计算机操作系统核心知识点总结&面试笔试要点

梦里梦外; 2021-10-01 04:12 458阅读 0赞

## 操作系统之基础篇 ##

**一、 操作系统概述**

**1. 操作系统的演进**  
  无操作系统：人工操作，用户独占，CPU等待人工操作，**资源利用率很低。**  
  批处理系统：批量输入任务，无需等待人工操作，**资源利用率提升，提出多道程序设计。**  
  分时系统：人-机交互，多用户共享，**资源利用率提升，及时调试程序。**  
  关于多道程序设计：是指**在计算机内存中同时存放多个程序**，多道程序在计算机的管理程序之下相互穿插运行。  
 **2. 操作系统的定义与目标**  
  定义：**管理硬件，提供用户交互的软件系统。**  
  目标：**方便性，有效性（提高系统资源的利用率、提高系统的吞吐量）**，可扩充性，开放性。  
 **3. 操作系统的基本功能**  
   **统一管理计算机资源**：处理器资源，IO设备资源，存储器资源，文件资源…  
  **实现了对计算机资源的抽象**：IO设备管理软件提供读写接口，文件管理软件提供操作文件接口…  
  **提供了用户与计算机之间的接口：图像窗口形式，命令形式，系统调用形式…  
![（6-2-1154）][6-2-1154]  
 4. 操作系统的基本特性  
  a.并发性  
   并行：指两个或多个事件可以在同一个时刻**发生；  
   并发：指两个或多个事件可以在**同一个时间间隔**发生。  
![（6-2-1619）][6-2-1619]  
  **b.共享性**：操作系统的中资源可供多个并发的程序共同使用，这种形式称之为**资源共享**。  
   互斥共享：当资源被程序占用时，其它想使用的程序只能等待。  
   同时访问：某种资源**并发的**被多个程序访问。  
   **c.虚拟性**：表现为把一个**物理实体**转变为若干个**逻辑实体**。  
   **时分复用技术**：资源在时间上进行复用，不同程序**并发**使用，多道程序分时使用计算机的硬件资源，提高资源的利用率。  
   **空分复用技术**：用来实现**虚拟磁盘**（物理磁盘虚拟为逻辑磁盘，电脑上的C盘、D盘等）、**虚拟内存**（在逻辑上扩大程序的存储容量）等，提高资源的利用率，提高编程效率。  
  **d.异步性**：在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但由于资源等因素的限制，使进程的执行以“停停走走”的方式运行，而且每个进程执行的情况（运行、暂停、速度、完成）也是未知的。  
**二、进程管理**  
 **1. 进程实体**  
  **a.为什么需要进程**：  
   **·进程是系统进行资源分配和调度的基本单位；**  
   **·进程作为程序独立运行的载体保障程序正常执行；**  
   **·进程的存在使得操作系统资源的利用率大幅提升。**  
  b.**进程控制块（PCB）**：用于描述和控制进程运行的通用数据结构,记录进程当前状态和控制进程运行的全部信息。  
  c.**进程（Process）与线程（Thread）：**  
   线程：操作系统进行运行调度的最小单位。  
   进程：系统进行资源分配和调度的基本单位。  
   区别与联系：**一个进程可以有一个或多个线程；线程包含在进程之中，是进程中实际运行工作的单位；进程的线程共享进程资源；一个进程可以并发多个线程，每个线程执行不同的任务。**  
![（6-3-1300）][6-3-1300]  
 **2. 进程的五状态模型**  
  就绪状态：其它资源（进程控制块、内存、栈空间、堆空间等）都准备好、只差CPU的状态。  
  执行状态：进程获得CPU，其程序正在执行。  
  阻塞状态：进程因某种原因放弃CPU的状态。  
  创建状态：创建进程时拥有PCB但其它资源尚未就绪。  
  终止状态：进程结束由系统清理或者归还PCB的状态。  
![(6-4-0839)][6-4-0839]  
 **3.进程同步**  
  **a.生产者-消费者问题**：有一群生产者进程在生产产品，并将这些产品提供给消费者进程进行消费，生产者进程和消费者进程可以并发执行，在两者之间设置了一个具有n个缓冲区的缓冲池，生产者进程需要将所生产的产品放到缓冲区中（+1操作），消费者进程可以从缓冲区取走产品消费（-1操作）。  
![（6-5-0207）][6-5-0207]  
   产生问题：当两者**并发执行时**可能出差错，如下图：  
![（6-5-0627）][6-5-0627]  
   当执行生产者+1和消费者-1操作之后，**缓冲区的值从10变为了11**。  
   程序实例–>https://blog.csdn.net/huanglei305/article/details/99621301  
  **b.哲学家进餐问题**：有5个哲学家，他们的生活方式是交替的思考和进餐，哲学家们共同使用一张圆桌，分别坐在5张椅子上，圆桌上有5只碗和5只筷子。平时哲学家们只进行思考，饥饿时则试图取靠近他们的左右两只筷子，只有两只筷子都被拿到的时候才能进餐，否则等待，进餐完毕后，放下左右筷子进行思考。  
![（6-5-1110）][6-5-1110]  
   产生问题：![（6-5-1238）][6-5-1238]  
