操作系统笔记（1）

1.  操作系统的功能

内存管理功能，处理机调度功能，设备管理功能，文件管理功能。

2.   核心模式

核心模式指的是操作系统管理程序运行的状态，具有比较高的特权级别。

用户模式指的是一般用户程序运行时的状态，具有比较低的特权级别。

模式转换的唯一途径是中断。

3.   系统调用的工作机制

   用户在执行特权指令时，调用系统调用，陷入内核（在陷入内核时，会同时向OS内核传入一个系统调用号i）进入内核后，根据i查找系统调用表，找到调用号为i的系统调用的处理代码。 内核执行完系统调用处理代码后，从核心态返回用户态。

4.  进程和程序

（1）进程是程序在处理器上的一次执行过程是一个动态概念，程序是代码的有序集合，是静态的。

（2）进程由程序，数据和进程控制块组成，程序只是代码的有序集合。

（3）二者是多对多的关系。

5.并发和并行

并发:concurent      并发在微观上不是同时执行的，只是把时间划分成很多段，使多个进程交替的执行。因此在多个进程存在资源冲突时，并发本质上并没有提高执行效率。

并行:parallel          并行指的是不论微观和宏观，二者都是一起执行。

 6.线程

线程是轻量级进程，是CPU调度的基本单位。它包含一个线程ID，一个程序计数器，一个寄存器组，一个堆栈。它与同一个进程的其他线程共享代码段，数据段。每个线程有自己的寄存器和堆栈。

7.CPU调度准则

先来先服务原则(FCFS)

短作业优先(SJF)/最短剩余时间优先

时间片轮转调度(RR)

多级队列调度算法

多级反馈队列调度算法

8.死锁产生的必要条件

  （1）互斥(至少有一个资源是非共享的)

  （2）持有并等待

  （3）不可抢占

  （4）循环等待条件

  处理死锁 的方法：   

   （1）死锁预防/避免

   （2）死锁恢复

   （3）忽视死锁

 9.分段，分页

（1）页面是信息的物理单位，分页是为了实现非连续的内存分配，以便解决内存碎片问题，分页是由于系统管理的需要。段是信息的逻辑单位，它含有一组意义相对完整的信息，分段的目的是为了更好的实现共享，满足用户需求。

（2）页面的大小固定且有系统确定，将逻辑地址划分为页号和页内地址是由机器硬件决定的。而段的长度不固定，它取决于用户编写的程序。通常由编译程序在对源程序编译时根据信息划分。

（3）分页 一维      分段  二维。

 10.内存页面置换算法

   （1）最佳页面置换算法  未来最长时间不被访问到。

   （2）先进先出页面置换算法(FIFO)。

   （3）最近最久未用置换算法(LRU)。

 11.磁盘调度算法

   （1）FCFS 根据进程访问磁盘的先后次序调度。

   （2）SCAN 磁头不停地往复运动，由边缘至中心然后返回。

   （3）CSCAN   SCAN基础上规定磁头单想扫描。

 12.进程和线程区别

 （1）一个进程可以包含多个线程，它们共享进程的拥有的资源。

 （2）进程是资源分配的基本单位，线程作为独立调度的基本单位。

  （一个进程之间的线程共享代码，数据段，堆，打开的文件，每个线程有自己的寄存器栈，程序计数器。）

 （3）通信的区别:进程之间通过IPC通信(共享内存，消息传递，队列，邮箱)，线程之间直接读写进程的数据段。

 （4）线程的上下文切换比进程快。

 13.使用多进程和多线程区别

  （1）多进程有自己的地址空间，多线程则共享地址空间。

  （2）多线程更快，资源利用率更高。

  （3）线程使用公共变量要考虑同步问题，因为它们在同一地址空间。

 14.多线程同步机制

Linux下创建线程 pthread_create(id,NULL,thread_function,NULL)

