5万字、97 张图总结操作系统核心知识点

上面一个操作系统的简化图，最底层是硬件，硬件包括芯片、电路板、磁盘、键盘、显示器等我们上面提到的设备，在硬件之上是软件。大部分计算机有两种运行模式： 和 ，软件中最基础的部分是，它运行在 中。操作系统具有硬件的访问权，可以执行机器能够运行的任何指令。软件的其余部分运行在 下。

在大概了解到操作系统之后，我们先来认识一下硬件都有哪些

计算机硬件

计算机硬件是计算机的重要组成部分，其中包含了 5 个重要的组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

• ：运算器最主要的功能是对数据和信息进行加工和运算。它是计算机中执行算数和各种逻辑运算的部件。运算器的基本运算包括加、减、乘、除、移位等操作，这些是由 实现的。而运算器主要由算数逻辑单元和寄存器构成。
• ：指按照指定顺序改变主电路或控制电路的部件，它主要起到了控制命令执行的作用，完成协调和指挥整个计算机系统的操作。控制器是由程序计数器、指令寄存器、解码译码器等构成。

运算器和控制器共同组成了 CPU

• ：存储器就是计算机的，顾名思义，存储器可以保存信息。存储器分为两种，一种是主存，也就是内存，它是 CPU 主要交互对象，还有一种是外存，比如硬盘软盘等。下面是现代计算机系统的存储架构

• ：输入设备是给计算机获取外部信息的设备，它主要包括键盘和鼠标。

• ：输出设备是给用户呈现根据输入设备获取的信息经过一系列的计算后得到显示的设备，它主要包括显示器、打印机等。

这五部分也是冯诺伊曼的体系结构，它认为计算机必须具有如下功能：

把需要的程序和数据送至计算机中。必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。能够按照要求将处理结果输出给用户。

• ：在整个系统中运行的是称为总线的电气管道的集合，这些总线在组件之间来回传输字节信息。通常总线被设计成传送定长的字节块，也就是 。字中的字节数（字长）是一个基本的系统参数，各个系统中都不尽相同。现在大部分的字都是 4 个字节（32 位）或者 8 个字节（64 位）。

进程

操作系统中最核心的概念就是 ，进程是对正在运行中的程序的一个抽象。操作系统的其他所有内容都是围绕着进程展开的。

在多道程序处理的系统中，CPU 会在间快速切换，使每个程序运行几十或者几百毫秒。然而，严格意义来说，在某一个瞬间，CPU 只能运行一个进程，然而我们如果把时间定位为 1 秒内的话，它可能运行多个进程。这样就会让我们产生的错觉。因为 CPU 执行速度很快，进程间的换进换出也非常迅速，因此我们很难对多个并行进程进行跟踪。所以，操作系统的设计者开发了用于描述并行的一种概念模型（顺序进程），使得并行更加容易理解和分析。

进程模型

一个进程就是一个正在执行的程序的实例，进程也包括程序计数器、寄存器和变量的当前值。从概念上来说，每个进程都有各自的虚拟 CPU，但是实际情况是 CPU 会在各个进程之间进行来回切换。

在上图中，这 4 道程序被抽象为 4 个拥有各自控制流程（即每个自己的程序计数器）的进程，并且每个程序都独立的运行。当然，实际上只有一个物理程序计数器，每个程序要运行时，其逻辑程序计数器会装载到物理程序计数器中。当程序运行结束后，其物理程序计数器就会是真正的程序计数器，然后再把它放回进程的逻辑计数器中。

从下图我们可以看到，在观察足够长的一段时间后，所有的进程都运行了，但在任何一个给定的瞬间仅有一个进程真正运行。

Windows 进程体系

相反，Windows 中没有进程层次的概念，Windows 中所有进程都是平等的，唯一类似于层次结构的是在创建进程的时候，父进程得到一个特别的令牌（称为句柄），该句柄可以用来控制子进程。然而，这个令牌可能也会移交给别的操作系统，这样就不存在层次结构了。而在 UNIX 中，进程不能剥夺其子进程的 。（这样看来，还是 Windows 比较）。

