软考 - 操作系统章节（摘要）

软件架构师

操作系统类型

操作系统：是计算机系统中的核心系统软件，负责管理和控制计算机系统中硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程和有效利用资源，在计算机与用户之间起接口的作用。

根据使用环境和对作业的处理方式，操作系统可分为：批处理、分时、实时、网络、分布式操作系统。

批处理系统的主要特征：有用户脱机使用计算机、成批处理、多道程序运行。
分时系统的主要特征：交互性、多用户同时性和独立性。
实时操作系统的主要特征：即时响应、高可靠性。
网络操作系统的主要特征：互操作性、协作处理。
分布式操作系统的主要特征：【待整理】。

无论何种操作系统都应具备5个基本功能：处理器管理、存储管理、设备管理、文件管理、作业管理。

操作系统结构（架构）

操作系统的结构可以分为：无序结构、层次结构、面向对象、对称多处理结构、微内核结构。

无序结构（整体结构、模块组合结构）：面向过程的操作系统，主要理由模块化设计来解耦。
层次结构：面向大型系统分解若干单向依赖的层次，如：MVC、MVP、MVVM等。
面向对象结构：适用于网络操作系统和分布式操作系统。
对称多处理结构：系统中的所有处理机运行且共享同一内存（内存储器、主存、实存）。
微内核结构：把系统的公共部分抽象出来，形成底层核心。提供最基本的服务，其它功能以服务器的形式建立在微内核之上。如：gulp符合微内核的架构，自身提供5个基本function用于定义任务、调度时机，其它服务由plugin实现。

原文是“结构”但总是觉得词不达意，理解成“架构”更恰当。

处理器管理

静态角度：进程由程序、数据、进程控制块（Process Control Block，PCB）组成。
动态角度：进程是计算机状态的有序集合。

PCB是进程存在的唯一标志，描述了进程的基本情况。主要分为：调度信息和执行信息两部分。

三态模型

1. 运行态：正在占用处理器。
2. 就绪态：具备运行条件，等待系统分配处理器以便运行。
3. 阻塞态：不具备运行条件，等待资源释放。

五态模型

三态模型假设所有进程都在内存中，但实际上可能出现由于进程不断创建，导致系统已不能满足进程运行的要求。这时候就必须挂起某些进程，对换到磁盘中（序列化写到本地，释放占用的内存）。

信号量与PV操作

在操作系统中，进程之间经常会存在互斥和同步两种关系。为了有效处理这两者，提出了信号量和PV操作。

• 信号量：一个整型S和一个队列。
• P操作：S=S-1，若S<0，进程执行pause，进入等待队列。
• V操作：S=S+1，若S<=0，resume等待队列中的一个进程。

P（信号量）
...
----临界区----
...
V（信号量）

互斥控制

1. 假设只允许1个进程进入临界区，即设置S=1。
2. 当进程调度发生时首先执行P操作，即S=S-1。
3. 此时S=0，不满足S<0的条件即进程可以进入临界区。我们假设临界区的代码执行完毕需耗时3秒。
4. 此时又有进程发生调度，即S=S-1。得到此时的结果S=-1，不满足可调度的状态该进程将会pause。并且如果S<0，则S的绝度值则表示等待调度的进程数量。
5. 3秒后第一个进程已经访问临界区完毕，则执行V操作S=S+1，得到结果是0。则之前阻塞的进程就绪被调度到临界区。
6. ……（省略）

同步控制

同步控制可以理解成为上述互斥控制的演化。

进程A           | 进程B
...             |   ...  
...             |  void pay();
P（信号量）       |  V（信号量）
...             |   ... 

需求是在B执行pay()完成之前，不允许进程A执行P（信号量）以下的方法。则我们需要设置S=0，这样需要依赖V操作，这样P操作才不会阻塞。

上面这个例子赋予一定的语义，就可以理解为最简单的生产消费模式。如：进程B先使用支付购买了提货券，然后进程A使用提货券进行消费。

理解PV操作

信号量的初值表示资源的可用数，如信号量初值=0，则会先做V操作。

PV操作一定是成对出现的。在互斥关系中它是在一个进程中成对出现，在同步关系中它是在多个进程中成对出现。