操作系统：操作系统知识点总结
操作系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)總結(jié)
1. 基礎(chǔ)知識(shí)
1.1 內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)
多數(shù)計(jì)算機(jī)有兩種運(yùn)行模式，用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。軟件中最基礎(chǔ)的部分是操作系統(tǒng)，它運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)。在這個(gè)模式中，操作系統(tǒng)具有對(duì)所有硬件的完全訪問(wèn)權(quán)，可以執(zhí)行機(jī)器能夠運(yùn)行的任何指令。軟件的其余部分運(yùn)行在用戶態(tài)，在用戶態(tài)下，只使用了機(jī)器指令中的一個(gè)子集。
核心態(tài)和用戶態(tài)各有優(yōu)勢(shì)：運(yùn)行在核心態(tài)的程序可以訪問(wèn)更多資源，但可靠性、安全性要求高，維護(hù)管理都較復(fù)雜；用戶態(tài)程序訪問(wèn)資源受限，但可靠性、安全性要求低，編寫維護(hù)較簡(jiǎn)單。
為了從操作系統(tǒng)中獲得服務(wù)，用戶程序必須使用系統(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核并調(diào)用操作系統(tǒng)。TRAP指令把用戶態(tài)切換成內(nèi)核態(tài)（上下文切換），并啟用操作系統(tǒng)。當(dāng)有關(guān)工作完成之后，在系統(tǒng)調(diào)用后面的指令把控制權(quán)返回給用戶程序。
1.2 什么是操作系統(tǒng)
操作系統(tǒng)是一種運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)的軟件，執(zhí)行以下兩個(gè)基本任務(wù)：為應(yīng)用程序提供一個(gè)資源集的清晰抽象，并管理這些硬件資源。
1.3 計(jì)算機(jī)硬件
計(jì)算機(jī)硬件包括：CPU、內(nèi)存以及IO設(shè)備。
CPU負(fù)責(zé)從內(nèi)存中取出指令并執(zhí)行。由于用來(lái)訪問(wèn)內(nèi)存以及得到指令或數(shù)據(jù)的時(shí)間要比執(zhí)行指令花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)得多，因此所有的CPU內(nèi)都有一些用來(lái)保存關(guān)鍵變量和臨時(shí)數(shù)據(jù)的寄存器。除此之外，計(jì)算機(jī)還有一些對(duì)程序員可見(jiàn)的專用寄存器：
·????????程序計(jì)數(shù)器：用于保存下一條指令的內(nèi)存地址。
·????????堆棧指針：指向內(nèi)存中當(dāng)前棧的頂端。
·????????PSW程序狀態(tài)字寄存器：包含了條件碼位，CPU優(yōu)先級(jí)，模式（用戶態(tài)或內(nèi)核態(tài)），以及各種控制位。
2. 進(jìn)程與線程
2.1 進(jìn)程與線程的區(qū)別
進(jìn)程：進(jìn)程是一個(gè)正在執(zhí)行程序的示例，擁有自己的程序計(jì)數(shù)器和內(nèi)部狀態(tài)，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位（具有動(dòng)態(tài)、并發(fā)、獨(dú)立、異步的特性，以及就緒、執(zhí)行、阻塞3種狀態(tài)，資源擁有單位等屬性）；引入進(jìn)程是為了使多個(gè)程序可以并發(fā)的執(zhí)行，以提高系統(tǒng)的資源利用率和吞吐量。
線程：是比進(jìn)程更小的可獨(dú)立運(yùn)行的基本單位，可以看做是輕量級(jí)的進(jìn)程（具有輕型實(shí)體，獨(dú)立調(diào)度分派單位，可并發(fā)執(zhí)行，共享進(jìn)程資源等屬性）；引入目的是為了減少程序在并發(fā)執(zhí)行過(guò)程中的開(kāi)銷，使OS的并發(fā)效率更高。
兩者的對(duì)比：
1.???調(diào)度方面：在引入線程的OS中，線程是獨(dú)立的調(diào)度和分派單位，而進(jìn)程作為資源的擁有單位(相當(dāng)于把未引入線程的傳統(tǒng)OS中的進(jìn)程的兩個(gè)屬性分開(kāi)了)。由于線程不擁有資源，因此可以顯著的提高并發(fā)度以及減少切換開(kāi)銷。
2.???并發(fā)性：引入了線程的OS中，進(jìn)程間可以并發(fā)，而且一個(gè)進(jìn)程內(nèi)部的多個(gè)線程之間也是可以并發(fā)的，這就使OS具有更好的并發(fā)性，有效的提高了系統(tǒng)資源利用率和吞吐量。
