操作系统

操作系统简介

操作系统主要功能

  1. 进程管理

  2. 内存管理

  3. 设备管理

  4. 文件管理

  5. 提供用户接口

软件访问硬件的几种方式

  1. 直接访问：由用户进程直接控制主存或 CPU 和外围设备之间的信息传送。

  2. 中断驱动：为了减少程序直接控制方式下 CPU 的等待时间以及提高系统的并行程度，系统引入了中断机制。外围设备仅当操作正常结束或异常结束时才向 CPU 发出中断请求

  3. DMA 直接内存访问：无需cpu介入，设备控制器直接把数据传输到内存

  4. 通道控制方式：独立于 CPU 的专门负责输入输出控制的处理机，它控制设备与内存直接进行数据交换。有自己的通道指令，这些指令由 CPU 启动，并在操作结束时向 CPU 发出中断信号

     

Linux程序不能在Windows跑

  1. 格式不同，linux可执行程序格式elf，winfows是pe

  2. 系统api不一致，linux软中断（int 0x80）,windows为库（dll）

操作系统结构

  1. 单体

  2. 分层

  3. 微内核

  4. 客户端-服务器

 

内核态、用户态

  1. 内核态：系统权限0、访问任何数据

  2. 用户态：系统权限3、受限访问内存

切换过程：系统调用->软中断指令->中断函数处理->内核态处理api

linux操作系统启动过程

主要分为一下过程：https://cloud.tencent.com/developer/article/1114481

  1. 开机自检

  2. 加载BIOS程序（位于CMOS芯片）

  3. 确定可启动设备->加载MBR->运行boot loader（grub）-> 加载内核

    MBR位于可启动磁盘的0磁道0扇区、521字节：

    • Boot Loader 占用446字节，存储有操作系统（OS）相关信息，如操作系统名称，操作系统内核位置等，它的主要功能是加载内核到内存中运行

    • Partition Table 分区表，占用64字节，每个主分区占用16字节（这就是为啥一块硬盘只能有4个主分区）

    • 分区表有效性标记占用2字节

    这时候还没有加载文件系统，怎么找到内核？（内核就在/boot目录下）

    • BIOS加载MBR中的GRUB(GRUB第一阶段的文件）， 用来加载识别文件系统的文件（/boot/grub/下的文件），识别完系统后才可以找到/boot目录

    • 第2阶段 寻找内核并加载到内存中

  4. 加载内核，初始化（init进程）

探测硬件–>加载驱动–>挂载根文件系统–>切换至根文件系统（rootfs）–>运行/sbin/init完成系统初始化

问题：根文件系统所在的设备怎么找到？

解决方案：/boot下有initrd文件，是一个虚拟的根文件系统，内核通过它加载根文件系统的驱动程序，然后以读写方式挂载根文件系统

 

进程与线程

区别

进程：资源分配的最小单位

线程：任务执行的最小单位（堆栈指针、程序计数器）

 

进程间通信方式

https://www.jianshu.com/p/c1015f5ffa74

  1. 管道pipe：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。

  2. 命名管道FIFO：有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。

  3. 消息队列MessageQueue：消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

  4. 共享存储SharedMemory：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号量，配合使用，来实现进程间的同步和通信。

  5. 信号量Semaphore：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

  6. 套接字Socket：套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同及其间的进程通信。

  7. 信号 ( sinal ) ： 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

 

进程、线程的状态

img

 

调度算法

  1. FCFS（First Come First Serve）：先来先服务

  2. SJF（Shortest Job First）：最短作业优先

  3. SRTF（Shortest Remaining Time First）：剩余最短作业优先

  4. HRRN（Highest Response Rate Next）：

响应比 = \frac {等待时间 + 运行时间} {运行时间}

  1. PS（Priority Scheduling）优先级算法

  2. RR（Round Robin）轮转算法

  3. MQ（Multilevel Queue）多级队列算法

  4. MFQ（Multilevel Feedback Queue）多级反馈队列算法

  • 多个队列、每个队列优先级不一致、时间片不一致，在优先级越高的队列中，时间片越小

  • 新进程进入，先放入第一级队列，FCFS执行；若未完成，放入第二季队列，以此类推

  • 若正在执行第i级队列，有新进程进入优先级较高的队列（第 1 ~ (i-1)），则此时新进程将抢占时间片

内存管理篇

段页式存储方式

在这里插入图片描述

GDT（全局描述符表）、LDT（局部描述符表）

空闲内存的管理方式

  1. 链表式

  2. 位图式

页面置换算法

缺页中断、异常处理

img

 

文件系统

img

高速缓存原理

容量C=S*E*B；https://www.cnblogs.com/snsart/p/10700599.html

img

  1. 通过地址我们如何从缓存中找到数据所在的组号，块号和块中的位置呢？

通过t、s、b

  1. 缓存冲突

当每个组只有一行的情况下，映射为同一组的块在缓存中将占用同一个存储空间

解决方案：组相联高级缓存，可以把每个组分为多行，每行存储一个块，然后通过有效位和标记位检查多行来判断是否缓存命中

 

如何查找文件

文件系统两部分：元数据（inode）、数据区

数据块=4kb=8个扇区

inode总数格式化文件系统的时候已经确定

inode Bitmap：即inode位图，用二进制的方式记录了inode的使用情况，。

Block Bitmap：即块位图，同Inode Bitmap，用

super block：超级块包含了该硬盘或分区上的文件系统的整体信息，如文件系统的大小等。

https://www.cnblogs.com/whych/p/9315723.html

文件的查找：比如要查找/var/log/message

img

 

文件的创建：比如要创建/backup/test.txt（前提backup目录存在）

img

删除

当要删除一个文件时，其实就是把其使用的block位图标记为空闲，inode位图的相关位置成空，相当于不被占用，系统就认为此文件删除。

 

PS：一个block快大小为4kb、间接引用为4kb/4 * 4kb = 4m、二级引用为4G、三级引用为4T

软连接、硬链接的区别

软连接：正常文件、只不过data内容为另一个文件 （ln -s 源文件 目标文件）

硬链接：目录的data内容新增一个inode filename映射（inode 引用计数+1） （ ln 源文件 目标文件）

 

磁盘臂调度算法：最短路径优先

缺点：忽略优先级

 

IO篇

设备控制器

控制硬件设备

设备驱动程序：提供与硬件交互的软件接口

 

中断

异常：同步中断，处理器执行程序产生

中断：硬件产生

中断处理程序：一个设备的中断处理程序是它设备驱动程序的一部分（中断上下文），不可以使用休眠或延时等阻塞函数

中断上下文：https://blog.csdn.net/wzf_Cql/article/details/120382584

Linux中的中断处理程序是无需重入的，一个给定的中断处理程序正在执行时，相应的中断线在所有处理器上都会被屏蔽掉

img

 

死锁篇

 

死锁产生的必要条件

  • 互斥条件：每个资源只能被分配给一个进程

  • 保持和等待条件：请求资源而阻塞时，不放弃现有资源（一次性获取所有资源）

  • 不可抢占条件：分配给一个进程的资源不能被抢占（可被抢占）

  • 循环等待：进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。（资源编好顺序获取）

破坏死锁：破坏四个条件之一即可

 

死锁类型

  1. 两阶段加锁（第一阶段：一次性获取锁，第二阶段：处理释放锁）

  2. 通信死锁（解决方案：超时）

  3. 活锁：一对并行的进程用到了两个资源。它们分别尝试获取另一个锁失败后，两个进程都会释放自己持有的锁，再次进行尝试，一直进行重复，没有进程阻塞，但是进程仍然不会向下执行

  4. 饥饿：获取不到资源的进程