前言
简单复习下课本中操作系统的理论。一是有被问到，二是正在有个秘密企划需要些相关知识。
本篇不会给出诸如内存映射、系统调用等详细过程，同样不会有诸如bios启动等实现问题。只说课本中的整体结构与常见算法，教学用课本中对操作系统是一个比较抽象的概念性介绍。
详细实际实现过程在过去的相关文章中有解释，将会贴出站内连接。
相关概念在linux下的实现将会有所补充。
引论
OS目标:
方便性-使计算机易于使用
有效性-提高系统资源利用率
可扩充性-对新硬件、软件方便扩充
开放性-遵守标准规范、方便与规范硬件、软件兼容
OS作用:
用户与硬件间的接口-通过系统调用方便的使用操作系统控制硬件
系统资源管理者-处理机、存储器、IO设备等的管理
对计算机资源抽象-抽象各种访问资源接口
发展历程:
未配置操作系统->单道批处理系统->多道批处理系统->分时系统->实时系统->微型操作系统
cpu等资源利用率逐渐增加。
基本特性:
并发-并行是真并发，并发是交替执行;引入进程，进程作为操作系统中独立运行作为资源分配的基本单位;
共享-互斥共享，资源只许一个进程访问;同时共享，进程可同时访问资源。
虚拟-时分复用技术，虚拟处理机、虚拟设备;空分复用技术，结合虚拟存储技术，将存储器空闲分区存放其它程序。
异步-进程以人们不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。需要进程同步机制
主要功能:
处理机管理-进程控制，创建、状态转化、终止进程;进程同步-互斥(临界资源采用锁)、同步(合作完成任务的进程使用信号量等对执行次序协调)方式协调进程运行;进程通信;调度,作业与进程调度。
存储器管理-内存分配，内存保护，地址映射，内存扩充
设备管理-缓冲管理，设备分配，设备处理(驱动)
文件管理-文件存储空间，目录，文件读写与保护
用户接口-用户与程序的接口
其它-系统安全、网络功能、多媒体
OS结构设计:
无结构，模块化，分层式，客户/服务器模式，面向对象，微内核
微内核最常用，将最基本的功能放入微内核，如进程、线程管理、存储器管理、中断等处理。
进程的描述与控制
进程的描述
PCB在内核中描述进程。
进程的特征:动态性、并发性、独立性、异步性。
基本状态:就绪、阻塞、执行。 执行遇到IO请求进入阻塞完成后就绪，执行与就绪切换为时间片。
后引入挂起-另一种停止进程活动的方式，用于对其分析。
OS管理的数据结构:内存表、设备表、文件表、各PCB
PCB的作用:
- 作为独立运行的标志
- 能实现间断的处理方式-用于执行的信息
- 提供进程管理所需信息-文件、IO等资源信息
- 进程调度所需信息-进程状态、等待时间等
- 与其它进程的同步与通信-信号量等
PCB中的信息:
- 进程标识符-用于唯一标识进程
- 处理机状态-寄存器、程序状态字、用户栈指针
- 进程调度信息-进程状态、优先级、等待时间等、阻塞原因
- 进程控制信息-程序和数据的地址、进程同步与通信机制、资源清单
PCB组织可用线性、连接、每个状态分别索引表
进程控制
OS内核俩大方面的功能:
支撑功能:中断处理、时钟管理、原语操作
资源管理功能:进程管理、存储器管理、设备管理
之后内核实现:进程的创建、终止、阻塞、唤醒、挂起、激活
进程同步
俩种形式的约束关系:
间接约束:邻界资源必须进程访问提出申请
直接约束:进程间合作完成任务，需要顺序完成
同步机制应遵守的规则:
空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待。
硬件同步机制:关中断、利用指令TS检测、swap交换等。都是忙等。
信号量机制:
- 整形信号量:一个整数检测、忙等
- 记录型信号量:用一个链表记录等待队列、不忙等，释放时会取出一个继续执行
- AND型信号量:多个资源一起请求、防止因为请求顺序而死锁
- 信号量集:加入每次申请多少、最少有多少
信号量应用:
进程互斥、解决进程前驱关系
管程:操作系统中的资源管理模块，供进程使用。
进程通信
共享存储系统-共享内存、管道通信系统-共享文件、消息传递系统-OS支持、客户机服务系统-socket
线程
将cpu资源(调度与分配)的基本单位称为线程。
特性:
调度的基本单位、并发性、TCB、系统开销少(仍需要系统调度)
TCB内容:
线程标识符、寄存器、运行状态、优先级、线程专用存储区、信号屏蔽
实现方式:
内核支持、用户级线程、组合方式。
用户级线程就是协程吧…..
