《操作系统思维导图》

一、操作系统概述

1.1 定义与作用

• 定义：管理计算机硬件与软件资源的系统软件，是计算机系统的核心。
  • 作用：
    • 资源管理：有效分配和管理计算机资源（CPU、内存、I/O设备）。
    • 进程管理：创建、调度、同步、通信和终止进程。
    • 存储管理：分配和回收内存空间，提供虚拟内存机制。
    • 设备管理：控制和驱动各种外围设备。
    • 文件管理：组织、存储、检索和保护文件数据。
    • 提供用户接口：用户可以通过命令或图形界面与操作系统交互。

1.2 操作系统的类型

• 批处理操作系统：
  • 特点：成批处理作业，自动化运行，资源利用率低。
  • 适用场景：早期的科学计算。
    • 分时操作系统：
  • 特点：多个用户共享计算机资源，交互性强，响应时间短。
  • 适用场景：多用户交互式应用。
    • 实时操作系统：
  • 特点：强调实时性，能在规定的时间内完成特定任务。
  • 适用场景：工业控制、航空航天等领域。
    • 网络操作系统：
  • 特点：支持网络通信和资源共享，提供网络服务。
  • 适用场景：服务器、网络设备。
    • 分布式操作系统：
  • 特点：将多台计算机组成一个逻辑整体，协同完成任务。
  • 适用场景：高性能计算、大规模数据处理。
    • 嵌入式操作系统：
  • 特点：体积小、功耗低、实时性强，专门为嵌入式设备设计。
  • 适用场景：智能手机、物联网设备。

1.3 操作系统的结构

• 单内核：所有操作系统服务都在内核空间运行。
  • 优点：效率高。
  • 缺点：稳定性差，模块耦合度高。
    • 微内核：内核只提供最基本的服务，其他服务在用户空间运行。
  • 优点：稳定性好，模块化，易于扩展。
  • 缺点：效率相对较低。
    • 混合内核：结合了单内核和微内核的优点。

二、进程管理

2.1 进程与线程

• 进程：程序的一次执行实例，拥有独立的资源。
  • 线程：进程中的一个执行单元，共享进程的资源。
  • 区别：
    • 资源：进程是资源分配的基本单位，线程是CPU调度的基本单位。
    • 开销：创建、销毁和切换进程的开销比线程大。
    • 并发性：一个进程可以包含多个线程，实现并发执行。
  • 多线程的优点：提高程序并发度，提高资源利用率。

2.2 进程状态

• 创建态：进程正在被创建。
  • 就绪态：进程已准备好运行，等待CPU调度。
  • 运行态：进程正在CPU上执行。
  • 阻塞态（等待态）：进程因为等待某个事件而暂停运行。
  • 终止态：进程执行完毕或被终止。

2.3 进程调度

• 调度算法：
  • 先来先服务 (FCFS)：按到达顺序调度。
  • 短作业优先 (SJF)：优先调度运行时间短的作业。
  • 优先级调度：根据优先级调度，优先级高的先运行。
  • 轮转调度：每个进程分配一个时间片，轮流执行。
  • 多级反馈队列调度：结合了多种调度算法。
    • 调度指标：
  • 周转时间：作业完成时间 - 作业到达时间。
  • 带权周转时间：周转时间 / 作业运行时间。
  • 响应时间：用户提交请求到系统首次响应的时间。

2.4 进程同步与互斥

• 临界区：访问共享资源的代码段。
  • 互斥：保证只有一个进程能访问临界区。
  • 同步：进程间协同完成任务，有先后顺序关系。
  • 实现方式：
    • 互斥锁 (Mutex)：保证只有一个线程能访问共享资源。
    • 信号量 (Semaphore)：控制多个线程对共享资源的访问。
    • 管程 (Monitor)：提供了一种更高级的同步机制。

2.5 进程间通信 (IPC)

