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操作系统OS

news 2026/6/4 4:03:18

操作系统

定义

操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配；以提供给用户和其他软件方便的接口和环境；它是计算机系统中最基本的系统软件。

联机命令接口：用户输入一条指令，操作系统执行一条指令，接着用户输入一条指令，操作系统执行一条指令，循环如此
脱机命令接口：用户输入一堆指令，操作系统执行一堆指令，接着用户输入一堆指令，操作系统执行一堆指令，循环如此

特征

并发

指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的，微观上是交替发生的

并行：指两个或多个事件在同一时刻同时发生。

共享

即资源共享，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

共享方式分为两种：互斥共享方式、同时共享方式

互斥共享方式指系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源

同时共享方式：允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问

虚拟

是指把一个物理上的实体变成若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，逻辑对应物是用户感受到的。

虚拟技术分为：空分复用技术、时分复用技术

空分复用技术：比如我的电脑只有4GB内存，但却运行了一个200GB的游戏
时分复用技术：单核CPU的电脑同时运行着多个应用程序

异步

是指，在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进。

其中，并发和共享是最基本的特征。

发展与分类

操作系统的运行机制

应用程序：普通程序员写的程序

内核程序：开发操作系统的程序员开发的程序，由很多内核程序组成了“操作系统内核”，简称“内核（Kernel）”。内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分。

特权指令：操作系统内核作为“管理者”，有时会让CPU执行一些“特权指令”，如：内存清零指令。这些指令影响重大，只允许“管理者”来使用。

非特权指令：例如加法、减法指令等

CPU能判断出指令类型，但是它如何区分此时正在运行的是内核程序还是应用程序呢？

CPU有两种状态：内核态和用户态，处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，可以执行特权指令。处于用户态时，说明此时正在执行的是应用程序，此时只能执行非特权指令。

CPU中有一个寄存器（程序状态字寄存器PSW），有个二进制位，1表示内核态，0表示用户态。

内核态也叫核心态、管态，用户态也叫目态。

内核态与用户态的切换

内核态到用户态：执行一条特权指令，修改PSW标志位，让出CPU使用权

用户态到内核态：由中断引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统强行夺回CPU的使用权。

如果系统此时处于用户态，但是应用程序中运行了一个特权指令（特权指令只能在内核态执行），CPU会检测出来并拒绝执行这条特权指令，同时会引发一个中断信号。中断使得操作系统再次夺回CPU的控制权，操作系统会对引发中断的事件进行处理，处理完了再把CPU使用权交给别的应用程序。

中断和异常

内中断：与当前指令有关，中断信号来自CPU内部。
例如：
1、在用户态执行特权指令，CPU检测到以后就会触发中断，切换回内核态，夺取CPU控制权，拒绝执行这个指令，转而去执行中断对应的应用程序
2、执行除法除数为0的指令
3、应用程序想要请求操作系统内核的服务，此时会执行一条特殊的指令–陷入指令，该指令会引发一个内部中断信号

外中断：与当前指令无关，中断信号来自CPU外部。每一条指令执行结束后，CPU都会检查是否有外中断信号
例如：
1、由时钟信号发来的中断信号，时钟部件每隔一段时间给CPU发送一个时钟中断信号
2、IO中断：由输入输出设备发出的中断信号

系统调用

操作系统的体系结构

进程

进程的概念

进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。PCB是进程存在的唯一标志。

进程的状态及转换

进程控制

执行了关中断之后，即使出现中断信号，CPU也不会去处理中断，而是继续往下执行。等到执行到开中断，如果出现中断信号，才开始处理中断。这就保证了原子操作。

进程通信

进程间通信是指两个进程之间产生数据交互。

共享存储

每个进程都有自己独立的内存空间，进程只能访问自己的内存空间，无法访问其他进程的内存空间。共享存储是申请一个共享存储区，使得多个进程可以共同访问这片区域。需要注意的是，多个进程同时对共享存储区的访问应该是互斥的，不然就会出现问题，例如写入覆盖。

