操作系统总结

五大功能和四种资源、及进程1-5、及cpu切换的三种情况

操作系统的五大功能和四种资源：进程管理、存储管理、作业管理、文件管理、设备管理处理器资源、存储器资源、IO设备资源、文件资源

一、进程管理：为什么需要进程？

进程的五种状态：创建、就绪、阻塞、执行、终止，每一个就是一个队列，分配pcb之后就会放入就绪队列。top命令可以看到的进程状态：R S D(io等待) T Z
进程的实体，进程在内存中的实体： pcb(称为进程控制块)是进程实体的一部分，存放进程的管理和控制信息的数据结构，是操作系统中最重要的数据结构。每一个进程均有一个PCB（Process Control Block） pcb里面的内容有：进程标识符、状态、上下文数据、优先级、io状态信息、程序计数器、内存指针。pcb存放在系统专门开辟的pcb区域内；
进程调度算法：轮询、优先权、先来先调度(队列的方式) 通过决策决定哪个就绪进程先获得cpu使用权，进程调度分为非抢占式和抢占式(允许一定的策略暂停当前允许的进行) 4、进程的内存管理内存管理三种方式：页式、段式、段页式存储管理，现在使用的就是段页式存储管理页式存储管理：分页可以有效提交内存利用率。页表记录了页面和块的映射关系；进程的逻辑空间分成n个大小的页面，页面大小和物理内存的物理块对应。按页面把进程的空间放进物理内存对应的块中；页面大小通常是1-8k；分页系统：寻找页面，32位寻址空间和物理空间的对应关系是页表，规定页面的大小4kb; 5、多进程间的同步根源是彼此之间通讯进程同步：共享内存、信号量、消息队列，socket 线程同步：互斥量、条件变量、读写锁、自旋锁

段式存储管理：将进程的逻辑页面划分成若干段，分段可以更好满足用户需求；

段页式存储管理：将页面按段式管理分成若干个段，再把段内空间按页式管理等分成若干页；结合两个地址来形成一个地址，段内页号和页内地址；内存分配的两种数据结构：空闲表和空闲链表；

二、存储管理

swap交换空间和虚拟空间虚拟内存是内存管理最关键的技术，发现缺页中断，就会发起页面置换，虚拟内存置换算法有(lru/lfu/fifo) 虚拟内存置换的策略分为两种：寄存器到内存，内存到磁盘；一个解决速度问题，一个是解决容量； buddy算法解决内存外碎片的问题，内存碎片分为内部碎片和外部碎片；

交换空间是磁盘的一个分区，是系统初始化时配置的，存于磁盘，为了解决内存不足的问题；两个的区别的一个是基于内存，一个是基于操作系统的；原理都是把内存的一部分数据暂时放在磁盘里面；

没有配置os之前，资源属于当前运行的程序合理的隔离资源、运行环境，提高资源利用率进程作为程序独立运行的载体保障程序正常执行；

三、文件管理，

文件系统文件类型分为：普通文件、目录文件、符号链接、设备文件、套接字文件系统有：fat/ntfs/ext

四、设备管理

io设备：磁盘（快设备），打印机、shell终端（字符设备）。对cpu而言，凡事对cpu进行数据输入和输出的都是io设备；
网络设备，计算机的网络 OSI七层模型和TCP/IP四层模型，根据OSI七层模型中的最下面三层来分析网络数据的封装过程: 网络层：ip协议解决了在虚拟网络中数据传输路径的问题。arp协议：是网络层和数据链路层配合使用的一个重要协议，是tcp/ip协议栈里面的基础协议，直接封装到数据链路层的数据帧里面的，arp地址解析协议Address Resolution protocol；

数据链路层：以太网协议(ethernet)是一种应用于数据链路层的协议，可以完成相邻设备的数据帧传输；数据链路层只能解决相邻物理节点的数据传输，跨节点的需要网络传输；

