操作系统知识点总结

一. 操作系统基础 什么是操作系统？

1. 操作系统本质是软件；
2. 管理计算机硬件和软件资源；
3. 屏蔽了硬件层的复杂性
4. 内核是操作系统核心，负责内存管理，硬件设备的管理，文件系统的管理，应用程序的管理

系统调用

1. 用户态：用户态运行的进程可以直接读取用户程序的数据
2. 系统态：系统态运行的进程几乎可以访问计算机任何资源，不受限制。

调用系统态级别的资源就是系统调用，系统调用功能可分为：

1. 设备管理 2. 文件管理 3. 进程控制 4. 进程通信 5. 内存管理

二. 进程和线程

进程定义：一段程序的执行实例；操作系统调度的基本单位
线程定义：被包含在进程之中的一个实际运算单位；CPU调度的基本单位

进程和线程的关系：
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。

进程和线程有什么不同：

1. 多个进程的执行是相互独立的，线程则不一定，同一进程间的线程可能会相互影响。
2. 线程执行开销小，不利于资源的管理和保护；而进程则相反

进程有哪几种状态？

1. 创建状态：进程正在被创建
2. 就绪状态：等待CPU资源，一旦得到处理器资源即可执行
3. 运行状态：进程在CPU上运行
4. 阻塞状态：等待某一资源可用或某一事件发生后，进入就绪状态
5. 结束状态：进程正在系统中消失；

进程间的通信方式

1. 管道/匿名管道：本质是一个内核缓冲区，具有亲缘关系的进程间通信（父子进程、兄弟进城）
2. 有名管道：以磁盘文件的形式存在，可实现本机任意两个进程通信。
3. 信号：信号通知接收进程某个事件已发生；
4. 消息队列：消息的链表，有特定的格式存放在内存中；可以实现消息的随机查询
5. 信号量：本质上是个计数器，解决多进程访问共享数据的同步问题，限制的是最大访问同一资源的最大访问线程数。
6. 共享内存：多个进程可以访问同一块内存，需要利用互斥锁或信号量解决同步问题。
7. 套接字：用于客户端和服务器端之间的网络通信，也是TCP/IP网络通信的基本操作单元

线程间的同步方式

1. 互斥量：本质上是锁，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限；
2. 信号量：允许同一时刻多个线程访问统一资源，但是限制最大访问线程数
3. 事件：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作

进程的调度算法

1. 先到先服务调度算法：从就绪队列选最先进入该队列的进程
2. 短作业优先算法：从就绪队列中选一个估计运行时间最短的进程执行
3. 时间片轮转算法：为每一个进程分配一个运行时间段，最简单、公平的算法。
4. 多级反馈队列算法：结合了先来先服务、优先级、时间片轮转算法，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。
5. 优先级调度：根据内存要求，时间要求和其他资源要求来确定优先级，优先级高的先执行。

三. 操作系统内存管理基础 内存管理主要是做什么？

主要负责内存的分配与回收，地址转换（将逻辑地址转换成相应的物理地址）

虚拟内存

• 程序所使用的内存空间地址是虚拟内存地址；
• 硬件里的空间地址是物理内存地址；
• CPU 是直接操作内存的「物理地址」
  

常见的几种内存管理机制

简单分为连续分配管理方式和非连续分配管理方式。
连续分配管理方式：块式管理
非连续分配管理方式：页式管理和段式管理。允许一个应用程序使用的内存分配在离散的或者不相邻的内存中

1. 块式管理：将内存分块，每个块只包含一个进程。会产生碎片，内存被浪费
2. 页式管理：页较小，划分力度大，提高了内存利用率。
3. 段式管理：划分力度比页式管理大，每一段的空间更小，重要的是段有实际意义的，包含逻辑信息：主程序段 MAIN、⼦程序段X、数据段 D 及栈段 S 等。分段的好处就是能产生连续的内存空间，但是会出现内存碎片和内存交换的空间太大的问题。
4. 段页式管理：把主存先分成若⼲段，每个段⼜分成若⼲⻚，也就是说 段⻚式管理机制中段与段之间以及段的内部的都是离散的。

