操作系统学习笔记


为什么要学操作系统

几乎所有的互联网相关的知识都建立在操作系统之上。它是非常保值的知识。

计算机网络、操作系统和数据库，是在个人学习方面，投资收益率最高的三类技术。第一，它们是计算机世界的水电煤，它们被应用在几乎每个角落，很多上层应用实际上只是这些技术的组合；第二，这些技术的保质期非常长，能让你一次学习终身受益，几乎没有知识失效的风险。

操作系统基础

操作系统是计算机系统的核心软件，是管理计算机硬件与软件资源的程序，同时也是控制程序的执行和资源分配的管理者。操作系统具有以下基本特征：

  • 并发性：多个程序同时执行
  • 共享性：多个程序共享系统资源
  • 虚拟性：将物理资源变为逻辑资源，拓展资源能力
  • 异步性：进程以不可预知的速度推进，呈"走走停停"特征

历史

操作系统的发展经历了几个时期：

  1. 手工操作阶段：无操作系统，程序员直接操作计算机

  2. 批处理系统：

  • 单道批处理：一次只执行一个作业
  • 多道批处理：内存中同时存在多个作业，CPU在它们之间切换
  1. 分时系统：多个用户同时共享计算机资源，每个用户有专用终端
  2. 个人计算机操作系统：面向单用户的系统（如DOS, Windows, MacOS）
  3. 网络操作系统和分布式操作系统：支持网络环境下的资源共享和通信
  4. 实时操作系统：对时间有严格要求，用于工业控制等场景
  5. 嵌入式操作系统：运行在嵌入式设备上的轻量级系统
  6. 移动操作系统：为移动设备设计的系统（如Android, iOS）

进程管理

进程与线程

  • 进程 Process：程序的一次执行过程，是资源分配的基本单位
  • 线程 Thread：是调度的基本单位，比进程更轻量级。同一进程内的线程共享进程的资源

进程同步与互斥

  • 临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源
  • 临界区：访问临界资源的程序段
  • 信号量：用于进程间同步与互斥的整型变量
  • P操作(wait)：减少信号量值，若结果小于0则阻塞
  • V操作(signal)：增加信号量值，唤醒等待进程

在操作系统中，对信号量S的P原语的操作中，使进程进入相应阻塞队列等待的条件是 S < 0。

典型同步问题

  • 生产者-消费者问题：生产者向缓冲区放入数据，消费者从缓冲区取出数据
  • 资源互斥问题：例如独木桥问题，一次只允许一方通过

死锁

死锁是一种现象，指多个进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局，当进程处于这种僵持状态时，若无外力作用，这些进程都将永远不能再向前推进。死锁的形成需要四个条件：

  • 互斥条件：资源不能被同时使用
  • 请求和保持条件：进程持有资源的同时请求新资源
  • 不剥夺条件：已分配资源不能被强制剥夺
  • 循环等待条件：形成循环等待链

例如，某系统有3个并发进程竞争资源 R，每个进程都需要5个R，那么至少要几个R，系统才不会发生死锁？

死锁的避免可以通过银行家算法的思想来分析：确保系统在任何时候都能通过合理分配资源让所有进程依次完成，而不会进入死锁状态。最坏情况下，每个进程可能持有最大需求量减 1 的资源并等待最后一个资源，此时系统需要额外的资源来打破可能的循环等待。

每个进程持有 M - 1 = 4 个资源，共占用 3×4=123 \times 4 = 12 个资源。此时，系统需要至少 1 个额外资源（第 13 个资源），以分配给某个进程，使其完成并释放所有资源。

进程调度算法

从就绪的进程队列中选择一个就绪进程，分配处理器，使之投入运行。其目的是最大化 CPU 利用率。

  • 先来先服务调度算法 FCFS
  • 短作业优先 SJF
  • 优先级调度算法 PR
  • 高响应比优先：响应比 = (等待时间+服务时间)/服务时间
  • 时间片轮转：按时间片轮流执行各进程

