操作系统概述笔记1

操作系统是计算机系统的核心组成部分，它是一组控制和管理硬件及软件资源的程序，为用户提供一个友好的交互环境。操作系统的工作方式主要基于中断驱动系统，即硬件通过中断机制通知操作系统何时需要执行特定的任务，如处理输入输出（IO）或响应用户请求。 在保护机制方面，操作系统采用了Dual-Mode的概念，分为用户态和内核态。用户态下的程序不能直接访问硬件，以防止对系统造成破坏，而必须通过操作系统提供的系统调用来进行。当系统调用被执行时，处理器会切换到内核态，此时程序可以获得执行特权指令的权限。此外，操作系统还通过CPU时间片轮转、内存管理和IO保护来确保系统资源的安全使用。 特权指令是指那些可能对硬件造成损害的指令，它们只能在内核态下执行。引导程序通常存储在只读存储器（如ROM或EPROM）中，负责初始化硬件和加载操作系统到内存中。内存通常分为RAM，用于存储运行中的程序和数据，随着技术的发展，从早期的单任务系统演变为批处理、多道程序、分时系统，提高了CPU的利用率。 操作系统提供多种服务，包括系统内部的能力和对外的功能接口，如系统调用接口（SCI）和应用程序编程接口（API）。操作系统的主要特征包括并发性（多个任务同时执行）、共享性（资源的共同使用）、虚拟化（提供虚拟资源以隔离用户和硬件）、以及异步性（任务执行的非顺序性）。 系统结构有多种，从简单的单体结构到分层结构、微内核和模块化结构。每个结构都有其优势，例如分层结构便于扩展和维护，但调用过程较慢；模块化结构允许更灵活的组件组合。 进程是操作系统管理的基本单元，它包含程序代码、程序计数器、指令寄存器、堆栈和数据段。进程具有动态性、独立性和并发性，根据状态可以存在于不同的进程队列中，如就绪队列、设备等待队列等。调度器负责选择进程执行，分为长期调度、短期调度和中期调度。上下文切换是在进程间切换时保存和恢复进程状态的过程。子进程通过fork和exec系统调用创建和修改，进程间的通信可以通过RPC和RMI等机制实现。 线程是进程中的控制流，是CPU执行的最小单位，线程共享进程的地址空间，但有自己的线程ID、程序计数器和一组寄存器。根据管理方式，线程可分为用户线程和内核线程。多线程模型有多种，如用户-内核线程模型，通过不同比例的一对一、多对一和多对多映射来处理线程。线程池预先创建线程以提高效率，并控制线程数量。 CPU调度的目标是优化CPU利用率、吞吐量、周转时间、等待时间和响应时间。常见的调度策略包括FCFS（先来先服务）、SJF（最短作业优先）、Priority（优先级调度）和RR（轮转调度）。实时调度则保证关键任务能在预定时间内完成，防止饥饿现象发生。 进程同步是为了规定进程执行顺序，确保共享数据的一致性。临界区是访问共享资源的代码段，临界资源是共享数据。为了解决临界区问题，我们使用各种同步机制，如互斥信号量、同步信号量和死锁预防策略。死锁是指多个进程相互等待对方释放资源而陷入僵局，解决死锁通常通过破坏占有等待、不可抢占和循环等待条件。 了解这些基础知识对于理解和使用操作系统至关重要，它们涵盖了操作系统的核心概念、工作原理和管理机制，为后续深入学习和实际应用奠定了基础。