3.????擁有資源：處于安全和方便管理的因素，一個(gè)進(jìn)程往往會(huì)獨(dú)占一些資源，如地址空間、全局變量、打開(kāi)的文件、子進(jìn)程、信號(hào)和賬戶信息等；而為了處理各自的任務(wù)，線程也會(huì)獨(dú)占一些資源，如棧、寄存器、程序計(jì)數(shù)器和狀態(tài)等。
4.????系統(tǒng)開(kāi)銷：創(chuàng)建或者撤銷進(jìn)程的時(shí)候，系統(tǒng)要為之創(chuàng)建或回收PCB，系統(tǒng)資源等，切換時(shí)也需要保存和恢復(fù)CPU環(huán)境。而線程的切換只需要保存和恢復(fù)少量的寄存器，不涉及存儲(chǔ)器管理方面的工作，所以開(kāi)銷較小。此外，同一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程由于共享地址空間，所以通信同步等都比較方便。
例題：同一個(gè)進(jìn)程中的線程不共享的部分是（F）。（2017阿里巴巴實(shí)習(xí)生筆試題）
?????A、信號(hào)????B、堆????C、文件描述符????D、進(jìn)程組id????E、代碼段????F、棧空間
2.2 進(jìn)程的三種狀態(tài)
1.???就緒狀態(tài)：進(jìn)程獲得了除了CPU之外的所有的必要資源，只要獲得CPU就可以立即執(zhí)行，此時(shí)的進(jìn)程處于就緒態(tài)。
2.???運(yùn)行狀態(tài)：進(jìn)程已經(jīng)獲得CPU，正在運(yùn)行，在多處理其系統(tǒng)中，會(huì)有多個(gè)進(jìn)程同時(shí)處于運(yùn)行狀態(tài)。
3.???阻塞狀態(tài)：處于執(zhí)行狀態(tài)的進(jìn)程由于發(fā)生某些事件而暫時(shí)無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行，放棄處理機(jī)而處于暫停狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)程就處于阻塞（執(zhí)行受到阻塞）狀態(tài)。
進(jìn)程的三種狀態(tài)之間有4種可能的轉(zhuǎn)換關(guān)系：
?
2.3 線程的實(shí)現(xiàn)方式
在用戶空間中實(shí)現(xiàn)線程
? ? 一個(gè)線程阻塞會(huì)導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程（包括進(jìn)程里的所有線程）都阻塞
? ?頁(yè)面失效也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程被掛起
用戶級(jí)線程指不需要內(nèi)核支持而在用戶程序中實(shí)現(xiàn)的線程，其不依賴于操作系統(tǒng)核心，應(yīng)用進(jìn)程利用線程庫(kù)提供創(chuàng)建、同步、調(diào)度和管理線程的函數(shù)來(lái)控制用戶線程。不需要用戶態(tài)/核心態(tài)切換，速度快，操作系統(tǒng)內(nèi)核不知道多線程的存在，因此一個(gè)線程阻塞將使得整個(gè)進(jìn)程（包括它的所有線程）阻塞。由于這里的處理器時(shí)間片分配是以進(jìn)程為基本單位，所以每個(gè)線程執(zhí)行的時(shí)間相對(duì)減少。
在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)線程
內(nèi)核級(jí)線程由操作系統(tǒng)內(nèi)核創(chuàng)建和撤銷。內(nèi)核維護(hù)進(jìn)程及線程的上下文信息以及線程切換。一個(gè)內(nèi)核線程由于I/O操作而阻塞，不會(huì)影響其它線程的運(yùn)行。
在用戶空間中實(shí)現(xiàn)線程的優(yōu)勢(shì)
·????????可以在不支持線程的操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。
·????????創(chuàng)建和銷毀線程、線程切換代價(jià)等線程管理的代價(jià)比內(nèi)核線程少得多。
·????????允許每個(gè)進(jìn)程定制自己的調(diào)度算法，線程管理比較靈活。（每個(gè)線程自定義線程調(diào)度算法）
·????????線程能夠利用的表空間和堆棧空間比內(nèi)核級(jí)線程多。
在用戶空間中實(shí)現(xiàn)線程的缺點(diǎn)
?
·????????同一進(jìn)程中只能同時(shí)有一個(gè)線程在運(yùn)行，如果有一個(gè)線程使用了系統(tǒng)調(diào)用而阻塞，那么整個(gè)進(jìn)程都會(huì)被掛起。
·????????頁(yè)面失效也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程都會(huì)被掛起。
?
