风花雪月本闲，而扰攘者自冗…..

纯理论八股复习

操作系统绪论

操作系统分类

分时操作系统
实时操作系统
- 硬实时：导弹、通信
- 软实时：订票

操作系统运行机制

CPU上运行两种程序：区分内核程序（操作系统kernel开发）和应用程序（应用开发）

刚开机时，CPU为内核态，操作系统内核程序先上CPU运行
开机完成后，用户可以启动某个应用程序
操作系统在合适的时候主动让出CPU，让该程序上CPU运行
应用程序运行在用户态
用户态程序非法事件会导致中断产生

中断和异常

中断是操作系统夺回使用权的唯一途径，会让用户态切回内核态

中断分类：

内中断：CPU执行某些指令时，发现非法行为（或者错误）产生，就会产生内中断；或者有用户态的“陷入指令”要求系统调用
- 陷入trap（系统调用）
- 故障fault
- 终止abort（程序挂掉，可以吐核）
外中断：
- 时钟中断（alarm定时）
- I/O中断

中断屏蔽->中断请求->中断管理器->中断向量表->中断处理函数

系统调用

系统调用是在内核态执行的，相当于软中断

常见的 Linux 系统调用分类：

进程管理：用于创建、管理和终止进程。#include。
- fork()：创建一个子进程。
- exec()：执行程序，替换当前进程的镜像。exec函数族。
- exit()：终止当前进程。
- wait()：等待子进程终止。
- waitpid()：等待指定子进程终止。
- getpid()：获取进程的 PID。
- getppid()：获取父进程的 PID。
- kill()：发送信号给进程。
文件操作：用于文件和目录的创建、删除、读取、写入等操作。
- open()：打开文件或设备。
- read()：从文件读取数据。
- write()：将数据写入文件。
- close()：关闭文件。
- stat()：获取文件的状态信息。
- unlink()：删除文件。
- mkdir()：创建目录。
内存管理：用于动态分配和管理内存。
- mmap()：映射文件或设备到内存。
- munmap()：解除内存映射。
- brk()：调整进程的堆内存。
- sbrk()：增长或减少数据段的大小。
设备控制：用于与设备交互的系统调用。
- ioctl()：控制设备的操作。
- read()：从设备读取数据。
- write()：向设备写入数据。
信号处理：用于处理进程间的信号通信。
- signal()：设置信号处理函数。
- kill()：向进程发送信号。
- pause()：使进程挂起，等待信号。
- sigaction()：设置信号处理方式。
进程间通信：用于在不同进程之间交换数据。
- pipe()：创建管道。
- shmget()：创建共享内存段。
- mqueue()：消息队列。
- msgget()：获取消息队列。
网络通信：用于套接字和网络协议的操作。
- socket()：创建网络套接字。
- bind()：将套接字与地址绑定。
- connect()：连接到远程服务器。
- send()：发送数据。
- recv()：接收数据。

操作系统内核

操作系统引导

Linux操作系统引导

BIOS/UEFI 启动：硬件初始化，加载引导程序。
引导加载程序（GRUB 或其他）：选择并加载操作系统内核。
内核初始化：加载设备驱动，挂载根文件系统，初始化系统。
用户空间启动：启动 init 或 systemd 进程，进入多用户模式。

虚拟机

进程

进程的组成

进程控制块 – PCB
程序段
数据段

同一个程序可以产生多个进程，譬如QQ程序可以开多个窗口，登陆多个QQ，进程是程序的一次执行过程
每个进程都有唯一的PID，是由操作系统动态分配的

查看进程的命令

ps -ef        //显示所有进程的详细信息，包括 PID、父进程 PID、用户、CPU 时间、启动时间等。
ps -ef | grep process_name  //查找进程
top

进程的状态与转换

创建态->就绪态->运行态(CPU调度之后进入运行)->结束态
进程可以主动进入阻塞态

    +---------+        +---------+
    |创建(New)| -----> |就绪(Ready)|
    +---------+        +---------+
                          |  ^
      调度器分配CPU       |  |   时间片用尽
                          v  |
                     +---------+      等待完成
                     | 运行(Run)|  -------------------> +---------+
                     +---------+                        |等待(Wait)|
                         |                              +---------+
                         v
                     +---------+
                     |终止(Term)|
                     +---------+