  **c.进程同步的作用**：**对竞争资源在多进程间进行使用次序的协调**，使得并发执行的多个进程之间可以有效使用资源和相互合作。  
  **d.进程间同步的四原则**：  
   空闲让进：资源无占用，允许使用；  
   忙则等待：资源被占用，请求进程等待；  
   有限等待：保证有限等待时间能够使用资源；  
   让权等待：等待时，进程需要让出CPU。  
  e.**进程同步的方法**（重要，后面详细讲解）：**消息队列，共享存储，信号量**。  
  f.**线程同步的方法**（重要，后面详细讲解）：**互斥量，读写锁，自旋锁，条件变量**。  
 **4. Linux的进程管理**  
  **a.进程的类型**  
   前台进程：具有终端，可以和用户交互；  
   后台进程：基本不和用户交互，优先级比前台进程低；  
   守护进程：特殊的后台进程，在系统引导时启动，一直运行直到系统关闭，如crond、sshd、httpd、mysqld…  
  **b.进程的标记**  
   进程ID：非负整数，进程的唯一标记，每个进程拥有不同的ID；  
   进程的状态标记：R表示进程处于运行状态，S表示进程处于睡眠状态…  
  **c.操作Linux进程的相关命令**  
   ps命令：列出当前的进程，结合-aux可以打印进程的详细信息（ps -aux）；  
   top命令：查看所有进程的状态；  
   kill命令：给进程发送信号。  
**三、作业管理**  
 **1.进程调度**  
  定义：指计算机通过决策决定哪个就绪进程可以**获得CPU使用权**。  
  方法：  
   非抢占式调度：处理器一旦分配给某个进程，就让该进程一直使用下去，**直到进程完成工作或IO阻塞**才会让出处理器。  
   抢占式调度：允许调度程序以一定的策略**暂停当前运行地进程**。  
![（6-7-0636）][6-7-0636]  
  步骤：  
   保留旧进程的运行信息，请出旧进程（**收拾包袱**）；  
   选择新进程，准备运行环境并分配CPU。  
  **a.三个重要的机制：**  
   **就绪队列的排队机制**：为了提高进程调度的效率，将就绪进程按照一定的方式排成队列，以便调度程序可以最快找到就绪进程。  
   选择运行进程的委派机制：调度程序以一定的策略，选择就绪进程，将CPU资源分配给它。  
   新老进程的上下文切换机制：保存当前进程的上下文信息，装入被委派执行进程的运行上下文。  
  **b.进程调度算法**  
   先来先服务算法：按照在就绪队列中的**先后顺序**执行。  
   短进程优先调度算法：优先选择就绪队列中估计运行时间最短的进程，**不利于长作业进程的执行**。  
   高优先权优先调度算法：进程附带优先权，优先选择权重高的进程，**可以使得紧迫的任务优先处理**。  
   时间片轮转调度算法：按照FIFO的原则排列就绪进程，每次从队列头部取出待执行进程，**分配一个时间片执行**，是**相对公平的调度算法，但是不能保证就是响应用户**。  
 **2.死锁**：是指**两个或两个以上的进程**在执行过程中，**由于竞争资源**或者**由于彼此通信**而造成的一种**阻塞**的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。 此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。  
  **a.死锁的产生**：竞争资源（共享资源数量不满足各进程需求）、进程调度顺序不当，如下图，当调度顺序为A->B->C->D时会产生死锁，但改为A->D->B->C则不会产生。  
![（6-8-0519）][6-8-0519]  
  **b.死锁的四个必要条件：**  
   互斥条件：进程对资源的使用是**排他性使用**，某资源只能由一个进程使用，其它进程需要使用只能等待。  
   请求保持条件：进程**至少保持一个资源**，又提出新的资源请求，新资源被占用，请求被阻塞，被阻塞的进程不释放自己保持的资源。  
   不可剥夺条件：进程获得的资源在**未完成使用前不能被剥夺（包括OS）**，只能由进程自身释放。  
   环路等待条件：发生死锁时，必然存在**进程-资源**环形链.  
  **c.死锁的处理**  
   预防死锁的方法：破坏四个必要条件的中一个或多个。  
    破坏请求保持条件：系统规定进程运行之前，一次性申请所有需要的资源。  
    破坏不可剥夺条件：当一个进程请求新的资源得不到满足时，必须释放占有的资源。  
    破坏环路等待条件：可用资源线性排序，申请必须按照需要递增申请。  
  银行家算法：客户申请的贷款是有限的，每次申请需要申明最大资金量，银行家在能够满足贷款时，都应该给用户贷款，客户在使用贷款后，能够及时归还贷款。  
  具体请移步–>https://blog.csdn.net/huanglei305/article/details/99637605  
**四、存储管理**  
 **1.内存分配与回收**  
  内存分配的过程：单一连续分配、固定分区分配、动态分区分配（根据实际需要，动态的分配内存）。  
  动态分区分配算法：  
   首次适应算法：分配内存时，从开始顺序查找适合内存区，若无合适内存区，则分配失败。  
   最佳适应算法：要求空闲区链表按照容量大小排序，遍历以找到最佳适合的空闲区。  
   快速适应算法：要求有多个空闲区链表，每个空闲区链表存储一种容量的空闲区。  
  内存回收的过程：

