3.4 Operation System Flashcards
什么是操作系统?
- 操作系统(Operating System，简称 OS)是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机系统 的内核与基石;
- 操作系统本质上是运行在计算机上的软件程序 ;
- 操作系统为用户提供一个与系统交互的操作界面 ;
- 操作系统分内核与外壳(我们可以把外壳理解成围绕着内核的应用程序，而内核就是能操作硬件的程序)。
进程和线程的区别是什么？
线程是进程划分成的更小的运行单位,一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。
线程和进程最大的不同在于基本上各进程是独立的，而各线程则不一定，因为同一进程中的线程极有可能会相互影响。
线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护;而进程正相反。
进程有哪几种状态？
创建状态(new) :进程正在被创建，尚未到就绪状态。
就绪状态(ready) :进程已处于准备运行状态，即进程获得了除了处理器之外的一切所需资源， 一旦得到处理器资源(处理器分配的时间片)即可运行。
运行状态(running) :进程正在处理器上上运行(单核 CPU 下任意时刻只有一个进程处于运行状 态)。
阻塞状态(waiting) :又称为等待状态，进程正在等待某一事件而暂停运行如等待某资源为可用 或等待 IO 操作完成。即使处理器空闲，该进程也不能运行。
结束状态(terminated) :进程正在从系统中消失。可能是进程正常结束或其他原因中断退出运 行。
进程间的通信常⻅的的有哪几种方式呢?
- 管道/匿名管道(Pipes) :用于具有亲缘关系的父子进程间或者兄弟进程之间的通信。
- 有名管道(Names Pipes) : 匿名管道由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信。为了克服 这个缺点，提出了有名管道。有名管道严格遵循先进先出(first in first out)。有名管道以磁
盘文件的方式存在，可以实现本机任意两个进程通信。 - 信号(Signal) :信号是一种比复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生;
- 消息队列(Message Queuing) :消息队列是消息的链表,具有特定的格式,存放在内存中并由消息队列标识符标识。管道和消息队列的通信数据都是先进先出的原则。与管道(无名管道:只存在 于内存中的文件;命名管道:存在于实际的磁盘介质或者文件系统)不同的是消息队列存放在内 核中，只有在内核重启(即，操作系统重启)或者显示地删除一个消息队列时，该消息队列才会被真正的删除。消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按 消息的类型读取.比 FIFO 更有优势。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式 字 节流以及缓冲区大小受限等缺。
- 信号量(Semaphores) :信号量是一个计数器，用于多进程对共享数据的访问，信号量的意图在 于进程间同步。这种通信方式主要用于解决与同步相关的问题并避免竞争条件。
- 共享内存(Shared memory) :使得多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对 方进程中对共享内存中数据的更新。这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等。可 以说这是最有用的进程间通信方式。
- 套接字(Sockets) : 此方法主要用于在客户端和服务器之间通过网络进行通信。套接字是支持 TCP/IP 的网络通信的基本操作单元，可以看做是不同主机之间的进程进行双向通信的端点，简 单的说就是通信的两方的一种约定，用套接字中的相关函数来完成通信过程。
那线程间的同步的方式有哪些呢?
- 互斥量(Mutex):采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为 互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。比如 Java 中的 synchronized 关键词和各种 Lock 都是这种机制。
- 信号量(Semphares) :它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资 源的最大线程数量
- 事件(Event) :Wait/Notify:通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程 优先级的比操
你知道操作系统中进程的调度算法有哪些吗?
先到先服务(FCFS)调度算法 : 从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程为之分配资源，使 它立即执行并一直执行到完成或发生某事件而被阻塞放弃占用 CPU 时再重新调度。
短作业优先(SJF)的调度算法 : 从就绪队列中选出一个估计运行时间最短的进程为之分配资源， 使它立即执行并一直执行到完成或发生某事件而被阻塞放弃占用 CPU 时再重新调度。
时间片轮转调度算法 : 时间片轮转调度是一种最古老，最简单，最公平且使用最广的算法，又 称 RR(Round robin)调度。每个进程被分配一个时间段，称作它的时间片，即该进程允许运行的 时间。
多级反馈队列调度算法 :前面介绍的几种进程调度的算法都有一定的局限性。如短进程优先的 调度算法，仅照顾了短进程而忽略了⻓进程 。多级反馈队列调度算法既能使高优先级的作业得 到响应又能使短作业(进程)迅速完成。，因而它是目前被公认的一种较好的进程调度算法， UNIX 操作系统采取的便是这种调度算法。
ref: https://www.jianshu.com/p/5c0d6af7f1d4
优先级调度 : 为每个流程分配优先级，首先执行具有最高优先级的进程，依此类推。具有相同 优先级的进程以 FCFS 方式执行。可以根据内存要求，时间要求或任何其他资源要求来确定优先 级。
操作系统的内存管理有哪几种方式?