（1）      临界区

（2）      互斥量（不仅可以用在同一应用程序不同线程之间实现资源的安全共享，也可以在不同应用程序的线程中实现对资源的安全共享。）

（3）      信号量（允许多个线程使用共享资源，但是限制了同一时刻访问此资源的最大线程数。）

（4）      事件用来通知有一些事件已经发生，从而启动后继任务。

 互斥量和临界区的作用类似，但是互斥量是跨进程的。互斥量开销大。

 

15.进程间通信的方式：

（1）      共享内存

（2）      管道  用于进程通信的特殊文件，匿名管道用于本地系统中父进程和它启动的子进程之间通信。命名管道使客户端和服务器程序可以通过它通信。

（3）      信号量

（4）      共享文件

（5）      消息机制（windows操作系统的一种驱动机制，利用消息进行进程通信，是用消息激活某种操作的过程，数据发送，数据接收。）

 16.程序活动记录

32位系统之中，系统的内存虚拟地址范围为4GB，其中低2GB为应用程序使用（RING3级别），而高2GB为系统内核使用（RING0级别）。

每一个程序都有属于自己的一个私有2GB虚存空间。

 0x00000000 到 0x0000ffff   64KB为NULL地址区

 0x0000ffff 到  0x7ffff0000  进程空间

 0x7ffff0000 到 0x7ffffffff   64KB非法区域  （分割进程空间和内核空间）

 0x7ffffffff到0xffffffff      内核空间

 程序执行时，传递给CPU的地址是逻辑地址，它由两部分组成，一部分是段选择符，另一部分是有效地址（偏移量）。逻辑地址必须经过映射转换变成线性地址，线性地址再经过一次映射转为物理地址，才能真正访问物理内存。

（1）    

      逻辑地址转化为线性地址

      逻辑地址以 段寄存器：偏移地址形式存在，从段描述符表里找到段基址，然后用基址加入段内偏移量，就得到相应的线性地址。

 （2）

        线性地址转化为物理地址

        线性地址分为3部分：页目录索引，页表索引，字节偏移索引。

 17.进程空间的程序布局

从内存地址由低到高：

 全局变量区：存放程序中的全局变量。

静态常量数据区。

代码区：  用于存放程序中的可执行代码。

变量：   存放程序的局部变量。

堆：     用来动态分配程序内存。

空闲区：  程序未使用的内存部分。

栈：    程序自己的私有栈，增长方向从高到低。

 18.堆栈区别

 （1）      内存区别

堆：由程序员负责申请和释放。

栈：由系统自动分配和释放  。（存放函数的参数值，局部变量的值）

（2）      资源分配的具体体现上

堆:堆的分配是通过操作系统的一个记录空闲内存地址的链表来实现的，当系统收到程序的申请时，会遍历该链表，寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该空闲结点从链表中删除。

栈：每个进程都拥有自己的一个固定连续的栈空间。在系统分配时，只要栈的剩余空间大于所申请空间，系统将为程序提供内存，否则将报异常栈溢出。

（3）      大小限制

堆：堆的大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存，堆获得空间比较灵活，也比较大。（向低地址扩展）

栈：向高地址扩展，栈的大小是固定的，且是有限的。

（4）      效率

堆分配较慢，且容易产生碎片。

栈分配较快。

（5）      存放内容

 堆：在堆的头部用一个字节存放堆的大小，剩余部分由程序员决定。

 栈： 栈用来记录程序执行时函数调用过程中的活动记录（栈帧）。

 tips:

函数调用时首先入栈的是参数（大多数C编译器中，参数由右往左入栈），

然后是返回地址，

然后是老的ebp寄存器中的，

最后是分配函数中的局部变量。（静态变量存储在静态存储区，所以不入栈）

 19.函数调用规约

（1）当参数多余一个时，按照什么顺序把参数压入堆栈。

（2）函数调用后，由谁把堆栈恢复原态。

stdcall

参数从右往左入栈，由被调用函数自身修改堆栈。

cdecl C调用规约

参数从右往左入栈，调用者还原堆栈。

fastcall

函数的第一个和第二个参数通过ecx和edx传递，剩余参数从右到左入栈。被调用者修改堆栈.