**2.段页式存储管理**  
  页式存储管理：将**进程逻辑空间等分成若干大小的页面**，相应的把物理内存空间分成与页面大小的物理块，以页面为单位把进程空间装进物理内存中分散的物理块。  
  段式存储管理：将**进程逻辑空间分成若干段（不等分）**，段的长度由连续逻辑的长度决定。  
  两者相比：![（6-10-1022）][6-10-1022]  
  段页式存储管理：现将逻辑空间按照段式管理分成若干段，再将内存空间按照页式管理分成若干页，**分页可以有效提高内存利用率**，**分段可以更好的满足用户需求**。  
  三者分配内存之后的对比：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2h1YW5nbGVpMzA1_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
 **3.虚拟内存**  
  概述：实际是对**物理内存的扩充**，速度接近于内存，成本接近于辅存。  
  局部性原理：指CPU访问存储器时，无论是**存取指令**还是**存取数据**，所访问的存储单元都**趋于聚集在一个较小的连续区域中**。  
  虚拟内存的置换算法：先进先出（FIFO）、最不经常使用（LFU）、最近最少使用（LRU）  
 **4.Linux的存储管理**  
  Buddy内存管理算法：**为解决内存外碎片的问题**，算法基于计算机处理二进制的优势具有极高的效率。  
  Linux交换空间：交换空间（Swap）是磁盘的一个分区，Linux内存满时，会把一些内存交换至Swap空间，Swap空间是初始化系统时配置的。  
  Swap空间与虚拟内存的对比：![（6-12-1533）][6-12-1533]  
**五、文件管理**  
 **1.文件管理概述**  
  **a.文件的逻辑结构：**  
   逻辑结构的文件类型：**有结构文件**（文本文件，文档，媒体文件）、**无结构文件**（二进制文件、链接库）。  
   顺序文件：按顺序放在存储介质中的文件，在逻辑文件当中存储效率最高，但不适合存储可变长文件。  
   索引文件：为解决可变长文件存储而发明，需要配合索引表存储。  
  **b.辅存的存储空间分配：**  
   辅存的分配方式：连续分配（读取文件容易，速度快）、链接分配（隐式链接和显式链接）、索引分配  
   辅存的存储空间管理：  
  **c.目录管理：**  
   目录树：使得任何文件或目录都有唯一的路径。  
 **2.Linux文件的基本操作**  
  **a.Linux目录**：Linux一切皆文件。  
![（6-14-0415）][6-14-0415]  
![（6-14-0504）][6-14-0504]  
  **b.Linux文件常用操作：**  
   （目录/文件）创建、删除、读取、写入  
  **c.Linux文件类型：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2h1YW5nbGVpMzA1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
 **3.Linux的文件系统**  
   文件系统概览：FAT、NTFS（对FAT进行改进）、EXT2/3/4（扩展文件系统，Linux的文件系统）  
   EXt文件系统：![（6-15-0455）][6-15-0455]  
**六、设备管理**  
 **1.广义的IO设备：**  
   按照使用特性分类：存储设备（内存、磁盘、U盘）和交互IO设备（键盘、显示器、鼠标）  
   按照信息交换分类：块设备（磁盘、SD卡）和字符设备（打印机、shell终端）  
   按照设备共享属性分类：独占设备，共享设备，虚拟设备  
   按照传输速率分类：低速设备，高速设备  
 **2.IO设备的缓冲区**：减少CPU处理IO请求的频率，提高CPU与IO设备之间的并行性。  
  **3.SPOOLing技术**：虚拟设备技术，利用高速共享设备将低速的独享设备模拟为高速的共享设备，逻辑上，系统为每一个用户都分配了一台独立的高速独享设备。

