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操作系统是管理硬件资源、提供用户接口的系统软件，是硬件之上的第一层软件。

操作系统四大特征：并发(宏观同时)、共享(资源共用)、虚拟(物理变逻辑)、异步(不可预知)。

OS主要功能包括进程管理、内存管理、文件管理、设备管理和用户接口。

系统调用是用户程序请求OS内核服务的机制，通过trap指令从用户态切换到内核态。

中断是外部异步事件，异常是内部同步事件；两者都会导致CPU从用户态转入内核态。

OS经历批处理、多道程序、分时、实时等发展阶段，每个阶段解决不同的核心问题。

CPU有用户态和内核态两种运行模式，特权指令只能在内核态执行，通过中断切换模式。

OS结构有宏内核(整体式)和微内核两大类，宏内核性能好，微内核可靠性好。

操作系统引导是从加电到OS内核加载完成的过程，经历BIOS/UEFI→引导程序→内核加载。

虚拟机通过软件模拟硬件环境，分为Type-1(裸金属)和Type-2(宿主型)两类。

三态：就绪/运行/阻塞；阻塞不能直接变运行，必须先唤醒为就绪。

PCB是进程存在的唯一标志，包含PID、状态、PC、寄存器、内存信息、调度信息等。

进程是程序的一次执行过程，具有动态性、并发性、独立性和异步性。

进程控制通过原语实现创建(fork)、终止(exit)、阻塞(block)、唤醒(wakeup)等操作。

进程通信方式有共享内存(最快)、消息传递(最常用)和管道(半双工字节流)。

线程是CPU调度的基本单位，同一进程的线程共享地址空间和资源，切换开销小。

线程实现分为用户级线程(ULT)和内核级线程(KLT)，映射模型有多对一、一对一、多对多。

进程间通信的具体机制包括共享内存、消息传递、管道和信号，各有适用场景。

处理机调度分为高级(作业)、中级(内存)和低级(进程)三个层次，低级调度最频繁。

FCFS按到达顺序调度，非抢占，简单公平但对短作业不利，有护航效应。

SJF选择服务时间最短的作业优先执行，平均等待时间最优，但可能饿死长作业。

HRRN综合考虑等待时间和服务时间，响应比=(等待+服务)/服务，兼顾长短作业。

时间片轮转让就绪进程轮流使用CPU各一个时间片，适合分时系统，时间片大小是关键。

优先级调度选择优先级最高的进程执行，分静态和动态优先级，可能导致饥饿。

多级反馈队列设置多个优先级递减的队列，时间片递增，兼顾响应时间和吞吐量。

多处理机调度需要考虑负载均衡和处理器亲和性，可采用全局队列或每处理器队列。

上下文切换保存当前进程的寄存器状态并恢复下一个进程的状态，是纯开销。

同步是协调进程执行顺序，互斥是保证临界资源同一时刻只被一个进程访问。

临界区是访问临界资源的代码段，进入前需检查，遵循互斥、有空让进、有限等待原则。

信号量通过P(wait)和V(signal)操作实现同步互斥，P减1可能阻塞，V加1可能唤醒。

管程将共享数据和操作封装在一起，同一时刻只允许一个进程在管程内执行。

经典同步问题包括生产者-消费者、读者-写者、哲学家进餐，用信号量解决。

死锁是多个进程互相等待对方持有的资源而永远阻塞，需同时满足四个必要条件。

死锁预防通过破坏四个必要条件之一来防止死锁发生，但可能降低资源利用率。

死锁避免在资源分配前判断是否安全，银行家算法通过寻找安全序列来决定是否分配。

死锁检测用资源分配图简化判断是否死锁，解除方法有终止进程和资源剥夺。

软件实现互斥有Peterson算法等，通过共享变量和忙等待实现，不需要硬件支持。

硬件实现互斥有中断屏蔽、TestAndSet和Swap指令，原子操作保证不被打断。

锁是最基本的互斥机制，自旋锁忙等待适合短临界区，互斥锁阻塞等待适合长临界区。

条件变量配合互斥锁使用，wait释放锁并阻塞，signal/broadcast唤醒等待的线程。

分页将内存和进程都划分为固定大小的页/页框，通过页表实现地址转换，有内部碎片。

分段按逻辑意义划分为段(代码段/数据段等)，段长可变，有外部碎片，便于共享保护。

