一、操作系統(tǒng)概述

1.1 操作系統(tǒng)的定義與目標(biāo)

定義：操作系統(tǒng)是控制管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬軟件，分配調(diào)度資源的系統(tǒng)軟件。

目標(biāo)：方便性，有效性（提高系統(tǒng)資源的利用率、提高系統(tǒng)的吞吐量），可擴(kuò)充性，開(kāi)放性。

1.2 操作系統(tǒng)的基本功能

1. 統(tǒng)一管理計(jì)算機(jī)資源：處理器資源，IO設(shè)備資源，存儲(chǔ)器資源，文件資源;
2. 實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)資源的抽象：IO設(shè)備管理軟件提供讀寫接口，文件管理軟件提供操作文件接;
3. 提供了用戶與計(jì)算機(jī)之間的接口：GUI（圖形用戶界面），命令形式，系統(tǒng)調(diào)用形式。

1.3 操作系統(tǒng)的特征

最基本的特征，互為存在條件：并發(fā)，共享；

（1）并行：指兩個(gè)或多個(gè)事件可以在同一個(gè)時(shí)刻發(fā)生，多核CPU可以實(shí)現(xiàn)并行，一個(gè)cpu同一時(shí)刻只有一個(gè)程序在運(yùn)行；

（2）并發(fā)：指兩個(gè)或多個(gè)事件可以在同一個(gè)時(shí)間間隔發(fā)生，用戶看起來(lái)是每個(gè)程序都在運(yùn)行，實(shí)際上是每個(gè)程序都交替執(zhí)行。

（3）共享性：操作系統(tǒng)的中資源可供多個(gè)并發(fā)的程序共同使用，這種形式稱之為資源共享。

• 互斥共享：當(dāng)資源被程序占用時(shí)，其它想使用的程序只能等待。
• 同時(shí)訪問(wèn)：某種資源并發(fā)的被多個(gè)程序訪問(wèn)。

虛擬和異步特性前提是具有并發(fā)性。

（4）虛擬性：表現(xiàn)為把一個(gè)物理實(shí)體轉(zhuǎn)變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯實(shí)體。

• 時(shí)分復(fù)用技術(shù)：資源在時(shí)間上進(jìn)行復(fù)用，不同程序并發(fā)使用，多道程序分時(shí)使用計(jì)算機(jī)的硬件資源，提高資源的利用率。
• 空分復(fù)用技術(shù)：用來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬磁盤（物理磁盤虛擬為邏輯磁盤，電腦上的C盤、D盤等）、虛擬內(nèi)存（在邏輯上擴(kuò)大程序的存儲(chǔ)容量）等，提高資源的利用率，提高編程效率。

（5）異步性：在多道程序環(huán)境下，允許多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，但由于資源等因素的限制，使進(jìn)程的執(zhí)行以“停停走走”的方式運(yùn)行，而且每個(gè)進(jìn)程執(zhí)行的情況（運(yùn)行、暫停、速度、完成）也是未知的。

1.4 操作系統(tǒng)的中斷處理

中斷機(jī)制的作用：為了在多道批處理系統(tǒng)中讓用戶進(jìn)行交互；

中斷產(chǎn)生：

• 發(fā)生中斷時(shí)，CPU立馬切換到管態(tài)，開(kāi)展管理工作；（管態(tài)又叫特權(quán)態(tài)，系統(tǒng)態(tài)或核心態(tài)，是操作系統(tǒng)管理的程序執(zhí)行時(shí)，機(jī)器所處的狀態(tài)。）
• 發(fā)生中斷后，當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程回暫停運(yùn)行，由操作系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)中斷進(jìn)行處理；
• 對(duì)于不同的中斷信號(hào)，會(huì)進(jìn)行不同的處理。

中斷的分類：

1. 內(nèi)中斷（也叫“異常”、“例外”、“陷入”）------- 信號(hào)來(lái)源：CPU內(nèi)部，與當(dāng)前執(zhí)行指令有關(guān)；
2. 外中斷（中斷）----------信號(hào)來(lái)源：CPU外部，與當(dāng)前執(zhí)行指令無(wú)關(guān)。

