操作系统——基础认识

每天一个计算机知识：操作系统基础

一、定义

站在用户视角，操作系统是一个为用户提供便捷、高效使用计算机环境的软件集合。但它的真正使命是：高效地管理硬件资源，并为上层软件提供统一且便捷的服务接口。

它的四个核心设计目标：

1、方便性**：**隐藏底层硬件细节，用户不必直接操控磁盘磁头或外设寄存器。

2、有效性**：**既要提升CPU、内存等资源的利用率，又要通过多道程序设计等技术提高系统吞吐量。

3、可扩充性**：**能够方便地增添新功能、支持新硬件，这要求系统架构具有良好的模块化与可修改性。

4、开放性**：**遵循国际标准，支持不同厂商的硬件与软件协同工作，如POSIX标准确保了UNIX系操作系统的互通。

二、功能

从资源管理的角度看，操作系统就是各类硬件资源的管理者，主要分为五大功能：

1、处理机管理：决定哪个程序可以使用CPU，何时使用，这对应着进程调度。

2、存储器管理：负责内存的分配与回收、地址转换、内存保护，以及实现虚拟存储器，让程序拥有比物理内存大得多的地址空间。

3、设备管理：对所有的I/O设备统一控制，处理中断、提供缓冲、实现设备的分配与虚拟化（如SPOOLing技术让独占打印机变为多用户共享）。

4、文件管理：把外部存储器上的数据组织为文件，提供按名存取、权限控制、空间分配等功能。

5、用户接口：提供用户与系统交互的途径，包括命令接口（命令行）、程序接口（系统调用）和图形用户接口（GUI）。

三、特征

这四个特征互为因果，共同定义了操作系统的运行方式。

并发：并发是操作系统最根本的特征。它指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。宏观上“同时进行”，微观上交替执行。注意区分并发与并行：并行是两个事件在同一时刻严格同时执行，需要多核硬件支持；而并发是单核条件下通过快速轮转实现的多任务假象。操作系统正是为了让多道程序并发执行而引入的，也因此引发了进程同步、互斥、死锁等一系列核心问题。

共享：共享指系统中的资源可供多个并发执行的进程共同使用。分为两种：

• 互斥共享：一段时间内只允许一个进程访问，如打印机、某些共享数据。
• 同时共享：宏观上允许多个进程同时访问，但微观上可能仍交替进行，如磁盘可以多个进程的请求交替读写。

并发与共享互为条件：没有并发，共享失去意义；没有共享，并发无法实现有效的资源共享。

虚拟：虚拟是将一个物理实体映射为若干个逻辑上的对应物，使用户感觉到独占使用。这是通过复用技术实现的：

• 时分复用：如CPU分时调度，让每个进程感觉独占CPU；虚拟存储器将磁盘空间当内存用，让程序觉得拥有超大连续内存。
• 空分复用：如将内存划分成多个逻辑独立的分区，每个进程都觉得自己独占了整个内存区域。

虚拟技术极大地提升了资源利用率和用户体验，是操作系统魔法般的抽象能力。

异步：异步也称不确定性。由于进程的并发执行，它们会以不可预知的速度推进，随时可能被打断或挂起。所以，进程的每次执行顺序和完成时间都是不确定的。操作系统必须确保任何时刻都能正确响应任意时刻到来的中断，并保证程序在多次执行下的最终结果一致。这一特性使得设计时必须考虑同步与互斥机制，确保结果的确定性。

四、核心运行机制

如果说并发是操作系统的表象，那么中断就是支撑并发的物理基石，而系统调用则是程序通往内核的唯一大门。

中断：现代CPU只有在发生中断或异常时，才会从用户态强制切回内核态，从而为操作系统执行的机会。没有中断，操作系统就无法重新获得CPU控制权，多道程序并发也就无从谈起。中断分为以下几类：

1、外中断（硬中断），来自CPU外部，如I/O设备完成通知、时钟中断。时钟中断尤其重要，它为操作系统提供了定期夺回CPU的能力，是实现时间片轮转调度的基础。

2、内中断（异常/陷入），来自CPU内部指令执行时发生的意外，如除以零、非法指令、访存越界、缺页等。此外，程序故意触发的软件中断（陷入指令），就是系统调用的进入点。