## 操作系统之提升篇（重点） ##

**一、线程同步的方法**  
 **1.互斥锁**  
  互斥锁是最简单的线程同步的方法，也称为互斥量，处于两态之一的变量：**解锁和加锁**，两个状态可以**保证资源访问的串行。**  
![（7-2-0103）][7-2-0103]  
  原子性：指一系列操作**不可被中断**的特性，要么全部执行完成，要么全部没有执行。  
 **2.自旋锁**  
  自旋锁是一种多线程同步的变量，使用自旋锁的线程会**反复检查锁变量是否可用**，自旋锁**不会让出CPU**，是一种**忙等待状态**，即**死循环等待锁被释放**。  
  特点：**避免了进程或者线程上下文切换的开销**，但是**不适合在单核CPU使用**。  
![（7-3-0126）][7-3-0126]  
 **3.读写锁**  
  是一种**特殊的自旋锁**，允许**多个读操作同时访问**资源以**提高读性能**，但是**对写操作是互斥的**，即**对多读少写的操作效率提升**很显著。  
![（7-4-0355）][7-4-0355]  
 **4.条件变量**  
  是一种相对比较复杂的线程同步方法，条件变量**允许线程睡眠**，直到满足某种条件，当满足条件时，可以给该线程信号**通知唤醒**。  
  例如，在生产者-消费者问题当中，规定当缓冲区小于等于时，不允许消费者消费，消费者必须等待；缓冲区满时，不允许生产者往缓冲区生产，生产者必须等待；即**当生产者生产一个产品时，唤醒可能等待的消费者**，当**消费者消费一个产品时，唤醒可能等待的生产者。**  
 **5.线程同步方法总结**  
  4种线程同步方法对比：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2h1YW5nbGVpMzA1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
**二、进程同步**  
 **1.使用fork系统调用创建进程**  
  使用fork系统调用无参数，fork会**返回两次**，分别返回子进程id和0，返回子进程id的是父进程，返回0的是子进程。  
 **2.共享内存**  
  在某种程度上，多进程是共同使用物理内存的，但是由于操作系统的进程管理，进程间的内存空间是独立的，因此**进程默认是不能访问进程空间之外的内存空间的**。  
  共享存储允许**不相关的进程**访问同一片物理内存，共享内存是**两个进程之间共享和传递数据最快的方式**，但是共享内存**未提供同步机制**，所以需要借助其它机制管理访问。即**共享内存是高性能后台开发中最常用的进程同步方式。**  
![（7-8-0259）][7-8-0259]  
 **3.Unix域套接字**  
  域套接字是一种高级的进程间通信的方法，可以用于同一机器进程间通信。  
  **套接字（socket）**：为网络通信中使用的术语。  
  Unix系统提供的域套接字提供了网络套接字类似的功能，如Nfinx、uWSGI等。  
  服务端和客户端分别使用Unix域套接字的过程：  
![（7-9-0247）][7-9-0247]

