操作系统那点知识 Posted on 2021-06-07 00:00:00 2021-06-07 00:00:00 by Author 摘要 这是关于一篇操作系统的知识，讲解了进程与线程，内存管理，内存管理的一些算法等等知识。 # 操作系统那点知识 ---- ## 什么是操作系统 1. 作系统（Operating System，简称OS）是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机系统的内核与基石； 2. 操作系统本质上是运行在计算机上的软件程序 ； 3. 操作系统为用户提供一个与系统交互的操作界面 ； 3. 操作系统分内核与外壳（我们可以把外壳理解成围绕着内核的应用程序，而内核可以理解为能直接操作硬件的程序）。  ------ ## 系统调用 首先介绍一下用户态和系统态: - 用户态(user mode) : 用户态运行的进程或可以直接读取用户程序的数据。 - 系统态(kernel mode):可以简单的 理解系统态运行的进程或程序几乎可以访问计算机的任何资源，不受限制。 1. 设备管理。完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能。 2. 文件管理。完成文件的读、写、创建及删除等功能。 3. 进程控制。完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能。 4. 进程通信。完成进程之间的消息传递或信号传递等功能。 5. 内存管理。完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及地址等功能。 ------ ## 进程与线程 ------ ### 进程与线程的区别  1. 一个进程中可以有多个线程，多个线程共享进程的堆和方法区 (JDK1.8 之后的元空间)资源，但是每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈 和 本地方法栈。 2. 线程是进程划分成的更小的运行单位,一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。线程和进程最大的不同在于基本上各进程是独立的，而各线程则不一定，因为同一进程中的线程极有可能会相互影响。线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。 ------- ### 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。 ------- ### 进程间的通信常见的的有哪几种方式？ 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(Names 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)或者显示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。 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。 ----- ### 进程间同步的方式? - 互斥量(Mutex)：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。比如 Java 中的 synchronized 关键词和各种 Lock 都是这种机制。 - 信号量(Semphares) ：它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量。 - 事件(Event) :Wait/Notify：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操。 ----- ### 进程调度的算法 - 先到先服务(FCFS)调度算法 : 从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程为之分配资源，使它立即执行并一直执行到完成或发生某事件而被阻塞放弃占用CPU时再重新调度。 - 短作业优先(SJF)的调度算法 : 从就绪队列中选出一个估计运行时间最短的进程为之分配资源，使它立即执行并一直执行到完成或发生某事件而被阻塞放弃占用CPU时再重新调度。 - 时间片轮转调度算法 : 时间片轮转调度是一种最古老，最简单，最公平且使用最广的算法，又称RR(Round robin)调度。每个进程被分配一个时间段，称作它的时间片，即该进程允许运行的时间。 - 多级反馈队列调度算法 ：前面介绍的几种进程调度的算法都有一定的局限性。如短进程优先的调度算法，仅照顾了短进程而忽略了长进程 。多级反馈队列调度算法既能使高优先级的作业得到响应又能使短作业（进程）迅速完成。，因而它是目前被公认的一种较好的进程调度算法，UNIX操作系统采取的便是这种调度算法。 - 优先级调度 ：为每个流程分配优先级，首先执行具有最高优先级的进程，依此类推。具有相同优先级的进程以FCFS方式执行。可以根据内存要求，时间要求或任何其他资源要求来确定优先级。 --------- ## 操作系统内存管理知识 ------ ### 内存管理主要做什么的 操作系统的内存管理主要负责内存的分配与回收（malloc 函数：申请内存，free 函数：释放内存），另外地址转换也就是将逻辑地址转换成相应的物理地址等功能也是操作系统内存管理做的事情。 ------ ### 常见的内存管理机制 1. 块式管理 ：远古时代的计算机操系统的内存管理方式。将内存分为几个固定大小的块，每个块中只包含一个进程。如果程序运行需要内存的话，操作系统就分配给它一块，如果程序运行只需要很小的空间的话，分配的这块内存很大一部分几乎被浪费了。这些在每个块中未被利用的空间，我们称之为碎片。 2. 页式管理 ：把主存分为大小相等且固定的一页一页的形式，页较小，相对相比于块式管理的划分力度更大，提高了内存利用率，减少了碎片。页式管理通过页表对应逻辑地址和物理地址。 3. 段式管理 ：页式管理虽然提高了内存利用率，但是页式管理其中的页实际并无任何实际意义。段式管理把主存分为一段段的，每一段的空间又要比一页的空间小很多 。但是，最重要的是段是有实际意义的，每个段定义了一组逻辑信息，例如,有主程序段 MAIN、子程序段 X、数据段 D 及栈段 S 等。段式管理通过段表对应逻辑地址和物理地址。 4. 段页式管理机制 。段页式管理机制结合了段式管理和页式管理的优点。简单来说段页式管理机制就是把主存先分成若干段，每个段又分成若干页，也就是说 段页式管理机制 中段与段之间以及段的内部的都是离散的。 ------ ### 快表和多级页表 - 块表:为了解决虚拟地址到物理地址的转换速度，操作系统在 页表方案 基础之上引入了 快表 来加速虚拟地址到物理地址的转换。