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第1章计算机系统概述

1.1操作系统的基本概念

操作系统：操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境的程序集合。

并发：是指两个多多个事件在同一时间间隔内发生，引入进程的目的是使程序能并发执行。

注意：同一时间间隔（并发）和同一时刻（并行）的区别。微观上这些程序还是分时交替执行。

共享：是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用，可分为互斥共享方式、同时访问方式。

#并发和共享是操作系统两个最基本的特征。

虚拟：是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物，如虚拟处理器、虚拟内存、虚拟外部设备。

异步：在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进。

操作系统作为计算机系统资源的管理者：处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理

操作系统作为用户与计算机硬件系统之间的接口：

1）命令接口：联机命令接口又称交互式命令接口，适用于分时或实时系统的接口，由一组键盘操作命令组成；脱机命令接口又称批处理命令接口，即适用于批处理系统，由一组作业控制命令组成。

2）程序接口：由一组系统调用命令（简称系统调用，也称广义指令）组成

操作系统用作扩充机器

1.2操作系统的发展与分类

1手工操作阶段（此阶段无操作系统）

2批处理阶段（操作系统开始出现）：

1）单道批处理系统：自动性、顺序性、单道性

2）多道批处理系统：多道、宏观上并行、微观上串行

3分时操作系统：同时性、交互性、独立性、及时性

4实时操作系统：及时性、可靠性

5网络操作系统：网络中各种资源的共享以及各台计算机之间的通信

6分布式计算机系统：分布性、并行性。分布式操作系统与网络操作系统本质上的不同之处在于分布式操作系统中，若干台计算机相互协同完成同一任务。

7个人计算机操作系统

1.3操作系统的运行环境

操作系统内核包括：时钟管理、中断机制、原语、系统控制的数据结构及处理

中断，也称外中断，指来自CPU执行指令以外的事件的发生

异常，也称内中断、例外或陷入，指源自CPU执行指令内部的事件

如果程序的运行由用户态转到核心态，会用到访管指令，访管指令是在用户态使用的，所以它不可能是特权指令。

1.4操作系统的体系结构

大内核：

微内核：

第2章进程管理

2.1进程与线程

进程控制块PCB，描述进程的基本情况和运行状态，进而控制和管理进程。

由程序段、相关数据段和PCB三部分构成了进程映像（进程实体）。

注意：进程映像是静态的，进程是动态的。PCB是进程存在的唯一标志

进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配合调度的一个独立单位，其特征包括：动态性（最基本）、并发性、独立性、异步性、结构性。

进程的状态：运行、就绪、阻塞（等待）、创建、结束

就绪-运行

运行-就绪

运行-阻塞（主动的行为）

阻塞-就绪（被动的行为）

进程：

1）进程控制块PCB：进程创建时，操作系统就新建一个PCB，它之后就常驻内存，在进程结束时删除，PCB是进程实体的一部分，是进程存在的唯一标志

2）程序段

3）数据段

进程的通信是指进程之间的信息交换

1）共享存储：基于数据结构的共享（低级）；基于存储区的共享（高级）

2）消息传递：直接通信方式、间接通信方式

3）管道通信：管道是指用于连接一个读进程和一个写进程以实现它们之间通信的一个共享文件

引入进程的目的，是为了更好地使多道程序并发执行，以提高资源利用率和系统吞吐量，增加并发程序

引入线程的目的，是为了减小程序在并发执行时所付出的时空开销，提高操作系统的并发性能

线程：“轻量级进程”，CPU执行单元，也是程序执行流的最小单元，由线程ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈组成，线程自己不拥有系统资源。

线程是独立调度的基本单位，进程是拥有资源的基本单位。在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换；在不同进程中进行线程切换，会引起进程切换。

线程的属性：

1）线程不拥有系统资源

2）不同的线程可以执行相同的程序

3）同一进程中的各个线程共享该进程所拥有的资源

4）线程是处理机的独立调度单位，多个线程是可以并发执行的

用户级线程：有关线程管理的所有工作都由应用程序完成，内核意识不到线程的存在

内核级线程：线程管理的所有工作都由内核完成

组合方式的多线程实现：内核级线程数目小于等于用户级线程的数目

多线程模型：

1）多对一模型：将多个用户级线程映射到一个内核级线程。效率高，不能并行。

2）一对一模型：每个用户级线程映射到一个内核级线程。并发性好，开销大。

3）多对多模型：将n个用户级线程映射到m个内核级线程上，要求m≤n。并发性和效率兼顾，但是增加了复杂度。

2.2处理机调度

调度的层次