一、计算机系统概述

操作系统的目标和功能

1. 操作系统是计算机资源的管理者
   a. 处理机管理（进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度）
   b. 存储器管理（提高内存利用率，内存的分配与回收、地址映射、内存保护与共享、内存扩充）
   c. 文件管理（计算机中的信息都是以文件的形式存在的）
   d. 设备管理（完成用户的I/O请求，方便用户使用设备、并提高设备的利用率）
2. 操作系统为用户提供使用计算机硬件系统的接口
   a. 命令接口（用户通过控制台或终端输入操作命令，向系统提供各种服务要求）
   b. 程序接口（由系统调用组成，用户在程序中使用这些系统调用来请求操作系统为其提供服务）
   c. 图形接口最常见的图形用户界面GUI（最终还是通过调用程序接口实现的）
3. 操作系统用作扩充机器
   没有任何软件支持的计算机称为裸机，实际呈现在用户面前的计算机系统是经过若干层软件改造的计算机。操作系统将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器。我们将覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚拟机。

内核态和用户态的区别 ※

CSDN链接

1. 用户态可以执行cpu调用的非特权指令
2. 内核态可以执行特权指令和非特权指令
3. 用户态到内核态的切换是通过中断实现的
4. 内核态到用户态的切换是通过特权指令实现的

内核态 → 用户态：执行一条特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权
用户态 → 内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权

操作系统的运行机制

中断 ※

1. 中断的引入——为了支持CPU和设备之间的并行操作
   中断也称外中断，指来自CPU执行指令以外的事件的发生，如设备发出的I/O结束中断、时钟中断等。这一类中断通常是与当前执行的指令无关的事件。
2. 当发生中断时，CPU立即进入内核态
3. 当发生中断后，当前进程暂停运行，并由操作系统内核对中断进行处理
4. 对于不同的中断信号，会进行不同的处理
5. 中断分为内中断和外中断。

异常

异常的引入——表示CPU执行指令本身时出现的问题
异常也称内中断、例外或陷入，指源自CPU执行指令内部的事件，如程序的非法操作码、地址越界、算术溢出、缺页异常等。对异常的处理一般要依赖与当前程序的运行现场，不能被屏蔽。

中断和异常的联系与区别

二、进程管理

进程和线程的区别 ※※

1. 进程（Process）是系统进行资源分配和调度的基本单位，线程（Thread）是CPU调度和分配的基本单位；
2. 线程依赖于进程而存在，一个进程至少有一个线程；
3. 进程有自己的独立地址空间，线程共享所属进程的地址空间；
4. 进程是拥有系统资源的一个独立单位，而线程自己基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈)，和其他线程共享本进程的相关资源如内存、I/O、cpu等；
5. 在进程切换时，涉及到整个当前进程CPU环境的保存环境的设置以及新被调度运行的CPU环境的设置，而线程切换只需保存和设置少量的寄存器的内容，并不涉及存储器管理方面的操作，可见，进程切换的开销远大于线程切换的开销；
6. 线程之间的通信更方便，同一进程下的线程共享全局变量等数据，而进程之间的通信需要以进程间通信(IPC)的方式进行；
7. 多线程程序只要有一个线程崩溃，整个程序就崩溃了，但多进程程序中一个进程崩溃并不会对其它进程造成影响，因为进程有自己的独立地址空间，因此多进程更加健壮

进程和程序的区别 ※

（1） 程序是永存的；进程是暂时的，是程序在数据集上的一次执行，有创建有撤销，存在是暂时的；
（2）程序是静态的观念，进程是动态的观念；
（3）进程具有并发性，而程序没有；
（4）进程是竞争计算机资源的基本单位，程序不是。
（5）进程和程序不是一一对应的： 一个程序可对应多个进程即多个进程可执行同一程序； 一个进程可以执行一个或几个程序

进程的通信方式 ※

1. 共享内存
   顾名思义，共享内存就是两个进程同时共享一块内存，然后在这块内存上的数据可以共同修改和读取，达到通信的目的。
2. 无名管道
   无名管道是半双工的通信方式；并且只能在具有亲缘关系的进程之间使用（亲缘关系是指进程间的父子关系，兄弟关系等），具有亲缘关系的进程在创建时同时拥有一个无名管道的句柄，可以进行读写；无名管道不存在磁盘节点，只存在与内存中用完即销毁。
3. 命名管道
   命名管道也是半双工的通信方式；可以在不具有亲缘关系的进程间通信；有名管道存在磁盘节点，有对应的FIFO文件，凡是可以访问该路径的文件的进程均可以进行通信。
4. 消息队列
   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。
5. 套接字
   套接字是网络编程的api，通过套接字可以让不同的机器间的进程进行通信，常用于客户端进程和服务器进程的通信。
6. 信号
   信号是Unix系统中使用的最古老的进程间通信的方法之一。操作系统通过信号来通知进程系统中发生了某种预先规定好的事件（一组事件中的一个），它也是用户进程之间通信和同步的一种原始机制。一个键盘中断或者一个错误条件（比如进程试图访问它的虚拟内存中不存在的位置等）都有可能产生一个信号。Shell也使用信号向它的子进程发送作业控制信号。

进程的五种状态及转换过程 ※

进程的调度算法有哪些？ ※※

1. 先来先服务 first-come first-serverd（FCFS）
   按照请求的顺序进行调度。非抢占式，开销小，无饥饿问题，响应时间不确定（可能很慢）；
   对短进程不利，对IO密集型进程不利。
2. 短作业优先 shortest job first（SJF）
   按估计运行时间最短的顺序进行调度。非抢占式，吞吐量高，开销可能较大，可能导致饥饿问题；
   对短进程提供好的响应时间，对长进程不利，如果一直有短作业过来，那么长作业就会永远得不到调度。
3. 最高响应比优先
   响应比 = 1+ 等待时间/处理时间。同时考虑了等待时间的长短和估计需要的执行时间长短，很好的平衡了长短进程。非抢占，吞吐量高，开销可能较大，提供好的响应时间，无饥饿问题。
4. 优先级调度算法
   为每个进程分配一个优先级，按优先级进行调度。为了防止低优先级的进程永远等不到调度，可以随着时间的推移增加等待进程的优先级。
5. 时间片轮转
   将所有就绪进程按 FCFS 的原则排成一个队列，用完时间片的进程排到队列最后。抢占式（时间片用完时），开销小，无饥饿问题，为短进程提供好的响应时间；
   若时间片小，进程切换频繁，吞吐量低；若时间片太长，实时性得不到保证。
6. 多级反馈队列调度算法
   设置多个就绪队列1、2、3…，优先级递减，时间片递增。只有等到优先级更高的队列为空时才会调度当前队列中的进程。如果进程用完了当前队列的时间片还未执行完，则会被移到下一队列。
   抢占式（时间片用完时），开销可能较大，对IO型进程有利，可能会出现饥饿问题。

三、内存管理