知识储备：计算机操作系统

操作系统引论

操作系统的概念(作用)

1. OS是配置在计算机硬件上的第一层软件，是用户与计算机硬件系统之间的接口，用户通过操作系统来使用计算机
2. OS是计算机系统资源的管理者
   计算机系统的资源(软件 + 硬件)可以分为四类：处理器、存储器、IO设备、文件
   OS的主要功能是对这四类资源的有效管理
   处理器管理：用于分配和处理处理器
   存储器管理：内存的分配与回收
   IO设备管理：IO设备的分配与操纵
   文件管理：文件的存取、共享和保护
3. OS实现了计算机系统资源的抽象
   例如IO设备的抽象 + 文件资源的抽象

操作系统的发展过程(了解)
(为了解决CPU与IO设备之间速度不匹配的矛盾)
1. 无操作系统的计算机系统(人工 +脱机输入输出方式(外围机连接输入/输出设备和磁盘，再从磁盘中快速调入内存))：从磁盘中往cpu加载数据比从IO设备中加载数据快得多
2. 单道批处理系统：磁盘和内存之间配置监督程序，内存中始终只有一道作业
3. 多道批处理系统：内存中有多个作业，CPU在IO中断请求后处理其他作业(在CPU中执行分的任务如果访问IO，则CPU从内存中调度其它任务执行 + 这就引起了操作系统对四类资源管理的问题了：处理器 + 存储器 + IO + 文件)
4. 分时系统：
1、一台计算机连接了多个终端，即一台计算机能够让多个用户使用，
2、分时系统引入的问题：计算机系统要求能及时接受和处理每一个用户发过来的任务
3、解决方式：用户的任务直接保存在内存中，而且不允许一个任务长期占领CPU，一个作业执行一个时间片的时间(0.1s)后，让出CPU
5. 实时系统：在规定的时间内完成对事件的处理
6. 单用户单任务操作系统：同一时刻，只允许一个用户使用计算机，且只能运行一个应用程序
7. 单用户多任务操作系统：同一时刻，只允许一个用户使用计算机，可以运行多个应用程序(早期的windows系统，将程序划分为若干个任务(即进程))
8. 多用户多任务操作系统：同一时刻，允许多个用户同时使用计算机，而且可以运行多个应用程序(Unix系统)

操作系统的基本特征
(并发、共享、虚拟、异步)
(都指的是多道程序)

1. 并发性
   1) 并发与并行
   并发：两个或多个任务在同一时间间隔内发生
   并行：两个或多个任务同一时刻发生
   区别：在单处理机系统中，并发性指的是宏观上多个任务同时执行，但在微观上，某一时刻只能有一个同时的执行，这些同时只是在处理器上交替执行；并行指的是在单处理机上，多个程序在微观上也能同时执行
   2) 进程与线程
   进程：(程序是静态的，系统要为每一个程序建立进程)作为资源分配的基本单位(例如为一个程序中的计算程序和IO程序分别建立进程)，目的是为了程序能并发执行(提高资源利用率和系统吞吐量)
   线程：(一个进程包含若干个进程)系统中能独立运行和调度的基本单位，这样将线程细分是为了提高系统的并发性

2. 共享性
   (指的是系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)同时使用)
   1) 互斥式共享：在一段时间内只允许一个进程对该资源进行访问（临界资源，譬如说打印机）
   2)同时访问方式：宏观上，交替对该资源交替访问(磁盘)

3. 虚拟技术(在逻辑上…，用户感觉上…)
   1) 时分复用技术(分时，时间片)
   a、虚拟处理机技术：多道程序技术(让多道程序下的进程并发执行)
   b、虚拟设备技术：虚拟IO设备
   2)空分复用技术
   a、虚拟磁盘技术：硬盘变成ABCDE盘
   b、虚拟存储器技术：在逻辑上扩大存储器容量

4. 异步性(并发要切换、对应于异步)
   进程的执行顺序和执行时间的不确定性，但是可以引入进程同步机制，使得进程按我们想要的结果方式运行

操作系统的主要功能
(使内存中多道程序高效执行)
1. 处理机管理功能
处理机的分配和运行都是以进程(线程)为单位的，因此对处理机的管理可以理解成对进程(线程)的管理。处理机管理主要包括：进程的创建、终止以及进程运行过程中状态的转换(用原语操作的)；引入进程同步机制来协调个进程的运行；管理进程之间的通信；以及作业调度和进程调度问题。
1) 进程的控制：创建进程 + 撤销进程 + 资源分配 + 进程之间状态的转换
2) 进程同步(各进程以异步的方式运行，必须引入同步进制来协调进程的运行)
两种协调方式
a、进程互斥：对临界资源的访问
b、进程同步：多个进程 共同完成一个任务，而且这些进程之间有不同的执行次序
3)进程通信
4)调度
a、作业调度：选择哪些作业调入内存，为他们分配运行所需的资源，随后这些作业建立进程
b、进程调度：选择哪一个进程，为他分配处理机
2. 存储器管理功能
存储器管理功能主要涉及到多道程序的内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充等功能
1)内存分配：为多道程序分配相应的内存空间
2)内存保护：确保每道程序只在自己的内存空间运行，使得进程间互不干扰(做法是为每道程序设置内存保护机制，检查越界)
3)地址映射：实现逻辑地址到内存中物理地址的映射(源程序经过编译，形成若干个目标文件、目标文件经过链接形成可装入程序)
4) 内存扩充：使用虚拟存储技术实现逻辑内存的扩充
1、请求调入功能
2、置换功能
3. 设备(IO设备)管理功能
设备管理功能主要涉及到为进程分配相应的IO设备资源，以及提高CPU和IO设备资源的利用率。
1)缓存管理：在IO设备和CPU之间引入缓存，有效提高CPU利用率。
2)设备分配：为进程分配IO设备资源
3)设备处理：完成设备与CPU的信息通信(CPU请求IO设备；CPU相应IO设备完成操作后的中断请求)
4. 文件管理功能
对文件的管理主要涉及到对文件存储空间的管理，文件目录的管理和文件读写的管理
1) 文件存储空间的管理：为文件分配必要的外存空间
2) 文件目录的管理：方便用户在外设上找到自己的文件
3)文件读写管理：根据用户的请求，从外存中读取数据，或将数据写入外存

OS结构设计
(现阶段的多处理机OS采用的都是微内核的OS结构)

1. 微内核的基本概念：
   1、足够小的内核：并非一个完成的OS，而只是实现了OS中最基本的功能
   2、基于客户端/服务器模式：OS中最基本的功能放在内核中，其它绝大部分功能放在服务器上(进程中，譬如说：进程管理服务器、存储器管理服务器)
   3、机制与策略分离：机制——底层——内核；策略——高层——服务