操作系统
操作系统的特征
并发
并发：是指两个或多个时间在用一时间间隔内发生，这些时间宏观上是同时发生的，但微观上是交替发生的
并行：是指，两个或多个事件在同一时刻同时发生
操作系统的并发性是指：计算机系统中“同时”运行着多个程序，这些程序宏观上看是运行着的，而微观上看是交替运行的
单核CPU同一时刻只能执行一个程序，各个程序只能并发地执行
多核CPU同一时刻可以同时执行多个程序，多个程序可以并行地执行
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。
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）
生活实例：
- 互斥共享方式：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。
- 同时共享方式：使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。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。
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。物理实体是存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的
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
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，进程的执行不是一管到底的，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
只有系统拥有并发性，才有可能导致异步性
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
操作系统的发展与分类
手工操作阶段
批处理阶段 --- 单道批处理系统
批处理阶段 --- 多道批处理系统
分时操作系统
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号后及时进行处理，并且要在严格的时间内处理完事件。实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性
实时操作系统分为两周：
- 硬实时系统：必须在绝对严格的规定时间内完成处理
- 软实时系统：能接受偶尔违反时间的规定
操作系统的运行机制
应用程序分为两种：
- 普通程序员写的就是“应用程序，应用程序只能使用“非特权指令”，如加法指令，减法指令等等
- 操作系统执行的是“内核程序“，有时会让CPU执行一些“特权指令”，如：内存清零指令。这些指令影响重大，只允许“管理者”---即操作系统内核来使用
那么 CPU 如何判断出此时正在运行的是内核程序还是应用程序？
CPU 有两种状态，“内核态”和“用户态”
- 处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
- 处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令
CPU 中有一个寄存器叫 程序状态字寄存器（PSW），其中有个二进制位，1 表示内核态，0 表示用户态
中断和异常
中断的作用
在合适的情况下，操作系统内核会把 CPU 的使用权主动让给应用程序
“中断”是让操作系统夺回 CPU 使用权的唯一途径
如果没有中断机制，那么一旦应用程序上 CPU 运行，CPU 就会一直运行这个应用程序
中断的类型
内中断（也称异常、例外）：与当前执行的指令有关，中断型号来源于CPU内部
来看几个例子
- 试图在用户态下执行特权指令
- 执行除法时发现除数为 0
- 有些时候应用程序想请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令 --- 陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号
外中断（也称中断）： 与当前执行的指令无关，中断信号来源于 CPU 外部
- 时钟中断 --- 由时钟部件发来的中断信号
- I/O 中断---由输入/输出设备发来的中断信号
中断机制的基本原理
不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理，当 CPU 检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”，以此来找到对应中断处理程序在内存中存放的位置
系统调用
什么是系统调用
系统调用和库函数的区别
什么功能需要用到系统调用
凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理）等都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求