进程状态

尽管每个进程是一个独立的实体，有其自己的程序计数器和内部状态，但是，进程之间仍然需要相互帮助。当一个进程开始运行时，它可能会经历下面这几种状态

第一列内容与有关，第二列内容与 有关，第三列内容与有关。

现在我们应该对进程表有个大致的了解了，就可以在对单个 CPU 上如何运行多个顺序进程的错觉做更多的解释。与每一 I/O 类相关联的是一个称作 的位置（靠近内存底部的固定区域）。它包含中断服务程序的入口地址。假设当一个磁盘中断发生时，用户进程 3 正在运行，则中断硬件将程序计数器、程序状态字、有时还有一个或多个寄存器压入堆栈，计算机随即跳转到中断向量所指示的地址。这就是硬件所做的事情。然后软件就随即接管一切剩余的工作。

当中断结束后，操作系统会调用一个 C 程序来处理中断剩下的工作。在完成剩下的工作后，会使某些进程就绪，接着调用调度程序，决定随后运行哪个进程。然后将控制权转移给一段汇编语言代码，为当前的进程装入寄存器值以及内存映射并启动该进程运行，下面显示了中断处理和调度的过程。

1. 硬件压入堆栈程序计数器等

2. 硬件从中断向量装入新的程序计数器

3. 汇编语言过程保存寄存器的值

4. 汇编语言过程设置新的堆栈

5. C 中断服务器运行（典型的读和缓存写入）

6. 调度器决定下面哪个程序先运行

7. C 过程返回至汇编代码

8. 汇编语言过程开始运行新的当前进程

一个进程在执行过程中可能被中断数千次，但关键每次中断后，被中断的进程都返回到与中断发生前完全相同的状态。

线程

在传统的操作系统中，每个进程都有一个地址空间和一个控制线程。事实上，这是大部分进程的定义。不过，在许多情况下，经常存在同一地址空间中运行多个控制线程的情形，这些线程就像是分离的进程。下面我们就着重探讨一下什么是线程

线程的使用

或许这个疑问也是你的疑问，为什么要在进程的基础上再创建一个线程的概念，准确的说，这其实是进程模型和线程模型的讨论，回答这个问题，可能需要分三步来回答

• 多线程之间会共享同一块地址空间和所有可用数据的能力，这是进程所不具备的
• 线程要比进程，由于线程更轻，所以它比进程更容易创建，也更容易撤销。在许多系统中，创建一个线程要比创建一个进程快 10 – 100 倍。
• 第三个原因可能是性能方面的探讨，如果多个线程都是 CPU 密集型的，那么并不能获得性能上的增强，但是如果存在着大量的计算和大量的 I/O 处理，拥有多个线程能在这些活动中彼此重叠进行，从而会加快应用程序的执行速度

经典的线程模型

进程中拥有一个执行的线程，通常简写为 。线程会有程序计数器，用来记录接着要执行哪一条指令；线程实际上 CPU 上调度执行的实体。

下图我们可以看到三个传统的进程，每个进程有自己的地址空间和单个控制线程。每个线程都在不同的地址空间中运行

线程不像是进程那样具备较强的独立性。同一个进程中的所有线程都会有完全一样的地址空间，这意味着它们也共享同样的全局变量。由于每个线程都可以访问进程地址空间内每个内存地址，因此一个线程可以读取、写入甚至擦除另一个线程的堆栈。线程之间除了共享同一内存空间外，还具有如下不同的内容

线程系统调用

进程通常会从当前的某个单线程开始，然后这个线程通过调用一个库函数（比如 ）创建新的线程。线程创建的函数会要求指定新创建线程的名称。创建的线程通常都返回一个线程标识符，该标识符就是新线程的名字。

