操作系统基础知识归纳总结整理
操作系统基础
并⾏和并发
并⾏：在同⼀个时刻，有多个指令在单个CPU同时执⾏
并发：在同⼀个时刻，有多个指令在单个CPU交替执⾏
进程和线程
进程：正在运⾏的软件(就是操作系统中正在运⾏的⼀个应⽤程序)
独⽴性：进程是⼀个能独⽴运⾏的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独⽴单位
动态性：进程的实质是程序的⼀次执⾏过程，进程是动态产⽣的，动态消亡的
并发性：任何进程都可以同其他进程⼀起并发执⾏（CPU在多个进程之间进⾏⼀个动态的切换）
线程：是进程中的单个顺序控制流，是⼀条执⾏路径（就是应⽤程序中做的事情）
单线程：⼀个线程如果只有⼀条执⾏路径，则称为单线程程序
多线程：⼀个进程如果有多条执⾏路径，则成为多线程程序
进程和线程
进程和线程的区别
进程是资源分配的基本单位，线程是CPU调度的最⼩单位
⼀个线程只能有⼀个进程，⼀个进程可以有多个线程
进程间不会相互影响，但是⼀个线程如果崩溃，会导致进程与其⼀起崩溃
进程具有的特征：
动态性：进程是程序的⼀次执⾏过程，是临时的，有⽣命期的，是动态产⽣的，动态消亡的
并发性：任何进程都可以同其他进⾏⼀起并发执⾏
独⽴性：进程是系统进⾏资源分配和调度的⼀个独⽴单位
结构性：是由程序，数据和进程块三部分组成
进程间的通信⽅式：
1.⽆名管道( pipe )： 管道是⼀种半双⼯的通信⽅式，数据只能单向流动，⽽且只能在具有亲缘关系的进程间使⽤。进程的亲缘关系通常是指⽗⼦进程关系。
2.⾼级管道(popen)： 将另⼀个程序当做⼀个新的进程在当前程序进程中启动，则它算是当前程序的⼦进程，这种⽅式我们成为⾼级管道⽅式。
3.有名管道 (named pipe) ： 有名管道也是半双⼯的通信⽅式，但是它允许⽆亲缘关系进程间的通信。
4.消息队列( message queue ) ： 消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载⽆格式字节流以及缓冲区⼤⼩受限等缺点。
5.信号量( semophore ) ： 信号量是⼀个计数器，可以⽤来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为⼀种锁机制，防⽌某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同⼀进程内不同线程之间的同步⼿段。
6.信号 ( sinal ) ： 信号是⼀种⽐较复杂的通信⽅式，⽤于通知接收进程某个事件已经发⽣。
7.共享内存( shared memory ) ： 共享内存就是映射⼀段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由⼀个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC ⽅式，它是针对其他进程间通信⽅式运⾏效率低⽽专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号两，配合使⽤，来实现进程间的同步和通信。
8.套接字( socket ) ： 套解字也是⼀种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可⽤于不同机器间的进程通信。进程通信方式
⽐较：
管道：速度慢，容量有限
消息队列：容量受到系统限制，且要注意第⼀次读的时候，要考虑上⼀次没有读完数据的问题
信号量：不能传递复杂信息，只能⽤来同步
共享内存：能够很容易控制容量，速度快，但要保持同步
线程间的通信机制
1.锁机制：互斥锁，条件变量，读写锁
互斥锁提供了以排他⽅式防⽌数据结构被并发修改的⽅法
读写锁允许多个线程同时读共享数据，⽽是对写操作是互斥的
条件变量可以以原⼦的⽅式进⾏阻塞进程，直到某个特定条件为真为⽌。对条件的测试实在互斥锁的保护下进⾏的。条件变量始终与互斥锁⼀起使⽤。
2.信号量机制：包括⽆名信号量和命名线程信号量
3.信号机制：类似进程间的信号处理
线程同步的⽅式？
线程同步的⽅式：临界区，互斥量，信号量，事件
临界区：通过对多线程的串⾏化来访问公共资源或者⼀段代码，速度快，适合控制数据访问
互斥量：采⽤互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限
信号量：它允许多个线程同⼀时刻访问同⼀资源，但是需要限制同⼀事件访问此资源的最⼤线程数⽬
事件：通过通知操作的⽅式来保持多线程的同步
线程同步和互斥的区别
1. 互斥是指某⼀资源同时只允许⼀个访问者对其进⾏访问，具有唯⼀性和排它性。但互斥⽆法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是
⽆序的。
2. 同步是指在互斥的基础上（⼤多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。
