筆記目錄：
- 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
- 進(jìn)程管理
- 線程
- CPU調(diào)度
- 死鎖
- 內(nèi)存管理
操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
- 為了保證穩(wěn)定和安全倡缠，應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核之間通過系統(tǒng)調(diào)用接口實現(xiàn)通信胳岂，應(yīng)用程序不能直接操縱內(nèi)核的信息桶唐。
中斷服務(wù)程序一定是操作系統(tǒng)編寫的族沃。
一般很少用到的系統(tǒng)程序渠牲，如系統(tǒng)分區(qū)旋炒，磁盤碎片整理，磁盤快照签杈。系統(tǒng)級的功能有系統(tǒng)級的程序來完成瘫镇，這部分程序普通的用戶不常用，一般由系統(tǒng)管理員用芹壕。
功能和需求以及硬件和工作的環(huán)境 決定操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)汇四。
操作系統(tǒng)的簡單結(jié)構(gòu)
聚內(nèi)核（無結(jié)構(gòu)內(nèi)核）
UNIX的系統(tǒng)構(gòu)造-內(nèi)核部分無結(jié)構(gòu)
微內(nèi)核
MINIX3的結(jié)構(gòu)
LINUX的誕生：
Torvalds在閱讀了他當(dāng)時操作系統(tǒng)老師寫的MINIX操作系統(tǒng)后，完成了LINUX系統(tǒng)踢涌，但是他的老師覺得他寫的LINUX一團(tuán)糟通孽，因為他認(rèn)為LINUX仍然沒有擺脫UNIX的設(shè)計范疇，仍然使用大內(nèi)核睁壁。后來他的老師提出了微內(nèi)核的概念背苦，并在MINIX3系統(tǒng)中實現(xiàn)。
內(nèi)核做盡量少的事情潘明，把更多的任務(wù)放到用戶空間（如磁盤操作等）行剂。（效率問題是微內(nèi)核的死穴）
Solaris System
運用了面向?qū)ο蟮乃枷耄瑢⒋疟P操作钳降，文件讀寫等功能仍然放在內(nèi)核部分厚宰，但劃分了不同的模塊。
混合結(jié)構(gòu)-MacOS
MacOS系統(tǒng)有兩個內(nèi)核遂填，一個BSD內(nèi)核（聚內(nèi)核）铲觉，一個Mach內(nèi)核（微內(nèi)核）。
虛擬機結(jié)構(gòu)
未來虛擬機的結(jié)構(gòu)：
硬件之上直接是虛擬機吓坚，虛擬機上面再分各種內(nèi)核撵幽。
進(jìn)程管理
計算機系統(tǒng)在啟動后，會進(jìn)入兩種模式礁击，一個叫用戶模式盐杂，一個叫內(nèi)核模式逗载。用戶程序在用戶模式下運行，不能隨意讀寫任意內(nèi)存链烈。
系統(tǒng)引導(dǎo)
計算機通了電之后都經(jīng)歷了哪些事情厉斟？
- （加電自檢）當(dāng)我們按下開機鍵之后，首先BIOS會加電自檢（Power On Self Test -post）强衡。BIOS執(zhí)行內(nèi)存地址為FFFF：0000H處的跳轉(zhuǎn)指令捏膨，跳轉(zhuǎn)到固化在ROM中的自檢程序，對系統(tǒng)硬件（顯卡食侮，CPU及硬盤号涯、內(nèi)存、光驅(qū)信息锯七，主板信息）進(jìn)行檢查链快。
- （磁盤引導(dǎo)）自檢完成后，ROM BIOS會按照系統(tǒng)CMOS設(shè)置中的啟動順序搜索裝有操作系統(tǒng)的磁盤驅(qū)動器眉尸。（ps：從磁盤加載操作系統(tǒng)的原因有二：一是操作系統(tǒng)升級簡單容易域蜗，二是使用戶擁有選擇操作系統(tǒng)的自由。）BIOS將相應(yīng)啟動設(shè)備的第一個扇區(qū)（MBR扇區(qū)（存儲著磁盤分區(qū)等信息噪猾，大小固定為512字節(jié)））讀入內(nèi)存地址為
0000:7C00H霉祸。 - （執(zhí)行MBR程序）檢查0000:7DFEH-0000:7DFFH(MBR的結(jié)束標(biāo)志位)是否等于55AAH，若不等于則轉(zhuǎn)去嘗試其他啟動設(shè)備袱蜡，如果沒有啟動設(shè)備滿足要求則顯示"NO ROM BASIC"然后死機丝蹭。
