操作系统原理的关键在于“一个观点、两条线索”：一个观点是以资源管理的观点来定义操作系统；两条线索是指操作系统如何管理计算机各类资源和控制程序的执行。

操作系统的类型和结构

按照操作系统的功能划分，操作系统的基本类型有：

• 批处理操作系统
• 分时操作系统
• 实时操作系统
• 网络操作系统
• 分布式操作系统
• 嵌入式操作系统
• 微内核操作系统

从资源管理的角度看，操作系统主要是对以下部分进行管理：

• 处理器
• 存储器
• 文件
• 设备
• 作业

操作系统在计算机和用户之间起接口的作用。操作系统为用户提供的接口表现形式一般为：命令、菜单、窗口之类的；而操作系统为应用程序提供的接口为API 。操作系统与硬件/软件的关系如图2-1所示。

操作系统基本原理

操作系统的功能主要是进行以下工作：

• 处理机管理(进程管理)
• 存储管理
• 设备管理
• 文件管理
• 作业管理

进程管理

处理机是计算机系统的核心资源，由于计算机速度越来越快，处理机的充分利用有利于系统效率的大大提高；处理机管理是整个操作系统的重心所在，其管理的好坏直接影响整个系统的运行效率；而且操作系统中并发活动的管理和控制是处理机管理下实现的，处理机管理集中了操作系统中最复杂的部分，它的设计好坏关系到整个系统的成败。

为了动态看待操作系统，以进程作为独立运行的基本单位，以进程作为分配资源的基本单位。因此，处理机管理也被称为进程管理。其功能主要是组织和协调用户对处理机的争夺使用，把处理机分配给进程，对进程进行管理和控制，最大限度发挥处理机的作用。

进程三态模型

由进程运行的间断性，决定进程至少具有以下三种状态：

• 就绪状态：当进程已分配了除CPU以外所有必要的资源后，只要能再获得处理机，便能立即执行；
• 执行状态：进程已获得处理机，其程序正在执行；
• 阻塞状态：进程因发生某事件（如请求、I/O、申请缓冲空间等）而暂时执行时的状态，也就是进程执行时受到阻塞。有时也称为“等待”状态、“睡眠”状态。

挂起状态

在不少系统中，进程只有如图2-2 的三种状态，但在另一些系统中，又增加了一些新的状态，其中最重要的就是挂起状态。引入挂起状态的原因是：

• 对换需要。为了缓和内存紧张的情况，而将内存中处于阻塞状态的进程换至外存上，使进程又处于一种有别于阻塞状态的新状态。因为即使该进程所期待的事件发生了，该进程仍不具备执行条件而不能进入就绪队列，称这种状态为挂起状态。
• 终端用户的请求。当终端用户在自己的程序运行期间，发现有可疑问题时，往往希望使自己的进程暂停下来。也就是说，使正在执行的进程暂停执行，若是就绪进程，则不接受调度以便研究其执行情况或对程序进行修改。把这种静止状态也称为挂起状态。
• 父进程请求。父进程常希望挂起自己的子进程，以便考查和修改子进程，或者协调各子进程间的活动。
• 负荷调节的需要。当实时系统中工作负荷较重，有可能影响到对实时任务的控制时，可由系统把一些不重要的进程挂起，以保证系统正常运行。
• 操作系统的需要。操作系统希望挂起某些进程，以便检查运行中资源的使用情况及进行记账。

ps: 里面静止阻塞->静止就绪 要注意，此时阻塞条件与挂起条件无关，即使满足了阻塞条件，但依旧无法运行，状态不会变成活跃阻塞，而会变成 静止就绪。

进程互斥 / 进程同步

• 临界资源 ： 一次仅允许一个进程使用的资源；

• 临界区：一个进程访问临界资源的那段程序代码，也就是互斥锁作用域得那段代码。

• 进程互斥：一组并发进程中，临界资源在某一时刻只被一个进程访问；

• 进程同步：进程之间是异步执行的，但是各进程按照一定的制约顺序和速度执行。

ps: 互斥是资源的竞争关系，同步是进程间的协作关系。

因此，必须有专门的同步机构来协调这2组关系。在操作系统中，信号量是一个整数，当信号量大于等于0时，表示可供并发进程使用的资源实体数；当信号量小于0时，表示正在等待使用临界区的进程数。

