操作系统八股化复习

操作系统主要功能

• 负责创建和终止进程。进程是正在运行的程序实例，每个进程都有自己的地址空间和资源。
• 负责为进程分配资源，比如说内存，并在进程终止时回收内存。
• 提供创建、删除、读写文件的功能，并组织文件的存储结构，比如说目录。
• 通过设备驱动程序控制和管理计算机的硬件设备，如键盘、鼠标、打印机等。

OS 作为用户与计算机硬件系统之间接口的含义是：OS 处于用户与计算机硬件系统之 间，用户通过 OS 来使用计算机系统。或者说，用户在 OS 帮助下，能够方便、快捷、安全、 可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。应注意，OS 是一个系统软件，因而这种接口是软件接口。图 1-1 是 OS 作为接口的示意图。由图 可看出，用户可通过以下三种方式使用计算机。

多道批处理系统

在该系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，称为“后备 队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享 CPU 和系统中的各种资源。

多道批处理系统的优缺点

(1) 资源利用率高。由于在内存中驻留了多道程序，它们共享资源，可保持资源处于忙 碌状态，从而使各种资源得以充分利用。

(2) 系统吞吐量大。系统吞吐量是指系统在单位时间内所完成的总工作量。能提高系统吞吐量的主要原因可归结为：第一，CPU 和其它资源保持“忙碌”状态； 第二，仅当作业 完成时或运行不下去时才进行切换，系统开销小。

(3) 平均周转时间长。作业的周转时间是指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系 统为止所经历的时间。在批处理系统中，由于作业要排队，依次进行处理，因而作业的周转时间较长，通常需几个小时，甚至几天。

(4) 无交互能力。用户一旦把作业提交给系统后，直至作业完成，用户都不能与自己的作业进行交互，这对修改和调试程序是极不方便的。

分时系统

分时系统(Time Sharing System)与多道批处理系统之间有着截然不同的性能差别，它能很好地将一台计算机提供给多个用户同时使用，提高计算机的利用率。它被经常应用于查询系统中，满足许多查询用户的需要。简单来说就是把一个系统再多用户访问的时候给每个用户分一段时间在一段时间没有做完这个任务，也把时间给下一位用户直到循环回来继续执行。

分时系统的特征

(1) 多路性。允许在一台主机上同时联接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服 务。宏观上，是多个用户同时工作，共享系统资源；而微观上，则是每个用户作业轮流运 行一个时间片。多路性即同时性，它提高了资源利用率，降低了使用费用，从而促进了计 算机更广泛的应用。 

(2) 独立性。每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。因此，用户所感觉到 的，就像是他一人独占主机。

(3) 及时性。用户的请求能在很短的时间内获得响应。此时间间隔是以人们所能接受的 等待时间来确定的，通常仅为 1～3 秒钟。

(4) 交互性。用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。其广泛性表现在：用户可以 请求系统提供多方面的服务，如文件编辑、数据处理和资源共享等。

用户态和内核态

• 用户态(User Mode) : 用户态运行的进程可以直接读取用户程序的数据，拥有较低的权限。当应用程序需要执行某些需要特殊权限的操作，例如读写磁盘、网络通信等，就需要向操作系统发起系统调用请求，进入内核态。
• 内核态(Kernel Mode)：内核态运行的进程几乎可以访问计算机的任何资源包括系统的内存空间、设备、驱动程序等，不受限制，拥有非常高的权限。当操作系统接收到进程的系统调用请求时，就会从用户态切换到内核态，执行相应的系统调用，并将结果返回给进程，最后再从内核态切换回用户态。

内核态相比用户态拥有更高的特权级别，因此能够执行更底层、更敏感的操作。不过，由于进入内核态需要付出较高的开销（需要进行一系列的上下文切换和权限检查），应该尽量减少进入内核态的次数，以提高系统的性能和稳定性。

这些只能由操作系统内核态执行的指令也被叫做 特权指令 。

如果计算机系统中只有一个内核态，那么所有程序或进程都必须共享系统资源，例如内存、CPU、硬盘等，这将导致系统资源的竞争和冲突，从而影响系统性能和效率。并且，这样也会让系统的安全性降低，毕竟所有程序或进程都具有相同的特权级别和访问权限。

