读现代操作系统第一二章笔记
第一章
os为用户提供一个更好、更清晰、更简单的计算机模型。
大多数的计算机有两种运行模式：内核态和用户态。软件中最基础的部分是操作系统，它运行在内核态中，在这个模式中，os具有对所有的硬件的完全访问权。
处理器
cpu是计算机的大脑，它从内存中取出指令并执行。一些对程序员可见的专用寄存器：程序计数器（保存了将要取出的下一条指令的内存地址）、堆栈指针（它指向内存中当前栈的顶端，该栈包含了每个执行过程的栈帧，保存了有关的输入参数，局部变量以及临时变量）、程序状态字（CPU优先级、模式）
改善性能的方法
- 流水线
- 超标量CPU，
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多线程和多核芯片
多线程允许CPU保持两个不同的线程状态，然后在纳秒级别时间尺度内来回切换，每个线程对于操作系统来说就像是单个CPU。
存储器
存储器的三个重要指标：执行指令的速度块、存储空间充分大
但是现在的技术无法满足这样的要求，所以有了如下图的分层次结构来应对不同的处理方式
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存储器系统中顶层是CPU中的寄存器，与CPU是相同的材料制成，所以和CPU一样快。典型的存储容量是32位的CPU是32*32，64位CPU是64*64，下一层是高速缓存，主要被分成告诉缓存行，其典型大小为64字节，地址0至63对应告诉缓存行0，一次类推
总线
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操作系统结构
课后习题
操作系统两大作用
提供用户抽象以及管理计算机资源
列举每种操作系统的作用
大型机：一些大型公司的数据中心可见；服务器：工作站；多处理器操作系统：将多个CPU连成单个操作系统；个人计算机操作系统：windows、linux；嵌入式操作系统：微波炉、电视机、汽车
分时系统和多道程序系统的区别是什么？
多道程序系统是将内存分为几个部分，当一个作业等待IO操作完成时，另一个作业可以使用CPU，如果内存中存放足够多的作业则CPU利用率可以达到接近100%；分时系统实际上是多道程序系统的一个变体。每个用户都有一个终端，多个作业轮流执行。云计算的概念：相对小型的计算机连接到巨大的远程数据中心服务器，本地计算机处理用户界面，而服务器进行计算
为了使用高速缓存，主存被划分为若干cache行，通常每行长度为32或64字节。每次缓存一整个cache行。每次缓存一整行而不是一个字节或一个字，优点是什么？
经验证据表明，存储器访问表现出引用局部原则，即如果读取某一个位置，则接下来访问这个位置的概率非常高，尤其是紧随其后的内存位置。 因此，通过缓存整个缓存行，接下来缓存命中的概率会增加。 此外，现代的硬件可以将32或64字节块整个传输到高速缓存行，比单个字节读取，总共读32或64字节的速度要快得多。
第二章进程与线程
1. 进程的模型
一个进程就是一个正在执行程序的实例，包括程序计数器、寄存器和变量的当前值。也就是说，每个进程拥有它自己的虚拟cpu。
2. 进程的创建
1）系统的初始化
2）正在运行的程序执行了创建进程的系统调用
3）用户请求创建一个新进程
4）一个批处理作业的初始化
进程分为前台进程和后台进程，还有一类进程负责处理电子邮件、web页面、新闻、打印之类活动的进程被称为守护进程。在UNIX和windows系统中，进程创建之后，父进程和子进程有各自不同的地址空间。如果其中某个进程在其他地址空间中修改了一个字，这个修改对其他进程而言是不可见的
3.进程的终止
1）正常退出
2）出错退出
3）严重错误
4）被其他进程杀死
4.进程的层次结构
进程只能有一个父进程，但是可以有多个子进程多个字进程。UNIX在启动时，一个称为init的特殊进程会出现在启动映像中。相反，Windows中没有进程层次的概念，所有进程都是地位相同的，唯一类似于进程层次的暗示的是创建进程的时候，父进程会得到一个句柄，用该句柄可以控制字进程，但是它有权力将这个令牌送给某个其他进程。
