操作系统一遍过

Posted 2022-08-25 yocichen

 写一点OS的基础知识，面试中持续更新...

基基础知识

1.计算机硬件：输入/输出设备，存储器，运算器，控制器。

2.三种基本OS类型：

批处理OS：单道批处理（CPU利用率低），多道批处理（缺乏交互性）

分时OS：时间片轮转分配；

实时OS：及时响应，高可靠性

3.最基本特征：并发和共享

4. 并行与并发：并行：真正意义上的同时执行，而并发还是一个接一个的执行，在一段时间内得到时间片轮转进行执行，一段时间后执行完毕，宏观上并行。

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进程&线程相关

1. 概念：程序在一个数据集合上的一次运行过程，是OS资源分配的基本单位；

2. 动态、并发、独立、异步，一个程序可以包含多个进程；

3. 组成：程序、数据、PCB(标识符、状态-阻塞、就绪、执行)、优先级、CPU现场保护区、家族联系（父子自之间的关系）、占有资源的清单

4. 状态：就绪阻塞和执行，三个队列。当就绪状态发生进程调度是，进入执行状态，执行状态请求资源（比如IO操作）无法满足是发生阻塞，被丢入阻塞队列，当资源被满足时完成功能后进入就绪状态；

 

5. 核心态和用户态：核心态拥有搞特权，可以执行所有指令，访问所有寄存器和存储区；用户态低特权，只能访问部分存储区，执行部分指令。

6.创建：一般使用fork()函数创建子进程，要注意僵尸进程的出现，如何解决？在UNP中有说明：使用信号函数signal捕获SIGCHLD信号，使用相应函数处理（使用waitpid）。

7.线程：OS进行调度的基本单位，同意进程内的所有县城共享进程的内存空间（资源），他们只拥有自己的程序计数器、栈和少量寄存器。

8. 创建：pthread_create(tid, 函数，参数)

9. 回收：其他线程使用pthread_join()来回收，或者在线程函数中设置线程脱离pthread_detach()使得执行完函数之后自行结束；

进程线程的不同：

　　9.1. 调度的基本单位和资源分配的基本单位；

　　9.2. 是否拥有资源：进程拥有，线程只拥有少量寄存器和程序计数器还有栈；

　　9.3. 开销：创建开销，进程要涉及分配内存空间，所以要比线程慢，撤销也类似；特别的切换开销，进程的现场保护要比线程复杂，进程要切换内存空间，然后切换栈和相关寄存　器，而线程只需要后面的步骤，不需要切换内存空间，所以快。（UNP说线程创建可能要比进程快10~100倍）。

　　9.4. 通信：进程间由于内存空间隔离，所以要跨内存空间来通信（使用管道，消息队列，共享内存，信号量，socket套接字），而线程通过全局便来个就可进进行通信。

　　9.5.适用场景：多线程适用于多机，而多线程适用于多核；

10.进程间通信（IPC）

管道：匿名管道和命名管道，匿名管道只能用于具有亲缘关系的进程之间，而命名管道可以用于一般的进程之间；Linux头文件<pipe.h>

消息队列：创建消息队列，一个进程去读，另一个去写；头文件：<mqueue.h>,mq_open()和mq_clos();

共享内存：最快的一种IPC方式，为什么快？因为他直接将进程的进程空间映射到要使用的内存空间中，这样就避免了其他方式中的与内核缓冲区交互的时间开销。（其他的方式一般都是将设局写入进程缓冲区，而后进入内核缓冲区，然后另一个进程再从内核缓冲区中将数据读到自己的进程缓冲区中）<sys/mman.h>

socket：一种可以实现远端进程通信的一种方式。Linux头文件<sys/socket.h>

(TCP/UDP各有编程范式)