內(nèi)核線程的優(yōu)缺點(diǎn)剛好跟用戶線程相反。實(shí)際上，操作系統(tǒng)可以使用混合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)線程。
2.4 線程同步
（數(shù)據(jù)爭(zhēng)用導(dǎo)致線程之間的不同步問(wèn)題，使得系統(tǒng)紊亂）
競(jìng)爭(zhēng)條件：兩個(gè)或多個(gè)線程讀寫某些共享數(shù)據(jù)，而最后的結(jié)果取決于線程運(yùn)行的精確時(shí)序。為避免競(jìng)爭(zhēng)條件，需要找到某種途徑組織多個(gè)線程同時(shí)讀寫共享的數(shù)據(jù)。這里，我們把對(duì)共享數(shù)據(jù)（共享內(nèi)存）進(jìn)行訪問(wèn)的程序片段稱之為臨界區(qū)，只要我們能夠使兩個(gè)線程不可能同時(shí)處于臨界區(qū)，就能夠避免競(jìng)爭(zhēng)條件。
同步機(jī)制需要遵循的原則：
1.???空閑讓進(jìn)：當(dāng)沒(méi)有線程處于臨界區(qū)的時(shí)候，應(yīng)該許可其他線程進(jìn)入臨界區(qū)的申請(qǐng)。
2.???忙則等待：當(dāng)前如果有線程處于臨界區(qū)，如果有其他線程申請(qǐng)進(jìn)入，則必須等待，保證對(duì)臨界區(qū)的互斥訪問(wèn)。
3.???有限等待：對(duì)要求訪問(wèn)臨界資源的線程，需要在有限時(shí)間內(nèi)進(jìn)入臨界區(qū)，防止出現(xiàn)死等。
4.???讓權(quán)等待：當(dāng)線程無(wú)法進(jìn)入臨界區(qū)的時(shí)候，需要釋放處理機(jī)，別陷入忙等。
線程同步的常用方法：互斥鎖，條件變量，信號(hào)量。
互斥鎖：同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程進(jìn)入臨界區(qū)。互斥鎖有兩個(gè)基本操作，加鎖和解鎖。一個(gè)線程如果想要進(jìn)入臨界區(qū)，它首先需要嘗試鎖住相關(guān)的互斥量。如果互斥量沒(méi)有加鎖，那么這個(gè)線程可以立即進(jìn)入，并對(duì)互斥量進(jìn)行加鎖以防止其他線程進(jìn)入。如果互斥量已經(jīng)被加鎖，則調(diào)用線程被阻塞，直至該互斥量被解鎖。
條件變量：允許線程由于一些未達(dá)到的條件而阻塞，通常與互斥鎖配合使用。條件變量的基本操作有：觸發(fā)條件(當(dāng)條件變?yōu)?true 時(shí))；等待條件，掛起線程直到其他線程觸發(fā)條件。（條件變量一般需要觸發(fā)條件，這個(gè)在編寫代碼的時(shí)候，用戶自定義）
·????????在等待進(jìn)程中，需要等待該條件，即需要_cond.wait()；wait()過(guò)程將會(huì)把調(diào)用線程放到等待條件的線程列表上，然后對(duì)該互斥量解鎖；此時(shí)在互斥量解鎖期間，又有新的線程進(jìn)入該臨界區(qū)，條件尚未發(fā)生，wait()會(huì)繼續(xù)這一過(guò)程。
·????????在喚醒進(jìn)程中，首先會(huì)進(jìn)行條件檢查（已經(jīng)被同一個(gè)互斥量鎖住，睡眠的線程不可能錯(cuò)過(guò)）；如果條件成立，則喚醒等待進(jìn)程。（因此，wait()一般要放置在循環(huán)中，或者使用double check）
·????????需要使用while(_count > 0)，而不是if (_count > 0)，（可以使用兩個(gè)if來(lái)代替while），原因?yàn)楫?dāng)線程從_cond.wait()喚醒時(shí)，此時(shí)互斥量會(huì)繼續(xù)被鎖住（此時(shí)多個(gè)線程對(duì)互斥量爭(zhēng)用的問(wèn)題），很有可能此時(shí)的條件會(huì)被其他線程修改，造成_count > 0的條件不成立，因此需要繼續(xù)判斷的。
信號(hào)量：為控制一個(gè)具有有限數(shù)量的用戶資源而設(shè)計(jì)。它允許多個(gè)線程在同一個(gè)時(shí)刻去訪問(wèn)同一個(gè)資源，但一般需要限制同一時(shí)刻訪問(wèn)此資源的最大線程數(shù)目。
Pthread中的函數(shù)調(diào)用
創(chuàng)建互斥鎖：int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t*mutex,const pthread_mutexattr_t*restrict attr)
加鎖：int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t*mutex)
解鎖：int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t*mutex)
銷毀互斥鎖：pthread_mutex_destroy ()
?
初始化條件變量：pthread_cond_init(pthread_cond_t*cond,pthread_condattr_t *cond_attr)
無(wú)條件等待：pthread_cond_wait(pthread_cond_t*cond,pthread_mutex_t *mutex)
計(jì)時(shí)等待：pthread_cond_timewait(pthread_cond_t*cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime)
激活一個(gè)等待該條件的線程：pthread_cond_signal(pthread_cond_t*cond)
激活所有等待線程：pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t*cond)
銷毀條件變量：pthread_cond_destroy(pthread_cond_t*cond)
經(jīng)典的進(jìn)程同步問(wèn)題：生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題；
哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題；讀者-寫者問(wèn)題。
2.5 進(jìn)程間通信
進(jìn)程間通信的方式有管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存、信號(hào)、信號(hào)量和套接字等。
1.???管道：管道是連接兩個(gè)一個(gè)讀進(jìn)程和一個(gè)寫進(jìn)程之間用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的一個(gè)共享文件。為了協(xié)調(diào)管道通信雙方，需要管道機(jī)制實(shí)現(xiàn)如下功能：
1）互斥：同一時(shí)刻只能有一個(gè)進(jìn)程對(duì)管道進(jìn)行讀寫；（半雙工）
2）同步：當(dāng)讀端發(fā)現(xiàn)管道為空的時(shí)候需要睡眠等待，直到有數(shù)據(jù)時(shí)候被喚醒（空了沒(méi)得讀），相應(yīng)的寫端也是在管道已滿的時(shí)候等待直到被喚醒（滿了寫不進(jìn)去）；
3）確定對(duì)方的存在性：只有同時(shí)有讀端和寫端，管道才有存在意義。它包括無(wú)名管道和有名管道（FIFO）兩種，前者用于父進(jìn)程和子進(jìn)程間的通信，后者用于運(yùn)行于同一臺(tái)機(jī)器上的任意兩個(gè)進(jìn)程間的通信（）。
?無(wú)名管道：int pipe(int fd);
?有名管道：int??mkfifo(const char* pathname,mode_t mode);?