程序装入方式有绝对装入、可重定位装入和动态运行时装入，链接分静态和动态。

连续分配将进程放在连续内存区域，有单一连续、固定分区和动态分区三种方式。

分页存储管理通过页表实现地址转换，多级页表解决页表过大问题，TLB加速查表。

分段存储管理以段为单位分配内存，段表记录各段基址和长度，支持共享和保护。

段页式管理先分段再分页，兼具分段的逻辑性和分页的内存利用率，地址转换需三次访存。

内存管理负责地址转换、内存分配回收、内存保护和内存共享等基本功能。

FIFO 可能出现 Belady 异常；LRU/OPT 属栈式算法不会。

虚拟内存基于局部性原理，让程序使用比物理内存更大的地址空间，按需调入页面。

页面置换算法决定淘汰哪个页面，OPT最优但不可实现，LRU近似最优，FIFO有Belady异常。

页面分配策略决定给进程分配多少页框，有固定分配和可变分配，配合局部或全局置换。

请求分页系统在缺页时产生缺页中断，从外存调入所需页面，是虚拟内存的核心机制。

内存映射文件将文件映射到进程地址空间，通过内存访问方式读写文件，支持共享内存。

页框分配决定给进程多少物理页框，分配过少会频繁缺页(抖动)，过多浪费内存。

影响虚拟存储器性能的因素包括页面大小、TLB、页表组织和抖动，可通过多种方法改进。

索引分配为每个文件建立索引块，索引块中存放所有数据块的磁盘块号，支持随机访问。

FAT文件分配表将链接指针集中存放在一张表中，整个FAT常驻内存，支持随机访问。

文件保护通过访问控制列表(ACL)或能力表实现，Unix用rwx三类权限×三类用户。

文件系统实现包括引导块、超级块、inode区和数据区，超级块记录文件系统元信息。

文件是具有符号名的一组相关信息的集合，文件系统负责管理外存上的文件。

目录结构从单级发展到树形结构，树形目录通过路径名唯一标识文件。

文件共享通过硬链接(共享inode)或软链接(存路径名)实现，需要引用计数管理。

空闲空间管理方法有位图法、空闲链表法、成组链接法等，位图法最常用。

VFS是文件系统的抽象层，通过统一接口支持多种不同的文件系统共存。

inode存储文件元数据(大小、权限、时间、块指针等)，文件名存在目录项中不在inode中。

文件基本操作包括创建、删除、打开、关闭、读、写、定位等，打开后通过文件描述符访问。

文件逻辑结构分为无结构(字节流)、定长记录和变长记录文件，影响检索方式。

文件物理结构决定文件数据在磁盘上的存放方式，有连续、链接和索引三种分配方式。

目录操作包括创建、删除、搜索、列出内容、重命名和遍历目录树。

硬链接共享inode不能跨文件系统，软链接存路径名可以跨文件系统但可能悬空。

文件系统全局结构包括MBR、分区表、引导块、超级块、位图、inode表和数据块区。

文件系统挂载将一个文件系统关联到目录树的某个挂载点，实现统一的命名空间。

DMA(直接内存访问)由DMAC控制数据在内存和设备间直接传输，CPU只在开始和结束时介入。

设备驱动程序是OS中直接控制硬件设备的软件模块，向上提供统一接口，向下操作硬件。

磁盘调度算法决定磁头移动顺序，SCAN(电梯算法)和C-SCAN是常用算法。

I/O硬件包括设备控制器和设备本身，控制器通过寄存器与CPU交互。

I/O控制方式从程序查询到中断到DMA逐步减少CPU参与度，提高系统效率。

缓冲技术用于匹配CPU和设备的速度差异，有单缓冲、双缓冲和循环缓冲。

SPOOLing技术用软件模拟脱机I/O，将独占设备改造为共享设备，典型应用是打印机。

设备分配根据设备类型(独占/共享/虚拟)和分配策略将设备分配给请求的进程。

I/O软件分为用户层、设备无关层、驱动层和中断处理层四个层次，各层功能不同。

I/O应用程序接口分为块设备接口、字符设备接口和网络设备接口，提供阻塞/非阻塞模式。

设备驱动程序接口定义了驱动必须实现的标准函数集，使OS能统一管理不同设备。

磁盘物理格式化划分扇区，逻辑格式化建立文件系统结构，分区将磁盘划分为独立区域。

SSD无机械部件读写快，但有写放大和寿命限制，磨损均衡算法延长使用寿命。