线程

线程的概念

线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。

线程的实现方式和多线程模型

线程的状态和转换

调度

调度的概念

当有多个任务需要处理，但由于资源有限，这些任务没法同时处理，这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是调度。

进程调度的时机、过程与方式

进程调度（低级调度），就是按照某种算法从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机。

临界资源：一个时间段内只允许一个进程使用的资源，各进程需要互斥地访问临界资源。

临界区：访问临界资源的那段代码。

进程调度方式：非剥夺方式（非抢占方式）、剥夺方式（抢占方式）

非剥夺方式：只允许进程主动放弃处理机，在运行过程中即便有更紧迫的任务到达，当前进程依然会继续使用处理机，直到该进程终止或主动要求进入阻塞态。

剥夺方式：当一个进程正在处理机上执行时，如果有一个更重要的进程需要使用处理机，则立即暂停正在执行的进程，将处理机分配给更重要的那个进程。

调度算法的评价指标

调度算法

先来先服务FCFS

按照作业或进程到达的先后顺序进行服务。非抢占式

优点：公平、算法简单

缺点：排在长作业后面的短作业需要等待很长时机，FCFS对长作业有利，对短作业不利。

不会导致进程饥饿（饥饿指进程长期得不到服务）

短作业优先SJF

最短的作业或进程优先得到服务，最短即要求服务时间最短。默认是非抢占式，也有抢占式的算法，即最短剩余时间优先SRTN

优点：“最短的”平均等待时间、平均周转时间

缺点：不公平，对短作业有利，对长作业不利，可能产生进程饥饿。如果源源不断地有短作业到了，就会导致长作业长时间得不到服务，产生饥饿现象。

最短剩余时间优先

和短作业优先相比，最短剩余时间优先增加了CPU抢占的功能，当前运行的任务与新来的任务，哪个运行时间段就执行哪个。

高相应比优先HRRN

在每次调度时先计算各个作业的响应比，选择响应比最高的作业为其服务。非抢占式

响应比=（等待时间+运行时间）/ 运行时间

等待时间相同时，运行时间短的优先，有利于短作业；运行时间相同时，等待时间长的优先，类似于先来先服务。不会导致饥饿。

上述三种算法在早期的批处理系统中使用，现在的系统中使用较少。

时间片轮转调度算法RR

按照各进程到达就绪队列的顺序，轮流让各个进程执行一个时间片，若进程未在一个时间片内执行完则剥夺处理机，将进程重新放到就绪队列队尾重新排队。不会导致作业饥饿。

若进程未能在时间片内运行完成，就会被剥夺处理机，这种算法属于抢占式算法。

优点：公平，响应快，适用于分时操作系统

缺点：进程切换有一段的开销，不区分任务的紧急程度

优先级调度算法

每个作业或进程各有自己的优先级，调度时选择优先级最高的。

抢占式、非抢占式都有。

优点：用优先级区分紧急程度，适用于实时操作系统。

缺点：若有源源不断的高优先级进程到来，则可能导致饥饿

多级反馈队列调度算法

1、设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到达

2、新进程到达时，先进入第1级队列，按照FCFS原则排队等待分配时间片，若用完时间片进程还未运行结束，则进程进入下一级队列队尾。如果此时已经是最下级的队列，则重新放回该队列的队尾