2.???信號(hào)量是一個(gè)計(jì)數(shù)器，可以用來(lái)控制多個(gè)進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問(wèn)。它常作為一種鎖機(jī)制，防止某進(jìn)程正在訪問(wèn)共享資源時(shí)，其他進(jìn)程也訪問(wèn)該資源。因此，主要作為進(jìn)程間以及同一進(jìn)程內(nèi)不同線程之間的同步手段。
3.??消息隊(duì)列是由消息存放在內(nèi)核中并由消息隊(duì)列標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)。消息隊(duì)列克服了信號(hào)傳遞信息少、管道只能承載無(wú)格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點(diǎn)。其基本思想是根據(jù)”生產(chǎn)者-消費(fèi)者”原理，利用內(nèi)存中公用消息緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的信息交換。每當(dāng)一個(gè)進(jìn)程向另一個(gè)進(jìn)程發(fā)送消息時(shí)，便申請(qǐng)一個(gè)消息緩沖區(qū)，并把已準(zhǔn)備好的消息送到緩沖區(qū)，然后把該消息緩沖區(qū)插入到接收進(jìn)程的消息隊(duì)列中，最后通知接收進(jìn)程。接收進(jìn)程收到發(fā)送里程發(fā)來(lái)的通知后，從本進(jìn)程的消息隊(duì)列中摘下一消息緩沖區(qū)，取出所需的信息，然后把消息緩沖區(qū)不定期給系統(tǒng)。系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理公用消息緩沖區(qū)以及消息的傳遞。
4.???信號(hào)是一種比較復(fù)雜的通信方式，用于通知接收進(jìn)程某個(gè)事件已經(jīng)發(fā)生。
5.???共享內(nèi)存就是映射一段能被其他進(jìn)程所訪問(wèn)的內(nèi)存，這段共享內(nèi)存由一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建，但多個(gè)進(jìn)程都可以訪問(wèn)。共享內(nèi)存是最快的IPC方式，它是針對(duì)其他進(jìn)程間通信方式運(yùn)行效率低而專門設(shè)計(jì)的。它往往與其他通信機(jī)制，如信號(hào)量，配合使用，來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和通信。
6.???套接字也是一種進(jìn)程間通信機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)不同主機(jī)間的進(jìn)程通信。一個(gè)套接口可以看做是進(jìn)程間通信的端點(diǎn)，每個(gè)套接口的名字是唯一的，其他進(jìn)程可以訪問(wèn)，連接和進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
2.6 進(jìn)程調(diào)度算法
基本調(diào)度算法：
1.???先來(lái)先服務(wù)FCFS：既可以作為作業(yè)調(diào)度算法也可以作為進(jìn)程調(diào)度算法；按作業(yè)或者進(jìn)程到達(dá)的先后順序依次調(diào)度；因此對(duì)于長(zhǎng)作業(yè)比較有利。
2.???短作業(yè)優(yōu)先SPF：作業(yè)調(diào)度算法，算法從就緒隊(duì)列中選擇估計(jì)時(shí)間最短的作業(yè)進(jìn)行處理，直到得出結(jié)果或者無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行；
缺點(diǎn)：不利于長(zhǎng)作業(yè)；未考慮作業(yè)的重要性；運(yùn)行時(shí)間是預(yù)估的，并不靠譜。
3.???** 高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先HRRF**：既可以作為作業(yè)調(diào)度也可以作為進(jìn)程調(diào)度算法；調(diào)度作業(yè)時(shí)，從就緒隊(duì)列中選擇優(yōu)先級(jí)最高的作業(yè)進(jìn)行處理；由于涉及到了優(yōu)先級(jí)，因此可以分為搶占式和非搶占式；而且優(yōu)先級(jí)的確定也可以分為靜態(tài)優(yōu)先級(jí)（事先根據(jù)進(jìn)程類型，進(jìn)程對(duì)資源的需求，用戶要求等方面確定一個(gè)固定值）；動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)（隨進(jìn)程的推進(jìn)或者等待時(shí)間而增加或者減少）。
4.???最高響應(yīng)比優(yōu)先HRN：FCFS可能造成短作業(yè)用戶不滿，SPF可能使得長(zhǎng)作業(yè)用戶不滿，于是提出HRN，選擇響應(yīng)比最高的作業(yè)運(yùn)行。（考慮等待和處理時(shí)間因素）響應(yīng)比=1+作業(yè)等待時(shí)間/作業(yè)處理時(shí)間。
