书籍豆瓣链接：《操作系统导论》
开始学习日期：10-27
预计完成时间：1-24
实际完成时间：
虚拟化
虚拟化CPU
在硬件的支持下，CPU交替执行多个程序，造成一种系统拥有非常多的虚拟CPU的假象。将单个CPU转换为看似无限数量的CPU，从而让多个程序看似同时运行，这就是虚拟化CPU。
进程
进程创建
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| 1. 程序最初是以可执行文件的形式存储在磁盘上的，运行程序第一件事就是从磁盘加载可执行文件到内存中(bss,data,text)。
2. 然后给程序的堆和栈空间分配内存。
3. 接着执行一些其他初始化任务（比如打开3个文件描述符：标准输入、标准输出、错误）
4. 启动程序，调转到main函数，OS将CPU控制权交给新创建的进程，从而程序开始执行。
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进程状态
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| 运行：占有CPU，正在执行指令；
就绪：准备执行，由于某些原因，在等待CPU资源，具备直接执行的条件；
阻塞：正在等待某些条件，不具备直接执行的条件；
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进程控制块
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| 储存关于进程信息的个体结构称为进程控制块（Process Control Block，PCB）。在linux内核中定义为task_struct。包含进程状态、打开的文件、进程的地址空间、挂起的信号、寄存器上下文等内容；
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进程API
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| fork 创建子进程，使用写时拷贝，读共享写隔离
wait 等待子进程完成
exec 从可执行程序中加载代码和静态数据，执行新程序
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受限直接执行
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| 用户模式下，应用程序不能完全访问硬件资源
内核模式下，操作系统可以访问机器的全部资源，还提供了陷入内核和从内核返回
LDE两个阶段：
1. 系统引导时，内核初始化陷阱表
2. 运行进程时，在使用从陷阱返回，开始执行进程之前，内核设置了一些内容。进程发出系统调用，会重新陷入操作系统
中断分类
1. 外部中断，io，时钟，控制台中断，由硬件引起，异步
2. 内部中断，又称异常，由cpu内部事件或程序执行中的事件引起的过程，由软件引起。同步
3. 陷阱，陷阱是主动、有意的，且其发生时间是确定的。而中断是被动，无意的，它的发生时间是不可预测的
时钟中断，操作系统中预先配置的终端处理程序会运行
上下文切换：进程在进行切换时，OS会保存进程A的寄存器的值，然后恢复待执行进程B的寄存器，OS将控制权移交给待执行进程B，进程B开始运行
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虚拟化内存
每个进程有自己的虚拟地址空间，操作系统将映射地址空间到物理内存，进程间地址空间相互隔离。对于正在运行的程序，好像完全拥有自己的物理内存。
内存操作api
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| 栈内存，自动内存，申请和释放编译器隐式管理
堆内存，malloc和free程序员手动完成
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常见错误
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| 忘记分配内存 段错误
没有分配足够的内存 缓冲区溢出
忘记初始化分配的内存 未知的值
忘记释放内存 内存泄漏
用完之前释放内存 悬挂指针
重复释放内存 结果未定义
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地址空间管理
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| 内存管理单元(MMU)，基址寄存器，界限寄存器，整个进程空间是连续内存
操作系统有两种方法，来解决大多数空间管理问题：
1. 将空间分割成不同长度的分片，就想虚拟内存管理中的分段，堆，空闲列表管理空闲空间。会造成空间本身碎片化，难以再利用。
2. 将空间分割成相同长度的分片，比如分页，一页4kb
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地址转换
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| 1. 每次都要读内存访问页表
TLB，地址转换缓存 缓存 时间局部性 空间局部性
2. 页表太大，消耗内存太多
多级页表，分页分段
tlb是页表的缓存，而内存时物理页的缓存
tlb未命中，由硬件或者操作系统在页表中查找页，如不存在引发缺页中断，将请求发送到磁盘，将页读取到内存中
如果内存被超额请求时，不停地换页，称为抖动
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内核进程空间
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| 地址空间上半部 内核空间 下半部 系统空间
用户进程共享内核地址空间，内核地址空间的页常住内存
内核地址空间存放系统代码和数据，包括页表
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并发
