新进程分配其运行所需的资源：包括各种物理和逻辑资源，如内存、文件、I/O设备和CPU时间等。从操作系统或者从父进程中获取。
-
初始化进程控制块(PCB)。
①初始化标志信息：将系统分配的标识符和父进程的标识符填入新PCB中。
②初始化处理机状态信息：使程序计数器指向程序端口地址，使栈指针指向栈顶。
③初始化处理机控制信息：将进程设置为就绪状态或静止就绪状态。
④设置进程的默认优先级。 - 如果进程就绪队列能够接纳新进程，便将新进程插入就绪队列。
4. 进程的终止
- 正常结束：进程任务已经完成，正常退出。用一个中断通知系统进程结束。
-
异常结束：指进程在运行时发生了某种异常事件而退出
①越界错：程序访问了越界数据。
②保护错：试图访问一个不允许的资源或文件。
③非法指令：试图执行一条不存在的指令（数据当成指令）
④特权指令错：试图执行一条OS指令。
⑤运行超时
⑥等待超时
⑦算术运算错
⑧I/O故障 -
外界干预 ：应外界请求而终止。
①操作员或操作系统干预
②父进程请求结束
③因父进程终止，所有子孙进程也要终止。
过程
如果系统中发生了要求终止进程的某事件，OS便调用进程终止原语，按下述过程去终止指定的进程：
- 根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB，从中读出该进程的状态；
- 若被终止进程正处于执行状态，应立即终止该进程的执行，并置调度标志为真，用于指示该进程被终止后应重新进行调度；
- 若该进程还有子孙进程，还应将其所有子孙进程也都予以终止，以防它们成为不可控的进程；
- 将被终止进程所拥有的全部资源或者归还给其父进程，或者归还给系统；
- 将被终止进程(PCB)从所在队列(或链表)中移出，等待其它程序来搜集信息。
5. 进程的阻塞与唤醒
7.3 消息传递
进程间的数据交换以格式化的消息（Message）为单位。
进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换为了实现对临界资源的互斥访问，同时保证系统整体性能，需要遵循以下原则：
①空闲让进：临界区空闲时，可以允许一个请求进入临界区的进程立即进入临界区;
②忙则等待：当已有进程进入临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待;
③有限等待：对请求访问的进程，应保证能在有限时间内进入临界区（保证不会饥饿）；
④让权等待：当进程不能进入临界区时，应立即释放处理机，防止进程忙等待。9. 进程互斥的实现方法
9.1 硬件实现方法
①中断屏蔽方法
利用“开/关中断指令”实现（与原语的实现思想相同，即在某进程开始访问临界区到结束访问为止都不允许被中断，也就不能发生进程切换，因此也不可能发生两个同时访问临界区的情况)
优点：简单、高效
缺点：①不适用于多处理机（A处理机调用中断并不会影响到B处理机，因此多核达不到完全中断效果）；
②只适用于操作系统内核进程，不适用于用户进程（因为开/关中断指令只能运行在内核态，这组指 令如果能让用户随意使用会很危险）②TestAndSetLock指令
TSL指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能一气呵成
C语言实现逻辑如下：
③Swap指令
指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能一气呵成
逻辑上来看和并无太大区别，都是先记录下此时临界区是否已经被上锁（记录在变量上)，检查决定是否放行，放行后锁上，执行结束后解锁;
优点：实现简单，无需像软件实现方法那样严格检查是否会有逻辑漏洞；适用于多处理机环境
缺点：不满足“让权等待”原则（没有让处理机空出来），暂时无法进入临界区的进程会占用CPU并循环执行TSL指令(while指令)，从而导致“忙等”。
2.10.2 信 量机制
信 量其实就是一个变量（可以是一个整数，也可以是更复杂的记录型变量)，可以用一个信 量来表示系统中某种资源的数量，比如:系统中只有一台打印机，就可以设置一个初值为1的信 量
- 一对原语：原语和原语，可以把原语理解为我们自己写的函数，函数名分别为和，括 里的信 量S其实就是函数调用时传入的一个参数
- 原语常简称为P、V操作（来自荷兰语proberen和 verhogen〉。因此，做题的时候常把wait(S)、signal(S)两个操作分别写为P(S)、V(S)
- 用户进程可以通过使用操作系统提供的一对原语来对信 量进行操作，从而很方便的实现了进程互斥、进程同步。
①整型信 量
C语言逻辑：
存在的问题：不满足“让权等待”原则，会发生“忙等”（一直占用CPU）。
和是原子操作（最基本、最小的、中间不允许插入任何中断的操作。要执行就要执行完），只要信 量就不断测试，不满足让权等待。②记录型信 量
C语言逻辑：
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