操作系統(tǒng)核心概念復(fù)習(xí)資料引論：操作系統(tǒng)的基石操作系統(tǒng)，作為計算機系統(tǒng)中最核心的系統(tǒng)軟件，扮演著管理者與協(xié)調(diào)者的雙重角色。它直接運行在硬件之上，為上層的應(yīng)用程序提供穩(wěn)定、高效、便捷的運行環(huán)境，并對計算機的所有硬件資源（如處理器、內(nèi)存、存儲設(shè)備、I/O設(shè)備等）和軟件資源進行統(tǒng)一的管理與調(diào)度。理解操作系統(tǒng)的核心概念，不僅是深入掌握計算機科學(xué)的基礎(chǔ)，也是進行系統(tǒng)開發(fā)、性能優(yōu)化和故障排查的關(guān)鍵。本復(fù)習(xí)資料旨在梳理操作系統(tǒng)的核心知識點，幫助讀者構(gòu)建清晰的知識框架。操作系統(tǒng)的目標(biāo)與功能操作系統(tǒng)的設(shè)計通常圍繞幾個核心目標(biāo)：方便性（使計算機更易于使用）、有效性（提高系統(tǒng)資源的利用率和吞吐量）、可擴展性（能夠方便地集成新功能和硬件）以及開放性（遵循標(biāo)準(zhǔn)，支持兼容的應(yīng)用開發(fā)）。其主要功能包括：*進程管理：負責(zé)進程的創(chuàng)建、調(diào)度、同步與通信，以及進程的終止。*內(nèi)存管理：對內(nèi)存進行分配、回收、保護和擴充，確保多道程序能夠有效運行。*文件管理：提供文件的創(chuàng)建、刪除、讀寫、檢索等操作，并管理文件的存儲介質(zhì)。*設(shè)備管理：控制和管理各種I/O設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備的分配、回收和無關(guān)性（設(shè)備獨立性）。*提供用戶接口：包括命令行接口（CLI）、圖形用戶接口（GUI）等，方便用戶與計算機交互。操作系統(tǒng)的基本特征現(xiàn)代操作系統(tǒng)普遍具備以下基本特征：*并發(fā)：指多個程序在宏觀上同時運行。注意，并發(fā)與并行不同，并行指微觀上多個處理器同時執(zhí)行多條指令流。*共享：系統(tǒng)中的資源可以被多個并發(fā)執(zhí)行的程序共同使用，分為互斥共享和同時共享。*虛擬：通過某種技術(shù)將一個物理實體映射為若干個邏輯上的對應(yīng)物，如虛擬處理器、虛擬內(nèi)存、虛擬設(shè)備等。*異步：程序的執(zhí)行并非一氣呵成，而是“走走停停”，以不可預(yù)知的速度向前推進，但只要環(huán)境相同，操作系統(tǒng)需保證程序運行結(jié)果的可再現(xiàn)性。進程管理：并發(fā)的基石進程是操作系統(tǒng)中最核心的概念之一，是程序的一次執(zhí)行過程。進程管理涉及到如何有效地組織和調(diào)度這些并發(fā)執(zhí)行的實體，以提高系統(tǒng)效率并保證程序執(zhí)行的正確性。進程的定義與狀態(tài)進程可以被視為一個正在執(zhí)行的程序?qū)嵗粌H包含程序代碼（文本段），還包括當(dāng)前活動（程序計數(shù)器的值、寄存器集合）、堆棧段以及數(shù)據(jù)段（全局變量、動態(tài)分配的內(nèi)存等）。操作系統(tǒng)為每個進程維護一個進程控制塊（PCB），記錄了進程的關(guān)鍵信息，如進程ID、狀態(tài)、優(yōu)先級、程序計數(shù)器、寄存器值、內(nèi)存分配情況、打開文件列表等。PCB是進程存在的唯一標(biāo)志。進程在其生命周期中會經(jīng)歷多種狀態(tài)，典型的狀態(tài)包括：*就緒狀態(tài)：進程已獲得除處理器外的所有必要資源，等待分配處理器以運行。