物理层只管传输比特流，无法控制是否出错，数据链路层负责传输错误检测；

mac地址，物理地址/硬件地址，mac地址共48位，使用16进制表示，ip地址的长度为32位，是点分十进制 mac地址表是路由器所拥有的；每一个网卡都有一个mac地址；有了mac地址就可以进行数据帧的传输了； mac地址表和网络接口：计算机通过网卡发送数据帧，数据帧到达路由器，路由器取前6个字节来匹配mac地址表，找到对应的网络接口；

icmp协议的两个功能：询问报文、报告错误信息和异常情况，ping用的就是icmp协议。icmp协议是封装到ip数据报里面的；

ip数据报： ip头部20个字节用来表示数据类型，mtu也在包头上，有四行，下面的行就是数据了； ttl避免数据在网络中无限传输：ttl表示ip数据报在网络总的寿命，每经过一个设备，ttl减1，为0将被网络设备丢弃；

帧是数据链路层数据的基本单元，帧的首部和尾部是特定的控制字符，以太网对数据帧的长度限制在1500字节；

MTU最大传输单元（Maximum Transmission Unit）包或帧的最大长度，一般以字节记。协议一定要在包(或帧)上加上包头；

计算机网络的性能指标：RTT(Route-Trip Time)表示的是数据报文传输一个来回的时间，用PING命令查看rtt;

操作系统的相关概念(了解就行) 并发性共享性、虚拟性：把一个物理实体(真实存在)转变成若干个逻辑实体(虚拟的)，每个程序占用一个逻辑设备。虚拟技术主要用到时分复用技术和空分复用技术；资源在时间上进行复用，提高资源利用率异步性：进程以不可预知的速度向前推进；

操作系统是管理计算机硬件和软件资源的计算机程序

五、CPU 的上下文切换分为这三种场景：

进程上下文切换：Linux 按照特权等级，从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成，比如一个用户程序查看文件内容就需要多次系统调用来完；系统调用的过程也有CPU上下文的切换，系统调用结束后，CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行进程。所以，一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换。
线程上下文切换：同一个进程内存的线程因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。
中断上下文切换：为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件，在打断其他进程时，就需要将进程当前的状态保存下来；中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生。大部分中断处理程序都短小精悍，以便尽可能快的执行结束；硬件通过触发信号，也会导致中断处理程序的调用，也是一种常见的任务；

一个进程在运行时就有进程运行空间和内核空间的CPU上下文切换。操作系统管理的任务包括：进程、线程、硬件触发信号这三种，

进程在这五种时候会被调度到 CPU 上运行： a、某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂，CPU 时间被划分为一段段的时间片 b、进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要等到资源满足后才可以运行； c、进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时 d、有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起， e、发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序。

用户态和内核态：进程的运行空间分为内核空间和用户空间，进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而进入内核空间的时候，被称为进程的内核态。

硬中断和软中断硬中断是由硬件产生的，比如，像磁盘，网卡，键盘，时钟等。每个设备或设备集都有它自己的IRQ（中断请求） https://www.cnblogs.com/bluestorm/p/8923838.html

Go 语言这种在用户态重造执行体和 IO 子系统：协程不走系统调用，协程切换只是寄存器的保存和恢复，所以可以在用户态下自己来实现；进程是操作系统调度，协程用户态自己来调度

2个核却有4个CPU：使用了超线程技术–双核四线程对普通进程来说，它能看到的其实是内核提供的虚拟内存，这些虚拟内存还需要通过页表，由系统映射为物理内存进程的虚拟地址空间比物理内存大很多，Linux提供了一系列的机制应对内存不足的问题，如缓存的回收(lru)、交换分区 Swap 以及 OOM 等

内存中的buffer和cache的区别：Buffer(缓存磁盘)、Cache(缓存文件系统)的读写数据； Buffer 和 Cache 的设计目的，是为了提升系统的 I/O 性能。它们利用内存，充当起慢速磁盘与快速 CPU 之间的桥梁，可以加速 I/O 的访问速度 Buffers 和 Cache 都是操作系统来管理的，应用程序并不能直接控制这些缓存的内容和生命周期。

一些很有技巧的命令 sed 和 awk、很神奇的正则表达式、灵活的管道和 grep