中断处理流程：

系统调用：操作系统通过内核提供一组精确定义的“应用程序编程接口”，即系统调用。例如，创建进程（fork）、读写文件（read/write）、申请内存（brk）等。应用程序绝对不能直接执行特权指令，必须通过系统调用委托内核代为执行。

典型执行过程（以Linux为例）：

系统调用的存在，既保证了内核的安全，又为程序提供了功能强大的服务，是用户程序与操作系统沟通的桥梁。

五、操作系统体系结构

根据内核功能的组织方式，主要分为两大流派：

大内核（宏内核）：将所有基本功能（进程调度、内存管理、文件系统、设备驱动）都集成在一个内核进程中，共享内核空间。优点是各模块通信开销小，性能高；缺点是结构庞大，一个模块的错误可能导致整个系统崩溃。Linux、Unix是典型代表。

微内核：只将最核心的功能（如中断处理、进程通信、基本调度）放入内核，其他如文件系统、设备驱动都作为用户进程运行，通过内核提供的消息传递机制通信。优点是结构清晰、可靠性高、易于扩展；缺点是频繁的消息传递会带来较大的运行开销，性能相对较低。鸿蒙系统内核、Mach（曾为Mac OS X所用）是代表。

许多现代操作系统还融合了分层、可加载模块等思想，实现兼顾性能与灵活性的混合内核，但万变不离其宗。

操作系统——内存管理

每天一个计算机知识点：内存管理

操作系统内存管理是计算机系统的核心功能之一，主要负责对计算机内存资源进行分配、回收、保护及优化，以确保多道程序高效、安全地运行。其根本目标是在有限的物理内存中，为多个进程提供逻辑上独立且充足的地址空间，同时最大化内存利用率并减少访问延迟。

一、内存地址

内存地址有两种，分别是逻辑地址和物理地址。

逻辑地址（相对地址/虚拟地址）：程序在编译、链接后形成的地址空间，从0开始连续编址，是程序视角的地址。
物理地址（绝对地址）：实际内存单元的硬件地址，从内存芯片的0号存储单元开始。

程序只有在运行时才分配到实际的物理内存，因此需要地址重定位，即把逻辑地址转换为物理地址，也就是常说的地址映射。

地址重定位的方式有两种，分别是静态重****定位和动态重定位。

静态重定位：在程序装入内存时，由软件（装入程序）一次性将所有逻辑地址修改为物理地址。这种方式要求程序装入后地址固定，不能移动，灵活性差。

动态重定位：在程序执行过程中，每次访存前，由硬件地址变换机构把逻辑地址加上一个重定位寄存器（基址寄存器）的值，形成物理地址。基址寄存器存放程序在内存中的起始物理地址。这样程序装入后仍可在内存中移动，是实现虚存的基础。

二、内存分配

早期的内存管理采用连续分配方式，即为一个进程分配连续的内存空间。这种方式简单但容易产生外部碎片，导致内存利用率低下。现代操作系统普遍采用非连续分配方式，主要包括分页存储管理和分段存储管理，以及两者的结合，段页式存储管理。

分页存储管理的基本思想是将逻辑地址空间分成固定大小的页，物理内存分成同样大小的页框（帧）。页面大小通常为4KB。分配时以页框为单位，进程的页面可以装入任何空闲页框，不要求连续。页表是系统为每个进程建立一张页表，记录页号到页框号的映射。逻辑地址高位为页号，低位为页内偏移。地址变换时，用页号查页表得到页框号，再拼接偏移量形成物理地址。

硬件提供****页表寄存器，存放页表起始物理地址和长度。每次访存先查页表，再做实际内存访问，因此至少两次访存（一次取页表项，一次读写数据）。这个速度问题由快表（TLB） 解决。TLB是高速缓存，存放最近使用的页表项，命中则只需一次访存。

多级页表：当逻辑地址空间很大时，页表本身可能极大。采用两级或多级页表，将页表再分页，只把用到的部分调入内存，节省页表占用空间。例如32位地址两级页表：页目录（10位）+页表索引（10位）+页内偏移（12位）。

