操作系统概览
什么是操作系统
- 操作系统是管理计算机硬件和软件资源的计算机程序
- 管理配置内存、决定资源供需顺序、控制输入输出设备等
- 操作系统提供让用户和系统交互的操作界面
- 从手机到超级计算机，操作系统可简单也可复杂
- 操作系统的种类是多种多样的，不局限于计算机
- 在不同的设备上，操作系统可向用户呈现多种操作手段
- 管理硬件、提供用户交互的软件系统
为什么会有操作系统
- 我们不可能直接操作计算机硬件
- 设备种类繁多复杂，需要统一界面
- 操作系统的简易性使得更多人能够使用计算机
操作系统的基本功能
操作系统统一管理着计算机资源
操作系统实现了对计算机资源的抽象
- 用户无需面向硬件接口编程
- IO设备管理软件，提供读写接口
- 文件管理软件，提供操作文件接口
操作系统提供了用户与计算机之间的接口
- 图像窗口形式
- 命令形式
- 系统调用形式
操作系统相关概念
并发性
- 并行是指两个或多个事件可以在同一个时刻发生
- 并发是指两个或多个事件可以在同一个时间间隔发生
共享性
- 共享性表现为操作系统中的资源可供多个并发的程序共同使用
- 这种共同使用的形式称之为资源共享
- 多个程序可以同时使用主存资源
资源共享根据属性可分为两种方式
- 互斥共享形式
- 同时访问形式
互斥共享形式
- 当资源被程序A占用时，其他想使用的话只能等待
- 只有进程A使用完以后，其他进程才可以使用该资源
同时访问形式
- 某种资源在一段时间内并发地被多个程序访问
- 这种“同时”是宏观的，从宏观去看该资源可以被同时访问
虚拟性
- 虚拟性表现为把一个物理实体转变为若干个逻辑实体
- 物理实体是真实存在的，逻辑实体是虚拟的
- 虚拟的技术主要有时分复用技术和空分复用技术
时分复用技术
- 资源在时间上进行复用，不同程序并发使用
- 多道程序分时使用计算机的硬件资源
- 提高资源的利用率
虚拟处理器技术
- 借助多道程序设计技术
- 为每个程序建立进程
- 多个程序分时复用处理器
虚拟设备技术
- 物理设备虚拟为多个逻辑设备
- 每个程序占用一个逻辑设备
- 多个程序通过逻辑设备并发访问
空分复用技术
- 空分复用技术用来实现虚拟磁盘、虚拟内存等
- 提高资源的利用率，提升编程效率
虚拟磁盘技术
- 物理磁盘虚拟为逻辑磁盘
- C、D、E等逻辑盘
- 使用起来更加安全、方便
虚拟内存技术
- 在逻辑上扩大程序的存储容量
- 使用比实际内存更大的容量
- 大大提升编程效率
异步性
- 在多道程序环境下，允许多个进程并发执行
- 进程在使用资源时可能需要等待或放弃
- 进程的执行并不是一气呵成的，而是以走走停停的形式推进
进程管理之进程实体
为什么需要进程
- 没有配置OS之前，资源属于当前运行的程序
- 配置OS之后，引入多道程序设计的概念
- 合理的隔离资源、运行环境，提升资源利用率
多道程序设计
- 进程是系统进行资源分配和调度的基本单位
- 进程作为程序独立运行的载体保障程序正常执行
- 进程的存在使得操作系统资源的利用率大幅提升
进程的实体
主存中的进程形态
标识符
- 标识符唯一标记一个进程，用于区别其他进
状态
- 标记进程的进程状态，如：运行态
程序计数器
- 进程即将被执行的下一条指令的地址
内存指针
- 程序代码、进程数据相关指针
上下文数据
- 进程执行时处理器存储的数据
IO状态信息
- 被进程IO操作所占用的文件列表
记账信息
- 使用处理器时间、时钟数总和等
进程控制块(PCB)
- 用于描述和控制进程运行的通用数据结构
- 记录进程当前状态和控制进程运行的全部信息
- PCB的使得进程是能够独立运行的基本单位
- PCB是操作系统进行调度经常会被读取的信息
- PCB是常驻内存的，存放在系统专门开辟的PCB区域内
进程与线程
进程是系统进行资源分配和调度的基本单位
- 线程是操作系统进行运行调度的最小单位
- 包含在进程之中，是进程中实际运行工作的单位
- 一个进程可以并发多个线程，每个线程执行不同的任务
- 进程的线程共享进程资源
进程管理之五状态模型
就绪状态
- 当进程被分配到除CPU以外所有必要的资源后
- 只要再获得CPU的使用权，就可以立即运行
- 其他资源都准备好、只差CPU资源的状态为就绪状态
在一个系统中多个处于就绪状态的进程通常排成一个队列
执行状态
- 进程获得CPU，其程序正在执行称为执行状态
- 在单处理机中，在某个时刻只能有一个进程是处于执行状态
阻塞状态
- 进程因某种原因如：其他设备未就绪而无法继续执行
- 从而放弃CPU的状态称为阻塞状态
小总结
创建状态
- 创建进程时拥有PCB但其他资源尚未就绪的状态称为创建状态
- 操作系统提供fork函数接口创建进程
终止状态
- 进程结束由系统清理或者归还PCB的状态称为终止状态