5.???時(shí)間片輪轉(zhuǎn)：按到達(dá)的先后對(duì)進(jìn)程放入隊(duì)列中，然后給隊(duì)首進(jìn)程分配CPU時(shí)間片，時(shí)間片用完之后計(jì)時(shí)器發(fā)出中斷，暫停當(dāng)前進(jìn)程并將其放到隊(duì)列尾部，循環(huán)。
6.???多級(jí)反饋隊(duì)列：目前公認(rèn)較好的調(diào)度算法；設(shè)置多個(gè)就緒隊(duì)列并為每個(gè)隊(duì)列設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)，第一個(gè)隊(duì)列優(yōu)先級(jí)最高，其余依次遞減。優(yōu)先級(jí)越高的隊(duì)列分配的時(shí)間片越短，進(jìn)程到達(dá)之后按FCFS放入第一個(gè)隊(duì)列，如果調(diào)度執(zhí)行后沒(méi)有完成，那么放到第二個(gè)隊(duì)列尾部等待調(diào)度，如果第二次調(diào)度仍然沒(méi)有完成，放入第三隊(duì)列尾部…。只有當(dāng)前一個(gè)隊(duì)列為空的時(shí)候才會(huì)去調(diào)度下一個(gè)隊(duì)列的進(jìn)程。
3. 死鎖
死鎖是指多個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行過(guò)程中，因?yàn)?strong>爭(zhēng)奪資源而造成的一種僵局，如果沒(méi)有外力推進(jìn)，處于僵局中的進(jìn)程就無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行。
3.1 死鎖原因：
1.???競(jìng)爭(zhēng)資源：請(qǐng)求同一有限資源的進(jìn)程數(shù)多于可用資源數(shù)
2.???進(jìn)程推進(jìn)順序是非法的：進(jìn)程執(zhí)行中，請(qǐng)求和釋放資源順序不合理，如資源等待鏈
3.2 死鎖產(chǎn)生的必要條件：
1.???互斥條件:進(jìn)程對(duì)所分配的資源進(jìn)行排他性的使用
2.???請(qǐng)求和保持條件：進(jìn)程被阻塞的時(shí)候并不釋放鎖申請(qǐng)到的資源
3.???不可剝奪條件：進(jìn)程對(duì)于已經(jīng)申請(qǐng)到的資源在使用完成之前不可以被剝奪
4.???環(huán)路等待條件：發(fā)生死鎖的時(shí)候存在的一個(gè)進(jìn)程-資源環(huán)形等待鏈
3.3 死鎖處理：
1.???預(yù)防死鎖：破壞產(chǎn)生死鎖的4個(gè)必要條件中的一個(gè)或者多個(gè)；實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但是如果限制過(guò)于嚴(yán)格會(huì)降低系統(tǒng)資源利用率以及吞吐量
2.???避免死鎖：在資源的動(dòng)態(tài)分配中，防止系統(tǒng)進(jìn)入不安全狀態(tài)(可能產(chǎn)生死鎖的狀態(tài))-如銀行家算法
3.???檢測(cè)死鎖：允許系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生死鎖，在死鎖發(fā)生之后，采用一定的算法進(jìn)行檢測(cè)，并確定與死鎖相關(guān)的資源和進(jìn)程，采取相關(guān)方法清除檢測(cè)到的死鎖。實(shí)現(xiàn)難度大
4.???解除死鎖：與死鎖檢測(cè)配合，將系統(tǒng)從死鎖中解脫出來(lái)（撤銷進(jìn)程或者剝奪資源）。對(duì)檢測(cè)到的和死鎖相關(guān)的進(jìn)程以及資源，通過(guò)撤銷或者掛起的方式，釋放一些資源并將其分配給處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榫途w態(tài)。實(shí)現(xiàn)難度大
例題：列舉一種死鎖發(fā)生的場(chǎng)景，并給出解決方案。（PPS2013校園招聘筆試題）
答：最經(jīng)典的場(chǎng)景就是生產(chǎn)者/消費(fèi)者，生產(chǎn)者線程生產(chǎn)物品，然后將物品放置在一個(gè)空緩沖區(qū)中供消費(fèi)者線程消費(fèi)。消費(fèi)者線程從緩沖區(qū)中獲得物品，然后釋放緩沖區(qū)。由于生產(chǎn)者/消費(fèi)者都在操作緩沖區(qū)，容易導(dǎo)致死鎖的發(fā)生。可以通過(guò)添加鎖的保護(hù)來(lái)對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行互斥的訪問(wèn)，保證某一時(shí)刻只有一個(gè)線程對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行操作，當(dāng)緩沖區(qū)滿的時(shí)候，生產(chǎn)者線程就會(huì)掛起，同時(shí)通知消費(fèi)者線程。而緩沖區(qū)空的時(shí)候，消費(fèi)者線程就會(huì)掛起，同時(shí)通知生產(chǎn)者線程。
4. 存儲(chǔ)管理
4.1 內(nèi)存管理方式
