进程与线程：

并发和并行的区别：

并发：并发是多个事件在同一个时间段内执行

并行：并行是多个事件在同一时间点执行

**进程：**一个进程就是一个正在执行的程序的实例，一个程序可以若干个实例。

进程的创建：

4种事件会引起进程的创建：

1. 系统初始化
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

进程的终止：

1. 正常退出（自愿的）
2. 出错退出（自愿的）
3. 严重错误（非自愿）
4. 被其他进程杀死（非自愿）

进程的实现：

操作系统维护者一个表格–进程表，每个进程表占用一个进程表项（PCB），PCB包含了进程状态的重要信息，包括程序计数器、堆栈指针、内存分配状况、所打开文件的信息、账号和调度信息

线程：

多线程的优点：

1. 某些应用需要并行实体拥有共享同一个地址空间和所有可用数据的能力，而这正是多进程模型（它们具有不同的地址空间）所无法表达的
2. 由于线程比进程更轻量级，所以他们比进程更容易创建，也更容易撤销，在有大量线程需要动态和快速修改时，具有这一特性是很有用的
3. 若多个线程都是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I/O处理，拥有多个线程允许这些活动彼此重叠进行，从而会加快这些应用程序的执行速度
4. 在多CPU系统中，多线程是有益的，这样的系统中真正的并行有了实现的可能

进程和线程的区别：

1. 地址空间：同一线程的进程共享本进程的地址空间，而进程之间则是独立的地址空间
2. 资源拥有：同一进程的线程共享本进程的资源如内存、I/O、CPU等，但是进程之间的资源是独立的
   • 一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响，但是一个线程崩溃整个进程都死掉。所以多进程要比多线程健壮
   • 进程切换时，消耗的资源大，效率高。所以涉及到频繁的切换时，使用线程要好于进程。同样如果要求同时进行并且要共享某些变量的并发操作，只能用线程而不能用进程。
3. 执行过程：每个独立的进程都有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序入口。但是线程不能独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。
4. 进程是拥有资源的基本单位，线程是调度的基本单位
5. 两者均可并发执行

关于用户及内核线程的实现见纸质材料

内存管理

存储管理器：

有效管理内存，记录哪些内存正在使用、哪些内存空闲、在进程需要时为其分配内存，在进程使用完后释放内存

把物理地址暴露给进程的严重问题：

1. 可以通过寻址内存来破坏操作系统

2. 很难同时运行多个程序

地址空间：

地址空间是一个进程可用于寻址的一套地址集合。每个进程都有一个自己的地址空间，并且这个地址空间是独立于其他进程的地址空间的

动态重定位：

把每个进程的地址空间映射到物理内存的不同地方

给每个CPU配置两个特殊硬件寄存器：基址寄存器、界限寄存器

当一个进程运行时，程序的起始物理地址装载到基址寄存器中，程序的长度装载到界限寄存器中。

每次一个进程访问内存，CPU硬件会把地址发送到内存总线前，**自动把基址值加到进程发出的地址值上。**同时，它检查程序提供的地址是否大于或等于界限寄存器里的值。

**缺点：**每次访问内存都需要进行加法和比较运算

处理内存超载的通用方法：

1. 交换技术

   把一个进程完整调入内存，使该进程运行一段时间，然后把它存回磁盘

   空闲进程主要存在磁盘上，所以当他们不运行就不会占用内存

   内存紧缩：

   通过把所有的进程尽可能向下移动，能够将小的空闲去合成一块（通常不进行这个操作，因为它要耗费大量的CPU时间）

可增长的进程：

​ 移动进程时需要为它分配一些额外的内存

空闲内存管理：

​ 跟踪内存使用情况的方法：

位图：

内存被划分成小到几个字大到几千个字的分配单元。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。

缺点：

把占k个分配单元的进程调入内存时，需要搜索到有k个连续0的串，很耗时（因为在位图中串有可能跨越字的边界）

空闲区链表 ：

维护一个已分配内存段和空闲内存段的链表。

为进程分配内存的四种方法：

1. 首次适配算法：

   存储管理器沿着段链表搜索，直到找到一个足够大的空闲区，除非空闲区大小和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，另一部分作为新的空闲区

2. 下次适配算法：

   每次找到合适的空闲区都记录当时的位置，以便在下次寻找空闲区时从上次结束的地方开始搜索

3. 最佳适配算法

   搜索整个链表，找出能容纳进程的最小空闲区

   缺点：需要搜索整个链表，所以比首次适配算法要慢，但令人意外的是它比首次适配和下次适配算法浪费更多的内存（因为它会产生大量无用的小空闲区）

4. 最差适配算法

   分配最大的可用空闲区，使新的空闲区较大而可以继续使用

5. 快速适配算法

   为常用大小的空闲区维护单独的链表

上述的1-4的方法，提高了分配速度，但是增加了复杂度和内存释放速度变慢

2、虚拟内存

能使程序在只有一部分被调入内存的情况下运行

基本思想：

每个进程拥有自己的地址空间，这个空间被分割成多个块，每一个块称作一页或页面。虚拟内存可以使得整个地址空间可以用相对较小的单元映射到物理内存，而不是为正文段和数据段进行重定位。许多程序的片段同时保存在内存中。当一个程序等待它的一部分读入内存是，可以把CPU交给另一个进程使用。

