初识操作系统

Posted 2021-05-15 头发都哪去了

初识操作系统

• 1.硬件组成：冯诺依曼体系结构
• 2.操作系统（Operator System）
• • 概念
  • OS定位
  • 设计OS的目的
• 3.进程
• • 进程的初步认识
  • 时间片
  • 并发与并行
  • 内核态与用户态
  • 进程中的上下文
  • 进程状态
  • 进程/线程小结
  • • 进程小结
    • 线程小结
    • 注意事项：线程的数量并不是越多越好

1.硬件组成：冯诺依曼体系结构

我们常见的计算机，如笔记本。我们不常见的计算机，如服务器，大部分都遵守冯诺依曼体系。具体什么是冯诺依曼体系结构，如图：

输入设备：包括键盘，鼠标，扫描仪，写板等。
中央处理器（CPU）：含有运算器和控制器等。
输出设备：显示器，打印机等。
注意事项:CPU和输入设备或输出设备之间不能直接交互，必须依靠中间的存储部分（内存)。
内存与硬盘的区别：

1. 内存的读写速度要远远大于磁盘，内存读写速度纳秒级别，硬盘读写速度是微秒级别。
2. 内存的价格远大于硬盘。
3. 内存中的数据不能持久化（当电脑重启之后数据就没了），而硬盘的可以持久化。

2.操作系统（Operator System）

概念

任何计算机系统都包含一个基本的程序集合，称为操作系统（OS）。笼统的理解，操作系统包括：

1. 内核（进程管理，内存管理，文件管理，驱动管理）。
2. 其他程序(例如函数库，shell程序等等)。

OS定位

在整个计算机软硬件架构中，操作系统的定位是：一款纯正的“搞管理”的软件。

上面有关OS的样例，我们能看到如下结论：

1. 管理者的任务种类分两种：硬件管理软件管理。
2. 按照目标对象分两种：一种对内的管理，一种对外业务进行管理。

设计OS的目的

1. 与硬件交互，管理所有的软硬件资源（对内且对下）。
2. 为用户程序（应用程序）提供一个良好的执行环境（对外且对上）。

3.进程

进程的初步认识

对于操作系统来说，一个任务就是一个进程（Process）。
课本概念：程序的一个执行实例，正在执行的程序等。
内核观点：担当分配系统资源（CPU时间，内存）的实体。
内核部分产生一个由双向链表组成的PCB（进程管理模块）
PCB（进程管理模块）分为：

1. PID（主键ID、身份标识)。
2. 状态信息（就绪、运行、阻塞、终止)。
3. 优先级。
4. 记账信息（防止CPU资源分配不均)。
5. 一组指针（需要使用的资源)。
6. 上下文（当分配到CPU资源时执行，没有CPU资源之后，暂时保存自己当前的状态，等待下一次执行，这个过程就叫做一个上下文)。

时间片

现代操作系统比如Mac OS X，UNIX，Linux，Windows等，都是支持“多任务”的操作系统。所谓的多任务，就是操作系统可以同时运行多个任务。
操作系统（如Windows、Linux）的任务调度是采用时间片轮转的抢占式调度方式，也就是说一个任务执行一小段时间后强制暂停去执行下一个任务，每个任务轮流执行。
任务执行的一小段时间叫做时间片，任务正在执行时的状态叫运行状态，任务执行一段时间后强制暂停去执行下一个任务，被暂停的任务就处于就绪状态等待下一个属于它的时间片的到来。
这样每个任务都能得到执行，由于CPU的执行效率非常高，时间片非常短，在各个任务之间快速地切换，给人的感觉就是多个任务在“同时进行”，这也就是我们所说的并发。

并发与并行

现在，多核CPU已经非常普及了，由于任务数量远远多于CPU的核心数量，所以，操作系统也会自动把很多任务轮流调度到每个核心上执行。对于

1. 并发：多个进程在一个CPU下采用时间片轮转的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，称之为并发。
2. 并行：多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行。

计算机操作系统中把并行性和并发性明显区分开，主要是从微观的角度来说的，具体是指进程的并行性（多处理机的情况下，多个进程同时运行）和并发性（单处理机的情况下，多个进程在同一时间间隔运行的）。

内核态与用户态

一般的操作系统（如Windows、Linux）对执行权限进行分级：用户态和内核态。
如上图所示，操作系统内核作为直接控制硬件设备的底层软件，权限最高，称为内核态，或核心态。
用户程序的权限最低，称为用户态。

进程中的上下文

上下文简单说来就是一个环境，进程在时间片轮转切换时，由于每个进程运行环境不同，就涉及到转换前后的上下文环境的切换。

1. 就是一个进程在执行的时候，CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈上的内容。
2. 切换时需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的进程上下文，以便再次执行该进程时，能够恢复切换时的状态，继续执行。

进程状态

就绪：进程处于可运行的状态，只是CPU时间片还没有轮转到该进程，则该进程处于就绪状态。
运行：进程处于可运行的状态，且CPU时间片轮转到该进程，该进程正在执行代码，则该进程处于运行状态。
阻塞：进程不具备运行条件，正在等待某个事件的完成。

进程/线程小结

进程小结

进程:进程是操作系统分配资源的最小单位。
内核部分产生一个由双向链表组成的PCB（进程管理模块)进程属性:

1. PID
2. 状态
3. 优先级
4. 记账信息
5. 上下文
6. 一组指针（进程占用的资源)

并发:从宏观的角度来看它是一起执行的，从微观的角度来看它是轮流执行的。
并行:无论是从宏观还是微观的层面，都是一起执行的。

线程小结

线程:系统调度资源的最小单位。
线程是进程执行的最小单位，也是进程执行的实际单位。
一个进程中最好包含一个线程;线程必须依附进程当中。进程就好比工厂，线程就好比一个一个流水线。
进程是系统分配资源的最小单位;线程是系统调度的最小单位。
进程不可以共享资源;而线程可以共享资源。

线程可以共享的资源:

1. 打开的文件。
2. 内存（对象）。

线程不可共享的资源:

1. 上下文
2. 记账信息
3. 状态
4. 线程栈信息
5. 优先级

注意事项：线程的数量并不是越多越好

当线程的数量到达某个合适的值是最好的，如果有太多的线程，就会出现，线程之间的争抢和 CPU的过度调度问题了，而CPU调度是需要消耗系统资源的，所以线程不是越多越好。

那线程的数量多少是最好的?
答:要看具体的应用场景。
密集计算的CPU任务、IO（文件读写)型任务。
当使用的场景是计算型任务时，线程的数量等于CPU的数量是最好的。
当使用的场景IO型任务时，理论上线程数量越多越好。