反置页表：整个系统维护一张按物理页框号索引的表，记录每个页框被哪个进程的哪个页面占用。查找时需遍历，可结合哈希加速，可减少页表总内存占用，但地址变换稍复杂。

分段存储管理的产生是因为分页缺乏逻辑意义，一个程序通常由主程序、函数库、数据段、堆栈等逻辑单元组成。分段就是按这些逻辑单元将程序划分成不同段，每段从0编址，有独立名称和长度。段表是每个进程一张，记录段号到段基址和段长度的映射。逻辑地址由段号和段内偏移组成。段号查段表获得段起始物理地址，加上段内偏移。段表也有寄存器指示位置。若偏移超界，产生越界中断。

段页式存储是先分段再分页，每个段拥有自己的页表。逻辑地址由段号、段内页号、页内偏移组成。地址变换需三次访存（段表→页表→数据），同样靠TLB加速。它兼有段的逻辑优势与分页的物理管理优势。

三、虚拟内存

如果程序必须全部装入内存才能运行，可运行的程序大小就被物理内存牢牢限制。虚拟存储器突破了这个限制，它基于局部性原理（时间局部性和空间局部性）允许进程只装入部分页面或段即可运行，其余部分保留在磁盘，用到时再动态载入。当进程访问不在内存中的页面时，触发“缺页中断”，操作系统再从磁盘调入所需页面 ‌‌。

请求分页系统，是最常用的虚拟存储器实现方式，在基本分页基础上增加了页置换功能。页表项扩展是除了页框号，还需状态位P（标识页面是否已装入内存）、访问字段A（记录访问情况用于置换算法）、修改位M（指示页面是否被修改，决定换出时是否需写回磁盘）、外存地址（页面在磁盘上的位置）。缺页中断是当程序访问的页面不在内存（P=0）时，硬件触发缺页中断。

处理流程：

缺页中断与一般中断的关键区别：它可以在指令执行中间产生，且处理后必须返回重新执行该指令（因为缺页导致指令未完成）。

页面置换算法（核心，必会计算缺页率），当需要调入页面而无空闲页框时，必须选择某一页淘汰。目标：降低缺页率。

最佳置换算法（OPT）：淘汰未来最长时间不再被访问的页面。需要预知未来，无法实现，仅用作评价其他算法的理论标杆。
先进先出（FIFO）：淘汰最早调入的页。实现简单，但可能淘汰常用页。注意Belady异常：给进程分配的物理块增多，缺页次数反而可能增加（FIFO特有）。
最近最久未使用（LRU）：淘汰最近最久没有访问的页面。性能接近OPT，需要硬件记录访问次序（如栈或移位寄存器），开销大，常用近似实现。
时钟算法（Clock，又称NRU）：给每页关联一个访问位A，页面被访问时硬件置A=1。置换时，循环扫描页面，遇到A=1则清0并跳过，直到找到A=0的页面淘汰。这是LRU的近似，性能较好，实现开销小，实际系统常用。
改进型时钟算法：同时考虑访问位A和修改位M。优先淘汰(A=0,M=0)的页，其次(0,1)，然后(1,0)，最后(1,1)。减少写回磁盘的开销。

工作集模式是进程在某一时间间隔Δ内需要访问的页面集合。W(t, Δ)。如果分配给进程的物理块数小于其工作集，进程将频繁缺页，大部分时间都在等待页面调入。多道度太高，分配给每个进程的物理块不足以容纳其工作集时，系统频繁出现缺页中断，大部分CPU时间都花在页面换入换出上，吞吐量急剧下降。就出现了抖动，

预防抖动的方法：

采用工作集策略，动态调整物理块分配。
控制多道度，监测CPU利用率和缺页率，必要时挂起部分进程（通过中级调度）。
采用“L=S”准则：使缺页平均时间L等于页面换出时间S。

四、内存保护与共享

保护：防止进程非法访问其他进程或操作系统的内存。分页系统中，页表项中添加保护位（读/写/执行），地址变换时硬件检查。分段系统中，段表拥有段长和权限控制，越界或越权即中断。

共享：多个进程的页表项映射到相同的物理页框，实现代码或数据共享。分段因逻辑段独立，共享更方便；分页则需让共享页出现在各进程页表中的相同页框号。