*運行狀態(tài)：進程正在處理器上執(zhí)行。*阻塞狀態(tài)（等待狀態(tài)）：進程因等待某一事件（如I/O完成、信號量）而暫時無法繼續(xù)執(zhí)行，即使分配到處理器也不行。*創(chuàng)建狀態(tài)：進程正在被創(chuàng)建，各項資源和PCB正在初始化。*終止?fàn)顟B(tài)：進程已完成執(zhí)行或因異常終止，等待操作系統(tǒng)回收其資源。這些狀態(tài)之間會根據(jù)系統(tǒng)事件和進程自身行為發(fā)生轉(zhuǎn)換。進程調(diào)度進程調(diào)度的任務(wù)是從就緒隊列中選擇一個進程，將處理器分配給它。調(diào)度算法的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的性能。調(diào)度算法的設(shè)計目標(biāo)通常包括：CPU利用率、吞吐量（單位時間內(nèi)完成的進程數(shù)）、周轉(zhuǎn)時間（進程從提交到完成的時間）、等待時間（進程在就緒隊列中等待的總時間）以及響應(yīng)時間（從用戶提交請求到系統(tǒng)首次產(chǎn)生響應(yīng)的時間）。常見的調(diào)度算法有：*先來先服務(wù)（FCFS）：按進程到達就緒隊列的先后順序調(diào)度，簡單但可能導(dǎo)致“convoy效應(yīng)”（長進程阻塞短進程）。*短作業(yè)優(yōu)先（SJF）：選擇估計運行時間最短的進程優(yōu)先執(zhí)行，能有效降低平均等待時間，但“最短”是預(yù)估的，且可能導(dǎo)致長進程饑餓。*優(yōu)先級調(diào)度：為每個進程分配優(yōu)先級，調(diào)度優(yōu)先級最高的進程。優(yōu)先級可以是靜態(tài)的或動態(tài)的?？赡軐?dǎo)致低優(yōu)先級進程饑餓。*時間片輪轉(zhuǎn)（RR）：為就緒隊列中的每個進程分配一個固定的時間片，進程在時間片內(nèi)運行，若未完成則回到就緒隊列末尾等待下一次調(diào)度。常用于分時系統(tǒng)，能提供較好的響應(yīng)時間。*多級反饋隊列調(diào)度：結(jié)合了多種調(diào)度算法的優(yōu)點，設(shè)置多個就緒隊列，每個隊列有不同的優(yōu)先級和時間片。進程根據(jù)運行情況在不同隊列間移動。進程同步與互斥并發(fā)帶來了資源共享的便利，但也引入了競態(tài)條件（RaceCondition）——多個進程并發(fā)訪問和操作共享數(shù)據(jù)，最終結(jié)果取決于這些進程的執(zhí)行順序。為了保證數(shù)據(jù)的一致性，必須對并發(fā)進程的執(zhí)行順序進行控制，這就是進程同步?；コ馐峭降囊环N特殊情況，指多個進程不能同時進入訪問共享資源的臨界區(qū)。為實現(xiàn)互斥，可以采用軟件方法（如Peterson算法），但更常用的是操作系統(tǒng)提供的同步機制：*鎖機制：如互斥鎖（Mutex），提供`acquire()`和`release()`操作，確保只有獲得鎖的進程才能進入臨界區(qū)。*信號量（Semaphore）：是一個整數(shù)變量，只能通過`P()`（wait，申請資源，值減1，若為負則阻塞）和`V()`（signal，釋放資源，值加1，若有進程阻塞則喚醒一個）原語操作。信號量可用于實現(xiàn)互斥（二值信號量）和同步（計數(shù)信號量）。*管程（Monitor）：一種高級同步機制，將共享數(shù)據(jù)和對共享數(shù)據(jù)的操作封裝起來，確保每次只有一個進程能進入管程執(zhí)行其中的操作。