内存管理

虚拟内存用于扩充物理内存的大小。

请求分页系统

  • 最佳置换算法(OPT)：理论上最优但不可实现
  • 先进先出算法(FIFO)
  • 最近最少使用算法(LRU)
  • 最少使用算法(LFU)
  • 时钟算法(CLOCK)

例题

某页式存储管理系统中，页面大小为4KB，地址总线宽度为32位，则内存页数为多少？

  1. 地址总线宽度为32位，意味着可以寻址的物理内存空间为 2322^{32} = 4GB
  2. 每个页面大小为4KB = 4 × 1024 = 4,096 字节
  3. 内存页数 = 总物理内存大小 ÷ 页面大小 = 2202^{20}

一个分页式存储管理系统中，某进程逻辑地址空间由16个4KB的页组成，将它映射到一个2MB的物理内存空间。分析该进程的逻辑地址格式和物理地址格式。

  1. 页面大小 4096字节=2124096字节 = 2^{12}，与逻辑页面的偏移量相同，页面框架内偏移量占用 12 位
  2. 有 16 个页面，即 242^4 个页面，需要 4 位表示页面号
  3. 物理内存的页面框架数为 2,097,152÷4096=512 个页面框架，512=29512 = 2^{9}，所以需要 9 位表示页面框架号

所以逻辑地址为：

  • 高 4 位：页面号（Page Number），表示 0 到 15 的页面。
  • 低 12 位：页内偏移量（Page Offset），表示页面内 0 到 4095 的字节偏移。

物理地址为：

  • 高 9 位：页面框架号
  • 低 12 位：页面框架偏移（也就是页面大小）

文件系统

文件是具有名称的相关信息的集合，是操作系统中最小的独立数据单位。从用户角度看，引入文件系统的主要目的是实现对文件的按名存取。

文件类型

  • 无结构文件(流式文件)：字节流文件，没有内部结构
  • 结构化文件：有固定结构的记录集合

文件访问方式

  • 顺序访问：按文件物理顺序访问
  • 随机访问：直接访问文件中任意位置的数据
  • 索引访问：通过索引表确定记录位置

输入/输出系统

I/O 控制方式

  • 程序I/O方式：CPU干预最多
  • 中断控制方式：I/O完成后向CPU发出中断请求
  • DMA方式：直接内存访问，减少CPU干预。现代 Mac 采用了这种方式。
  • 通道控制方式：专门的I/O处理机执行I/O操作

磁盘调度算法

数据在磁盘上的物理地址格式构成字段有柱面号、磁头号和扇区号。

  • 最短寻道时间优先(SSTF)：优先访问与当前磁头最近的请求
  • 单向扫描算法(SCAN/电梯算法)：磁头单向移动，处理途中的所有请求
  • 周转时间 = 作业完成时间 - 作业到达时间
  • 带权周转时间 = 周转时间 / 实际运行所需的时间

例题

如果现在读/写磁头完成了88号磁道的操作之后，正在53号磁道上执行输入/输出操作，而等待访问者依次要访问的磁道为98，183，37，122，14，124，65，67。试分别按最短寻道时间优先调度（SSTF）和扫描算法列出响应磁道的顺序和磁头移动的总磁道数。

  • 最短寻道时间：每次都查找最近的磁道 53 → 65 → 67
  • 扫描算法：总是往更大的磁道移动，：53 → 65 → 67 → 98 → 122 → 124 → 183 → 37 → 14

C 语言与操作系统

C语言的优美在于它的简洁、控制力、性能、自由和历史积淀。它像一门“低级的诗”，用最少的语法表达最强大的功能。它没有 C# 的现代化便利、Go 的并发简洁或 JavaScript 的动态灵活，但它提供了无与伦比的底层控制和性能，让程序员可以直接与机器对话。

C的社区崇尚极致的效率和极简主义，这种文化也体现在代码风格中。C程序员倾向于写出紧凑、优雅且高效的代码，追求“用最少的资源做最多的事”。例如，C的标准库函数（如memcpy、strcmp）都以极高的效率和简洁性著称。


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