当一个线程完成工作后，可以通过调用一个函数（比如 ）来退出。紧接着线程消失，状态变为终止，不能再进行调度。在某些线程的运行过程中，可以通过调用函数例如 ，表示一个线程可以等待另一个线程退出。这个过程阻塞调用线程直到等待特定的线程退出。在这种情况下，线程的创建和终止非常类似于进程的创建和终止。

另一个常见的线程是调用 ，它允许线程自动放弃 CPU 从而让另一个线程运行。这样一个调用还是很重要的，因为不同于进程，线程是无法利用时钟中断强制让线程让出 CPU 的。

POSIX 线程

是一种独立于语言而存在的执行模型，以及并行执行模型。

线程在运行时系统之上运行，运行时系统是管理线程过程的集合，包括前面提到的四个过程： pthread_create, pthread_exit, pthread_join 和 pthread_yield。

在内核中实现线程

当某个线程希望创建一个新线程或撤销一个已有线程时，它会进行一个系统调用，这个系统调用通过对线程表的更新来完成线程创建或销毁工作。

在这种模型中，编程人员可以自由控制用户线程和内核线程的数量，具有很大的灵活度。采用这种方法，内核只识别内核级线程，并对其进行调度。其中一些内核级线程会被多个用户级线程多路复用。

进程间通信

进程是需要频繁的和其他进程进行交流的。下面我们会一起讨论有关 的问题。大致来说，进程间的通信机制可以分为 6 种

进程可以选择忽略发送过来的信号，但是有两个是不能忽略的： 和 信号。SIGSTOP 信号会通知当前正在运行的进程执行关闭操作，SIGKILL 信号会通知当前进程应该被杀死。除此之外，进程可以选择它想要处理的信号，进程也可以选择阻止信号，如果不阻止，可以选择自行处理，也可以选择进行内核处理。如果选择交给内核进行处理，那么就执行默认处理。

操作系统会中断目标程序的进程来向其发送信号、在任何非原子指令中，执行都可以中断，如果进程已经注册了新号处理程序，那么就执行进程，如果没有注册，将采用默认处理的方式。

管道 pipe

Linux 系统中的进程可以通过建立管道 pipe 进行通信

管道实际上就是 ，两个应用程序不知道有管道的存在，一切都是由 shell 管理和控制的。

共享内存 shared memory

两个进程之间还可以通过共享内存进行进程间通信，其中两个或者多个进程可以访问公共内存空间。两个进程的共享工作是通过共享内存完成的，一个进程所作的修改可以对另一个进程可见(很像线程间的通信)。

写入的第一个字节是读取的第一个字节，写入的第二个字节是读取的第二个字节，依此类推。

消息队列 Message Queue

一听到消息队列这个名词你可能不知道是什么意思，消息队列是用来描述内核寻址空间内的内部链接列表。可以按几种不同的方式将消息按顺序发送到队列并从队列中检索消息。每个消息队列由 IPC 标识符唯一标识。消息队列有两种模式，一种是， 严格模式就像是 FIFO 先入先出队列似的，消息顺序发送，顺序读取。还有一种模式是 ，消息的顺序性不是非常重要。

套接字 Socket

还有一种管理两个进程间通信的是使用 ，socket 提供端到端的双相通信。一个套接字可以与一个或多个进程关联。就像管道有命令管道和未命名管道一样，套接字也有两种模式，套接字一般用于两个进程之间的网络通信，网络套接字需要来自诸如或较低级别等基础协议的支持。

套接字有以下几种分类

• ： 此类套接字为最大长度固定的数据报提供可靠的连接。此连接是双向的并且是顺序的。
• ：数据包套接字支持双向数据流。数据包套接字接受消息的顺序与发送者可能不同。
• ：流套接字的工作方式类似于电话对话，提供双向可靠的数据流。
• ： 可以使用原始套接字访问基础通信协议。