管程內(nèi)部可以設(shè)置條件變量，用于進程間的等待和喚醒（`wait()`和`signal()`操作）。經(jīng)典的進程同步問題包括生產(chǎn)者-消費者問題、讀者-寫者問題、哲學(xué)家進餐問題等，理解這些問題有助于深入掌握同步機制的應(yīng)用。進程通信進程是資源分配的基本單位，不同進程擁有各自獨立的地址空間。為了協(xié)同工作，進程間需要交換信息，這就是進程通信（IPC）。常見的IPC機制有：*共享內(nèi)存：進程通過共享一塊內(nèi)存區(qū)域來交換數(shù)據(jù)，速度快，但需要同步機制來保證數(shù)據(jù)一致性。*消息傳遞：進程通過發(fā)送和接收消息進行通信，分為直接通信（直接指明接收方）和間接通信（通過信箱或端口）。操作系統(tǒng)負責(zé)消息的復(fù)制和傳遞，開銷相對較大，但更安全和靈活。*管道：一種半雙工的通信方式，用于連接兩個父子進程或兄弟進程。數(shù)據(jù)在管道中單向流動。常見的有匿名管道和命名管道。*信號：一種異步通信機制，用于通知進程某個事件的發(fā)生（如用戶按下Ctrl+C產(chǎn)生SIGINT信號）。進程可以捕獲、忽略或執(zhí)行默認(rèn)處理。線程為了進一步提高并發(fā)度和減少進程切換的開銷，引入了線程（Thread）。線程是進程內(nèi)的一個執(zhí)行單元，是CPU調(diào)度的基本單位。一個進程可以包含多個線程，它們共享該進程的地址空間和大部分資源（如文件描述符、信號處理等），但每個線程有自己的程序計數(shù)器、寄存器集合和堆棧。線程的引入使得：*并發(fā)粒度更細：一個進程內(nèi)的多個線程可以并發(fā)執(zhí)行。*切換開銷更?。壕€程切換只需保存和恢復(fù)少量寄存器信息，無需切換地址空間。*通信更高效：同一進程內(nèi)的線程共享內(nèi)存，通信方便。線程的實現(xiàn)方式有用戶級線程（ULT）和內(nèi)核級線程（KLT），以及兩者的組合（如輕量級進程LWP）。現(xiàn)代操作系統(tǒng)大多支持內(nèi)核級線程或混合實現(xiàn)。內(nèi)存管理：高效利用的藝術(shù)內(nèi)存是計算機系統(tǒng)中的關(guān)鍵資源，內(nèi)存管理負責(zé)計算機內(nèi)存的分配、回收、保護和擴展，其目標(biāo)是提高內(nèi)存利用率，方便用戶使用，并能從邏輯上擴充內(nèi)存。地址空間與地址重定位物理地址是內(nèi)存單元的實際地址。邏輯地址（虛擬地址）是程序中使用的地址，由編譯程序生成。為了使程序能夠正確加載到內(nèi)存中執(zhí)行，需要將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，這個過程稱為地址重定位。重定位方式有：*靜態(tài)重定位：程序裝入內(nèi)存時，由裝入程序一次性完成所有邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，之后不再改變。*動態(tài)重定位：在程序執(zhí)行過程中，每當(dāng)訪問內(nèi)存時，通過硬件（如重定位寄存器）將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。這種方式允許程序在內(nèi)存中移動。連續(xù)內(nèi)存分配早期的內(nèi)存管理采用連續(xù)分配方式，即一個進程的程序和數(shù)據(jù)被裝入一個連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。*單一連續(xù)分配：內(nèi)存分為系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)，用戶區(qū)只裝入一個用戶進程。