用户态切换到内核态的 3 种方式：

1. 系统调用（Trap）：用户态进程 主动 要求切换到内核态的一种方式，主要是为了使用内核态才能做的事情比如读取磁盘资源。系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现。
2. 中断（Interrupt）：当外围设备完成用户请求的操作后，会向 CPU 发出相应的中断信号，这时 CPU 会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。
3. 异常（Exception）：当 CPU 在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如缺页异常。

中断和异常类似，都是通过中断向量表来找到相应的处理程序进行处理。区别在于，中断来自处理器外部，不是由任何一条专门的指令造成，而异常是执行当前指令的结果。

系统调用

在我们运行的用户程序中，凡是与系统态级别的资源有关的操作（如文件管理、进程控制、内存管理等)，都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。

系统调用的详细过程

1. 用户态的程序发起系统调用，因为系统调用中涉及一些特权指令（只能由操作系统内核态执行的指令），用户态程序权限不足，因此会中断执行，也就是 Trap（Trap 是一种中断）。
2. 发生中断后，当前 CPU 执行的程序会中断，跳转到中断处理程序。内核程序开始执行，也就是开始处理系统调用。
3. 当系统调用处理完成后，操作系统使用特权指令（如 iret、sysret 或 eret）切换回用户态，恢复用户态的上下文，继续执行用户程序。

进程和线程

• 进程（Process） 是指计算机中正在运行的一个程序实例。举例：你打开的微信就是一个进程。
• 线程（Thread） 也被称为轻量级进程，更加轻量。多个线程可以在同一个进程中同时执行，并且共享进程的资源比如内存空间、文件句柄、网络连接等。举例：你打开的微信里就有一个线程专门用来拉取别人发你的最新的消息。

进程的几种状态

• 创建状态(new)：进程正在被创建，尚未到就绪状态。
• 就绪状态(ready)：进程已处于准备运行状态，即进程获得了除了处理器之外的一切所需资源，一旦得到处理器资源(处理器分配的时间片)即可运行。
• 运行状态(running)：进程正在处理器上运行(单核 CPU 下任意时刻只有一个进程处于运行状态)。
• 阻塞状态(waiting)：又称为等待状态，进程正在等待某一事件而暂停运行如等待某资源为可用或等待 IO 操作完成。即使处理器空闲，该进程也不能运行。
• 结束状态(terminated)：进程正在从系统中消失。可能是进程正常结束或其他原因中断退出运行。

进程的通信方式

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1. 管道/匿名管道(Pipes) ：用于具有亲缘关系的父子进程间或者兄弟进程之间的通信。
2. 有名管道(Named Pipes) : 匿名管道由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信。为了克服这个缺点，提出了有名管道。有名管道严格遵循 先进先出(First In First Out) 。有名管道以磁盘文件的方式存在，可以实现本机任意两个进程通信。
3. 信号(Signal) ：信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生；
4. 消息队列(Message Queuing) ：消息队列是消息的链表,具有特定的格式,存放在内存中并由消息队列标识符标识。管道和消息队列的通信数据都是先进先出的原则。与管道（无名管道：只存在于内存中的文件；命名管道：存在于实际的磁盘介质或者文件系统）不同的是消息队列存放在内核中，只有在内核重启(即，操作系统重启)或者显式地删除一个消息队列时，该消息队列才会被真正的删除。消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取.比 FIFO 更有优势。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字 节流以及缓冲区大小受限等缺点。
5. 信号量(Semaphores) ：信号量是一个计数器，用于多进程对共享数据的访问，信号量的意图在于进程间同步。这种通信方式主要用于解决与同步相关的问题并避免竞争条件。
6. 共享内存(Shared memory) ：使得多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据的更新。这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等。可以说这是最有用的进程间通信方式。
7. 套接字(Sockets) : 此方法主要用于在客户端和服务器之间通过网络进行通信。套接字是支持 TCP/IP 的网络通信的基本操作单元，可以看做是不同主机之间的进程进行双向通信的端点，简单的说就是通信的两方的一种约定，用套接字中的相关函数来完成通信过程。