进程控制

进程控制（状态转换）要一气呵成，不能被中断，所以要利用原语实现。
原语具有原子性，是原子操作，原语是指操作系统提供的一些低级别、不可分割的基本操作，用于实现对共享资源的同步与保护。原语通常由内核实现，保证其在执行过程中不会被中断，从而确保并发环境中的操作原子性。
PCB可以自动保存程序运行上下文，也就可以在程序下CPU之后重新运行时还原进程运行环境。

进程创建
- 创建新的进程并分配资源。
- 典型原语：fork()
进程执行
- 替换当前进程的代码和数据，执行新的程序。
- 典型原语：exec()函数族
进程终止
- 终止进程的执行，释放资源。
- 典型原语：exit() kill() _exit()
进程等待
- 等待子进程状态变化（完成、被杀死等）。
- 典型原语：wait() waitpid()
进程阻塞
- 将进程状态从运行态切换为阻塞态，等待某条件满足。
- 典型原语：sleep() pause()
进程唤醒
- 将进程从阻塞态切换回就绪态。
- 典型原语：信号机制 kill(pid, signal)：向进程发送信号唤醒。
进程通信
- 用于多个进程之间的交互与信息共享。
- 典型原语：
  - 管道：pipe()，实现单向数据传输。
  - 共享内存：shmget(), shmat(), shmdt()。
  - 消息队列：msgget(), msgsnd(), msgrcv()。
  - 信号量：semget(), semop()。
优先级调整
- 调整进程的优先级以改变调度顺序。
- 典型原语：nice() setpriority()
进程组与会话
- 管理多个进程的集合。
- 典型原语：
  - getpid()：获取当前进程 ID。
  - getppid()：获取父进程 ID。
  - getpgrp() 和 setpgrp()：获取或设置进程组。
  - setsid()：创建新会话。

进程间通信 IPC

进程间通信（Inter-Process Communication, IPC）提供了多种机制，用于在不同进程之间传递数据、状态或同步操作。
管道：pipe()，实现单向数据传输。共享内存：shmget(), shmat(), shmdt()。消息队列：msgget(), msgsnd(), msgrcv()。信号量：semget(), semop()。

消息队列的直接通信方式：

消息队列的间接通信方式（信箱）：

管道通信：

线程

线程概念

线程是程序中的基本执行单元，Linux 提供了多种实现和管理线程的方式。

线程基础

线程的特点：

轻量级：线程比进程更轻量级，创建、销毁和切换的开销较小。
共享资源：同一进程中的所有线程共享内存地址空间、文件描述符等资源，但有各自的寄存器和栈。
独立调度：线程由操作系统独立调度，可以并发执行。
通信成本低：线程间通信不需要使用复杂的机制（如 IPC），可以通过共享内存直接进行。

线程的状态：

新建（New）：线程对象被创建，但还未开始执行。
就绪（Ready）：线程已经创建并准备执行，等待 CPU 调度。
运行（Running）：线程正在被 CPU 执行。
阻塞（Blocked）：线程因等待某些资源或事件（如 I/O）而暂停执行。
终止（Terminated）：线程完成任务或被强制停止，进入终止状态。

        +---------+      start()       +---------+
        |  新建   |------------------->|  就绪   |
        +---------+                    +---------+
                                          |
                                          | 调度
                                          ↓
                                      +---------+
                                      |  运行   |
                                      +---------+
                                          |
                    +---------------------+---------------------+
                    |                                           |
                等待资源                                    任务完成或终止
                    |                                           |
                    ↓                                           ↓
              +---------+                                  +---------+
              | 阻塞/等待|                                  |  终止   |
              +---------+                                  +---------+
                    |
           条件满足或资源释放
                    |
                    ↓
              +---------+
              |  就绪   |
              +---------+

线程的实现方式：

内核线程
- 由操作系统内核直接支持和管理。
- 每个线程都有内核调度实体，切换开销大。
- 提供更高的可靠性，但创建和上下文切换成本较高。
用户线程
- 完全在用户态实现，操作系统无法直接感知。
- 切换速度快，但无法利用多核 CPU。
- 适合任务切换频繁但不需要 I/O 的场景。
混合线程
- 将内核线程和用户线程结合，实现两者的优点。
- 常见于现代操作系统。

线程同步：
由于线程共享资源，可能会引发竞争问题（Race Condition）。需要线程同步来保证数据一致性。

互斥锁（Mutex）：用于保护共享资源，确保同一时刻只有一个线程访问资源。
读写锁（Read-Write Lock）：支持多个线程同时读，但写操作需要独占锁。
信号量（Semaphore）：用于限制资源的并发访问数量。
条件变量（Condition Variable）：用于线程间的协调和通知。
屏障（Barrier）：用于线程同步，确保所有线程到达屏障点后才继续执行。