由于連續(xù)內(nèi)存分配方式(單一連續(xù)分配，固定分區(qū)分配，動(dòng)態(tài)分區(qū)分配，動(dòng)態(tài)重定位分區(qū)分配)導(dǎo)致的內(nèi)存利用率偏低以及內(nèi)存碎片的問(wèn)題，進(jìn)而引出離散的內(nèi)存分配方式。離散內(nèi)存分配可以從OS的內(nèi)存管理角度引出頁(yè)式(離散分配的基本單位是頁(yè))管理，也可以從程序編制角度引出段式(離散分配的基本單位是段)管理。
基本分頁(yè)存儲(chǔ)管理
基本分頁(yè)存儲(chǔ)管理中不具備頁(yè)面置換功能(即沒(méi)有實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存的功能)，因此需要整個(gè)程序的所有頁(yè)面都裝入內(nèi)存之后才可以運(yùn)行。因?yàn)槌绦驍?shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的頁(yè)面中，而頁(yè)面又離散的分布在內(nèi)存中，因此需要一個(gè)頁(yè)表來(lái)記錄邏輯地址和實(shí)際存儲(chǔ)地址之間的映射關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)從頁(yè)號(hào)到物理塊號(hào)（頁(yè)框）的映射。由于頁(yè)表也是存儲(chǔ)在內(nèi)存中的，因此和不適用分頁(yè)管理的存儲(chǔ)方式相比，訪問(wèn)分頁(yè)系統(tǒng)中內(nèi)存數(shù)據(jù)需要兩次的內(nèi)存訪問(wèn)(一次是從內(nèi)存中訪問(wèn)頁(yè)表，從中找到指定的物理塊號(hào)，加上頁(yè)內(nèi)偏移得到實(shí)際物理地址；第二次就是根據(jù)第一次得到的物理地址訪問(wèn)內(nèi)存取出數(shù)據(jù))。
為了減少兩次訪問(wèn)內(nèi)存導(dǎo)致的效率影響，分頁(yè)管理中引入了快表(或者聯(lián)想寄存器)機(jī)制（緩存TLB），包含快表機(jī)制的內(nèi)存管理中，當(dāng)要訪問(wèn)內(nèi)存數(shù)據(jù)的時(shí)候，首先將頁(yè)號(hào)在快表中查詢，如果查找到說(shuō)明要訪問(wèn)的頁(yè)表項(xiàng)在快表中，那么直接從快表中讀取相應(yīng)的物理塊號(hào)；如果沒(méi)有找到，那么訪問(wèn)內(nèi)存中的頁(yè)表，從頁(yè)表中得到物理地址，同時(shí)將頁(yè)表中的該映射表項(xiàng)添加到快表中(可能存在快表?yè)Q出算法)。
基本分段存儲(chǔ)管理方式
分頁(yè)是為了提高內(nèi)存利用率，而分段是為了滿足程序員在編寫代碼的時(shí)候的一些邏輯需求(比如數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)保護(hù)，動(dòng)態(tài)鏈接等)。
分段內(nèi)存管理當(dāng)中，地址是二維的，一維是段號(hào)，一維是段內(nèi)地址；其中每個(gè)段的長(zhǎng)度是不一樣的，而且每個(gè)段內(nèi)部都是從0開(kāi)始編址的。由于分段管理中，每個(gè)段內(nèi)部是連續(xù)內(nèi)存分配，但是段和段之間是離散分配的，因此也存在一個(gè)邏輯地址到物理地址的映射關(guān)系，相應(yīng)的就是段表機(jī)制。段表中的每一個(gè)表項(xiàng)記錄了該段在內(nèi)存中的起始地址和該段的長(zhǎng)度。段表可以放在內(nèi)存中也可以放在寄存器中。
訪問(wèn)內(nèi)存的時(shí)候根據(jù)段號(hào)和段表項(xiàng)的長(zhǎng)度計(jì)算當(dāng)前訪問(wèn)段在段表中的位置，然后訪問(wèn)段表，得到該段的物理地址，根據(jù)該物理地址以及段內(nèi)偏移量就可以得到需要訪問(wèn)的內(nèi)存。由于也是兩次內(nèi)存訪問(wèn)，所以分段管理中同樣引入了聯(lián)想寄存器。
分段和分頁(yè)的對(duì)比：
1.???頁(yè)是信息的物理單位，是出于系統(tǒng)內(nèi)存利用率的角度提出的離散分配機(jī)制；段是信息的邏輯單位，每個(gè)段含有一組意義完整的信息，是出于用戶角度提出的內(nèi)存管理機(jī)制。
2.???頁(yè)的大小是固定的，由系統(tǒng)決定；段的大小是不確定的，由用戶決定。
3.???頁(yè)地址空間是一維的，段地址空間是二維的。
段頁(yè)式存儲(chǔ)管理
先將用戶程序分為若干個(gè)段，然后再把每個(gè)段分成若干個(gè)頁(yè)，并且為每一個(gè)段賦予一個(gè)段名稱。這樣在段頁(yè)式管理中，一個(gè)內(nèi)存地址就由段號(hào)，段內(nèi)頁(yè)號(hào)以及頁(yè)內(nèi)地址三個(gè)部分組成。