- 块式管理 : 远古时代的计算机操系统的内存管理方式。将内存分为几个固定大小的块，每个块 中只包含一个进程。如果程序运行需要内存的话，操作系统就分配给它一块，如果程序运行只需 要很小的空间的话，分配的这块内存很大一部分几乎被浪费了。这些在每个块中未被利用的空 间，我们称之为碎片。
- ⻚式管理 :把主存分为大小相等且固定的一⻚一⻚的形式，⻚小，相对相比于块式管理的划 分力度更大，提高了内存利用率，减少了碎片。⻚式管理通过⻚表对应逻辑地址和物理地址。
- 段式管理 : ⻚式管理虽然提高了内存利用率，但是⻚式管理其中的⻚实际并无任何实际意义。 段式管理把主存分为一段段的，每一段的空间又要比一⻚的空间小很多 。但是，最重要的是段 是有实际意义的，把程序按内容或过程（函数）关系分成段，每个段定义了一组逻辑信息，例如,有主程序段 MAIN、子程序段 X、数据段 D 及栈段 S 等。 段式管理通过段表对应逻辑地址和物理地址。
- 段⻚式管理机制: 段⻚式管理机制结合了段 式管理和⻚式管理的优点。简单来说段⻚式管理机制就是把主存先分成若干段，每个段又分成若干⻚， 也就是说 段⻚式管理机制 中段与段之间以及段的内部的都是离散的。
⻚表管理机制中的快表 是什么概念？
为了解决虚拟地址到物理地址的转换速度，
操作系统在 ⻚表方案 基础之上引入了 快表 来加速虚拟地 址到物理地址的转换。我们可以把块表理解为一种特殊的高速缓冲存储器(Cache)，其中的内容是⻚ 表的一部分或者全部内容。作为⻚表的 Cache，它的作用与⻚表相似，但是提高了访问速率。由于采用 ⻚表做地址转换，读写内存数据时 CPU 要访问两次主存。有了快表，有时只要访问一次高速缓冲存储 器，一次主存，这样可加速查找并提高指令执行速度。
使用快表之后的地址转换流程是这样的: 1. 根据虚拟地址中的⻚号查快表; 2. 如果该⻚在快表中，直接从快表中读取相应的物理地址; 3. 如果该⻚不在快表中，就访问内存中的⻚表，再从⻚表中得到物理地址，同时将⻚表中的该映射 表项添加到快表中; 4. 当快表填满后，又要登记新⻚时，就按照一定的淘汰策略淘汰掉快表中的一个⻚。
⻚表管理机制中的 多级页表 是什么意思？
引入多级⻚表的主要目的是为了避免把全部⻚表一直放在内存中占用过多空间，特别是那些根本就不需 要的⻚表就不需要保留在内存中。多级⻚表属于时间换空间的典型场景。
ref： https://www.polarxiong.com/archives/多级⻚表如何节约内存.html
分⻚机制和分段机制有哪些共同点和区别呢?
- 共同点 :
- 分⻚机制和分段机制都是为了提高内存利用率，少内存碎片。
- ⻚和段都是离散存储的，所以两者都是离散分配内存的方式。但是，每个⻚和段中的内 存是连续的。 - 区别 :
- ⻚的大小是固定的，由操作系统决定;而段的大小不固定，取决于我们当前运行的程序。
- 分⻚仅仅是为了满足操作系统内存管理的需求，而段是逻辑信息的单位，在程序中可以 体现为代码段，数据段，能够更好满足用户的需要。
什么是逻辑(虚拟)地址和物理地址
我们编程一般只有可能和逻辑地址打交道，比如在 C 语言中，指针里面存储 的数值就可以理解成为内存里的一个地址，这个地址也就是我们说的逻辑地址，逻辑地址由操作系统决 定。物理地址指的是真实物理内存中地址，更具体一点来说就是内存地址寄存器中的地址。物理地址是 内存单元真正的地址。
为什么需要虚拟地址空间？
为什么要有虚拟地址空间呢? 先从没有虚拟地址空间的时候说起吧!没有虚拟地址空间的时候，程序都是直接访问和操作的都是物理内存 。但是这样有什么问题呢?
