第2章操作系统 - 趣味学习

"饿了么么"上线一周，中午高峰期服务器直接卡死。老王冲进机房一顿重启："进程又卡死了！到底是哪个熊程序占着CPU不拉屎！"小明拦住他："你这么重启治标不治本。进程为啥卡死？啥叫死锁？为啥内存不够用？这些不搞清楚，你重启到天亮也没用。"

大牛哥推门进来："操作系统就是电脑的大管家——管CPU、管内存、管设备、管文件、管作业。这章的核心是一个观点、两条线索：用'资源管理'的观点看操作系统；一条线索管资源，一条线索控制程序执行。"

🏛️ 2.1 操作系统的类型与结构

操作系统是计算机中最基本的系统软件，既管软硬件资源又控制程序执行，在计算机与用户之间当接口。给用户的接口是命令/菜单/窗口，给应用程序的接口是API。

2.1.1 定义

一句话：操作系统是资源管理者+接口提供者。它合理组织工作流程、有效利用资源。

2.1.2 分类

按功能分：批处理（攒一批一起处理，吞吐高但无交互）、分时（时间片轮流，多用户交互）、实时（严格时限内响应）、网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统、微内核操作系统等。

批处理像洗衣店——攒满一缸再开机器，省水省电但你得等；分时像理发店——师傅每个客人剪一刀轮流来，大家都能在理；实时像救护车——一呼叫立刻出动，晚了要命。饿了么么抢单系统就是实时OS的需求，晚一秒单就被别家抢了。

⚙️ 2.2 操作系统基本原理：五大管理

从资源管理角度看，操作系统有五大管理：处理机(进程)管理、存储管理、设备管理、文件管理、作业管理。这就是"两条线索"里的资源管理线索。

🏃 2.2.1 进程管理：CPU的"排队系统"

处理机是核心资源，进程是处理机管理的最基本概念。进程是系统并发执行的体现——多道程序争夺CPU，用进程作为独立运行和分配资源的基本单位。

1. 进程是啥？程序不是进程

顺序程序按先后次序执行；多道程序系统里资源共享、程序并发执行，"程序"这个静态概念不够用了，于是有了进程——动态的、并发的、独立的运行单位。

💡 秒懂技巧：程序是菜谱（静态的，躺那儿不动），进程是正在炒的这锅菜（动态的，占了灶台、食材、厨师）。同一份菜谱可以同时炒好几锅（一个程序对应多个进程），但每锅是独立的进程。

2. 进程三态转换

进程至少有三个状态：

🟢 就绪：除CPU外资源都齐了，就等CPU分给它
🔴 执行(运行)：拿到CPU正在跑。单处理机只有一个进程在执行
🟡 阻塞(等待/睡眠)：等某事件（如I/O完成、申请资源）暂停了

状态转换规则：

运行→等待：启动了I/O或申请资源得不到
等待→就绪：等的事件来了（必须先进就绪，不能直接跳运行）
运行→就绪：时间片用完，或更高优先级进程抢占了
就绪→运行：被调度选中

两条死规则：阻塞不能直接进运行，就绪不能直接进阻塞。任何进程在任一时刻只处于一种状态。这是考点，别画错转换箭头。

3. 挂起状态

有些系统加挂起状态：进程被换到外存，原因有：①对换（缓解内存紧张）；②终端用户请求暂停；③父进程请求；④负荷调节；⑤OS检查记账。挂起分挂起就绪和挂起阻塞，被挂起的进程都不能被调度执行，只能显式激活。

4. 互斥与同步：临界资源的红绿灯

互斥是资源竞争关系——一次只许一个进程用的资源叫临界资源（如打印机），访问它的代码段叫临界区。同步是进程协作关系——按制约顺序和速度执行。

临界区协调四准则：①空闲让进；②忙则等待；③有限等待；④让权等待（等的时候释放CPU，别死占着）。

信号量是整数，≥0表示可用资源数，<0表示等待进程数。对它只能做P操作（减1，<0则阻塞自己）和V操作（加1，≤0则唤醒一个等待进程），都是原子操作不可中断。

王

老王

P和V到底咋记？老是搞反。

明

小明

P(Passeren=通过/申请)是"申请一把锁"，信号量减1，不够就等着；V(Vrijgeven=释放)是"交还钥匙"，加1，有人等就叫醒一个。临界区代码就是 P(锁) → 干活 → V(锁)。

生产者-消费者经典问题：两个信号量 Bufempty(空位数，初值=缓冲区大小) 和 Buffull(已用数，初值0)。生产者：生产→P(empty)→存→V(full)；消费者：P(full)→取→V(empty)→消费。先P再操作，操作完V，顺序不能乱，否则死锁。