调度

当一个计算机是多道程序设计系统时，会频繁的有很多进程或者线程来同时竞争 CPU 时间片。当两个或两个以上的进程/线程处于就绪状态时，就会发生这种情况。如果只有一个 CPU 可用，那么必须选择接下来哪个进程/线程可以运行。操作系统中有一个叫做 的角色存在，它就是做这件事儿的，该程序使用的算法叫做 。

调度算法的分类

毫无疑问，不同的环境下需要不同的调度算法。之所以出现这种情况，是因为不同的应用程序和不同的操作系统有不同的目标。也就是说，在不同的系统中，调度程序的优化也是不同的。这里有必要划分出三种环境

• : 商业领域
• ： 交互式用户环境

批处理中的调度

现在让我们把目光从一般性的调度转换为特定的调度算法。下面我们会探讨在批处理中的调度。

先来先服务

最简单的非抢占式调度算法的设计就是 。当第一个任务从外部进入系统时，将会立即启动并允许运行任意长的时间。它不会因为运行时间太长而中断。当其他作业进入时，它们排到就绪队列尾部。当正在运行的进程阻塞，处于等待队列的第一个进程就开始运行。当一个阻塞的进程重新处于就绪态时，它会像一个新到达的任务，会排在队列的末尾，即排在所有进程最后。

需要注意的是，在所有的进程都可以运行的情况下，最短作业优先的算法才是最优的。

最短剩余时间优先

最短作业优先的抢占式版本被称作为 算法。使用这个算法，调度程序总是选择剩余运行时间最短的那个进程运行。

交互式系统中的调度

交互式系统中在个人计算机、服务器和其他系统中都是很常用的，所以有必要来探讨一下交互式调度

轮询调度

一种最古老、最简单、最公平并且最广泛使用的算法就是 。每个进程都会被分配一个时间段，称为，在这个时间片内允许进程运行。如果时间片结束时进程还在运行的话，则抢占一个 CPU 并将其分配给另一个进程。如果进程在时间片结束前阻塞或结束，则 CPU 立即进行切换。轮询算法比较容易实现。调度程序所做的就是维护一个可运行进程的列表，就像下图中的 a，当一个进程用完时间片后就被移到队列的末尾，就像下图的 b。

它的基本思想很明确，每个进程都被赋予一个优先级，优先级高的进程优先运行。

多级队列

最早使用优先级调度的系统是 。CTSS 在每次切换前都需要将当前进程换出到磁盘，并从磁盘上读入一个新进程。为 CPU 密集型进程设置较长的时间片比频繁地分给他们很短的时间要更有效（减少交换次数）。另一方面，如前所述，长时间片的进程又会影响到响应时间，解决办法是设置优先级类。属于最高优先级的进程运行一个时间片，次高优先级进程运行 2 个时间片，再下面一级运行 4 个时间片，以此类推。当一个进程用完分配的时间片后，它被移到下一类。

最短进程优先

最短进程优先是根据进程过去的行为进行推测，并执行估计运行时间最短的那一个。假设每个终端上每条命令的预估运行时间为 ，现在假设测量到其下一次运行时间为 ，可以用两个值的加权来改进估计时间，即。通过选择 a 的值，可以决定是尽快忘掉老的运行时间，还是在一段长时间内始终记住它们。当 a = 1/2 时，可以得到下面这个序列

实时系统中的调度

是一个时间扮演了重要作用的系统。实时系统可以分为两类， 和 系统，前者意味着必须要满足绝对的截止时间；后者的含义是虽然不希望偶尔错失截止时间，但是可以容忍。

实时系统中的事件可以按照响应方式进一步分类为事件或 事件。一个系统可能要响应多个周期性事件流，根据每个事件处理所需的时间，可能甚至无法处理所有事件。例如，如果有 m 个周期事件，事件 i 以周期 Pi 发生，并需要 Ci 秒 CPU 时间处理一个事件，那么可以处理负载的条件是

