操作系统核心知识点总结
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2022-08-04
06:22:20
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根本区别：进程是资源分配的基本单位；线程是程序执行的基本单位
资源开销：每个进程都有独立的资源（代码和数据空间）；线程不拥有
系统资源，共享所属进程的资源（代码和数据空间），但是有自己的栈
（在 Java 中为虚拟机栈和本地方法栈）和程序计数器
切换速度：进程切换上下文慢（因为要换数据空间）；线程切换上下文
快（因为不用换数据空间）
系统开销：进程的创建和销毁都有很大的系统开销（因为要分配和回收
系统资源）；线程的创建和销毁没有很大的系统开销
影响关系：进程崩溃时，其他进程不会受影响（在保护模式下）；线程
崩溃时，整个进程都死亡（即本进程中其他线程也死亡）
执行过程：进程可以并发（在操作系统中）；线程也可以并发（在同一
个进程中）
进程与线程的区别（前三点是本质，后四点的带来的影响）
包含关系：一个进程有多个线程；多个线程属于一个进程
协程
一个线程可以有多个协程
线程是抢占式，而协程是非抢占式（需要用户释放权限到其他协程）协
程不是操作系统内核控制，而是由程序控制（在用户态执行）
协程的切换不像线程一样消耗资源，所以性能更好，执行效率更高
并发与并行
并发：“假”并行，单核处理器每个时间片执行
不同的进程，宏观上像是并行
并行：“真”并行，需要多核处理器，一个处理
器一个进程，在微观上真正多个进程同时进行
进程与线程的切换
进程的切换：先切换虚拟地址空间，再切换内核栈。切换虚拟地址空间需
要查找页表，所以很慢
线程的切换：只需切换内核栈。不用切换虚拟地址空间（因为进程中的线
程共享地址空间），所以很快
进程之间的通信
管道
1. 特点：半双工（数据只能单向流动）；只能在有亲缘关系的进程间使用
（通常指父子进程）
2. 分类：匿名管道（只能用于父子进程之类的有亲缘关系的进程）；命名管
道（可以用于任意两个进程的通信）
3. 实质：管道其实就是一个内核缓冲区，先进先出（可看作循环队列），一
个进程在一端写入，另一个进程在另一端读出
消息队列
1. 消息队列就是消息组成的链表，所以解决了管道缓冲区大小有限的问题
2. 消息队列中每个消息的类型都可以不一样，接收的时候也不用按队列次
序，所以解决了管道只能传无格式的字节流的问题
共享内存
1. 共享内存就是多个进程把同一块内存映射到各自的地址空间中
2. 共享内存是效率最高的进程通讯方式
3. 共享内存会一直保持到通信完成，在解除映射时才把内容写回文件
套接字（Socket）
可用于不同机器间的通信，其他通讯机制都是同一台机器中不同进程的通信
信号
信号是一种比较复杂的通信方式，任何时候都可以给任何进程发信号，而不
用知道目标进程的状态（Linux 系统中常用的进程指令就是信号）
信号量
1. 信号量是一个计数器，用于与共享内存配合，解决锁与同步的问题
2. 进程要用共享资源时，先将信号量 -1 。若减完 < 0 说明已被占用，进程
进入阻塞等待；若减完 >= 0 说明未被占用，则该进程使用该资源
3. 进程用完共享资源时，先将信号量 +1。若加完 <= 0 说明有进程在阻塞
等待，则将其唤醒；若加完 > 0 说明没有进程在等待
进程之间的同步（用以辅助进程间的通讯）
临界区
1. 让多线程串行化，使得同一时刻只能有一个线程在访问数据
2. 优点是速度快；缺点是只能用于一个进程内部的线程之间
互斥量
1. 类似于锁，互斥对象只有一个，拥有了互斥对象的线程才能访问共享资源
2. 优点是可以用于不同进程的线程之间；缺点是需要占用更多资源
信号量
1. 用于控制用户数量，允许多个线程在同一时刻访问共享资源，但是要限制
可以同时访问共享资源的线程的数量
2. 互斥量是信号量的一种特殊情况，把信号量的最大资源数设为 1 就变成了
互斥量
3. 优点是适用于 Socket 程序中的线程同步；缺点是不能用于分布式操作系统
（因为必须有公共内存），且不易于管理和控制
线程之间的同步
临界区
一个线程访问共享资源时拥有临界区对象，其他线程若要访问则被挂起，直到
临界区被释放
互斥量