3、只有第k级队列为空时，才会为k+1级队列的进程分配时间片。

属于抢占式算法

多级反馈队列综合了上述大多数算法的优点。可能会导致饥饿。

进程同步、进程互斥

进程互斥的软件实现方式

进程互斥的硬件实现方式

信号量机制

死锁

死锁的处理策略-预防死锁

死锁的处理策略-避免死锁

安全序列：指系统按照这种序列分配资源，则每个进程都能顺利完成。只要能找出一个安全序列，系统就是安全状态。当然，安全序列可能有多个。

如果分配了资源之后，系统中找不出任何一个安全序列，系统就进入了不安全状态。

如果系统处于安全状态，就一定不会发生死锁。如果系统进入不安全状态，就可能发生死锁

银行家算法

在资源分配之前，预先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态，以决定是否答应资源分配请求。

系统中有三种资源，总数是（10，5，7），某一时刻，5个进程P0-P4的最大资源需求和已分配资源如图，找出一个安全序列。

系统资源总数（10，5，7）减去已分配资源（7，2，5），剩余资源数为（3，3，2）

接着尝试给每一个进程进行分配。

1、给P0发现剩余资源无法满足。

2、给P1可以满足，于是尝试给P1分配资源，P1执行完成后释放自己占用的资源（2，0，0），此时系统中剩余资源为（5，3，2）。

3、给P0发现剩余资源无法满足。

4、给P2发现剩余资源无法满足。

5、给P3可以满足，于是尝试给P3分配资源，P3执行完成后释放自己占用的资源（2，1，1），此时系统中剩余资源为（7，4，3）。

6、给P0发现可以满足，P0执行完成后释放自己占用的资源（0，1，0），此时系统中剩余资源为（7，5，3）。

7、给P2发现可以满足，P2执行完成后释放自己占用的资源（3，0，2），此时系统中剩余资源为（10，5，5）。

8、给P4发现可以满足，P4执行完成后释放自己占用的资源（0，0，2），此时系统中剩余资源为（10，5，7）。

于是得到安全序列：P1、P3、P0、P2、P4，结果不唯一

死锁的处理策略-检测和解除

资源分配图

进程使用圆形表示，如上图有P1、P2两个进程。资源使用矩形表示，其中的小圆形表示资源的数量，即有3个R1资源，2个R2资源。

资源指向进行的箭头，表示资源已经分配给该进程，箭头的数量表示分配的资源数量；进程指向资源的箭头，表示进程请求资源，箭头数表示请求资源的数量。

如上图，我们先看资源分配。P1占用2个R1资源，P2占用1个R1资源和1个R2资源。现在P1是可以运行的，P2是不能运行的，因为P2需要2个R1资源。先让P1运行，运行完成之后释放掉相应的资源，就可以把与P1相关的连线都去掉，变成下图。

此时P2进行就可以运行了。P2运行完后归还系统资源，解除与之相连的边，就变成下图了。

按照上述步骤，最终能消除所有边，就称这个图是可以简化的，此时一定没有发生死锁。如果不能消除所有的边，就表明发生了死锁。

解除死锁

内存

动态分区分配算法

基本分页存储管理

局部性原理

分为时间局部性和空间局部性。

时间局部性：如果执行了程序中的某条指令，那么不久之后这条指令很有可能再次指向；如果某个数据被访问过，不久之后该数据很有可能再次被访问过（因为程序中存在大量的循环）

空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也很有可能被访问（因为很多数据在内存中都是连续存放的）。

基本分段存储管理

段页式管理方式

虚拟内存

请求分页管理方式

页面置换算法

页面的换入缓存需要磁盘IO，会有较大的开销，因此好的页面置换算法应该追求更少的缺页率

最佳置换算法OPT

每次选择淘汰的页面将是以后永不使用，或者在最长时间内不再被访问的页面。

按照顺序，第一个是7，没在内存块中发生一次缺页，此时内存块有空闲，于是将7放入内存块中；接下来是0，没在内存块中发生一次缺页，此时内存块有空闲，于是将0放入内存块中；接下来是1，没在内存块中发生一次缺页，此时内存块有空闲，于是将1放入内存块中；接下来是2，没在内存块中发生一次缺页，此时内存块没有空闲，需要进行页面置换。最佳置换算法是从当前节点往后，看内存块中哪个块后被访问到，于是将该块换出。这个例子中，内存块中的7在倒数第3次被访问到，而0、1在它之前，所以将7换出，2换入；接下来是0，在内存块中，不发生缺页。其他过程类似。

最佳置换算法可以保证最低的缺页率。但实际上，只有在进程执行过程组才能知道接下来会访问到的是哪个页面。操作系统无法提前预判页面访问序列。因此，最佳置换算法是无法实现的。