- 當(dāng)檢測到有啟動設(shè)備滿足要求后，BIOS將控制權(quán)交給相應(yīng)啟動設(shè)備坪蚁。啟動設(shè)備的MBR將自己復(fù)制到0000:0600H處, 然后繼續(xù)執(zhí)行奔穿。
- 根據(jù)MBR中的引導(dǎo)代碼啟動引導(dǎo)程序。
- 此時的機器才是真正意義上的計算機敏晤。
當(dāng)操作系統(tǒng)內(nèi)核被加載贱田，開始運行內(nèi)核時，就不是boot的內(nèi)容了嘴脾。
加載操作系統(tǒng)的程序叫bootstrap男摧。
在計算機的ROM（計算機主板ROM芯片）里會有一段引導(dǎo)的初始程序。計算機在加電后最先運行的程序就是存放在ROM中的引導(dǎo)程序译打。
百度百科：
BIOS（Basic Input Output System）耗拓。是個人電腦啟動時加載的第一個軟件。它是一組固化到計算機內(nèi)主板上的一個ROM芯片上的程序扶平。它保存著計算機最重要的基本輸入輸出程序帆离，開機后自檢程序和系統(tǒng)自啟動程序蔬蕊，它可以從CMOS中讀寫系統(tǒng)設(shè)置的具體信息结澄。其主要功能是為計算機提供最底層的哥谷、最直接的硬件設(shè)置和控制。此外麻献，BIOS還向作業(yè)系統(tǒng)提供一些系統(tǒng)參數(shù)们妥。系統(tǒng)硬件的變化是由BIOS隱藏，程序使用BIOS功能而不是直接控制硬件∶阄牵現(xiàn)代作業(yè)系統(tǒng)會忽略BIOS提供的抽象層并直接控制硬件組件监婶。
BIOS中主要存放：
- 自診斷程序：通過讀取CMOSRAM中的內(nèi)容識別硬件配置，并對其進(jìn)行自檢和初始化齿桃；
- CMOS設(shè)置程序：引導(dǎo)過程中惑惶，用特殊熱鍵啟動，進(jìn)行設(shè)置后短纵，存入CMOS RAM中带污；
- 系統(tǒng)自舉裝載程序：在自檢成功后將磁盤相對0道0扇區(qū)上的引導(dǎo)程序裝入內(nèi)存，讓其運行以裝入DOS系統(tǒng)香到；
- 主要I/O設(shè)備的驅(qū)動程序和中斷服務(wù)：由于BIOS直接和系統(tǒng)硬件資源打交道鱼冀，因此總是針對某一類型的硬件系統(tǒng)，而各種硬件系統(tǒng)又各有不同悠就，所以存在各種不同種類的BIOS千绪，隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，同一種BIOS也先后出現(xiàn)了不同的版本梗脾，新版本的BIOS比起老版本來說荸型，功能更強。
CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）互補金屬氧化物半導(dǎo)體炸茧。CMOS是主板上一塊可讀寫的RAM芯片帆疟，用于保存當(dāng)前系統(tǒng)的硬件配置信息和用戶設(shè)定的某些參數(shù)。CMOS RAM由主板上的鈕扣電池供電宇立，即使系統(tǒng)斷電信息也不會丟失踪宠。對CMOS中各項參數(shù)的設(shè)定和更新可通過開機時特定的按鍵實現(xiàn)（一般是Del鍵）。進(jìn)入BIOS設(shè)置程序可對CMOS進(jìn)行設(shè)置妈嘹。一般CMOS設(shè)置習(xí)慣上也被叫做BIOS設(shè)置柳琢。有時人們會把CMOS和BIOS混稱，其實CMOS是主板上的一塊可讀寫的并行或串行FLASH芯片润脸，是用來保存BIOS的硬件配置和用戶對某些參數(shù)的設(shè)定柬脸。
參考： 磁盤引導(dǎo)程序原理及簡介
進(jìn)程的定義
簡單來說，運行起來的程序叫進(jìn)程毙驯。
進(jìn)程在內(nèi)存中：
進(jìn)程的幾個狀態(tài)：
進(jìn)程各個狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：
- 處于
running態(tài)的進(jìn)程擁有CPU - 當(dāng)處于
running態(tài)的進(jìn)程需要等待I/O操作或者等待某個點擊事件后才能進(jìn)行下一步操作倒堕，則此時會進(jìn)入waiting態(tài)，讓出CPU爆价。 - 當(dāng)處于
waiting態(tài)的進(jìn)程獲得點擊事件或者I/O資源時垦巴，則會進(jìn)入ready態(tài)媳搪。 - 處于
ready態(tài)的進(jìn)程獲得CPU后，便會運行起來骤宣，進(jìn)入running態(tài)秦爆。
PCB
操作系統(tǒng)通過PCB來控制進(jìn)程的狀態(tài)。
進(jìn)程的切換：