处理机调度与死锁
处理机调度层次:
高级调度(作业)、中级调度(内存)、低级调度(进程)
算法目标:
资源利用率、公平性、平衡性、策略强制执行。
作业调度
FCFS:先来先服务
SJF:短作业优先
PSA:优先级调度算法
HRRN:高响应比优先调度算法
进程调度
抢占、非抢占(时间片、优先级)
排队器、分派器、上下文切换器
轮转调度:就绪进程排成队列依次执行
优先级调度:按优先级运行进程
多队列调度:多个队列代表优先级不同，优先级高的时间片短，只有优先级高的都空闲才向下
死锁
竞争不可抢占资源引起死锁
竞争可消耗资源引起死锁
进程顺序推进不当引起死锁
死锁条件:
互斥、请求和保持、不可抢占、循环等待
处理:
预防死锁:
一次性申请全部、不满足则释放全部、手动排序
避免死锁:
银行家算法分配时预算。
检测死锁:
资源分配图不可完全简化
解除死锁:
终止进程
存储器管理
寄存器、高速缓存、主存储、磁盘缓存、磁盘。
对磁盘的操作通过IO设备实现。
程序的装入现在都是可重定位的装入方式、并在执行时计算指令的物理地址。装入时都为逻辑地址。
关于地址转化以及页表可见文章:https://xn--74q78i15hxv3arigm4e.cn/2018/11/19/android-armlinux%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E8%B0%83%E7%94%A8%E4%B8%8Eexec%E6%BA%90%E7%A0%81%E5%88%86%E6%9E%90/
连接静态、装入时运行时动态连接都可。
连续分配的管理方式
固定分区、动态分区
首次适应FF、循环首次适应NF、最佳适应BF、最坏适应WF。
将不用的页面换到磁盘缓存中。
分页存储管理方式
分页:将用户空间按页管理
分段:分为大小不同的段
段页式:目前常用，保护模式下的方式
页表存放页的映射号码
为了加速加快表缓冲
可以多级页表提供更大的内存空间
段表的信息更多，还包含大小和基址
虚拟存储器
依靠段页、中断、地址变换。
实现用户虚拟地址空间。多个虚拟地址空间映射为物理地址。
访问缺页时调入，从文件区或对换区。
调入策略:
最佳、先进先出、最近最久未使用、最少使用
抖动:
当内存占用量大时、频繁的缺页将产生抖动。
输入输出系统
基本功能:
隐藏物理设备细节、与设备无关性(驱动)、提高利用率、驱动对IO进行控制、设备共享、错误处理
层次:
用户软件->设备独立性软件->设备驱动->中断处理程序->硬件
由IO系统接口屏蔽驱动、驱动直接使用硬件IO接口使用各种卡
IO接口:块设备接口、流设备接口、网络通信接口
硬件上使用设备控制器。
访问IO时可使用单独指令(x86)或当做内存映象(ARM-程序空间、RAM 空间及IO 映射空间统一编址)
IO通道:由cpu发送指令控制，IO通道即可自己进行IO与内存间的交互。是一种特殊的处理机、具有执行IO指令的能力
中断:详见https://xn--74q78i15hxv3arigm4e.cn/2018/11/19/android-armlinux%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E8%B0%83%E7%94%A8%E4%B8%8Eexec%E6%BA%90%E7%A0%81%E5%88%86%E6%9E%90/
简单过程为:
触发中断->环境保护->向量表->执行程序
IO控制方式:轮询、中断、直接存储器访问、IO通道。
缓冲:单缓冲、双缓冲、环形缓冲、缓冲池
磁盘调度:
FCFS(先来先服务)、SSTF(最短寻道时间优先)、SCAN(扫描)、CSCAN(循环扫描)
文件管理、磁盘存储
树形、保护域与访问权
外存组织方式:
连续方式:一块
连接组织方式:隐式、显示连接
FAT技术:物理块指针放于内存中的连接表中
索引组织:通过任意级索引逐层指向大量块用于存储数据，如linux的EXT方式
空闲空间:
链表法、位示图、成组连接法(unix所使用)
操作系统接口
POSIX标准