💡 秒懂技巧：生产者像外卖骑手往柜台放餐，消费者像取餐顾客。柜台8个位（Bufempty=8），已放0个（Buffull=0）。骑手放一份：空位少1、已放多1；顾客取一份：已放少1、空位多1。骑手要等空位（P empty），顾客要等餐（P full）——互相配合就是同步。

5. 前趋图

前趋图是有向无环图，表示任务先后制约。直接制约是同一操作内多步骤间的关系（同步的进程间制约），间接制约是多个操作间相同步骤的制约（互斥的进程间制约）。如取指A1、分析B1、执行C1是直接制约；A1、A2、A3之间是间接制约。

6. 进程调度与死锁

调度原因：进程执行完、自己阻塞、P操作阻塞、时间片用完、更高优先级进程出现。调度方式分剥夺（优先级高就抢CPU）和非剥夺（不让出CPU谁也夺不走）。

调度算法：

📋 FCFS（先来先服务/FIFO）：按队来，简单但短任务被长任务拖累
⭐ 优先数调度：按优先级排队，分静态优先级和动态优先级
🔄 轮转法(Round Robin)：FCFS排队但每人每次不超过一个时间片，超了排队尾

死锁：若干进程互相竞争对方已占资源，无限期等待不能推进。如P1占R1等R2、P2占R2等R1，谁都不松手——死锁。

死锁四个必要条件（缺一不可）：①互斥；②保持和等待（占着已有还等新的）；③不剥夺（不能强行夺走）；④环路等待。

解决策略：预防（打破四个条件之一，如静态分配/有序分配）、避免（银行家算法分配前先算会不会死锁）、检测与恢复（发生后处理）。实际上死锁概率小，检测恢复的代价通常比预防避免小。

💡 秒懂技巧：死锁四条件像四人围坐、每人左手拿一根筷子、都等对方放下右手那根——互斥（筷子一次一人用）、保持等待（占着左手等右手）、不剥夺（不能抢）、环路等待（四人成环）。破任何一个就不死锁：规定一次拿两根（破保持等待）、编号按序拿（破环路）。

🎮 实战场景：饿了么么订单系统和库存系统互相等对方释放数据库连接——订单系统占着订单连接等库存连接，库存系统占着库存连接等订单连接。这就是死锁。小明的解法：给连接统一编号，按编号顺序申请（有序分配法），破坏环路等待条件。

🧠 2.2.2 存储管理：内存的精打细算

存储管理对象是内存，负责分配回收、保护、扩充。内存分系统空间（放OS）和用户空间（放用户程序）。虚拟存储器不考虑实际内存大小，容量由地址位数决定，给用户"内存比实际大"的错觉。

管理机制演化：单一连续区 → 分区 → 段页式。重点看段页式。

1. 页式存储管理

把程序逻辑空间和内存物理空间按同样大小分页，以页为单位分配。逻辑地址=(页号,位移)，系统为每个进程建页表记录逻辑页到物理页的映射。访问时查页表：在内存就拼物理地址；不在就产生缺页中断，从磁盘调入。

内存没空块时按算法淘汰一页，淘汰选择不当会抖动（刚调出又调入，反复折腾）。页面调度算法：

🏆 OPT（最优）：淘汰不再用或最远将来才用的。理想但难实现，作对比基准
🎲 RAND（随机）：瞎选一个，可能选中马上要用的
📤 FIFO（先进先出）：淘汰内存驻留最久的。简单，但可能踢频繁使用的页；页面数增多缺页反而增多（Belady异常）
📉 LRU（最近最少使用）：淘汰最久没用的。较合理，实现复杂

页面调度像书架放不下要拿走哪本书：OPT是先知——知道哪本再也不看；FIFO是"最先买的先拿走"——但可能把天天翻的词典拿走了；LRU是"最久没翻过的拿走"——最贴近实际。Belady异常是FIFO的怪事：书架变大了反而更频繁地搬书，简直反直觉。

2. 段式存储管理

按逻辑意义分段（主程序、子程序、数据段），以段为单位内外存交换。逻辑地址=(段号,位移)，系统建段表记录段号、段长、内存起始地址、状态。段不在内存产生缺段中断。段式便于共享和保护，但每个段要连续内存，易产生碎片。

3. 段页式存储管理

段式+页式的结合：按模块分段，段内再分页，内存按定长页分配。逻辑地址=(段号,页号,页内偏移)。系统为每个进程建段表，为每段建页表。段式分配+页式使用，便于动态连接和动态分配，提高利用率。开销大，一般大型机用。

💡 秒懂技巧：页式像把书按固定厚薄切块（不管内容），段式像按章节分（逻辑完整但厚度不一），段页式是先按章节分、每章再切等厚页——既有逻辑结构又好分配。虚拟存储就是"书桌放不下整本大辞典，就翻开要看的那几页放桌上，看完换页"。