系統(tǒng)切換進(jìn)程有兩種方式：中斷和系統(tǒng)調(diào)用
中斷的作用就是CPU暫時停止當(dāng)前程序的執(zhí)行轉(zhuǎn)而執(zhí)行處理新情況憔披。
比如等限，當(dāng)一個進(jìn)程運行了比較長的時間，操作系統(tǒng)會發(fā)出一個中斷信號（如通過晶振發(fā)出）芬膝，這時CPU會暫停當(dāng)前進(jìn)程的執(zhí)行望门，來到操作系統(tǒng)中的代碼塊，此時操作系統(tǒng)占有CPU锰霜，操作系統(tǒng)利用CPU將當(dāng)前進(jìn)程的狀態(tài)置為ready怒允，切換到其他進(jìn)程的執(zhí)行。
操作系統(tǒng)進(jìn)入到等待態(tài)是應(yīng)用程序主動通過一些操作進(jìn)入到等待態(tài)：
而running態(tài)的到waiting態(tài)的進(jìn)程狀態(tài)切換锈遥，則是通過當(dāng)前進(jìn)程通過主動發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用纫事，將CPU的使用權(quán)轉(zhuǎn)給操作系統(tǒng)，再由操作系統(tǒng)改變進(jìn)程的狀態(tài)所灸。
PCB表的組織形式：
丽惶？？下面這一塊不太懂
進(jìn)程間的協(xié)作：獨立與合作
進(jìn)程合作的優(yōu)點：
-
信息共享
Screen Shot 2018-04-10 at 14.04.21.png 計算速度加快
-
進(jìn)程間的通信方式：消息傳遞和共享內(nèi)存
消息傳遞效率更高爬立。因為共享內(nèi)存的方式會進(jìn)行大量的系統(tǒng)調(diào)用钾唬。
Screen Shot 2018-04-10 at 14.07.18.png
阻塞方式指的是，在該進(jìn)程沒得到自己所需資源時侠驯，就會被阻塞抡秆，被置為waiting態(tài)。
接收方不拿走這個消息就會被丟棄
會被緩存一會吟策，收的慢的情況下也會丟失
沒有限制
線程
線程的下面這些資源是獨享的儒士，每個線程會有自己：
- 線程ID
- 程序計數(shù)器 （存放下一條指令的地址）
- 寄存器集
-
棧 （記錄程序的執(zhí)行路徑）
Screen Shot 2018-04-11 at 12.44.51.png
其他的進(jìn)程的大部分資源會被線程們共享。
單線程與多線程：單線程只有一條執(zhí)行路線檩坚。多線程有各自的執(zhí)行路線着撩。
為什么要創(chuàng)建多線程，而不是選擇創(chuàng)建多進(jìn)程匾委。（比如把耗時的操作拖叙，fork一個進(jìn)程放到里面）：
多線程的好處是資源共享（協(xié)作起來更方便），經(jīng)濟(jì)實惠赂乐。進(jìn)程與進(jìn)程之間是完全分隔的薯鳍，不共享（也可以共享，但比較麻煩）挨措，進(jìn)程的創(chuàng)建挖滤，銷毀崩溪，切換開銷都大于線程。
線程分為用戶級線程和內(nèi)核級線程：
用戶級線程指的是壶辜，一個程序在自己內(nèi)部模擬出多個線程，比如担租，保存當(dāng)前正在執(zhí)行的線程的數(shù)據(jù)現(xiàn)場砸民，切換到另一個現(xiàn)場，繼續(xù)執(zhí)行奋救，這樣模擬出了多線程岭参。
用戶級線程的優(yōu)點：
用戶級線程的優(yōu)點：
而且用戶級線程還有一個缺點，就是當(dāng)模擬出多個線程中的一個發(fā)生系統(tǒng)級的阻塞時尝艘，該程序的所有（模擬出的）線程都將被阻塞演侯。因為在系統(tǒng)看來，它就是一個線程背亥。
結(jié)束線程：
- 直接強制殺死秒际。（會造成一些難以預(yù)料的錯誤，比如該保存的資料沒保存）
- 告訴線程該退出了狡汉。設(shè)置個退出條件娄徊，達(dá)到條件自己主動退出。
總結(jié)
各個進(jìn)程之間是完全獨立的
線程模型不穩(wěn)定盾戴，任何一個線程出問題寄锐，導(dǎo)致整個進(jìn)程的崩潰
從安全角度看，線程的安全性比進(jìn)程的安全性差
進(jìn)程與線程的區(qū)別：
- 進(jìn)程絕對隔離尖啡，線程完全共享
- 進(jìn)程效率低橄仆，線程效率高
CPU調(diào)度
調(diào)度的目的是最大限度的利用CPU。
CPU和I/O交替進(jìn)行：
有些進(jìn)程利用CPU比較多，有些利用I/O比較多：
CPU調(diào)度發(fā)生的情形：