段頁(yè)式內(nèi)存訪問(wèn)：系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)段表寄存器，存放段表的起始地址和段表的長(zhǎng)度。地址變換時(shí)，根據(jù)給定的段號(hào)（還需要將段號(hào)和寄存器中的段表長(zhǎng)度進(jìn)行比較防止越界）以及寄存器中的段表起始地址，就可以得到該段對(duì)應(yīng)的段表項(xiàng)，從段表項(xiàng)中得到該段對(duì)應(yīng)的頁(yè)表的起始地址，然后利用邏輯地址中的段內(nèi)頁(yè)號(hào)從頁(yè)表中找到頁(yè)表項(xiàng)，從該頁(yè)表項(xiàng)中的物理塊地址以及邏輯地址中的頁(yè)內(nèi)地址拼接出物理地址，最后用這個(gè)物理地址訪問(wèn)得到所需數(shù)據(jù)。由于訪問(wèn)一個(gè)數(shù)據(jù)需要三次內(nèi)存訪問(wèn)，所以段頁(yè)式管理中也引入了高速緩沖寄存器。
4.2 虛擬內(nèi)存
如果存在一個(gè)程序，所需內(nèi)存空間超過(guò)了計(jì)算機(jī)可以提供的實(shí)際內(nèi)存，那么由于該程序無(wú)法裝入內(nèi)存所以也就無(wú)法運(yùn)行。單純的增加物理內(nèi)存只能解決一部分問(wèn)題，但是仍然會(huì)出現(xiàn)無(wú)法裝入單個(gè)或者無(wú)法同時(shí)裝入多個(gè)程序的問(wèn)題。
虛擬內(nèi)存就是具有請(qǐng)求調(diào)入功能和置換功能，可以從邏輯上對(duì)內(nèi)存容量加以擴(kuò)充的一種存儲(chǔ)器系統(tǒng)。它使得應(yīng)用程序認(rèn)為它擁有連續(xù)可用的內(nèi)存（一個(gè)連續(xù)完整的地址空間），允許運(yùn)行比實(shí)際系統(tǒng)擁有的內(nèi)存大得多的程序。而實(shí)際上，它通常被分割成多個(gè)物理內(nèi)存碎片，還有部分暫時(shí)存儲(chǔ)在外部磁盤存儲(chǔ)器上，在需要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
虛擬內(nèi)存的基本思想：每個(gè)程序擁有自己的地址空間，這個(gè)空間被分割成很多塊，每一塊稱作一頁(yè)或頁(yè)面。每一頁(yè)有連續(xù)的地址范圍。這些也被映射到物理內(nèi)存，但并不是所有的頁(yè)都必須在內(nèi)存中才能運(yùn)行程序。當(dāng)程序引用到一部分在物理內(nèi)存中的地址空間時(shí)，由硬件立刻執(zhí)行必要的映射。當(dāng)程序引用到一部分不再物理內(nèi)存中的地址空間時(shí)，由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將缺失部分裝入物理內(nèi)存并重新執(zhí)行失敗的指令，這個(gè)過(guò)程或陷阱稱為缺頁(yè)中斷（或頁(yè)錯(cuò)誤）。
虛存的代價(jià)：
·????????虛存的管理需要建立很多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，占用額外內(nèi)存。
·????????虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，增加了指令執(zhí)行時(shí)間。
·????????頁(yè)式的換入換出需要磁盤I/O，耗費(fèi)時(shí)間。
·????????如果一頁(yè)中只有部分?jǐn)?shù)據(jù)，浪費(fèi)內(nèi)存。
例題：計(jì)算缺頁(yè)中斷次數(shù)。（2014淘寶筆試題）
有一虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)，若進(jìn)程在內(nèi)存中占3頁(yè)（開(kāi)始時(shí)內(nèi)存為空），若采用先進(jìn)先出頁(yè)面置換算法，當(dāng)執(zhí)行如下訪頁(yè)頁(yè)號(hào)序列后1，2，3，4，1，2，5，1，2，3，4，5，會(huì)產(chǎn)生（10）次缺頁(yè)？
4.3 頁(yè)面置換算法
1.???最優(yōu)頁(yè)面置換算法：只具有理論意義的算法，用來(lái)評(píng)價(jià)其他頁(yè)面置換算法。置換策略是將當(dāng)前頁(yè)面中在未來(lái)最長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)被訪問(wèn)的頁(yè)置換出去。
2.???先進(jìn)先出置換算法：由操作系統(tǒng)維護(hù)一個(gè)所有當(dāng)前在內(nèi)存中的頁(yè)面的鏈表，最新進(jìn)入的頁(yè)面放在表尾，最早進(jìn)入的頁(yè)面放在表頭；當(dāng)發(fā)生缺頁(yè)中斷時(shí)，淘汰表頭的頁(yè)面并將新調(diào)入的頁(yè)面追加到表尾。簡(jiǎn)單粗暴的一種置換算法，沒(méi)有考慮頁(yè)面訪問(wèn)頻率信息。
3.???最近最少使用算法LRU：算法賦予每個(gè)頁(yè)面一個(gè)訪問(wèn)字段，用來(lái)記錄上次頁(yè)面被訪問(wèn)到現(xiàn)在所經(jīng)歷的時(shí)間t，每次置換的時(shí)候把t值最大的頁(yè)面置換出去(實(shí)現(xiàn)方面可以采用寄存器或者棧的方式實(shí)現(xiàn))。
