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计算机操作系统

2023-02-17 14:30:53   0  举报

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AI智能生成

对计算机操作系统简单总结

学习笔记

作者其他创作

大纲/内容

序章

一、操作系统概述

1.1 操作系统的定义与目标

定义：操作系统是控制管理计算机系统的硬软件，分配调度资源的系统软件

目标：方便性、有效性（提高系统资源的利用率、提高系统的吞吐量），可扩充性，开放性。

1.2 操作系统的基本功能

1.统一管理计算机资源：处理器资源，IO设备资源，存储器资源，文件资源；

2.实现了对计算机资源的抽象：IO设备管理软件提供读写接口，文件管理软件提供操作文件接口；

3.提供了用户与计算机之间的接口：GUI（图形用户界面），命令形式，系统调用形式。

1.3 操作系统的特征

最基本的特征，互为存在条件：并发，共享；

（1）并行：指两个或多个事件可以在同一个时刻发生，多核CPU可以实现并行，一个CPU同一时刻只有一个程序在运行；

（2）并发：指两个或多个事件可以在在同一个时间间隔发生，用户看起来是每个程序都在运行，实际上是每个程序都交替运行；

（3）共享性：操作系统中的资源可供多个并发的程序共同使用，这种形式称之为资源共享。

a.互斥性：当资源被程序占用时，其它想使用的程序只能等待。

b.同时访问：某种资源并发的被多个程序访问

虚拟和异步特性前提是具有并发性。

（4）虚拟性：表现为把一个物理实体转变为若干个逻辑实体。

a.时分复用技术：资源在时间上进行复用，不同程序并发使用，多道程序分时使用计算机的硬件资源，提高资源的利用率。

b.空分复用技术：用来实现虚拟磁盘（物理磁盘虚拟为逻辑磁盘，电脑上的C盘，D盘等）、虚拟内存（在逻辑上扩大程序的存储容量等），提高资源的利用率，提高编程效率。

（5）异步性：在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但由于资源等因素的限制，使进程的执行以“停停走走”的方式进行，而且每个进程执行的情况（运行，暂停、速度、完成）也是未知的。

1.4 操作系统的中断处理

中断机制的作用：为了在多道批处理系统中让用户进行交互；

（1）中断产生：

a.发生中断时，CPU立即切换到管态，开展管理工作；（管态又叫特权态，系统态或核心态，是操作系统管理的程序执行时，机器所处的状态）

b.发生中断后，当前运行的进程回暂停运行，由操作系统内核对中断进行处理；

c.对于不同的中断信号，会进行不同的处理。

（2）中断分类：

a.内中断（也叫“异常”、“例外”、“陷入”）------- 信号来源：CPU内部，与当前执行指令有关；

b.外中断（中断）----------信号来源：CPU外部，与当前执行指令无关。

（3）外中断的处理过程：

a.每执行完一个指令后，CPU都需要检查当前是否有外部中断信号；

b.如果检查到外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境（如程序状态字PSW，程序计数器PC、各种通用寄存器）把他们存储在PCB（进程控制块中）；

c.根据中断信号类型转入相应的中断处理程序；

d.恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续执行。

二、进程管理

2.1 进程管理之进程实体

为什么需要进程？

1 进程是系统进行资源分配和调度的基本单位

2 进程作为程序独立运行的载体 保障程序正常执行

3 进程的存在使得操作系统资源的利用率大幅提升

进程控制块（PCB 【process control block】）

用于描述和控制进程运行的通用数据结构，记录进程当前状态和控制进程运行的全部信息，是进程存在的唯一标识。

1 线程（Thread）：操作系统进行运行调度的最小单位

2 进程（Process）：操作系统进行资源分配和调度基本单位

进程与线程的区别与联系

1 一个进程可以有一个或者多个线程；

2 线程包含在进程之中，是进程中实际运行的工作单位；

3 进程的线程共享进程资源；

4 一个进程可以并发多个线程，每个线程执行不同的任务

2.2 进管理之五状态模型

1 就绪状态：其他资源（进程控制模块、内存、栈空间、堆空间等）都准备就绪，只差CPU状态。

2 执行状态：进程获得CPU，其他程序正在执行。

3 阻塞状态：进程因某种原因放弃CPU的状态，阻塞进程以队列的形式放置。

4 创建状态：创建进程时拥有PCB但其他资源尚未就绪。

5 终止状态：进程结束由系统清理或归还PCB的状态。

2.3 进程管理之进程同步

1 生产者-消费者问题：
有一群生产者进程在生产产品（“产品”-> “某种数据”），并将这些产品提供给消费者进程进行消费，生产者进程和消费者进程可以并发执行，在两者之间设置了一个具有n个缓冲区的缓冲池（有界的缓冲池），生产者进程需要将所生产的产品放到缓冲区中（+1操作），消费者进程可以从缓冲区取走产品消费（-1操作）。

分析问题

1.生产者、消费者共享一个初始为空，大小为n的缓冲区。（数据为空，容量大小为n的缓冲区）

2.只有缓冲区没满时，生产者才能把产品（数据）放入缓冲区，否则必须等待。

【同步关系。缓冲区满时，生产者要等待消费者取走产品】

3.只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出产品（数据），否则必须等待。

【同步关系。缓冲区空时，消费者要等待生产者放入产品】

4.缓冲区是临界资源，任何进程在对缓冲区进行存取操作时都必须和其他进程互斥进行。

【互斥性】

【临界资源】
指的是一些虽作为共享资源却又无法同时被多个线程共同访问的共享资源。当有进程在使用临界资源时，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共享资源才可重新竞争使用共享资源。

如何实现生产者、消费者进程的这些功能？

使用信号量机制（P、V操作）可实现互斥、同步、对一类系统资源的申请和释放。

P表示申请资源操作

V表示释放资源操作

PV操作详解

1.PV操作概念：操作系统中的一种同步机制，实现对于并发进程中临界区的管理

并发进程分为两种：

无交互的并发进程：每个进程是相互独立的，谁也不影响谁，基本不会用到PV操作

有交互的并发进程：多个进程共享资源，一个进程的运行，有可能会被外界的原因而中断，且断点不固定，进程执行的相对速度不能由进程自己来控制，于是就会导致并发进程在共享资源时出现与时间有关的错误。

子主题

2 哲学家进餐问题：
有5个哲学家，他们的生活方式是交替的思考和进餐，哲学家们共同使用一张圆桌，分别坐在5张椅子上，圆桌上有5只碗和5只筷子。平时哲学家们只进行思考，饥饿时则试图取靠近他们的左右两只筷子，只有两只筷子都被拿到的时候才能进餐，否则等待，进餐完毕后，放下左右筷子进行思考。

这会导致以下的问题，筷子就相当于临界资源：

进程同步的作用：对竞争资源在多进程间进行使用次序的协调，使得并发执行的多个进程之间可以有效使用资源和相互合作。

子主题