CPU調(diào)度分為搶占式和非搶占式：
分配CPU（恢復(fù)上次運行狀態(tài)等處理既绩，效率靠硬件來決定）：
恢復(fù)上次運行狀態(tài)
從系統(tǒng)態(tài)切換到用戶態(tài)
切換完成后跳轉(zhuǎn)到正確的地址開始執(zhí)行：
調(diào)度進(jìn)程和分配資源所花費的時間：
調(diào)度準(zhǔn)則：1.最大化利用CPU
調(diào)度準(zhǔn)則：2.大的吞吐量（單位時間運行的進(jìn)程數(shù)量）
調(diào)度準(zhǔn)則：3.盡可能小的周轉(zhuǎn)時間（從創(chuàng)建到結(jié)束一共經(jīng)過多久wall time（周轉(zhuǎn)時間））
調(diào)度準(zhǔn)則：4.盡可能小的等待時間（在就緒隊列等待時間）
調(diào)度準(zhǔn)則：5.盡可能小的響應(yīng)時間 （接收一個事件到處理該事件經(jīng)過的時間）
先來先服務(wù)：
最短作業(yè)優(yōu)先：
兩種調(diào)度模式：
-
非搶占式和搶占式
Screen Shot 2018-04-17 at 14.06.32.png
最短剩余時間優(yōu)先：
優(yōu)先級調(diào)度（一種實現(xiàn)策略）
優(yōu)先級調(diào)度可能會導(dǎo)致優(yōu)先級低的進(jìn)程被餓死跪腹。
Round Robin（時間片輪轉(zhuǎn)）
如果時間片太大，就變成了先來先服務(wù)
如果時間片太小椎扬，各個進(jìn)程就會被頻繁切換，進(jìn)程切換時比較耗時間的（保存當(dāng)前進(jìn)程的現(xiàn)場具温，調(diào)度算法決定下次調(diào)用哪個進(jìn)程）
將時間片輪轉(zhuǎn)和優(yōu)先級結(jié)合進(jìn)行調(diào)度：
多級隊列（將隊列分為不同的優(yōu)先級）
系統(tǒng)進(jìn)程應(yīng)該處于最高的優(yōu)先級隊列中（I/O綁定的進(jìn)程：用CPU的時間比較短蚕涤，大部分在時間用來I/O）
在隊列之間進(jìn)行調(diào)度：
固定隊列的優(yōu)先級（有可能發(fā)生饑餓）：
為了降低饑餓發(fā)生的概率，在具有優(yōu)先級的隊列之間采用時間片：
現(xiàn)在操作系統(tǒng)中大多采用多級反饋隊列調(diào)度算法：
優(yōu)先級從上到下依次降低
進(jìn)程第一次運行時铣猩，都被放在優(yōu)先級最高的隊列中（quantum=8（分配的時間片）的隊列）揖铜，根據(jù)該進(jìn)程運行的狀況將其移到響應(yīng)的隊列中。如：當(dāng)進(jìn)程第一次被運行時达皿，先被放到上圖quantum=8的隊列中（優(yōu)先級從上到下依次降低）天吓，當(dāng)給該隊列分配的8個時間片全被該進(jìn)行消耗完的情況下贿肩，將該進(jìn)程移到下一個優(yōu)先級較低的隊列中；在quantum=16的隊列中時龄寞，給該隊列分配的16個時間片又全被該進(jìn)程消耗完汰规，則將其移到下一個優(yōu)先級較低的隊列。
多核處理器：
多處理器面臨的問題：
對稱多處理器：
所有處理器共享同一個就緒隊列（會存在一個問題物邑，當(dāng)進(jìn)程從一個CPU被切到另一個CPU時溜哮，會導(dǎo)致Cache刷新，有性能損耗）
CPU的親和性：（可將某個進(jìn)程與某個特定的CPU綁定）
防止兩個進(jìn)程同時訪問臨界區(qū)的方法1：
關(guān)了中斷后就不會進(jìn)行進(jìn)程切換色解，當(dāng)一個進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)后關(guān)中斷
死循環(huán)等待消耗CPU茂嗓，造成性能損耗。這種方式也稱為自旋鎖科阎。
哲學(xué)家就餐問題的另外一種解決方案：
給每個就餐的哲學(xué)家按順序編號述吸，奇數(shù)號的哲學(xué)家第一次只能拿左邊的筷子，偶數(shù)號哲學(xué)家第一次只能拿右邊的筷子锣笨。這樣便可以保證至少有一個哲學(xué)家可以拿到兩只筷子蝌矛。
不死鎖：
死鎖：
不死鎖：
死鎖的四個條件：
- 互斥
- 保持和等待
- 不可剝奪
- 循環(huán)等待（我要你的，你要他的错英，他要我的）
解決死鎖：
- 預(yù)防死鎖
- 避免死鎖
- 死鎖的檢測和恢復(fù)
- 鴕鳥算法（死鎖裝作沒看見）(讓軟件開發(fā)者自己去解決)