外中斷的處理過(guò)程：

1. 每執(zhí)行完一個(gè)指令后，CPU都需要檢查當(dāng)前是否有外部中斷 信號(hào)；
2. 如果檢查到外部中斷信號(hào)，則需要保護(hù)被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境（如程序狀態(tài)字PSW，程序計(jì)數(shù)器PC、各種通用寄存器）把他們存儲(chǔ)在PCB（進(jìn)程控制塊中）；
3. 根據(jù)中斷信號(hào)類型轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序；
4. 恢復(fù)原進(jìn)程的CPU環(huán)境并退出中斷，返回原進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。

二、進(jìn)程管理

2.1 進(jìn)程管理之進(jìn)程實(shí)體

為什么需要進(jìn)程：

1. 進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位；
2. 進(jìn)程作為程序獨(dú)立運(yùn)行的載體保障程序正常執(zhí)行；
3. 進(jìn)程的存在使得操作系統(tǒng)資源的利用率大幅提升。

進(jìn)程控制塊（PCB）：用于描述和控制進(jìn)程運(yùn)行的通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),記錄進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)和控制進(jìn)程運(yùn)行的全部信息，是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)識(shí)。

進(jìn)程（Process）與線程（Thread）：

• 線程：操作系統(tǒng)進(jìn)行 運(yùn)行調(diào)度的最小單位 。
• 進(jìn)程：系統(tǒng)進(jìn)行 資源分配和調(diào)度的基本單位 。

區(qū)別與聯(lián)系：

1. 一個(gè)進(jìn)程可以有一個(gè)或多個(gè)線程；
2. 線程包含在進(jìn)程之中，是進(jìn)程中實(shí)際運(yùn)行工作的單位；
3. 進(jìn)程的線程共享進(jìn)程資源；
4. 一個(gè)進(jìn)程可以并發(fā)多個(gè)線程，每個(gè)線程執(zhí)行不同的任務(wù)。

2.2 進(jìn)程管理之五狀態(tài)模型

就緒狀態(tài)：其它資源（進(jìn)程控制塊、內(nèi)存、?？臻g、堆空間等）都準(zhǔn)備好、只差CPU的狀態(tài)。

執(zhí)行狀態(tài)：進(jìn)程獲得CPU，其程序正在執(zhí)行。

阻塞狀態(tài)：進(jìn)程因某種原因放棄CPU的狀態(tài)，阻塞進(jìn)程以隊(duì)列的形式放置。

創(chuàng)建狀態(tài)：創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)擁有PCB但其它資源尚未就緒。

終止?fàn)顟B(tài)：進(jìn)程結(jié)束由系統(tǒng)清理或者歸還PCB的狀態(tài)。

2.3 進(jìn)程管理之進(jìn)程同步

生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題：有一群生產(chǎn)者進(jìn)程在生產(chǎn)產(chǎn)品，并將這些產(chǎn)品提供給消費(fèi)者進(jìn)程進(jìn)行消費(fèi)，生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程可以并發(fā)執(zhí)行，在兩者之間設(shè)置了一個(gè)具有n個(gè)緩沖區(qū)的緩沖池，生產(chǎn)者進(jìn)程需要將所生產(chǎn)的產(chǎn)品放到緩沖區(qū)中（+1操作），消費(fèi)者進(jìn)程可以從緩沖區(qū)取走產(chǎn)品消費(fèi)（-1操作）。

產(chǎn)生問(wèn)題：當(dāng)兩者并發(fā)執(zhí)行時(shí)可能出差錯(cuò)，導(dǎo)致預(yù)期的結(jié)果與真實(shí)的結(jié)果不相符：當(dāng)執(zhí)行生產(chǎn)者+1和消費(fèi)者-1操作之后，緩沖區(qū)的值從10變?yōu)榱?1。

哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題：有5個(gè)哲學(xué)家，他們的生活方式是交替的思考和進(jìn)餐，哲學(xué)家們共同使用一張圓桌，分別坐在5張椅子上，圓桌上有5只碗和5只筷子。平時(shí)哲學(xué)家們只進(jìn)行思考，饑餓時(shí)則試圖取靠近他們的左右兩只筷子，只有兩只筷子都被拿到的時(shí)候才能進(jìn)餐，否則等待，進(jìn)餐完畢后，放下左右筷子進(jìn)行思考。