我们可以把块表理解为一种特殊的高速缓冲存储器（Cache），其中的内容是页表的一部分或者全部内容。作为页表的Cache，它的作用与页表相似，但是提高了访问速率。由于采用页表做地址转换，读写内存数据时CPU要访问两次主存。有了快表，有时只要访问一次高速缓冲存储器，一次主存，这样可加速查找并提高指令执行速度。 - 使用快报之后地址的转化流程如下: 1. 根据虚拟地址中的页号查快表； 2. 如果该页在快表中，直接从快表中读取相应的物理地址； 2. 如果该页不在快表中，就访问内存中的页表，再从页表中得到物理地址，同时将页表中的 该映射表项添加到快表中； 4. 当快表填满后，又要登记新页时，就按照一定的淘汰策略淘汰掉快表中的一个页。 - 多级页表:引入多级页表的主要目的是为了避免把全部页表一直放在内存中占用过多空间，特别是那些根本就不需要的页表就不需要保留在内存中。 ------ ### 多页机制与分段机制的异同点 1. 共同的: - 分页机制和分段机制都是为了提高内存利用率，较少内存碎片。 - 页和段都是离散存储的，所以两者都是离散分配内存的方式。但是，每个页和段中的内存是连续的。 2. 区别: - 页的大小是固定的，由操作系统决定；而段的大小不固定，取决于我们当前运行的程序。 - 分页仅仅是为了满足操作系统内存管理的需求，而段是逻辑信息的单位，在程序中可以体现为代码段，数据段，能够更好满足用户的需要。 ------------ ### 虚拟内存 虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术，我们可以手动设置自己电脑的虚拟内存。不要单纯认为虚拟内存只是“使用硬盘空间来扩展内存“的技术。虚拟内存的重要意义是它定义了一个连续的虚拟地址空间，并且 把内存扩展到硬盘空间。虚拟内存 使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。与没有使用虚拟内存技术的系统相比，使用这种技术的系统使得大型程序的编写变得更容易，对真正的物理内存（例如RAM）的使用也更有效率。虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术，我们可以手动设置自己电脑的虚拟内存。不要单纯认为虚拟内存只是“使用硬盘空间来扩展内存“的技术。虚拟内存的重要意义是它定义了一个连续的虚拟地址空间，并且 把内存扩展到硬盘空间。虚拟内存 使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。与没有使用虚拟内存技术的系统相比，使用这种技术的系统使得大型程序的编写变得更容易，对真正的物理内存（例如RAM）的使用也更有效率。 ------ ### 局部性原理 1. 时间局部性 ：如果程序中的某条指令一旦执行，不久以后该指令可能再次执行；如果某数据被访问过，不久以后该数据可能再次被访问。产生时间局部性的典型原因，是由于在程序中存在着大量的循环操作。 2. 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将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址，可能集中在一定的范围之内，这是因为指令通常是顺序存放、顺序执行的，数据也一般是以向量、数组、表等形式簇聚存储的。 总结:时间局部性是通过将近来使用的指令和数据保存到高速缓存存储器中，并使用高速缓存的层次结构实现。空间局部性通常是使用较大的高速缓存，并将预取机制集成到高速缓存控制逻辑中实现。虚拟内存技术实际上就是建立了 “内存一外存”的两级存储器的结构，利用局部性原理实现髙速缓存。 -------- ### 虚拟存储器 基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序的一部分装入内存，而将其他部分留在外存，就可以启动程序执行。由于外存往往比内存大很多，所以我们运行的软件的内存大小实际上是可以比计算机系统实际的内存大小大的。在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统将所需要的部分调入内存，然后继续执行程序。另一方面，操作系统将内存中暂时不使用的内容换到外存上，从而腾出空间存放将要调入内存的信息。这样，计算机好像为用户提供了一个比实际内存大的多的存储器——虚拟存储器。 -------- ### 虚拟存储的技术实现 1. 请求分页存储管理 2. 请求分段存储管理 3. 请求段页式存储管理 总结:不管上面的哪种形式，一般都需要: - 定容量的内存和外存：在载入程序的时候，只需要将程序的一部分装入内存，而将其他部分留在外存，然后程序就可以执行了； - 缺页中断：如果需执行的指令或访问的数据尚未在内存（称为缺页或缺段），则由处理器通知操作系统将相应的页面或段调入到内存，然后继续执行程序； - 虚拟地址空间 ：逻辑地址到物理地址的变换。 --------- ### 页面置换算法: 1. OPT页面置换算法（最佳页面置换算法） ：理想情况，不可能实现，一般作为衡量其他置换算法的方法。 2. FIFO页面置换算法（先进先出页面置换算法） : 总是淘汰最先进入内存的页面，即选择在内存中驻留时间最久的页面进行淘汰。 3. LRU页面置换算法（最近未使用页面置换算法） ：LRU（Least Currently Used）算法赋予每个页面一个访问字段，用来记录一个页面自上次被访问以来所经历的时间T，当须淘汰一个页面时，选择现有页面中其T值最大的，即最近最久未使用的页面予以淘汰。 4. LFU页面置换算法（最少使用页面排序算法） : LFU（Least Frequently Used）算法会让系统维护一个按最近一次访问时间排序的页面链表，链表首节点是最近刚刚使用过的页面，链表尾节点是最久未使用的页面。访问内存时，找到相应页面，并把它移到链表之首。缺页时，置换链表尾节点的页面。也就是说内存内使用越频繁的页面，被保留的时间也相对越长。 --------- 本篇内容为转载文章，如果想要阅读作者的原文章,请点击这里[操作系统](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2NjA3NTc4Ng==&mid=2652082280&idx=1&sn=75e855f71414d7139c46cf9a6c3f9673&chksm=f1749b8dc603129bef1d8c7c43cceacc0f0a40131f9bad91feada8729d2801cdbfd857e63285&mpshare=1&scene=23&srcid=0418VcquayWJTEliTRTE9E1I&sharer_sharetime=1587183572596&sharer_shareid=69831a60f69988ef9432e6958e6ed884#rd "操作系统")
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