5.进程的状态
- 运行态（该时刻进程实际占用CPU）
- 就绪态（可以运行，即如果有空闲的CPU分配给它，它便能运行，但是目前尚未有空闲的CPU）
- 阻塞态（除非某种外部事件发生不然进程不能运行，比如说等待用户输入，必须有用户输入了才能继续运行）
6.进程的实现
为了实现进程模型，操作系统维护着一张表格（即进程表）每个进程占用一个进程表项：包括程序计数器、堆栈指针、内存分配状况、所打开的文件状态
7.线程
线程产生的原因：许多应用中同时发生着多种活动，其中某些活动随着时间的推移会被阻塞，通过将应用程序分解成可以准并行的多个顺序线程，程序设计会变得简单；线程比进程更轻量级，所以更容易创建也更容易撤销。进程就是用某种方法把相关的资源集中在一起。进程有存放程序正文和数据以及其他资源的地址空间，进程拥有一个执行的线程，通常简写为线程。
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8.进程间的通信（IPC）
主要考虑三个问题：（1）一个进程如何把信息传递给另一个（2）确保两个或多个进程在关键活动中不会出现交叉（3）正确的顺序。（2）、（3）的问题同样适用于线程
1.竞争条件
多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的精确时许，称为竞争条件。
2.临界区
在某些时候进程可能会访问共享内存或共享文件，或执行其他一些会导致竞争的操作，把对共享内存进行访问的程序片段称为临界区域或临界区，使得两个进程不可能同时访问临界区，就能避免竞争条件。
几种实现手段：
- 屏蔽中断
最简单的方法是使每个进程在刚刚进入临界区后立即屏蔽所有中断，并在就要离开之前再打开中断，CPU只有在发生中断或其他中断时才会进行线程的切换，这样，屏蔽中断后CPU将不会被切换到其他进程。缺点：中断的功能交给用户不合适；多核芯片数量越来越多需要更加复杂的计划。
锁变量
可能会发生和假脱机目录一样的问题
严格轮换法
轮流进入临界区，但是当一个进程比另一个进程慢很多时可能会出现忙等待
Peterson解法
TSL指令
TSL RX, LOCK
需要硬件支持的一种方案将一个内存字lock读到寄存器RX中，然后在该内存地址中存一个非零值，读字操作和写字操作是不可分割的，执行TSl指令的CPU将锁住内存总线，以禁止CPU在本指令结束之前访问该内存。不同于屏蔽中断，屏蔽中断不能阻止总线上第二个处理器访问该内存
9.睡眠与唤醒
之前的解法都是如此：当一个进程想进入临界区时，先检查是否允许进入，若不允许，则该进程将忙等待，直到允许为止（忙等待有一定的问题）。而睡眠与唤醒方法就是当进程无法进入临界区时，将其变为睡眠状态直到允许进入临界区时再唤醒
睡眠唤醒方式解决消费者-生产者问题：
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信号量
信号量取值可以为0或者为正值，并且有两个操作down和up，一个减少该信号量一个增加该信号量，
使用信号量来解决消费者-生产者问题：
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10.调度
调度算法分类：非抢占式调度算法挑选一个进程，然后让该进程运行直至被阻塞或者直到该进程自动释放CPU。相反，抢占式
课后作业
有三种进程状态理论上有六种转换状态，但是只有四种，其他两种可以实现吗
阻塞态不能转换到运行态，它需要先出现有效的输入后转化为就绪态才能继续转化为运行态。就绪态也不能转为阻塞态。
中断功能不能轻易给用户使用
然后让该进程运行直至被阻塞或者直到该进程自动释放CPU。相反，抢占式
课后作业
有三种进程状态理论上有六种转换状态，但是只有四种，其他两种可以实现吗
阻塞态不能转换到运行态，它需要先出现有效的输入后转化为就绪态才能继续转化为运行态。就绪态也不能转为阻塞态。
中断功能不能轻易给用户使用
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