操作系统原理学习笔记
操作系统概述
是管理计算机硬件与软件资源的系统软件，同时也是计算机系统的内核与基石。
常见的操作系统有微软的Windows，苹果的macOS，linux，Unix等。
操作系统主要职能：
- 管理系统硬件，软件，数据资源
- 控制程序运行
- 人机之间的接口
- 应用软件与硬件之间的接口
内容提要：
- 进程管理
- 存储管理
- 文件管理
- 作业管理
- 设备管理
- 微内核
一、进程管理
进程的状态
一个系统进程可以简单分为三种状态：等待、就绪、运行。
等待状态：进程等待其成功的天时，地利，人和。
就绪状态：万事俱备，只欠东风。
运行状态：送东风（安排时间片并在该时间片内执行该程序，时间片用完，程序退回就绪状态）
一个实际的操作系统，进程的状态及其转换更为复杂。
什么是前驱图
以包饺子为例：
进程的同步与互斥
进程同步：散布在程序中的若干程序片段，按照规定的时间，协调完成程序运行。
进程互斥：同一时刻多个进程片段争夺一个运行资源（千军万马过独木桥）
同步是一种复杂的互斥，互斥是一种特殊的同步
PV操作
进入临界区时执行P操作（申请），退出临界区时执行V操作（释放）
- 临界资源：系统中某些资源一次只允许一个进程使用，这样的资源称为临界资源。也叫共享资源或互斥资源。
- 临界区：一个程序片段的集合，这些程序片段分散在不同进程中，对某个共享的数据结构（临界资源）进行操作。通俗地讲 就是访问临界资源的那段代码块。
- 信号量：执行PV操作时要给定的值。
两道例题理解PV操作的应用：
死锁问题
一个进程在等待一件不可能发生的事（即永远发配不到运行资源）即进程死锁。
单个或多个进程产生死锁，就会造成系统死锁。
例题：
理解：
这是一个典型的最少资源求解问题。
我们可以先给三个进程个安排两个资源，这样三个进程就都在等待状态，这个时候，只需要安排一个资源个任意一个进程（如给A），A执行完毕后释放资源的资源完全足够剩下进程使用！这样2*3+1=7即最少分配资源
结论：
这类问题，假定有n个进程，每个进程需要k个资源，求最少资源解决死锁。对应公式为n*(k-1)+1。
死锁的预防与避免
造成死锁的四大条件：
- 互斥
- 保持和等待
- 不剥夺
- 环路等待
四个条件缺一不可！
要预防死锁，就要打破这四大条件。
即要有序资源分配法—常见的有“银行家算法”。
银行家算法
分配资源的原则：银行家算法
二、存储管理
分区存储
页式存储
用户程序划分成若干固定大小的区域，称为“页”；
内存空间分成若干个物理块，页和块的大小相等。
将用户程序的任一页放在内存的任一块中，实现了离散分配。
等分内存
内存空间被等分成若干物理块，也称为物理页；一般一个物理块取2的次幂大小,所有物理块从0开始编号，称为物理页号。
逻辑地址
系统将程序的逻辑空间按照同样大小也划分成若干页面，称为逻辑页面也称为页。程序的各个逻辑页面从0开始依次编号，称作逻辑页号或相对页号。
每个页面内从0开始编址，称为页内地址。程序中的逻辑地址由两部分组成：页号P和页内地址。
实现原理
优点：内存利用率高，碎片小，分配及管理简单。
缺点：增加了系统开销，可能产生抖动。
优点：
地址映射
逻辑地址 → 物理地址
给定一个逻辑地址和页面大小，如何计算物理地址？
1) 根据页面大小可计算出页内地址的位数
2) 页内地址位数结合逻辑地址计算出页内地址（即，块内地址）和页号
3) 页号结合页表，即可得出块号
4) 块号&块内地址即可得出物理地址
例题
段式存储
程序逻辑空间分为若干个具有完整逻辑意义信息的段。
内存空间为每一个段分配一个连续的分区。
与分页存储不同，段式存储的分段大小不是固定的，而是每一段都有完整的意义；例如分页是将一个人每隔10厘米切割，而分段则是按部位切割，如按头部、身体、腿部分段方式切割。
段内地址的位数可以决定段的大小。
逻辑地址 = 段号&段内地址
优点：多道程序共享内存，各段程序修改互不影响。
缺点：内存利用率低，内存碎片多。
地址映射
求基址的过程与页式存储中求块号的过程原理相同，这里需要注意的是，物理地址是基址+段内地址，而不是基址&段内地址，由逻辑地址得到段号、段内地址，再根据段号和段表求出基址，再由基址+段内地址即可得物理地址。
段页式存储
分页存储+段式存储
优点：空间浪费小、存储共享容易、存储保护容易、能动态链接。
缺点：由于管理的软件增加，复杂性和开销也随之增加，需要的硬件以及占用的内容也有所增加，使得执行速度大大下降。
页面置换算法
- 最优算法（OPT）
- 随机算法（RAND）
- 先进先出算法（FIFO）（常用）
- 最近最少使用算法（LRU）（常用）
三、文件管理
索引文件结构
文件和树型目录结构
文件属性
- R 只读文件
- A 存档文件
- S 系统文件
- H 隐藏文件
文件名组成
- 驱动器号
- 路径
- 主文件名
- 扩展名
一个树型目录结构
绝对路径：从盘符开始的路径
相对路径：从当前路径开始的路径
例如当前在D2盘，那D2盘的F5文件的绝对路径为： /D2/W3/F5；相对路径为
：W3/F5。
空闲存储空间管理
- 空闲区表法（空闲文件目录）
- 空闲链表法
- 位示图法
- 成组链接法
位示图
四、设备管理
数据传输控制方式
虚设备与spooling技术
五、微内核
