计算机操作系统

第一部分

• 操作系统概览
• 进程管理
• 作业管理
• 存储管理
• 文件管理
• 设备管理

操作系统概览

• 操作系统的演进
• What&Why
• 操作系统的基本功能
• 操作系统相关概念

操作系统的演进

1. 无操作系统
2. 批处理系统
3. 分时系统

多道程序设计

定义：指在计算机内存中同时存放多个程序，在管理程序之下相互穿插运行，是操作系统的重要功能。

解决的问题：

• 早期批处理系统只能一次处理一个任务
• 多道程序设计使得批处理系统可以一次处理多个任务
• 大幅度提高计算机利用率

What&Why

• 什么是操作系统？

  • 操作系统是管理计算机硬件和软件资源的计算机程序

• 为什么使用操作系统？

  • 可以管理配置内存、决定资源供需顺序、控制输入输出设备等
  • 我们不能直接操作计算机硬件，操作系统提供用户与系统交互的操作界面，提高生产力
  • 操作系统种类非常多，从手机到超级计算机都有用到

• 常见的操作系统

  • 手机端
    • Android
    • IOS
  • 电脑端
    • Windows
    • MacOS
    • Linux

TIP

MIUI、ColorOS、Flyme 等系统严格来说不算操作系统，只是在 Android 操作系统下做了一些个性化的修改或优化。

操作系统的基本功能

• 统一管理计算机资源
• 对计算机资源的抽象
• 提供了用户与计算机之间的接口

统一管理计算机资源：

• 处理器资源
• 存储器资源
• IO 设备资源
• 文件资源

对计算机资源的抽象：

• 用户无需面向硬件接口编程
• 比如文件管理软件，会提供操作文件的接口，我们直接使用就可以

提供了用户与计算机之间的接口：

• 图像窗口形式
• 命令形式
• 系统调用形式

操作系统相关概念

• 并发性
• 共享性
• 虚拟性
• 异步性

并发性：

• 并行：是指两个或多个事件可以在同一个时刻发生

• 并发：是指两个或多个事件可以在同一个时间间隔发生

共享性：

• 操作系统中的资源可供多个并发的程序共同使用，也称为资源共享

• 互斥共享形式：当资源被程序 A 占用时，其他想使用的程序只能等待

• 同时访问形式：某种资源在一段时间内并发地被多个程序访问，这种“同时”是宏观的

虚拟性：

• 表现为把一个物理实体转变为若干个虚拟的逻辑实体
• 主要的技术有时分复用技术和空分复用技术

时分复用技术:

空分复用技术:

• 用来实现虚拟磁盘、虚拟内存等
• 提高资源的利用率，提升编程效率

异步性：

• 在多道程序环境下，允许多个进程并发执行
• 进程在使用资源时可能需要等待或放弃
• 进程的执行是以走走停停的形式推进

进程管理

• 为什么需要进程？
• 进程的实体
• 五状态模型
• 进程同步
• Linux 的进程管理

为什么需要进程？

没有操作系统之前，一次只能运行一个指定的程序，资源属于当前运行的程序。加入操作系统之后，引入多道程序设计的概念，合理的隔离资源和运行环境，提升资源利用率。

• 操作系统利用进程提高利用率
• 进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位
• 进程是程序独立运行的载体，保障程序正常运行

进程的实体

• 主存中的进程形态
• 进程与线程

主存中的进程形态：

在主存里面，进程也是一段连续存储的空间，称为进程控制块(PCB)。在这个空间中有很多信息，有：标识符、状态、优先级、程序计数器、内存指针、上下文数据、IOS 状态信息......。

进程控制块(PCB)：

• 用于描述和控制进程运行的通用数据结构
• 记录进程当前状态和控制进程运行的全部信息
• PCB 使得进程是能够独立运行的基本单位
• 经常被读取，常驻内存中，存放在系统专门开辟的区域内

进程与线程：

• 进程(Process)
• 线程(Thread)

一个进程可以有多个线程。线程是操作系统运行调度的最小单位，进程是基本单位。

操作系统的调度，实际上是对进程里面的具体线程做调度，实际运行逻辑的是线程。

一个进程可以并发多个线程，每个线程可以执行不同的任务。

进程拥有资源，里面的线程共享这些资源。

五状态模型

进程状态：

• 就绪
  • 其它资源都准备好了，就只差 CPU 资源的状态下，在就绪队列中排队
• 执行
  • 程序在 CPU 中运行的状态
• 阻塞
  • 其它设备未就绪而无法继续执行的状态，在阻塞队列中排队
• 创建
  • 拥有 PCB 但其它资源尚未就绪的状态
• 终止
  • 进程结束由系统清理或归还 PCB 的状态

进程同步

• 为什么需要进程间同步
• 进程间同步的原则
• 线程同步

为什么需要进程间同步：

生产者-消费者问题，两者并发执行可能会出差错。

哲学家进餐问题。

问题的根源是彼此之间没有通信，所以需要进程间的同步，解决竞争资源在多进程间使用次序的协调，使并发执行的多个程序可以有效的利用资源与相互合作。

进程间同步的原则：

临界资源：指一些虽作为共享资源，却又无法同时被多个线程共同访问的共享资源。当有进程在使用临界资源时，其他进程需要等待进程释放。

同步原则：

• 空闲让进
• 忙则等待
• 有限等待
• 让权等待

同步方法：

• 消息队列
• 共享存储
• 信号量

线程同步：

进程内多线程并发使用资源也会遇到进程所遇到的相同问题，所以也需要同步。

同步方法：

• 互斥量
• 读写锁
• 自旋锁
• 条件变量

Linux 的进程管理

• 进程的类型
• 进程的标记
• Linux 操作进程的相关命令

进程的类型：

• 前台进程：具有终端，可以和用户进行交互的进程。比如：终端 Shell。
• 后台进程：没有占用终端，不和用户进行交互的就是后台进程，优先级比前台进程低。
• 守护进程：是特殊的后台进程，在系统引导时启动，一直运行到系统关闭。比如：crond、httpd、sshd、mysqld。

进程的标记

• 进程的 ID：唯一标记，非负整数，由系统限定。进程 A 创建进程 B，之间就是父子关系
• 进程的状态标记：状态符号有 R、S、D、T、Z

Linux 操作进程的相关命令：

• ps 命令
• top 命令
• kill 命令

作业管理

• 进程调度概述
• 进程调度的算法

进程调度概述

进程调度是指计算机通过决策决定，哪个就绪进程可以获得 CPU 使用权。

1. 保留旧进程的运行信息，请出旧进程
2. 选择新进程，准备运行环境并分配 CPU

进程调度的算法

• 先来先服务调度算法
• 短进程优先调度算法
• 高优先权优先调度算法
• 时间片轮转调度算法

存储管理

• 内存分配的过程
• 内存回收的过程

内存分配的过程