• 管道：单向通信，适用于父子进程或兄弟进程。
  • 命名管道：允许无亲缘关系的进程通信。
  • 消息队列：以消息为单位进行通信，异步通信。
  • 共享内存：进程间共享一块内存区域，效率高。
  • 信号：通知进程发生某种事件。
  • Socket：用于网络通信。

三、存储管理

3.1 内存管理

• 连续分配：
  • 单一连续分配：整个内存空间分配给一个用户程序。
  • 固定分区分配：内存划分成固定大小的分区。
  • 动态分区分配：根据用户需求动态分配内存空间。
    • 分配算法：首次适应算法、最佳适应算法、最坏适应算法。
      • 非连续分配：
  • 分页存储管理：将进程的逻辑地址空间划分为固定大小的页，内存空间划分为页框。
  • 分段存储管理：将进程的逻辑地址空间划分为段，每个段大小可以不同。
  • 段页式存储管理：结合了分页和分段的优点。

3.2 虚拟内存

• 原理：允许进程使用大于物理内存的地址空间。
  • 实现方式：
    • 请求分页：只有当需要时才将页加载到内存。
    • 请求分段：只有当需要时才将段加载到内存。
  • 页面置换算法：
    • 最佳置换算法 (OPT)：选择未来最长时间内不会被访问的页面置换。
    • 先进先出置换算法 (FIFO)：选择最先进入内存的页面置换。
    • 最近最久未使用置换算法 (LRU)：选择最近最久未使用的页面置换。
    • 时钟置换算法 (Clock)：改进的FIFO算法。

3.3 地址映射

• 逻辑地址到物理地址的转换。
  • 页表：存储逻辑页号与物理页框号的对应关系。
  • 快表 (TLB)：高速缓存，存储常用的页表项，加速地址转换。

四、设备管理

4.1 I/O 系统

• I/O 设备：输入输出设备，如键盘、鼠标、显示器、硬盘。
  • I/O 控制器：控制 I/O 设备与 CPU 之间的通信。
  • I/O 驱动程序：操作系统中用于控制特定 I/O 设备的程序。
  • I/O 通道：独立于 CPU 的硬件设备，负责数据传输。

4.2 I/O 控制方式

• 程序直接控制：CPU 直接控制 I/O 设备，效率低。
  • 中断驱动 I/O：I/O 设备完成操作后，发送中断请求给 CPU。
  • DMA (直接内存访问)：I/O 设备可以直接访问内存，无需 CPU 干预。

4.3 磁盘管理

• 磁盘调度算法：
  • 先来先服务 (FCFS)：按请求到达顺序调度。
  • 最短寻道时间优先 (SSTF)：选择离当前磁头位置最近的磁道。
  • 扫描算法 (SCAN)：磁头在一个方向上移动，扫描所有磁道。
  • 循环扫描算法 (C-SCAN)：磁头在一个方向上移动，到达最后一个磁道后直接返回到起始位置。
    • 磁盘存储空间的管理：
  • 空闲空间管理：位图、链表。

五、文件管理

5.1 文件系统

• 文件的概念：一组带标识的、在逻辑上具有完整意义的数据项的序列。
  • 文件类型：文本文件、二进制文件。
  • 文件结构：顺序文件、索引文件、索引顺序文件。

5.2 文件目录

• 目录结构：
  • 单级目录：所有文件放在同一目录下。
  • 两级目录：用户目录 + 文件目录。
  • 树形目录：多级目录结构。
    • 目录项：文件名、文件属性、文件物理地址。

5.3 文件存储空间管理

• 连续分配：将文件存储在连续的磁盘块中。
  • 链接分配：将文件存储在不连续的磁盘块中，通过指针链接。
  • 索引分配：为每个文件建立一个索引表，存储文件块的物理地址。

5.4 文件保护

• 访问控制：
  • 访问矩阵：定义每个用户对每个文件的访问权限。
  • 访问控制列表 (ACL)：为每个文件关联一个列表，列出允许访问的用户及其权限。
  • capability 列表：为每个用户关联一个列表，列出该用户可以访问的文件及其权限。
    • 加密：对文件进行加密，防止未经授权的访问。

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