這會(huì)導(dǎo)致以下的問(wèn)題，筷子就相當(dāng)于臨界資源：

臨界資源指的是一些雖作為共享資源卻又無(wú)法同時(shí)被多個(gè)線程共同訪問(wèn)的共享資源。當(dāng)有進(jìn)程在使用臨界資源時(shí)，其他進(jìn)程必須依據(jù)操作系統(tǒng)的同步機(jī)制等待占用進(jìn)程釋放該共享資源才可重新競(jìng)爭(zhēng)使用共享資源。

進(jìn)程同步的作用：對(duì)競(jìng)爭(zhēng)資源在多進(jìn)程間進(jìn)行使用次序的協(xié)調(diào)，使得并發(fā)執(zhí)行的多個(gè)進(jìn)程之間可以有效使用資源和相互合作。

進(jìn)程間同步的四原則：

1. 空閑讓進(jìn)：資源無(wú)占用，允許使用；
2. 忙則等待：資源被占用，請(qǐng)求進(jìn)程等待；
3. 有限等待：保證有限等待時(shí)間能夠使用資源；
4. 讓權(quán)等待：等待時(shí)，進(jìn)程需要讓出CPU。

2.3.1進(jìn)程同步的方法（重要）

1.使用fork系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建進(jìn)程：使用fork系統(tǒng)調(diào)用無(wú)參數(shù)，fork會(huì)返回兩次，分別返回子進(jìn)程id和0，返回子進(jìn)程id的是父進(jìn)程，返回0的是子進(jìn)程。

• fork系統(tǒng)調(diào)用是用于創(chuàng)建進(jìn)程的；
• fork創(chuàng)建的進(jìn)程初始化狀態(tài)與父進(jìn)程一樣；
• 系統(tǒng)會(huì)為fork的進(jìn)程分配新的資源

2.共享內(nèi)存：在某種程度上，多進(jìn)程是共同使用物理內(nèi)存的，但是由于操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理，進(jìn)程間的內(nèi)存空間是獨(dú)立的，因此進(jìn)程默認(rèn)是不能訪問(wèn)進(jìn)程空間之外的內(nèi)存空間的。

• 共享存儲(chǔ)允許不相關(guān)的進(jìn)程訪問(wèn)同一片物理內(nèi)存；
• 共享內(nèi)存是兩個(gè)進(jìn)程之間共享和傳遞數(shù)據(jù)最快的方式；
• 共享內(nèi)存未提供同步機(jī)制，需要借助其他機(jī)制管理訪問(wèn)；

3.Unix域套接字

域套接字是一種高級(jí)的進(jìn)程間通信的方法，可以用于同一機(jī)器進(jìn)程間通信。

套接字（socket）：為網(wǎng)絡(luò)通信中使用的術(shù)語(yǔ)。

Unix系統(tǒng)提供的域套接字提供了網(wǎng)絡(luò)套接字類似的功能，如Nfinx、uWSGI等。

服務(wù)端和客戶端分別使用Unix域套接字的過(guò)程：

2.3.2 線程同步的方法（重要）

線程同步的方法：

1.互斥鎖：互斥鎖是最簡(jiǎn)單的線程同步的方法，也稱為互斥量，處于兩態(tài)之一的變量：解鎖和加鎖，兩個(gè)狀態(tài)可以保證資源訪問(wèn)的串行。原子性：指一系列操作不可被中斷的特性，要么全部執(zhí)行完成，要么全部沒(méi)有執(zhí)行。

2.自旋鎖：自旋鎖是一種多線程同步的變量，使用自旋鎖的線程會(huì)反復(fù)檢查鎖變量是否可用，自旋鎖不會(huì)讓出CPU，是一種忙等待狀態(tài)，即死循環(huán)等待鎖被釋放，自旋鎖的效率遠(yuǎn)高于互斥鎖。特點(diǎn)：避免了進(jìn)程或者線程上下文切換的開(kāi)銷，但是不適合在單核CPU使用。