3. 同步其实已经实现了互斥，所以同步是⼀种更为复杂的互斥。
4. 互斥是⼀种特殊的同步。
互斥：指某⼀资源同时只允许⼀个访问者对其进⾏访问，具有唯⼀性和排他性。
同步：在互斥的基础上，通过其它机制实现访问者对资源的有序访问
同步：体现的是协作性。互斥：体现的是排他性
同步机制的原则：1.空闲让进，2.忙则等待，3.有限等待，4.让权等待
总的来说，两者的区别就是：
互斥是通过竞争对资源的独占使⽤，彼此之间不需要知道对⽅的存在，执⾏顺序是⼀个乱序。
同步是协调多个相互关联线程合作完成任务，彼此之间知道对⽅存在，执⾏顺序往往是有序的。
lock与unlock⽅法，替换synchronized，这就是互斥锁的体现。消费者⽣产者模式就是同步锁的体现。
进程的调度算法有哪些？
1.先来先服务
2.短作业优先
3.时间⽚轮转调度算法
4.⾼响应⽐优先
5.优先权调度算法
6.多级队列调度算法
基础知识
⽤户态和内核态
介绍：
⽤户态：只能受限地访问内存地址，且不允许访问外围设备，没有占⽤CPU地能⼒,CPU资源可以被其他程序获取
内核态：可以访问内存所有数据以及外围设备，也可以进⾏程序的切换
为什么要分：
安全性：防⽌⽤户程序恶意或者不⼩⼼破坏系统/内存/硬件资源
封装性：⽤户程序不需要实现更加底层地代码
利于调度：如果多个⽤户程序都在等待键盘输⼊，这时就需要进⾏调度；统⼀交给操作系统调度更加⽅便
如何从⽤户态切换到内核态：
系统调⽤：⽐如读取命令⾏输⼊，本质上是通过中断实现的
⽤户程序发⽣异常时：⽐如缺页异常
外围设备的中断：外围设备完成⽤户请求的操作之后，会向CPU发出中断信号，这时CPU会处理对应的中断处理程序
僵⼫进程和孤⼉进程
僵⼫进程：
介绍：⼀个⼦进程结束后，但他的⽗进程并没有等待它，那么这个⼦进程将成为⼀个僵⼫进程
特点：⼀个死亡的进程，但是并没有销毁，放弃了⼏乎所有的内存空间，没有任何可执⾏的代码，也不能被调度，仅仅在进程表中保留⼀个位置，记载该进程的ID，终⽌状态以及资源利⽤信息（CPU事件，内存使⽤量等等）供⽗进程⼿机
危害：占⽤进程号，系统所能使⽤的进程号是有限的，占⽤内存
孤⼉进程：
介绍：⼀个⽗进程已经结束了，但是它的⼦进程还在进⾏，那么这些⼦进程将称为孤⼉进程
孤⼉进程会被init结果，当这些孤⼉进程结束时由init完成状态收集⼯作
虚拟内存？
介绍：每个进程拥有独⽴地地址空间，这个空间被分为⼤⼩相等的多个块，称为页。每个页都是⼀段连续的地址，这些页被映射到物理地址，但并不是所有页都必须在内存中才能运⾏程序。当程序运⾏引⽤到⼀部分在屋⾥内存中的地址空间时，由硬件进⾏必要的映射，当程序引⽤⼀部分不在屋⾥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命令
特点：对于进程⽽⾔，逻辑上似乎有很⼤的内存空间，实际上其中⼀部分对应物理内存上的⼀块（称为帧，通常页和帧的⼤⼩相等），还有⼀些没加载在内存中的对应在硬盘上。
页⾯置换算法：
FIFO先进先出算法：在操作系统中经常被⽤到，⽐如作业调度
LRU最近最少使⽤算法：根据使⽤时间到现在的长短来判断
LFU最少使⽤次数算法：根据使⽤次数来判断
OPT最优置换算法：理论的最优，保证置换出去的时不再被使⽤的页
虚拟内存的好处：
在内存中可以保留多个进程，系统并发度提⾼
解除了⽤户与内存之间的紧密约束，进程可以⽐内存的全部空间还⼤
分页和分段的区别？
页式存储：⼀种⽤户视⾓内存与物理内存相分离的内存分配管理⽅案。将程序的逻辑地址划分为固定⼤⼩的页。⽽物理内存划分为同样⼤⼩的帧。没有外碎⽚，但会产⽣内碎⽚
段式存储：⼀种符合⽤户视⾓的内存分配管理⽅案，将程序的地址空间划分为若⼲段，如代码段，数据段，堆栈段，相互独⽴，互不⼲扰
区别：
⽬的不同：分页是由于系统管理的需要⽽不是⽤户的需要，他的信息是物理单位；分段的⽬的是为了能更好的满⾜⽤户的需要，他是信息的逻辑单位，它含有⼀组其意义相对完整的信息；
⼤⼩不同：页的⼤⼩由系统固定，⽽段的长度却不固定，由其所完成的功能决定
地址空间不同：段向⽤户提供⼆维地址空间，页⾯向⽤户提供⼀维地址空间
信息共享：段是信息的逻辑单位，便于存储保护和信息共享，页的保护和共享受限制
内存碎⽚：页式存储管理的优点是没有外碎⽚（因为页的⼤⼩固定），但会产⽣内碎⽚（⼀个页可能填充不满）；⽽段式管理的优点是没有内碎⽚（因为段⼤⼩可变，改变段⼤⼩来消除内碎⽚）。但段换⼊换出时，会产⽣外碎⽚（⽐如4k的段换5k的段，会产⽣1k的外碎⽚）。
I/O多路复⽤，怎么实现？
介绍：指单个进程/线程可以同时处理多个IO请求
实现原理：⽤户将想要监视的⽂件描述符⽥间道select/poll/epoll中，由内核监视，函数阻塞。⼀旦有⽂件描述符就绪（读就绪或者写就绪），或者超时（设置timeout），函数就会返回

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