1. 类似于锁，互斥对象只有一个，拥有了互斥对象的线程才能访问共享资源
2. 优点是可以用在不同进程的线程之间；缺点是需要占用更多资源
信号量
1. 用于控制用户数量，允许多个线程在同一时刻访问共享资源，但是要限制
可以同时访问共享资源的线程的数量
2. 互斥量是信号量的一种特殊情况，把信号量的最大资源数设为 1 就变成了
互斥量
3. 优点是适用于 Socket 程序中的线程同步；缺点是不能用于分布式操作系统
（因为必须有公共内存），且不易于管理和控制
事件
1. 一个线程处理完一个任务后主动唤醒另一个线程（通知另一个线程某事件
发生），让另一个线程继续执行任务
2. 优点是可以用于不同进程的线程之间
事件
1. 一个线程处理完一个任务后主动唤醒另一个线程（通知另一个线程某事件
发生），让另一个线程继续执行任务
2. 优点是可以用于不同进程的线程之间
临界区
临界资源：一次只允许一个进程使用的资源
临界区：进程中要访问临界资源的那段程序
死锁产生的条件
1. 互斥：一个资源一次只能一个进程使用
2. 不撒手：进程等待资源而阻塞时，不释放已获得的资源
3. 不能抢：对进程获得的资源不能强行剥夺
4. 循环：多个进程循环等待资源
死锁的解决方案
预防（即针对 4 个产生条件进行解决）
1. 互斥：让资源不互斥
2. 不撒手：让进程运行前一次获取全部资源，但是有时候进程无法知道都需
要哪些资源，而且会降低并发性和资源利用率
3. 不能抢：当进程获取不到某个资源时，就要释放所有已获取的资源。以后
再重新申请（输一次就输光全部）
4. 循环：将所有资源编号排序（紧缺的资源用较大的编号），让进程必须按
顺序获取资源，只有已获得小号的资源才能继续申请大号的资源
避免
动态检测系统中的资源分配情况，判断有没有可能出现死锁，保证可能导致死
锁的“循环”条件不出现
检测
周期性检测资源分配图，从一个节点出发进行深度优先遍历，如果访问到了已
访问过的节点，说明图中存在环，也就是发生了死锁
解除
当出现死锁时，有两种方法进行解除。
第一种是终止进程法。直接终止所有进程；或者一个一个地终止进程直到死锁
被打破。
第二种是资源抢占法。从一个或多个进程中强行剥夺一个或多个资源，从而打
破死锁。
鸵鸟
装鸵鸟，什么也不做，就当没看见死锁。
因为解决死锁问题的代价很高，鸵鸟策略可以得到更高的性能。
大多数操作系统（包括 Unix、Linux 和 Windows）都是用鸵鸟策略。
进程的调度策略
先到先得
1. 非抢占式，谁先请求谁先执行
2. 但是对短作业不公平，明明可以很快执行完，却非要等长作业执行完
短作业优先
1. 非抢占式，估计运行时间最短的作业先执行
2. 对长作业不公平，长作业可能因为一直等短作业而直接饿死，永远轮不到
最短剩余时间优先
1. 抢占式，短作业优先的抢占式版本，按作业的剩余时间进行调度
2. 新作业到达时将其执行时间与正在执行的作业的剩余时间比较。若新进程
所需时间更少，则挂起正在执行的进程并转而去执行新进程；否则新进程等待
时间片轮转
1. 所有就绪的进程排成一个队列，从队首开始，每人执行一个时间片，然后
去队尾
2. 该方法的效率与时间片大小有很大关系，时间片太小就会频繁切换而浪费
时间，时间片太大又无法保证实时性
优先级调度
1. 给每个进程设一个优先级，按优先级进行调度
2. 为了防止低优先级的进程饿死，可以随着时间推移增加等待进程的优先级
进程的状态
获取到了所需的资源
需要新资源，要等
按某种策略被从就绪队列中选中
时间片用完或者有更
高优先级的进程来抢
虚拟内存
1. 虚拟内存就是把物理内存扩大成逻辑内存，让程序看起来好像可以使用很多
内存
2. 进程和资源都只有一部分页面真的加载进了内存，其余的页面其实存在磁盘
里
3. 虚拟内存使得内存可以同时加载更多的进程，甚至能加载比内存大的进程
4. 虚拟内存使得内存“看起来”变大了
用户态与内核态
用户态与内核态是操作系统的两种运行状态
内核态可以访问任何数据和资源（包括硬件），
且 CPU 不会被抢占
用户态只能访问部分内存和用户数据，且 CPU 可
以被其他程序抢占
操作系统分为用户态与内核态是为了防止用户程
序做危险操作（如设置时钟、清理内存等）
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