3.讀寫鎖：是一種特殊的自旋鎖，允許多個(gè)讀操作同時(shí)訪問(wèn)資源以提高讀性能，但是對(duì)寫操作是互斥的，即對(duì)多讀少寫的操作效率提升很顯著。

4.條件變量：是一種相對(duì)比較復(fù)雜的線程同步方法，條件變量允許線程睡眠，直到滿足某種條件，當(dāng) 滿足條件時(shí)，可以給該線程信號(hào)通知喚醒 。

2.3.3 線程同步方法對(duì)比（重要）

2.4 Linux的進(jìn)程管理

進(jìn)程的類型：

1. 前臺(tái)進(jìn)程：具有終端，可以和用戶交互；
2. 后臺(tái)進(jìn)程：沒(méi)有占用終端，基本不和用戶交互，優(yōu)先級(jí)比前臺(tái)進(jìn)程低（將需要執(zhí)行的命令以“&”符號(hào)結(jié)束）；
3. 守護(hù)進(jìn)程：特殊的后臺(tái)進(jìn)程，在系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)啟動(dòng)，一直運(yùn)行直到系統(tǒng)關(guān)閉（進(jìn)程名字以“d”結(jié)尾的一般都是守護(hù)進(jìn)程），如crond、sshd、httpd、mysqld…

進(jìn)程的標(biāo)記：

1. 進(jìn)程ID：非負(fù)整數(shù)，進(jìn)程的唯一標(biāo)記，每個(gè)進(jìn)程擁有不同的ID；
2. 進(jìn)程的狀態(tài)標(biāo)記：R表示進(jìn)程處于運(yùn)行狀態(tài)，S表示進(jìn)程處于睡眠狀態(tài)…

操作Linux進(jìn)程的相關(guān)命令：

1. ps命令：列出當(dāng)前的進(jìn)程，結(jié)合-aux可以打印進(jìn)程的詳細(xì)信息（ps -aux）；
2. top命令：查看所有進(jìn)程的狀態(tài)；
3. kill命令：給進(jìn)程發(fā)送信號(hào)。

三、作業(yè)管理

3.1 作業(yè)管理之進(jìn)程調(diào)度

定義：指計(jì)算機(jī)通過(guò)決策決定哪個(gè)就緒進(jìn)程可以獲得CPU使用權(quán)。

什么時(shí)候需要進(jìn)程調(diào)度？

1. 主動(dòng)放棄：進(jìn)程正常終止；運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生異常而終止；主動(dòng)阻塞（如等待I/O）；
2. 被動(dòng)放棄：分給進(jìn)程的時(shí)間片用完；有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程進(jìn)入就緒隊(duì)列；有更緊急的事情需要處理（如I/O中斷）；

進(jìn)程調(diào)度方式：

非搶占式調(diào)度：只能由當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程主動(dòng)放棄CPU；

• 處理器一旦分配給某個(gè)進(jìn)程，就讓該進(jìn)程一直使用下去；
• 調(diào)度程序不以任何原因搶占正在被使用的處理器；
• 調(diào)度程序不以任何原因搶占正在被使用的處理器；

搶占式調(diào)度：可由操作系統(tǒng)剝奪當(dāng)前進(jìn)程的CPU使用權(quán)。

• 允許調(diào)度程序以一定的策略暫停當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程；
• 保存好舊進(jìn)程的上下文信息，分配處理器給新進(jìn)程；

進(jìn)程調(diào)度的三大機(jī)制：

就緒隊(duì)列的排隊(duì)機(jī)制：為了提高進(jìn)程調(diào)度的效率，將就緒進(jìn)程按照一定的方式排成隊(duì)列，以便調(diào)度程序可以最快找到就緒進(jìn)程。

