操作系统

image-20240415204817080

  • 应用软件到计算机硬件的中间件

  • 管理硬件

    • CPU管理
    • 内存管理
    • 终端管理
    • 磁盘管理
    • 文件管理
    • 网络管理
    • 多核管理
    • 电源管理

  • 冯 诺伊曼存储程序思想

    • 将程序和数存放到计算机内部的存储器中，计算机在程序的控制下一步一步处理

      image-20240408200356742

  • 操作系统的启动

    • 引导扇区：512字节，启动设备的第一个扇区，启动设备信息被设置在其中
      • 其中的代码是汇编代码（更好的控制内存）
      • 引导扇区代码：bootsect.s

  • 操作系统接口

    • 表现为函数调用，又由系统提供，所以称为系统调用

  • 系统调用的实现

    • 用户态：不能访问内核空间数据

    • 内核态：可以访问任何数据

    • 如何分离：CPL DPL越小表示权限越高

      • 内核 DPL = 0
      • 用户 CPL = 3
      • CPL <= DPL方可调用，所以一般用户态无法访问内核态

    • 如何切换：中断（唯一方法）int 0x80

      image-20240408204828529

    • 完整过程

      image-20240408205211541

      • 开始判断用户态CPL=3 > 内核 DPL= 0，不能直接访问，走系统调用
      • 根据系统调用号(exa=72)发送 int 0x80指令到达系统（因为_system_call的DPL=3，故可以调用）
      • 当调用_system_call后CPL置为0，此时再访问内核就可以了

  • 系统调用核心：

    • 用户程序中包含一段int指令代码
    • 操作系统写中断处理，获取想调程序的编号
    • 操作系统更具编号执行相应代码

一 CPU管理

  • CPU工作原理
    • 自动的取指-执行：从指定的地址中取出指令执行
    • 只需要设置要PC初值即可，后续可以不断的自动取指执行

  • 并发：一个CPU上交替执行多个程序（为了提高利用率）

  • 线程切换

    • 需要 记录线程切换出去时候的信息？用进程来描述

1.1 多进程图像

  • 开机的时候fork()了第一个进程，随后每执行一个子任务，fork()新的进程

  • PCB(Process Control Block)：用来记录进程信息的数据结构

  • TCB(Thread Control Block)：用来记录线程信息的数据结构

  • 进程状态

    • 新建态
    • 就绪态
    • 运行态
    • 阻塞态
    • 终止态

    image-20240408214304327

  • 进程队列

    • 就绪队列
    • 阻塞队列

  • 多进程组织：PCB + 状态 + 队列

  • 多进程如何交替

    • 进程A启动磁盘读写
    • 修改进程A状态为阻塞态
    • 将进程A放入阻塞队列
    • schedule()：进行上下文切换
      • getNext()：在就绪队列中找到下一个进程B（线程的调度）
      • switch_to()：
        • CPU中的信息保存在进程A对应的PCB中，方便下次恢复
        • 读取进程B中的PCB信息，恢复信息

1.2 用户级线程

  • 进程 = 一个资源 + 多个指令执行序列
  • 多个进程共享资源，可以保留并发的特点，且避免了进程切换的代价
  • 一个线程一个栈
  • yield()：线程的切换
    • 将当前线程的下一条指令压入栈中（方便后续返回时读取到命令）
    • 切换TCB
    • 根据TCB来切换栈
    • PC切换（从栈从弹出PC指针）
    • 执行新的线程
  • create()：生成新的线程
    • 申请内存生成栈
    • 申请内存生成TCB，关联TCB和栈
    • 将第一条命令放到栈中

1.3 内核级线程

  • 用户级线程：每个线程每个栈

  • 内核级线程：因为既要在用户态跑又要在内核态跑，所以有两套栈（内核栈，用户栈）

  • 切换switch_to()：

    • 首先线程A从用户态A1中断进入内核态A2

    • 根据内核态A2的TCB找到切换的线程B的内核态B2的TCB

    • 然后再根据B2通过iret中断返回得到线程B的用户态B1

      image-20240409210815697

  • 初始化ThreadCreate()

    • 申请内存空间
    • 创建TCB
      • 创建内核栈、用户栈
    • 关联栈和TCB

1.4 用户级、核心级线程对比

image-20240409210345072

1.5 CPU调度策略

  • 进程阻塞的时候调用Schedule()函数获取下一个可执行的进程

  • IO约束型任务（前台进程特征，这类的优先级应该高一点）和CPU约束型任务

  • 调度算法：
    • FCFS：先来先服务
    • SJF：短作业优先
    • RR：时间片轮转（保证响应时间）

1.6 进程同步与信号量

  • 进程同步：让进程走走停停保证多进程合作

  • 信号量：用来解决只发送信号来实现同步的不足，更全面的表达进程的信息

    • 记录有多少进程睡眠和唤醒

      image-20240409220845574

    • 和信号的区别：信号只有1和0两个状态，信号量可以有多个状态

    • eg：一个资源数量是8，对应的信号量是2，则表示当前有2个资源可以使用，如果是-2则表示有两个进程等待这个资源

  • 信号量解决生产者消费者问题案例

    • 生产者停的条件：缓冲区满
    • 消费者停的条件：缓冲区空
    • 信号量：缓冲区当前大小，初始为buffer_size
    • 双方在执行的时候判断信号量
    • 注意：信号量是线程间互斥的资源（不能同时读写）