线程在 Linux 中的实现：

POSIX 线程（pthread）：Linux 使用 pthread 库来实现线程，符合 POSIX 标准。
内核线程：Linux 内核提供轻量级进程（LWP），通过 clone() 系统调用实现。用户态线程库如 pthread 封装了 clone 。
多线程编程工具：Linux 支持多种线程编程工具，如 OpenMP、C++ 标准线程库等。

线程的优缺点：

优点
- 线程间通信高效。
- 资源开销小，适合高并发场景。
- 切换速度快，响应时间短。
缺点
- 资源共享可能导致数据竞争问题。
- 一个线程崩溃可能影响整个进程。
- 调试复杂性较高。

线程的典型应用场景：

Web 服务器：处理高并发请求，每个线程负责一个客户端。
GUI 程序：主线程负责界面渲染，工作线程负责处理后台任务。
科学计算：分解任务到多个线程，提高计算效率。
实时系统：多个线程并行处理实时事件。

调度

调度是操作系统的核心功能之一，用于管理系统资源（特别是 CPU）的分配，确保多任务系统中的进程或线程能够高效地运行。调度决定了进程或线程在何时、如何获取 CPU 时间以及如何切换。

调度的类型：

高层调度（长程调度，Long-Term Scheduling）
- 作用：决定哪些作业可以进入内存，成为就绪状态的进程。
- 特点：控制系统中就绪进程的数量，以平衡 CPU 和 I/O 的利用率。在批处理系统中较为常见。
- 触发条件：作业提交或完成时。
- 典型任务：限制同时运行的进程数量，防止资源过载。
中层调度（中程调度，Medium-Term Scheduling）
- 作用：对已进入内存的进程进行挂起或恢复，以优化内存使用。
- 特点：通过将部分进程换出内存（挂起）或换入内存（恢复），实现内存与 CPU 的有效利用。提高系统性能，避免资源竞争。
- 触发条件：系统负载过高或内存紧张。
- 典型任务：虚拟内存系统中的换页机制。
低层调度（短程调度，Short-Term Scheduling）
- 作用：决定哪个就绪进程/线程可以获得 CPU，负责具体的任务调度。
- 特点：调度频繁，直接影响系统性能。需要高效算法，保证调度的快速响应。
- 触发条件：时间片用完、I/O 中断、优先级变化等。
- 典型任务：多任务系统中的 CPU 分配。

调度的目标：

公平性（Fairness）：确保所有进程或线程公平地获取资源。
效率（Efficiency）：提高资源利用率，如 CPU 和内存的利用率。
响应时间（Response Time）：交互式系统中，尽可能缩短任务响应的延迟。作业完成时间-作业提交时间。
吞吐量（Throughput）：提高单位时间内完成的任务数量。平均每秒完成的作业数量。
实时性（Real-Time Capability）：实时系统中，确保任务在截止时间前完成。
避免饥饿（Avoid Starvation）：确保低优先级任务不会无限等待。

调度在 Linux 系统中的实现：

基于虚拟运行时间（vruntime）：每个任务分配一个 vruntime 值，表示任务的运行时间。调度器优先选择 vruntime 最小的任务运行。
红黑树存储就绪队列：任务以 vruntime 为键存储在红黑树中，实现高效插入和查找。
动态优先级调整：系统根据任务的行为动态调整优先级，平衡 I/O 密集型任务和 CPU 密集型任务的资源竞争。

进程调度的算法

调度算法分类：

非抢占式调度
- 特点：进程/线程一旦获得 CPU，直到主动释放或结束运行，调度器才会切换。简单但可能导致低优先级任务长时间等待。
- 常见算法：
  - 先来先服务（FCFS）：对长作业有利，对短作业不利，不会导致饥饿。
  - 最短作业优先（SJF）：目前已经到达的运行时间最短的被调度。
抢占式调度
- 特点：系统允许高优先级任务中断正在运行的任务。能更好地响应实时需求，提高系统的公平性。
- 常见算法：
  - 时间片轮转（Round Robin）。
  - 最短剩余时间优先（SRTF）。
  - 优先级调度（Priority Scheduling）。
  - 多级队列调度（Multilevel Queue Scheduling）。

操作系统

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