1. 用户程序可以访问任意内存，寻址内存的每个字节，这样就很容易(有意或者无意)破坏操作系 统，造成操作系统崩溃。
2. 想要同时运行多个程序特别困难，比如你想同时运行一个微信和一个 QQ 音乐都不行。为什么 呢?举个简单的例子:微信在运行的时候给内存地址 1xxx 赋值后，QQ 音乐也同样给内存地址 1xxx 赋值，那么 QQ 音乐对内存的赋值就会覆盖微信之前所赋的值，这就造成了微信这个程序 就会崩溃。
总结来说:如果直接把物理地址暴露出来的话会带来严重问题，比如可能对操作系统造成伤害以及给同 时运行多个程序造成困难。
通过虚拟地址访问内存有以下优势:
- 程序可以使用一系列相邻的虚拟地址来访问物理内存中不相邻的大内存缓冲区。
- 程序可以使用一系列虚拟地址来访问大于可用物理内存的内存缓冲区。当物理内存的供应量变小 时，内存管理器会将物理内存⻚(通常大小为 4 KB)保存到磁盘文件。数据或代码⻚会根据需 要在物理内存与磁盘之间移动。
- 不同进程使用的虚拟地址彼此隔离。一个进程中的代码无法更改正在由另一进程或操作系统使用 的物理内存。
什么是局部性原理（locality）？
局部性原理表现在以下两个方面:
1. 时间局部性 :如果程序中的某条指令一旦执行，不久以后该指令可能再次执行;如果某数据被 访问过，不久以后该数据可能再次被访问。产生时间局部性的典型原因，是由于在程序中存在着 大量的循环操作。
- 空间局部性 :一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也将被访问，即 程序在一段时间内所访问的地址，可能集中在一定的范围之内，这是因为指令通常是顺序存放、 顺序执行的，数据也一般是以向量、数组、表等形式簇聚存储的。
虚拟内存技术的实现有哪几种方法？
虚拟内存的实现需要建立在离散分配的内存管理方式的基础上。 虚拟内存的实现有以下三种 方式:
1. 请求分⻚存储管理 :建立在分⻚管理之上，为了支持虚拟存储器功能而增加了请求调⻚功能和 ⻚面置换功能。请求分⻚是目前最常用的一种实现虚拟存储器的方法。请求分⻚存储管理系统 中，在作业开始运行之前，仅装入当前要执行的部分段即可运行。假如在作业运行的过程中发现 要访问的⻚面不在内存，则由处理器通知操作系统按照对应的⻚面置换算法将相应的⻚面调入到 主存，同时操作系统也可以将暂时不用的⻚面置换到外存中。
- 请求分段存储管理 :建立在分段存储管理之上，增加了请求调段功能、分段置换功能。请求分 段储存管理方式就如同请求分⻚储存管理方式一样，在作业开始运行之前，仅装入当前要执行的 部分段即可运行;在执行过程中，可使用请求调入中断动态装入要访问但又不在内存的程序段; 当内存空间已满，而又需要装入新的段时，根据置换功能适当调出某个段，以便腾出空间而装入 新的段。
- 请求段⻚式存储管理
不管是上面那种实现方式，我们一般都需要:
- 一定容量的内存和外存:在载入程序的时候，只需要将程序的一部分装入内存，而将其他部分留 在外存，然后程序就可以执行了;
- 缺⻚中断:如果需执行的指令或访问的数据尚未在内存(称为缺⻚或缺段)，则由处理器通知操 作系统将相应的⻚面或段调入到内存，然后继续执行程序;
- 虚拟地址空间 :逻辑地址到物理地址的变换。
虚拟内存管理很重要的一个概念就是⻚面置换算法。那你说一下 ⻚面置换算法的作用?常 ⻅的⻚面置换算法有哪些?
地址映射过程中，若在⻚面中发现所要访问的⻚面不在内存中，则发生缺⻚中断 。
当发生缺⻚中断时，如果当前内存中并没有空闲的⻚面，操作系统就必须在内存选择一个⻚面将其移出 内存，以便为即将调入的⻚面让出空间。用来选择淘汰哪一⻚的规则叫做⻚面置换算法，我们可以把⻚ 面置换算法看成是淘汰⻚面的规则。
OPT ⻚面置换算法(最佳⻚面置换算法) :最佳(Optimal, OPT)置换算法所选择的被淘汰⻚面 将是以后永不使用的，或者是在最⻓时间内不再被访问的⻚面,这样可以保证获得最低的缺⻚ 率。但由于人们目前无法预知进程在内存下的若千⻚面中哪个是未来最⻓时间内不再被访问的， 因而该算法无法实现。一般作为衡量其他置换算法的方法。
FIFO(First In First Out) ⻚面置换算法(先进先出⻚面置换算法) : 总是淘汰最先进入内 存的⻚面，即选择在内存中驻留时间最久的⻚面进行淘汰。
LRU (Least Recently Used)⻚面置换算法(最近最久未使用⻚面置换算法) :LRU算法赋予 每个⻚面一个访问字段，用来记录一个⻚面自上次被访问以来所经历的时间 T，当须淘汰一个⻚ 面时，选择现有⻚面中其 T 值最大的，即最近最久未使用的⻚面予以淘汰。
LFU (Least Frequently Used)⻚面置换算法(最少使用⻚面置换算法) : 该置换算法选择在 之前时期使用最少的⻚面作为淘汰⻚。