线程提供了在同一程序内共享内存地址空间运行的机制。线程机制支持并发程序设计技术。
linux实现线程的机制非常独特，从内核的角度看，他并没有线程的概念。linux把所有线程都当进程来实现。进程和线程都用task_stuct结构进行管理，线程仅仅被视为一个与其他进程共享某些资源（比如地址空间）的进程。windows和Sun Solaris等操作系统的实现差异非常大。这些系统都在内核中提供了专门支持线程的机制。
线程有自己的程序计数器(PC)，寄存器，线程栈
线程控制块(TCB)，保存每个线程的状态，控制线程之间的上下文切换
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| 临界区: 访问共享资源的一段代码，资源通常是一个变量或数据结构
竞态条件: 出现在多个执行线程同时进去临界区，试图更新共享的数据结构
不确定性: 程序由一个或多个竞争条件组成，导致程序输出结果不确定
互斥元语: 保证只有一个程序进入临界区
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锁
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| 希望原子式执行系列指令，但由于单处理器上的中断(或者多处理器并发执行)，使用锁可以实现
互斥锁，资源被占用，资源申请者只能进入睡眠状态
但自旋锁会一直自选，知道锁可用。需要抢占式调度器，否则，自旋锁在单cpu上不会放弃cpu。自旋时间比进程调度短，自旋锁就更加适合。
基于锁的数据结构
并发计数器
并发链表
并发队列
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条件变量
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| 线程需要检查某个条件，满足之后，才会继续运行
可以使用一个条件变量，来等待一个条件变真
wait 释放锁，调用线程失眠，被唤醒时必须重新获取锁
signal 唤醒等待在某个条件变量上的睡眠线程
broadcast 覆盖条件，唤醒所有等待在条件变量上的睡眠线程
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信号量
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| 信号量可以用作锁和条件变量
sem wait 减一，如果<0等待睡眠
sem post 加一，唤醒一个睡眠线程
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常见并发问题
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| 非死锁缺陷
1. 违反原子性
2. 错误顺序
死锁缺陷
1. 产生死锁的条件
互斥：对于需要的资源进行互斥访问
持有并等待：线程持有资源，同时等待其他资源
非抢占：线程获得的资源，不能被抢占
循环等待：
2. 解决方法
trylock 活锁
cas
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持久性
总线
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| 内存总线，连接内存系统
通用io总线，连接图像或其他高性能io
外围总线，将最慢的设备链接到系统，磁盘鼠标等
从上往下，速度越来越慢，造价便宜
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直接内存访问DMA
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| DMA 直接内存访问.就是数据不经过CPU.直接由内存和硬盘或者内存和硬件进行数据通信的方式.这种过程总.又CPU发出命令告诉哪些数据从内存中读写到那里.然后内存通过总线执行,数据传输完成够通知CPU.CPU只参与传输的开头和结尾.
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raid 廉价冗余磁盘阵列
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| raid0条带化
小块 文件跨多个磁盘条带化，增加读写并行性。增加定位时间
大块 减少并行性，减少定位时间
raid1镜像
对于每个逻辑块保留两个副本
raid4奇偶校验
加个逻辑校验盘，允许一个磁盘故障，奇偶校验盘是性能瓶颈
raid5旋转奇偶校验
每个条带的奇偶校验块在不同的磁盘上
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文件和目录
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| 目录项，所包含的文件的文件名，以及该文件的inode号
硬链接 ln
对同一个inode创建新的引用
符号链接 ln -s
将链接指向文件的路径名作为链接文件的数据
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文件系统接口
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| strace 跟踪程序在运行时所做的每个系统调用
stat 获取文件信息，文件元数据
open
write 文件系统会将写入在内存中缓冲
fsync 强制将所有脏数据写入磁盘
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文件系统实现
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| 超级块 包含整个文件系统信息，卷的大小，有多少inode，指向空闲链表头部指针
inode位图
数据位图
inode区域
数据区域
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