簡單但內(nèi)存利用率低。*分區(qū)分配：*固定分區(qū)：將用戶內(nèi)存空間劃分為若干個固定大小的區(qū)域，每個區(qū)域裝入一個進程。分區(qū)大小可相等或不等，但一旦劃分好就不再改變。*動態(tài)分區(qū)：根據(jù)進程的實際需求，動態(tài)地為其分配連續(xù)的內(nèi)存空間。分配算法有首次適應(yīng)（FF）、最佳適應(yīng)（BF）、最壞適應(yīng)（WF）等。動態(tài)分區(qū)會產(chǎn)生外部碎片（內(nèi)存中零散的、無法利用的小空閑區(qū)）?？梢酝ㄟ^緊湊（將所有進程移到內(nèi)存一端，使空閑區(qū)集中）來解決，但開銷較大。分頁存儲管理為了克服連續(xù)分配的缺點，引入了分頁存儲管理。它將進程的邏輯地址空間劃分為大小相等的頁面（Page），將物理內(nèi)存劃分為與頁面大小相等的頁框（Frame）。程序加載時，將其頁面裝入內(nèi)存中不連續(xù)的頁框，并通過頁表記錄頁面與頁框的對應(yīng)關(guān)系。地址轉(zhuǎn)換過程：邏輯地址分為頁號和頁內(nèi)偏移量。頁號作為索引查找頁表，得到對應(yīng)的頁框號，頁框號與頁內(nèi)偏移量拼接形成物理地址。為了提高地址轉(zhuǎn)換速度，通常會使用快表（TLB），這是一種高速緩沖存儲器，存放當(dāng)前最常用的頁表項。訪問內(nèi)存時，先查TLB，若命中則直接得到頁框號；若未命中再查內(nèi)存中的頁表。分頁系統(tǒng)可以有效解決外部碎片問題，但會產(chǎn)生內(nèi)部碎片（一個頁面最后未被完全利用的部分），其大小不超過一個頁面。分段存儲管理分段是為了滿足用戶在編程和使用上的需求（如模塊化編程、保護、共享等）。它將進程的邏輯地址空間按程序的自然邏輯單位（如主程序段、子程序段、數(shù)據(jù)段、堆棧段等）劃分為若干個大小不等的段（Segment）。每個段有自己的段名和段號，在內(nèi)存中占據(jù)一個連續(xù)的存儲區(qū)。系統(tǒng)為每個進程建立一張段表，記錄段號、段的基址（段在內(nèi)存中的起始地址）和段長。邏輯地址由段號和段內(nèi)偏移量組成。地址轉(zhuǎn)換時，根據(jù)段號查找段表，檢查段內(nèi)偏移量是否越界，若合法，則將段基址與段內(nèi)偏移量相加得到物理地址。分段與分頁的主要區(qū)別在于：頁是物理單位（大小固定，由系統(tǒng)決定），段是邏輯單位（大小不固定，由用戶程序決定）；分頁是為了提高內(nèi)存利用率，分段是為了滿足用戶需求。虛擬內(nèi)存管理虛擬內(nèi)存技術(shù)允許將一個進程的部分內(nèi)容裝入內(nèi)存即可運行，從而從邏輯上擴充了內(nèi)存容量。其實現(xiàn)基于程序執(zhí)行的局部性原理——在一個較短的時間內(nèi)，程序的執(zhí)行往往局限于其地址空間的某個部分。虛擬內(nèi)存的主要優(yōu)點是：*程序不再受內(nèi)存容量限制：可以運行比物理內(nèi)存大的程序。*提高內(nèi)存利用率：只裝入當(dāng)前需要的頁面/段。*進程隔離與保護：每個進程擁有獨立的虛擬地址空間。實現(xiàn)虛擬內(nèi)存的技術(shù)主要有請求分頁和請求分段，以及兩者的結(jié)合。以請求分頁為例：*程序運行前，只將部分頁面裝入內(nèi)存，其余頁面放在外存（如硬盤）的交換區(qū)。*執(zhí)行過程中，若訪問的頁面不在內(nèi)存，則產(chǎn)生缺頁中斷。*操作系統(tǒng)處理缺頁中斷：選擇內(nèi)存中一個頁面換出到外存（根據(jù)頁面置換算法），將所需頁面從外存調(diào)入內(nèi)存，并更新頁表。