🖨️ 2.2.3 设备管理：外设的调度员

1. 数据传输控制方式

外设和内存间数据传送的四种方式，从低到高：

🐌 程序控制方式：CPU启动传输然后死等设备完成。CPU利用率最低
📢 中断方式：启动后CPU干别的，设备完成发中断通知。能并发，但每传一个数据都要中断CPU
🚀 DMA方式：外设和内存间直接开辟数据通路，DMA控制器窃取CPU周期完成传输，大批量数据不用CPU操心
🏭 通道方式：通道(IOP)是独立的小处理器，执行自己的通道程序完成内存和外设间传输。有字节多路通道、选择通道、成组多路通道三种

程序控制像你亲自盯着快递装车，一箱一箱数；中断像快递说"装好了你忙别的我喊你"；DMA像雇了个搬运工直接往车上搬你不用数；通道像外包给物流公司，人家自己派车自己装，你只管下单。CPU越往后越省心。

2. 虚设备与SPOOLING技术

SPOOLING（假脱机/外部设备同时联机操作）用一道程序模拟外围控制机，把低速独占设备改造成可共享的虚设备，一台物理设备对应若干台虚拟同类设备。必须有高速大容量可随机存取的外存（磁盘）支持。

💡 秒懂技巧：SPOOLING像银行的取号机——打印机一次只能服务一个人（独占），但取号后大家先存到磁盘队列里"挂着号"，打印机按号一个个处理，对用户来说"打印机随时都能用"（虚设备）。多窗口技术也是同理：一台显示器模拟多个窗口。

📁 2.2.4 文件管理：数据的安全柜

文件系统负责组织、存取、保护数据。功能：建删改文件、按名访问、决定存放位置/形式/权限、管理共享和保护保密。

1. 文件的逻辑结构

用户角度的组织形式，分无结构字符流和有结构记录文件。记录文件四种：

顺序文件：记录定长按键排序，常用于批处理，查询某条性能差
索引顺序文件：基于键次序+维护索引和溢出区，交互和批处理都行
索引文件：按需要的属性建索引，索引本身是顺序文件
直接文件(Hash文件)：按物理地址随机访问，高速单条查询

2. 文件的物理结构

存储设备上的存放方法，分：

顺序分配(连续分配)：预先分配连续物理块。顺序存取快，但不能动态增长
链接分配(串联分配)：每块末尾存下一块指针。无碎片、可动态增长，但只能顺序访问、搜索慢
索引分配：为每个文件建索引表记录逻辑块到物理块映射。可动态增长、可随机访问，但索引表占空间、存取要两次访盘。UNIX用三级索引结构

3. 文件存储设备管理（空闲块）

索引法：把空闲块当文件用索引组织
链接法：链表组织空闲块
位示图法：每位对应一个物理块，0空闲1占用。字长32位管32个块，紧凑高效

4. 树型目录结构

根目录在顶层，子目录是节点，数据文件是树叶。从根开始的是绝对路径（如 c:\dos\lmouse\mouse），从当前目录开始的是相对路径（一般从..开始）。每个目录有 . (当前) 和 .. (父目录)。树型结构让每个文件路径名唯一，解决重名问题。

💡 秒懂技巧：树型目录像家谱树——根目录是老祖宗，子目录是各代子孙，文件是末端的"人"。绝对路径是从老祖宗数到这个人（完整地址），相对路径是"从我哥家往上一层就是我舅"（基于当前位置）。位示图像停车场显示屏——每车位一个灯，亮=占用灭=空闲，一眼看全。

📋 2.2.5 作业管理：从提交到完成

作业是系统为完成用户计算任务所做的工作总和。一个作业分多个作业步（编译→连接→运行），顺序执行完成一个作业。作业由程序、数据、作业说明书组成。

1. 作业四状态

📥 提交：作业从输入设备进外存(输入井)，信息正在进入系统
🗃️ 后备：全部信息进外存后建JCB(作业控制块)，系统通过JCB感知作业
⚙️ 执行：被调度选中，分配资源进内存，建相应进程
✅ 完成：正常运行结束，资源还没全部回收

2. 用户接口

命令接口：键盘命令、作业控制命令
程序接口(系统调用)：编程接口，是操作系统提供给编程人员的唯一接口。分设备管理、文件管理、进程控制、进程通信、存储管理等
操作环境：从命令驱动→菜单→图符→视窗

🎮 实战场景：饿了么么每天凌晨跑"昨日结算报表"批处理作业——提交(数据进磁盘)→后备(JCB就绪)→执行(调度进内存跑)→完成(输出报表、回收资源)。这就是典型的批处理作业生命周期。用户接口上，骑手App调的就是系统调用API，不是命令行。

操作系统：电脑的"大管家"