分页：

分页：虚拟地址空间按照固定大小划分为被称为页面的若干单元。而物理内存中对应的单元被称为页框（桢）。

虚拟地址通过内存管理单元映射为物理内存地址

若出线页面没有被映射，CPU陷入到操作系统，这个陷阱称为缺页中断或缺页错误，操作系统找到一个很少使用的桢且把它的内容写入磁盘，随后把刚才需要访问的页面读到刚才回收的桢中，修改映射关系，然后重新启动引起陷阱的指令。

**页表：**虚拟地址被分为虚拟页号和偏移量两部分

分段：一个段号和一个段内地址，段的长度可以动态变化

分段和分页：

分页：为了得到大的线性地址空间而不必购买大的物理存储器

分段：为了使程序和数据可以被划分为逻辑上独立的地址空间并且有助于共享和保护

文件系统（操作系统中处理文件的部分）

常用文件系统：FAT-16、FAT-32、NTFS（多了基于unicode编码的文件名）、ReFS（弹性文件系统）、exFAT

地址空间保存信息的三个问题：**

• 存储容量受虚拟地址空间大小的限制
• 进程终止时，它保存的信息也随之丢失
• 经常需要多个进程同时访问同一信息

文件是进程创建的信息逻辑单元

存储在文件中的信息必须是持久化的，也就说不会因为进程的创建与终止而受到影响

文件

文件命名：

文件是一种抽象机制，它提供了一种在磁盘上保存信息并且方便以后管理的方法。

**文件扩展名：**圆点后面的部分称为文件扩展名

文件结构：

字节序列：

操作系统不关心文件内容是什么，操作系统所见到的就是字节，其文件内容的任何含义只在用户程序中解释。（UNIX，WINDOWS采用这种方法）

记录序列：

读操作返回一个记录，而写操作重写或追加一个记录

记录树：

每个记录不必具有相同的长度，记录的固定位置上有一个键字段。这棵树按“建”字段进行排序，从而可以对特定“键”进行快速查找。

文件类型：

• 字符特殊文件（UNIX独具）

• 块特殊文件（UNIX独具）

• 普通文件：包含用户信息的文件

  分为ASCII文件和二进制文件

  二进制文件：有五个段（文件头、正文、数据、重定位位、符号表）

  文件头以所谓魔数开始，表明该文件是个可执行文件

• 目录：管理文件系统结构的系统文件

文件访问：

顺序访问：

从头按顺序读取文件的全部字节或记录，但不能跳过某一些内容，也不能不按顺序读取。例如磁带

随机访问文件：

可以不按顺序读取文件的字节或记录，或者按照关键字而不是位置来访问记录

文件属性：

定义： 文件创建的日期和时间、文件大小等附加信息称为文件属性，有些人称为元数据。

文件操作：

1. create：创建不包含任何数据的文件。该调用的目的是表明文件即将建立，并设置文件的一些属性

2. delete:删除文件以释放磁盘空间

3. open:把文件属性和磁盘地址表装入内存，便于后续调用的快速访问

4. close：关闭文件以释放内部表空间

5. read：在文件中读取数据，调用者必须指明需要读取多少数据，并且提供放这些数据的缓冲区

6. write：向文件写数据。如果当前位置是文件末尾，文件长度增加；否则当前位置在文件中间，则现有数据被覆盖，并且永远丢失

7. append：在文件末尾添加数据

8. seek：对于随机访问文件，使用seek将当前位置指针指向文件中特定位置。seek调用只有，就可以从该位置读写数据

9. get atrributes：读取文件属性

10. set attributes：用户自定义设置文件属性

11. rename：改变已有文件名字

目录

目录操作：

硬链接：

系统调用指定一个存在的文件和一个路径名，并建立从该文件到路径所指名字的链接。这种类型的链接增加了改文件的i节点的计数器的计数，有时称为硬链接。

**缺点：**只能用于同一分区

符号链接：

文件系统沿着路径找到文件名，然后使用这个新文件名启动对文件操作的相关进程

**优点：**能够跨越磁盘的界限，甚至可以命名在远程计算机上的文件

**缺点：**没有硬链接有效率

四种I/O控制方式的优缺点及适用场景：

（1）程序I/O控制方式：

优点：

控制简单，不需要多硬件支持

缺点：

CPU利用率低
不能实现设备间的并行工作
无法发现和处理产生的错误

（2）中断驱动I/O：

优点：

可以实现CPU与设备间的并行操作
可以实现设备与设备间的并行操作
CPU利用率高

缺点：

中断次数多
耗费CPU的时间
容易造成数据丢失

（3）使用DMA的I/O：

优点：

减少了CPU中断的处理次数
数据传输过程中不需要CPU干预

缺点：

存在一定局限性，与CPU的并行率不高

（4）使用通道的I/O：

优点：

一个通道可以控制多台外设，且与CPU并行工作时间最长

缺点：

价格较高，不宜过多使用