内存分段详述

• 分段机制下的虚拟地址由 段选择因子 和 段内偏移量组成；
• 段选择因子保存在段寄存器中；包括段号，作为段表的索引。段表中保存的是这个段的基地址、段的界限和特权等级等
  
  段式存储是 虚拟细致通过段表与屋里第一进行映射的。

缺点：

1. 产生内存碎片的问题
2. 为了解决内存碎片问题，用内存交换的方式解决，但是内存交换效率低

内存碎片产生的原因

内存释放后， 256MB 不是连续的，被分成了两段 128 MB 内存，这就会导致没有空间再打开一个 200MB 的程序。
用内存交换解决这个问题，将音乐程序占用的256MB写到磁盘上（因为磁盘的访问速度慢，所以效率低），然后再从磁盘上读回来到内存，装载的内存空间是紧贴着已占用的内存空间。

内存交换效率低的原因

1. 交换的是一个占内存空间很大的程序，这样整个机器都会显得卡顿
2. 因为磁盘的访问速度慢
   为了解决内存分段的内存碎片和内存交换效率低的问题，就出现了内存分页。

内存分页详述

内存分页的目的是让 内存碎片变小 和 内存交换的数据更小
分页是把整个虚拟内存和物理内存空间切成一段段固定尺寸的大小，这样一个连续并且尺寸固定的内存空间，叫做页，在Linux下，每一页的大小时4kb

页表实际上存储在CPU的内存管理单元（MMU）中；而当进程访问的虚拟地址在页表中查不到时，系统会产生一个缺页异常，进入系统内核空间分配物理内存、更新进程页表，最后再返回用户空间，恢复进程的运行。

分页是如何解决分段中的内存碎片大和内存交换效率低的问题呢？

分页（Paging）的方式对虚拟地址空间和物理地址空间进行分割和映射，分页的页面物理地址非连续且粒度小，以减小换入换出的粒度，提高程序运行效率。
一个程序无须全部加载就可以运行；当程序运行时，只需要将必要的数据读到内存（换入），用不到的数据先留在磁盘（换出），等用到的时候再取。注：与分段的内存交换时机不一样。

分页机制下的虚拟地址和物理地址的映射

缺点：页表占的空间很大，因为每个进程都有自己的虚拟地址空间，都有自己的页表。在 32 位的环境下，虚拟地址空间共有 4GB，假设一个页的大小是 4KB（2^12），那么就需要大约 100 万 （2^20） 个页，每个「页表项」需要 4 个字节大小来存储，那么整个 4GB 空间的映射就需要有 4MB 的内存来存储页表，100 个进程的话，就需要 400MB 的内存来存储页表，这是非常大的内存了，更别说 64 位的环境了。解决方法是划分多级页表。

段页式内存管理详述

段页式内存管理实现的方式：

1. 先将程序划分为多个有逻辑意义的段，也就是前面提到的分段机制；

2. 接着再把每个段划分为多个页，也就是对分段划分出来的连续空间，再划分固定大小的页；

段页式地址变换得到物理地址需要经过3次内存访问：

1. 访问段表，得到页表起始地址
2. 访问页表，得到物理页号
3. 将物理页号与页内位移组合，得到物理地址。
   优点：提高了内存利用率
   缺点：软、硬件结合的方式实现段页式地址变换，增加了硬件成本和系统开销。

页面置换算法

缺页中断的时候启用页面置换算法

1. OPT页面置换算法（最佳页面置换算法）：缺页率最低，每轮淘汰的是最久不使用的页面。
2. FIFO页面置换算法（先进先出置换页面算法）：总是先淘汰最先进入内存的页面
3. LRU页面置换算法（最久未使用的页面置换算法）：淘汰最久未使用的页面
4. LFU特面值换算法（最少使用页面置换算法）：淘汰使用次数最少的页面