对信号量只能施加特殊的操作：P操作 和V操作。两者都是不可分割的原子操作，也称为原语。因此，P原语和V原语执行期间不允许中断发生。P操作的过程是将信号量-1，而V操作的过程是将信号量+1 。

• 针对进程互斥，设信号量mutex 用于互斥的信号量，初值为1，该信号量为公用信号量，表示没有并发进程使用该临界区，于是各并发进程的临界区可改写成下列形式的代码段：
  

• 针对进程同步，需要引入私用信号量，私用信号量只与制约进程和被制约进程有关，而不是与整组并发进程相关。经典同步问题的例子“生产者-消费者”问题，这要求存后再取，取后再存，即有两个制约关系，为此，需要2个信号量，表示缓冲区中的空单元数和非空单元数，记为Bufempty 和 Buffull ，它们的初始值分别为 1 和 0 ，相应的程序段形式如下：
  

前趋图

前趋图 是一个由结点和有向边构成的有向无循环图，用于表现事务间先后顺序的制约关系。

假设一条指令由Ai 、Bi 、 Ci 三步组成，则图中A1 没有前趋结点，称为开始结点，它不受任何制约，可以直接执行；而B1 和A2 只有在A1 执行完成后才可以开始，而B2必须在B1 和A2完成后才可以开始；C3没有后继结点，称为终止结点。

在前趋图中，执行先后顺序的制约关系可分为2种：直接制约 和间接制约。

• 直接制约： 指一个操作中，多个步骤之间的制约关系，也可以说是“同步的进程之间的制约关系”。如图2-4 中，A1 、B1、C1 直接制约。
• 间接制约：指多个操作之间相同步骤之间的制约关系，也可以说是“互斥的进程之间的制约关系”，如图2-4中，A1、A2、A3 间接制约。

进程调度

进程调度即处理器调度（又称为上下文转换），主要功能是让正在执行的进程改变状态并转入就绪队列的队尾，再由调度原语将就绪队列的队首进程取出，投入执行。

进程调度的方式有2类：剥夺方式和非剥夺方式。

• 剥夺方式：当就绪队列中有进程的优先级高于当前执行进程的优先级，便立即发生进程调度，转让处理机；
• 非剥夺方式：一旦某个作业或进程占用了处理器，别的进程就不能把处理器从这个进程手中夺走，直到该进程自己因调用原语操作而进入阻塞操作，或时间片用完而让出处理。

调度算法有：

• 先来先服务（First Come and First Served ,FCFS）调度算法，又称先进先出（First In and First Out ,FIFO）；
• 优先数调度。确定优先级的方法有静态优先级 和动态优先级，静态优先级是指进程的优先级在进程开始执行前确定，执行过程中不变；动态优先级则可以在进程执行过程中改变。
• 轮转法。每个进程执行一次，占有处理器时间都不超过规定的时间单元（时间片），若超过，则自行释放所占有CPU而拍到就绪队列末尾，等待下次调用。

死锁

死锁产生主要原因是供共享的系统资源不足，资源分配策略和进程的推进顺序不当。系统资源既可能是可重复使用的永久性资源，也可能是消耗性的临时资源。产生死锁的必要条件是：互斥条件、保持和等待条件、不剥夺条件、环路等待条件。

如，P1进程占有资源R1，P2进程占有资源R2，这时，P1需要资源R2，P2需要资源R1，它们在等待对方占有的资源时，又不会释放自己占有的资源，因而使双方都进入无限等待状态，即死锁。

解决死锁有2种策略：在死锁发生前采用的预防和避免策略；在死锁发生后采用的检测和恢复策略。

• 死锁的预防主要是通过打破死锁产生的4个必要条件之一来保证不会产生死锁。采用的死锁预防策略通常有资源的静态分配法或有序分配法，它们分别打破了资源动态分配条件和循环等待条件，因此不会发生死锁，但大大降低系统资源的利用率和进程之间的并行程度。
• 死锁避免策略，是在系统进行资源分配时，先执行一个死锁避免算法以保证本次分配不会导致死锁发生。但由于资源分配很频繁，因此死锁避免策略要消耗大量的CPU和时间。

ps:死锁发生概率较小，采用死锁发生后的检测和恢复策略 比 采用死锁发生前的预防与避免策略代价小些。

存储管理

设备管理

文件管理

作业管理