计算机系统概述

OS特征

并发

并发
在同一时间间隔
并行
同时

共享

互斥共享
一段时间内只允许一个进程访问资源
同时访问
允许一段时间内由多个进程交替访问(微观上)

虚拟

虚拟存储器
虚拟内存
虚拟外部设备

异步

允许多个程序并发执行

OS目标功能

管理计算机系统资源

处理机管理
进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理器调度
存储器管理
内存的分配和回收、地址映射、内存保护、内存扩充
文件管理
文件存储空间管理、目录管理、文件读写管理和保护
设备管理
缓冲管理、设备分配、设备处理、虚拟设备

用户和硬件系统之间的接口

命令接口
联机命令接口：分时/实时操作系统
脱机命令接口：批处理操作系统
程序接口
由一组系统调用组成
使用各种外部设备、申请分配和回收内存

OS发展历程

单道批处理
多道批处理
pro：资源利用率高，系统吞吐量大
con：用户响应时间长，不具备人机交互能力
分时操作系统
基于时间片轮转，较好地解决了交互问题
实时操作系统
实时性强，收到外部信号能及时处理

OS运行模式

处理器运行模式

特权指令
非特权指令
时钟管理
中断机制
原语
系统控制的数据结构以及处理

待完善

中断和异常

外部中断(硬件层面)
可屏蔽中断、不可屏蔽中断
内部异常
故障(fault)、自陷(trap)、终止

系统调用

用户在程序中调用操作系统的一系列子功能
需要运行在核心态
可以执行访管指令(trap)来发起系统调用

用户态转为核心态的例子

系统调用
中断
用户程序产生错误状态(例如除0)
用户程序执行特权指令

核心态转为用户态也为特权指令
访管指令不为特权指令

OS结构

分层结构
只能调用紧邻的底层的功能和服务
pro:便于系统调试验证、易于扩充和维护
con:合理定义各层比较困难、效率差
模块化结构
OS按功能划分有一定独立性的模块，并规定好模块之间的接口，用于模块之间通信
宏内核结构(大部分主流操作系统)
主要功能模块作为紧密联系的整体运行在核心态
pro：巨大性能优势
con：扩展、灵活、可靠、安全、可移植性均比微内核低
微内核结构(Fuchsia 鸿蒙OS)
最基本的功能保留在内核，剩余功能交由用户态运行
进线程管理、低级存储器管理、中断陷入处理
pro：扩展、灵活、可靠、安全、可移植、便于分布式计算
con：性能较宏内核差，需要频繁在核心用户态之间切换

进程与线程

进程

功能：更好地描述和控制程序的并发执行，实现操作系统的并发性和共享性

组成：程序段、数据段、PCB

是拥有系统资源的基本单位

进程的特征

动态、并发、独立、异步

进程的状态

就绪、阻塞、运行、创建、结束

无法从阻塞态直接转换为运行态，也无法直接从就绪态转换为阻塞态

进程的通信

共享存储
对共享空间读写实现信息交换，需要使用同步互斥工具(PV操作)，进程运行时不能访问其他进程的地址空间
消息传递
直接或者间接消息传递
管道通信
有一个连接进程之间的管道，管道文件是一个固定大小的缓冲区，需要用read()，write()命令读写，无法同时读写，会阻塞

线程

提高操作系统的并发性能，是一个基本的CPU执行单元

在传统的操作系统中，拥有资源和独立调度的基本单位是进程
在引入线程的操作系统中，线程是独立调度的基本单位
线程不占用系统资源

线程的实现方式

用户级线程
内核意识不到线程的存在，所有工作由应用程序在用户空间中完成
内核级线程
在操作系统的内核支持下运行

处理机调度

先来先服务FCFS

不可剥夺算法
pro：算法简单，对长作业有利，对CPU繁忙型作业有利
con：对短作业不利，对IO繁忙作业不利

短作业优先SJF

pro：平均等待时间，平均周转时间最少
con：对长作业不利，不能保证紧迫性作业被及时处理
批处理系统适用

优先级调度算法

优先级原则:
系统进程 > 用户进程
交互性进程 > 非交互性进程
IO型进程 > 计算型进程

高响应比优先

克服长作业饥饿现象

时间片轮转

con：进程调度需要时间
分时系统适用

多级队列调度算法

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