頁面置換算法是虛擬內(nèi)存管理的核心，其目標(biāo)是盡可能減少缺頁率。常見的頁面置換算法有：*最佳置換算法（OPT）：選擇未來最長時間內(nèi)不再被訪問的頁面淘汰。理論最優(yōu)，但無法實現(xiàn)（需要預(yù)知未來）。*先進先出置換算法（FIFO）：選擇最早進入內(nèi)存的頁面淘汰。簡單，但可能出現(xiàn)“Belady異?！保ǚ峙涓囗摽驎r缺頁率反而增加）。*最近最久未使用置換算法（LRU）：選擇最近一段時間內(nèi)最久未被訪問的頁面淘汰。性能接近OPT，但實現(xiàn)開銷較大（需要記錄頁面訪問順序）。*時鐘置換算法（CLOCK）：LRU的近似實現(xiàn)，使用一個訪問位，通過循環(huán)檢查頁面的訪問位來選擇淘汰頁面，開銷較小。抖動（Thrashing）是虛擬內(nèi)存系統(tǒng)中一個嚴(yán)重的問題，指頁面頻繁地換入換出，導(dǎo)致系統(tǒng)效率急劇下降。其主要原因是給進程分配的物理頁框過少，導(dǎo)致缺頁率過高?？梢酝ㄟ^工作集模型等方法來預(yù)防抖動。文件系統(tǒng)：數(shù)據(jù)的管家文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中負責(zé)管理和存儲文件信息的軟件模塊和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的集合，它為用戶提供了一種簡便、統(tǒng)一的訪問存儲設(shè)備的方式。文件的概念與屬性文件是具有符號名的、在邏輯上具有完整意義的信息項的集合。文件具有以下基本屬性：文件名、標(biāo)識符（inode號或類似）、類型、位置、大小、保護信息（訪問權(quán)限）、時間信息（創(chuàng)建、修改、訪問時間）等。文件可以按多種方式分類，如按用途（可執(zhí)行文件、源文件、數(shù)據(jù)文件）、按訪問權(quán)限（只讀、讀寫、可執(zhí)行）、按文件中數(shù)據(jù)的組織形式（文本文件、二進制文件）等。文件的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)文件的邏輯結(jié)構(gòu)是用戶所看到的文件的組織形式，分為：*無結(jié)構(gòu)文件（流式文件）：由字符流組成，如文本文件。*有結(jié)構(gòu)文件（記錄式文件）：由若干邏輯記錄組成，如數(shù)據(jù)庫文件。根據(jù)記錄的組織方式，又可分為順序文件、索引文件、索引順序文件等。文件的物理結(jié)構(gòu)（文件的存儲結(jié)構(gòu)）是文件在外存上的實際存儲方式，直接影響文件的存取速度和存儲空間的利用率。常見的物理結(jié)構(gòu)有：*連續(xù)分配：文件的所有數(shù)據(jù)塊連續(xù)存放在外存的連續(xù)區(qū)域。優(yōu)點是順序訪問速度快；缺點是不利于文件動態(tài)增長，會產(chǎn)生外部碎片。*索引分配：為每個文件創(chuàng)建一個索引塊，索引塊中記錄了文件所有數(shù)據(jù)塊的地址。訪問文件時，先查找索引塊，再根據(jù)索引塊中的地址訪問數(shù)據(jù)塊。優(yōu)點是支持隨機訪問，文件易于增長；缺點是需要額外空間存儲索引塊。當(dāng)文件很大時，可能需要多級索引或混合索引（如Unix的inode結(jié)構(gòu)）。目錄結(jié)構(gòu)為了便于管理和檢索文件，文件系統(tǒng)使用目錄（文件夾）來組織文件。目錄本身也是一種文件（目錄文件）。常見的目錄結(jié)構(gòu)有：*單級目錄結(jié)構(gòu)：