4.???時(shí)鐘置換算法(也被稱為最近未使用算法NRU)：頁(yè)面設(shè)置一個(gè)訪問(wèn)位，頁(yè)面被訪問(wèn)的時(shí)候訪問(wèn)位設(shè)置為1；并將所有頁(yè)面保存在一個(gè)循環(huán)隊(duì)列中，表針指向最老的頁(yè)面。頁(yè)面置換的時(shí)候，如果當(dāng)前指針?biāo)疙?yè)面訪問(wèn)為為0，那么置換，否則將其置為0，循環(huán)直到遇到一個(gè)訪問(wèn)為位0的頁(yè)面。
5.???改進(jìn)型Clock算法：在Clock算法的基礎(chǔ)上添加一個(gè)修改位，替換時(shí)根究訪問(wèn)位和修改位綜合判斷。優(yōu)先替換訪問(wèn)為何修改位都是0的頁(yè)面，其次是訪問(wèn)位為0修改位為1的頁(yè)面。
6.???最少使用算法LFU：設(shè)置寄存器記錄頁(yè)面被訪問(wèn)次數(shù)，每次置換的時(shí)候置換當(dāng)前訪問(wèn)次數(shù)最少的。存在問(wèn)題是該訪問(wèn)寄存器并不能真正反映當(dāng)前頁(yè)面訪問(wèn)次數(shù)，因?yàn)樵L問(wèn)速度比較快，所以在更新寄存器的時(shí)間間隔內(nèi)訪問(wèn)1次和訪問(wèn)100次都是一樣的。另外，LFU和LRU是很類似的，支持硬件也是一樣的，但是區(qū)分兩者的關(guān)鍵在于一個(gè)以時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)以次數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)(例如對(duì)于寄存器 pa 001111 和pb 111000，兩個(gè)頁(yè)面，如果采用LRU，那么被淘汰的是pa，如果采用LFU那么被淘汰的是pb)。
7.???頁(yè)面緩沖算法PBA：置換的時(shí)候，頁(yè)面無(wú)論是否被修改過(guò)，都不被置換到磁盤，而是先暫留在內(nèi)存中的頁(yè)面鏈表(已修改頁(yè)面鏈表和未修改頁(yè)面鏈表，也可以不區(qū)分)里面，當(dāng)其再次被訪問(wèn)的時(shí)候可以直接從這些鏈表中取出而不必進(jìn)行磁盤IO，當(dāng)鏈表中已修改也難數(shù)目達(dá)到一定數(shù)量之后，進(jìn)行依次寫磁盤操作(相當(dāng)于將多次IO合并為一次)
5. 鏈接
**靜態(tài)鏈接庫(kù)的優(yōu)點(diǎn) **
·????????代碼裝載速度快，執(zhí)行速度略比動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)快；
·????????只需保證在開(kāi)發(fā)者的計(jì)算機(jī)中有正確的.LIB文件，在以二進(jìn)制形式發(fā)布程序時(shí)不需考慮在用戶的計(jì)算機(jī)上.LIB文件是否存在及版本問(wèn)題，可避免DLL地獄等問(wèn)題。
動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)
·????????更加節(jié)省內(nèi)存并減少頁(yè)面交換；
·????????DLL文件與EXE文件獨(dú)立，只要輸出接口不變（即名稱、參數(shù)、返回值類型和調(diào)用約定不變），更換DLL文件不會(huì)對(duì)EXE文件造成任何影響，因而極大地提高了可維護(hù)性和可擴(kuò)展性；
·????????不同編程語(yǔ)言編寫的程序只要按照函數(shù)調(diào)用約定就可以調(diào)用同一個(gè)DLL函數(shù)；
·????????適用于大規(guī)模的軟件開(kāi)發(fā)，使開(kāi)發(fā)過(guò)程獨(dú)立、耦合度小，便于不同開(kāi)發(fā)者和開(kāi)發(fā)組織之間進(jìn)行開(kāi)發(fā)和測(cè)試。
不足之處
·????????使用靜態(tài)鏈接生成的可執(zhí)行文件體積較大，包含相同的公共代碼，造成浪費(fèi)；
·????????使用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的應(yīng)用程序不是自完備的，它依賴的DLL模塊也要存在，如果使用載入時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接，程序啟動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)DLL不存在，系統(tǒng)將終止程序并給出錯(cuò)誤信息。而使用運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接，系統(tǒng)不會(huì)終止，但由于DLL中的導(dǎo)出函數(shù)不可用，程序會(huì)加載失敗；速度比靜態(tài)鏈接慢。當(dāng)某個(gè)模塊更新后，如果新模塊與舊的模塊不兼容，那么那些需要該模塊才能運(yùn)行的軟件，統(tǒng)統(tǒng)撕掉。這在早期Windows中很常見(jiàn)。
?
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的操作系统：操作系统知识点总结的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
- 上一篇： 系统设计：负载均衡（负载均衡算法、转发实
- 下一篇： java信息管理系统总结_java实现科