## 操作系统之实践篇 ##

**实现支持异步任务的线程池**  
**关于线程池**  
 线程池：线程池是**存放多个线程的容器**，CPU调度线程执行后不会销毁线程，将线程放回线程池重新利用。  
 **使用线程池的原因：**  
  **1.线程是稀缺资源 ，不应该频繁创建和销毁；**  
  **2.架构解耦，业务创建和业务处理解耦，更加优雅；**  
  **3.线程池是使用线程的最佳实践。**  
**1.实现线程安全的队列Queue**  
 队列：用于存放多个元素，是存放各种元素的“池”。  
 实现的基本功能：获取当前队列元素数量，往队列放入元素，往队列取出元素。  
 注意：队列可能有多个线程同时操作，因此需要保证线程安全，如下两种情况：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2h1YW5nbGVpMzA1_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
 具体实现：https://blog.csdn.net/huanglei305/article/details/99701518  
**2.实现基本任务对象Task**  
 任务处理逻辑：  
  实现的基本功能：任务参数，任务唯一标记（UUID），任务具体的执行逻辑  
 具体实现：https://blog.csdn.net/huanglei305/article/details/99701991  
**4.实现任务处理线程ProcessThread**  
 任务处理线程需要不断地从任务队列里取任务执行，任务处理线程需要有一个标记，标记线程什么时候应该停止。  
 实现的基本功能：基本属性（任务队列、标记），线程执行的逻辑（run），线程停止（stop）。  
**5.实现任务处理线程池Pool**  
 存放多个任务处理线程，负责多个线程的启停，管理向线程池的提交任务，下发给线程去执行。  
 实现的基本过程：基本属性，提交任务（put，batch\_put），线程启停（start，join），线程池大小（size）。  
 具体实现：https://blog.csdn.net/huanglei305/article/details/99702434  
**6.实现异步任务处理AsyncTask**  
 给任务添加一个标记，任务完成后，则标记为完成；任务完成时可直接获取任务运行结果；任务未完成时，获取任务结果，会阻塞获取线程。  
 主要实现的两个函数：设置运行结果（set\_result），获取运行结果（get\_result）  
 具体实现：https://blog.csdn.net/huanglei305/article/details/99703371

[6-2-1154]: /images/20210923/457f8a41180c4d9b80e43c43975ad8d5.png
[6-2-1619]: /images/20210923/2543818cb57c46589b1612b827807a13.png
[6-3-1300]: /images/20210923/1f690d411d924e128b4c79059b9ab2cb.png
[6-4-0839]: /images/20210923/47f844a5dd9a4c6ba12626f20713d55e.png
[6-5-0207]: /images/20210923/9c764552257d4ba79d5222cb42cd822f.png
[6-5-0627]: /images/20210923/e3c4c9024d7d4cc9872db0d306e6aae5.png
[6-5-1110]: /images/20210923/0e692bf6b80e451cb2f5d76cacb0a488.png
[6-5-1238]: /images/20210923/b74b983996c84238b1879393ca433407.png
[6-7-0636]: /images/20210923/1b9b8d75e95b4b75ba735286c3632a0c.png
[6-8-0519]: /images/20210923/18f57f9debd64300823683f9b6566cb8.png
[6-10-1022]: /images/20210923/935bf24072e643deb15a624d075ee959.png
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[6-12-1533]: /images/20210923/aa6040bd4d24452a8ea260aec585b9e3.png
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