11.进程同步：

互斥锁：pthread_mutex_t，pthread_mutex_lock/trylock/unlock

读写锁：读锁和写锁，读锁共享，写锁互斥。和数据库的读写锁类似。

信号量：<semaphore.h>sem_open()/wait/trywait()，实例就是操作系统都做过的生产者消费者这问题

条件变量：pthread_cond_t signal()和wait()函数，通常和互斥量一起使用。

记录锁：对记录上锁，典型例子时文件锁。

12. 作业调度算法

　　12.1 先来先服务FCFS：就是先来的（在就绪队列头部的）先调度执行，后面的统统等着。（这让我想起了今早上宿舍中一舍友上厕所上了半个小时...我也很急，但又不能抢占资源...无奈的我只得寻找另一台主机，成为他的一个临时进程）

　　12.2 短作业优先SJF：就是短的先执行。对长作业非常不友好，导致长作业“饥饿”。

　　12.3 优先级调度PSA：为作业确定优先级，从后备队列中选取优先级高的装入内存。

　　12.4 高响应比优先：每次选取响应比较高的作业装入内存（响应比：（等待时间+运行时间）/等待时间），这种算法考虑了等待时间的因素。

13. 死锁

一组进程队列中，每个进程都等待其他进程所持有的资源，造成循环等待的局面。

4个条件：互斥条件、请求与保持、不可剥夺、环路条件

如何预防：从234条件下手，请求需要先释放、可以高优先级剥夺、为每一类资源进行编号，请求高的需要先释放低的。

如何避免：银行家算法，搞清需求，进行预分配，判断是否能找到一个安全状态。

如何检测：资源分配图能否完全化简；

如何解决：1.终止进程（全部终止；按照次序终止，直到死锁状态解除）；2. 付出代价最小的解除算法（）

14. 虚拟存储器

 在我看来，虚拟存储器并未从实际上扩充物理内存。而是通过换页技术“看起来像是”扩充了物理内存。用到的原理涉及时间局部性和空间局部性。

在运行初始，只把必要的程序装入内存页，运行时如果发生缺页再进行缺页置换，置换的算法著名的有LRU（最近最少使用算法），原理是使用过的程序和数据，很有可能会在一段时间后继续访问。

这样就可以将一个非常大的软件或程序运行起来，只不过是换页技术在其作用而已。

15. 物理内存与虚拟内存

 物理内存对应于物理地址，虚拟内存对应于逻辑地址，它们之间存在一个映射关系。

1. CPU访问一个逻辑地址时，需要将逻辑地址分解成为一个组号和组内地址；根据组号去查地址转换表，确定该组信息是否在内存中；

2. 如果该组号已经在内存（主存）中，那么从地址转换表中读出对应的物理组号；并根据物理组号和组内逻辑地址，存取必要的信息；

3. 如果该组号不在内存中，那么发生缺页中断，需要将存储在磁盘（辅存）上的信息读入内存中，如果有空闲页，直接读入，否则需要选定页置换出内存，再把需要的信息换入内存中，并更新地址转换表。

缺页置换的算法

1.随机算法：生成一个随机数，来确定将那一页换出内存；

2.先进先出算法：将最先进入的页换出；

3.最近最少使用算法：替换最近最不常使用的页；LRU

4.最优算法：替换最长时间以后才使用的页面（一个理想算法）。

16。程序编译的过程

17.静态链接和动态链接的比较

1. 静态链接库需要装配入可执行文件中，而动态链接库不需要；

2. 静态链接库函数直接在可执行文件中你，所以执行速度快；而动态链接库，则是需要临时去库中寻找，所以执行速度稍慢；

3. 静态链接导致可执行文件臃肿，而使用动态链接库的可执行文件清爽，节约存储空间；

4. 此外静态链接库还存在重复装配的问题(#ifndef之流就是来解决他这类问题的)，动态链接库不存在此问题；

5. 静态链接库更新和扩展麻烦（已经链接入可执行文件了），需要重新编译软件，而使用动态链接库，只需要替换动态链接库文件即可。

(图源Baidu)