1.7 信号量的临界区保护

  • 共同修改信号量会造成错误，因此需要保护
  • 临界区：一次只允许一个进程进入的该进程的那段代码
  • 如何找到进程中的临界区代码：读写信号量的代码
  • 基本原则：互斥
  • 好的保护原则：有空让进；有限等待
  • 常见方法：
    • Peterson算法：结合了标记+轮转的算法
    • 面包店算法

1.8 死锁处理

  • 成因：
    • 互斥使用
    • 不可抢占
    • 请求和保持：进程必须占有资源再去申请新的资源
    • 循环等待：在资源分配图中有环路
  • 死锁预防：破坏死锁出现的条件
    • 一次性申请所有需要的资源（资料浪费，编程难）
    • 资源申请按序进行（资源浪费）
  • 死锁避免：检测每个资源请求，如果造成死锁就拒绝
    • 先试用在判断安全序列（算法时间复杂度高）
  • 死锁检测+恢复：检测到死锁的时候让进程回滚，让出资源
    • （恢复困难）
  • 死锁忽略：等重启就解决了
    • （用的多）

二 内存管理

2.1 内存使用与分段

  • 重定位

  • 交换

    image-20240410102659773

  • 使用过程

    image-20240410103406408

    • 进程1申请到一段内存，PCB指向2000地址，进程2申请到另一端内存，PCB指向1000地址
    • 当进程1执行的时候，PC指针取址100，放到CPU中
    • 根据进程1的基地址(2000)得到进程1的代码地址2100
    • 当需要切换到进程2的时候，先根据PCB切换到进程2的基地址1000
    • 执行进程2，PC指针继续取址执行

  • 内存分段：程序并不是整段放到内存中，分段放在不同的地方

    • 段+段内偏移

    • PCB中此时不只是一个基址了，而是每个段的基址（LDT表）

      image-20240410104432330

2.2 内存分区和分页

  • 内存分区
    • 可变分区：空闲分区表+已分配分区表
    • 固定分区
  • 内存分区问题
    • 内存外碎片
    • 如果需要内存紧缩的话就很耗时
  • 内存分页：
    • 会造成内碎片，但是可以根据页的大小来控制碎片的大小

2.3 多级页表与块表

  • 问题：为提高内存利用率，页应该很小，但是页小了页表就大了

  • 方法一：只存放用到的页

    • 带来的问题：页表中的页号不连续，需要比较、查找，线性的查找耗时

  • 方法二：多级页表：页目录表（章）+页表（节）

    image-20240410155109348

    • 空间利用率高，但是增加了访问的次数

  • 块表：TLB，一组相联快速存储，是寄存器

    • 一次比对就可以找到（类似于书签，redis）
    • 如果在块表中没有命中再查多级页表，然结果再放到TLB中
    • 关键是提高TLB的命中率

2.4 段页结合的内存管理

  • 程序员希望用段，物理内存希望用页

  • 虚拟内存

    image-20240410161014066

  • 对于用户来说是段式存储，对于物理内存来说是页式存储

  • 根据段号得到一个基址(虚拟地址)，由基址得到一个页号，再根据页号查找页表得到真实的物理地址

    image-20240410161448350

2.5 内存换入换出

  • 用换入换出来实现“大内存”

    • 虚拟内存4G，实际内存1G，给用户一种4G的感觉

  • 换入：请求调页

    • 用户给一个基址，在虚拟内存中查发现物理地址中缺页，CPU从磁盘中载入相应资源到物理内存中

  • 换出：选择一页淘汰，换出到磁盘中

    • FIFO
    • MIN
    • LRU

  • LRU实现换出

    • 方法一：每页维护一个时间戳，淘汰最小的时间戳对应的页

    • 方法二：维护一个页码栈，淘汰栈底

    • 方法三近似实现Clock算法：每个页加一个引用位，每访问一页，硬件自动设置该位1，淘汰时如果是1就置为0，如果是0就淘汰

      image-20240410164923481

    • 方法四Clock改进：两个扫描指针：一个用来清除R位，移动速度快；一个用来淘汰页，移动速度慢

  • 另一个问题：进程分配的页框

    • 太多了内存利用率不高
    • 太少了导致缺页率高 ==> 磁盘的换入换出频率高 ==> 进程等待时间长，发生颠簸

三 磁盘、文件管理

3.1 IO与显示器

image-20240415205054190

  • 对外设的使用本质是向他们

    • 发送指令(out 指令)
    • 将out指令做成接口（文件视图）
    • 进行设备的中断处理

  • printf：先创建缓存buf将格式化都输出在那里，然后再write(1, buf, …)

    • printf
    • 系统调用(wirte)
    • 字符设备接口(crw_table)
    • tty设备写(tty_wirte)
    • 显示器写(con_wirte)

3.2 键盘

image-20240415214935201

3.3 生磁盘的使用

  • 磁盘访问单位：扇区（512字节）
    • 升级到盘块，一次读取的内容变多，减少磁盘寻道(瓶颈)时间，用空间换时间

  • 只要往控制器中写柱面、磁头、扇区、缓存位置

  • 过程

    • 进程得到盘块号，算出扇区号
    • 用扇区号make req，用电梯算法add_request
    • 进程sleep
    • 磁盘中断处理
    • 算出cyl,head,sector
    • 调用outp()完成端口写