地址空间

如果要使多个应用程序同时运行在内存中，必须要解决两个问题：和 。第一种解决方式是用，并将执行过程的密钥与提取的每个存储字的密钥进行比较。这种方式只能解决第一种问题（破坏操作系统），但是不能解决多进程在内存中同时运行的问题。

还有一种更好的方式是创造一个存储器抽象：。就像进程的概念创建了一种抽象的 CPU 来运行程序，地址空间也创建了一种抽象内存供程序使用。

基址寄存器和变址寄存器

最简单的办法是使用技术，它就是通过一种简单的方式将每个进程的地址空间映射到物理内存的不同区域。还有一种方式是使用基址寄存器和变址寄存器。

• 基址寄存器：存储数据内存的起始位置
• 变址寄存器：存储应用程序的长度。

每当进程引用内存以获取指令或读取、写入数据时，CPU 都会自动将添加到进程生成的地址中，然后再将其发送到内存总线上。同时，它检查程序提供的地址是否大于或等于 中的值。如果程序提供的地址要超过变址寄存器的范围，那么会产生错误并中止访问。

交换技术

在程序运行过程中，经常会出现内存不足的问题。

针对上面内存不足的问题，提出了两种处理方式：最简单的一种方式就是技术，即把一个进程完整的调入内存，然后再内存中运行一段时间，再把它放回磁盘。空闲进程会存储在磁盘中，所以这些进程在没有运行时不会占用太多内存。另外一种策略叫做，虚拟内存技术能够允许应用程序部分的运行在内存中。下面我们首先先探讨一下交换

交换过程

下面是一个交换过程

交换在内存创建了多个 ，内存会把所有的空闲区尽可能向下移动合并成为一个大的空闲区。这项技术称为。但是这项技术通常不会使用，因为这项技术会消耗很多 CPU 时间。

空闲内存管理

在进行内存动态分配时，操作系统必须对其进行管理。大致上说，有两种监控内存使用的方式

使用位图的存储管理

使用位图方法时，内存可能被划分为小到几个字或大到几千字节的分配单元。每个分配单元对应于位图中的一位，0 表示空闲， 1 表示占用（或者相反）。一块内存区域和其对应的位图如下

当按照地址顺序在链表中存放进程和空闲区时，有几种算法可以为创建的进程（或者从磁盘中换入的进程）分配内存。我们先假设内存管理器知道应该分配多少内存，最简单的算法是使用 。内存管理器会沿着段列表进行扫描，直到找个一个足够大的空闲区为止。 除非空闲区大小和要分配的空间大小一样，否则将空闲区分为两部分，一部分供进程使用；一部分生成新的空闲区。首次适配算法是一种速度很快的算法，因为它会尽可能的搜索链表。

首次适配的一个小的变体是 。它和首次匹配的工作方式相同，只有一个不同之处那就是下次适配在每次找到合适的空闲区时就会记录当时的位置，以便下次寻找空闲区时从上次结束的地方开始搜索，而不是像首次匹配算法那样每次都会从头开始搜索。

另外一个著名的并且广泛使用的算法是 。最佳适配会从头到尾寻找整个链表，找出能够容纳进程的最小空闲区。

虚拟内存

尽管基址寄存器和变址寄存器用来创建地址空间的抽象，但是这有一个其他的问题需要解决：。虚拟内存的基本思想是，每个程序都有自己的地址空间，这个地址空间被划分为多个称为的块。每一页都是连续的地址范围。这些页被映射到物理内存，但并不是所有的页都必须在内存中才能运行程序。当程序引用到一部分在物理内存中的地址空间时，硬件会立刻执行必要的映射。当程序引用到一部分不在物理内存中的地址空间时，由操作系统负责将缺失的部分装入物理内存并重新执行失败的指令。

分页

大部分使用虚拟内存的系统中都会使用一种 技术。在任何一台计算机上，程序会引用使用一组内存地址。当程序执行

来源：程序员cxuan