系统调用的过程
- 首先先向 CPU 传递参数，表明系统调用类型，例如，Linux 下的 fork 指令
- 执行陷入指令，该中断由陷入指令引发，因此转入响应的中断处理程序 --- 即系统调用的入口程序
- 根据寄存器中的参数判断用户需要那种系统调用服务
- 然后调用 fork 系统调用的处理程序，让 fork 系统调用的处理程序上 CPU 执行
- CPU 转成用户态，继续执行其他指令
进程的概念、组成、特征
进程的概念
程序：是静态的，就是存放在磁盘里的可执行文件，就是一系列指令集合
进程：是动态的，是程序的一次执行过程
进程的组成
PCB
当进程被创建的时候，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的 “身份证号” -- （PID）Process ID，进程 ID
操作系统要记录 PID、进程所属用户 ID（UID）
还要记录给进程分配了哪些资源（如：分配了多少内存、正在使用哪些 I/O 设备、正在使用哪些文件）
还要记录进程的运行情况（如：CPU使用时间、磁盘使用情况、网络流量使用情况等）
这些信息都被保存在一个数据结构 PCB（Process Control Block）中，即进程控制快
操作系统需要对各个并发的进程进行管理，但凡管理时所需要的信息，都会被放在 PCB 中
除了 PCB 之外，进程的组成还包括程序段和数据段
PCB 是给操作系统用的
程序段、数据段是给进程自己用的，与进程自身的运行逻辑有关
进程的特征
程序是静态的，进程是动态的，相比于程序，进程拥有以下特征
进程的状态与转换
进程的状态
创建态、就绪态
运行态
在进程运行的过程中，可能会请求等待某个事件的发生（如等待某种系统资源的分配，或者等待其他进程的响应）
在这个事件发生之前，进程无法继续往下执行，此时操作系统会让这个进程下 CPU，并让它进入 “阻塞态”
当一个进程结束了之后，一个进程可以执行 exit 系统调用，请求操作系统终止该进程
此时该进程会进入“终止态”，操作系统会让该进程下 CPU，并回收内存空间等资源，最后还要回收该进程的 PCB
进程状态的转换
进程 PCB 中，会有一个变量 state 来表示进程的当前状态
如：1. 表示创建态，2.表示就绪态，3.表示运行态，为了对一个状态下的各个进程进程统一的管理，操作系统会将各个进程的 PCB 组织起来
进程的组织
链接方式
索引方式
进程控制
进程控制就是要实现进程状态转换
如何实现进程控制
进程控制是由原语实现的
原语是一种特殊的程序，它的执行具有原子性。也就是说，这段程序的运行必须一气呵成，不可中断
为什么进程控制（状态转换）的过程要 “一气呵成”？
如果不是”一气呵成“，当他完成第一步后收到了中断信号，那么 PCB2 的 state=1，但是它却被放在阻塞队列里
如何实现原语的“原子性”
使用 “关中断” 和 “开中断” 这两个特权指令实现原子性的
关中断、开中断之间的这些指令序列就是不可被中断的，这就实现了 “原子性”
进程控制相关的原语
无论哪个进程控制原语，要做的无非三类事情：
- 更新 PCB 中的信息
- 将 PCB 插入合适的队列
- 分配/回收资源
进程通信
进程之间通信（Inter-Process Communication，IPC）是指两个进程之间产生数据交互
为什么进程通信需要操作系统支持？
因为进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立，因此，需要操作系统来实现进程中的通信
共享存储
如果使用共享存储来实现进程中通信，应该保证各个进程对共享空间的访问应该是互斥的
各个进程可以使用操作系统内核提供的同步互斥工具，如（P、V）操作
-
基于存储区的共享：操作系统在内存中划出一块共享存储区，数据的形式，存放的位置都由通信进程控制，而不是操作系统。这种共享方式速度很快，是一种高级通信方式
-
基于数据结构的共享：可以理解为一种特殊的全局变量，比如共享空间里只能放一个长度为 10 的数组，这种共享方式速度慢，限制多，是一种低级通信方式
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/接受消息” 两个原语进行数据交换
假设现在进程 P 要发送一个消息给进程 Q
进程 P 现在本地初始化消息 msg，然后使用发送原语 send(Q, msg)
这会让 msg 进入到进程 Q 的消息队列里面
进程 Q 使用接受原语，reveive(P, &msg) ，操作系统会在 Q 的消息队列里面去找有没有这个消息，如果有，就会把 msg 传到 Q 的位置
间接通信方式
间接通信方式，以“信箱”作为中间实体进行消息传递
还是 P 向 Q 发送一个消息
- 进程 P 在自己的地址空间内完善 msg 的内容
- 发送原语，
send(A, msg)往信箱 A 发送消息 msg - 进程 Q 接受原语，
receive(A, &msg)从信箱 A 中接受消息
操作系统允许多个进程往用一个信箱 send 消息，也可以多个进程从同一个信箱中 receive 消息