選擇運(yùn)行進(jìn)程的委派機(jī)制：調(diào)度程序以一定的策略，選擇就緒進(jìn)程，將CPU資源分配給它。

新老進(jìn)程的上下文切換機(jī)制：保存當(dāng)前進(jìn)程的上下文信息，裝入被委派執(zhí)行進(jìn)程的運(yùn)行上下文。

進(jìn)程調(diào)度算法：

1. 先來(lái)先服務(wù)算法：按照在就緒隊(duì)列中的先后順序執(zhí)行。
2. 短進(jìn)程優(yōu)先調(diào)度算法：優(yōu)先選擇就緒隊(duì)列中估計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程，不利于長(zhǎng)作業(yè)進(jìn)程的執(zhí)行。
3. 高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先調(diào)度算法：進(jìn)程附帶優(yōu)先權(quán)，優(yōu)先選擇權(quán)重高的進(jìn)程，可以使得緊迫的任務(wù)優(yōu)先處理。
4. 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法：按照FIFO的原則排列就緒進(jìn)程，每次從隊(duì)列頭部取出待執(zhí)行進(jìn)程，分配一個(gè)時(shí)間片執(zhí)行，是相對(duì)公平的調(diào)度算法，但是不能保證就是響應(yīng)用戶。

3.2 作業(yè)管理之死鎖

3.2.1 進(jìn)程死鎖、饑餓、死循環(huán)的區(qū)別：

死鎖：兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程在執(zhí)行過(guò)程中，由于競(jìng)爭(zhēng)資源或者由于彼此通信而造成的一種阻塞的現(xiàn)象，若無(wú)外力作用，它們都將無(wú)法推進(jìn)下去。永遠(yuǎn)在互相等待的進(jìn)程稱為死鎖進(jìn)程。

饑餓：由于長(zhǎng)期得不到資源導(dǎo)致進(jìn)程無(wú)法推進(jìn)；

死循環(huán)：代碼邏輯BUG。

死鎖的產(chǎn)生：競(jìng)爭(zhēng)資源（共享資源數(shù)量不滿足各進(jìn)程需求）、進(jìn)程調(diào)度順序不當(dāng)，當(dāng)調(diào)度順序?yàn)锳->B->C->D時(shí)會(huì)產(chǎn)生死鎖，但改為A->D->B->C則不會(huì)產(chǎn)生。

死鎖的四個(gè)必要條件：

1. 互斥條件：必須互斥使用資源才會(huì)產(chǎn)生死鎖；
2. 請(qǐng)求保持條件：進(jìn)程至少保持一個(gè)資源，又提出新的資源請(qǐng)求，新資源被占用，請(qǐng)求被阻塞，被阻塞的進(jìn)程不釋放自己保持的資源；
3. 不可剝奪條件：進(jìn)程獲得的資源在未完成使用前不能被剝奪（包括OS），只能由進(jìn)程自身釋放；
4. 環(huán)路等待條件：發(fā)生死鎖時(shí)，必然存在進(jìn)程-資源環(huán)形鏈,環(huán)路等待不一定造成死鎖，但是死鎖一定有循環(huán)等待。

死鎖的處理策略：

一.預(yù)防死鎖的方法：破壞四個(gè)必要條件的中一個(gè)或多個(gè)。

1. 破壞互斥條件：將臨界資源改造成共享資源（Spooling池化技術(shù)）；（可行性不高，很多時(shí)候無(wú)法破壞互斥條件）
2. 破壞請(qǐng)求保持條件：系統(tǒng)規(guī)定進(jìn)程運(yùn)行之前，一次性申請(qǐng)所有需要的資源；（資源利用率低，可能導(dǎo)致別的線程饑餓）
3. 破壞不可剝奪條件：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程請(qǐng)求新的資源得不到滿足時(shí)，必須釋放占有的資源；（實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，剝奪資源可能導(dǎo)致部分工作失效，反復(fù)申請(qǐng)和釋放造成額外的系統(tǒng)開(kāi)銷）
4. 破壞環(huán)路等待條件：可用資源線性排序，申請(qǐng)必須按照需要遞增申請(qǐng)；（進(jìn)程實(shí)際使用資源順序和編號(hào)順序不同，會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)）

二.銀行家算法：檢查當(dāng)前資源剩余是否可以滿足某個(gè)進(jìn)程的最大需求；如果可以，就把該進(jìn)程加入安全序列，等待進(jìn)程允許完成，回收所有資源；重復(fù)1，2，直到當(dāng)前沒(méi)有線程等待資源；

三.死鎖的檢測(cè)和解除：死鎖檢測(cè)算法，資源剝奪法，撤銷進(jìn)程法（終止進(jìn)程法），進(jìn)程回退法；