操作系统概述
操作系统（Operating System, OS）是管理计算机硬件与软件资源的系统软件，是用户与计算机硬件之间的接口。
操作系统的功能
- 进程管理：创建、调度、终止进程
- 内存管理：分配和回收内存空间
- 文件系统管理：组织和管理文件
- 设备管理：管理输入输出设备
- 网络管理：处理网络通信
进程与线程
进程
进程（Process）是程序的一次执行，是操作系统资源分配的基本单位。
// Linux下创建进程
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
pid_t pid = fork(); // 创建子进程
if (pid == 0) {
// 子进程
execlp("/bin/ls", "ls", NULL);
} else if (pid > 0) {
// 父进程
wait(NULL);
}线程
线程（Thread）是CPU调度的基本单位，同一进程内的线程共享进程资源。
#include <pthread.h>
void* thread_func(void* arg) {
int* n = (int*)arg;
// 线程工作
return NULL;
}
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, thread_func, &arg);
pthread_join(tid, NULL);进程 vs 线程
| 特征 | 进程 | 线程 |
|---|---|---|
| 资源分配 | 独立地址空间 | 共享进程资源 |
| 创建/销毁 | 慢 | 快 |
| 通信 | IPC复杂 | 直接读写共享数据 |
| 切换 | 慢 | 快 |
进程调度算法
常见调度算法
| 算法 | 特点 | 适用场景 |
|---|---|---|
| FCFS | 简单公平 | 教学理解 |
| SJF/SPF | 最短作业优先 | 优化周转时间 |
| RR | 时间片轮转 | 分时系统 |
| 优先级调度 | 优先级高者先执行 | 实时系统 |
| 多级反馈队列 | 综合多种优点 | 通用系统 |
C++实现简单的调度模拟
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
struct Process {
int pid; // 进程ID
int burst; // 执行时间
int priority; // 优先级
int arrival; // 到达时间
int waiting; // 等待时间
int turnaround; // 周转时间
};
void fcfsSchedule(vector<Process>& processes) {
sort(processes.begin(), processes.end(),
[](const Process& a, const Process& b) {
return a.arrival < b.arrival;
});
int time = 0;
for (auto& p : processes) {
if (time < p.arrival) time = p.arrival;
p.waiting = time - p.arrival;
time += p.burst;
p.turnaround = p.waiting + p.burst;
}
}内存管理
内存分配方式
- 连续分配：固定分区、可变分区
- 离散分配：分页、分段、段页式
分页系统
将内存划分为固定大小的页框，进程的逻辑地址空间划分为页面。
// 简化的分页地址转换
struct PageTableEntry {
int frame; // 页框号
bool valid; // 是否有效
};
int translateAddress(int logical_addr, int page_size,
const vector<PageTableEntry>& page_table) {
int page_num = logical_addr / page_size;
int offset = logical_addr % page_size;
if (!page_table[page_num].valid) {
throw runtime_error("Page fault");
}
return page_table[page_num].frame * page_size + offset;
}虚拟内存
虚拟内存让程序访问比物理内存更大的地址空间，主要技术包括：
- 请求分页：按需调入页面
- 页面置换算法：LRU、FIFO、Clock算法
死锁
死锁的四个必要条件
- 互斥：资源一次只能被一个进程使用
- 占有并等待：进程保持资源的同时请求其他资源
- 非抢占：资源不能被强制夺取
- 循环等待：形成进程资源的循环链
银行家算法
银行家算法用于避免死锁：
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
struct BankerAlgorithm {
int n, m; // n进程数, m资源种类数
vector<vector<int>> max_need; // 最大需求
vector<vector<int>> allocation; // 已分配
vector<vector<int>> need; // 仍需
vector<int> available; // 可用资源
bool isSafe() {
vector<int> work = available;
vector<bool> finish(n, false);
for (int iter = 0; iter < n; ++iter) {
bool found = false;
for (int i = 0; i < n; ++i) {
if (!finish[i]) {
bool canProceed = true;
for (int j = 0; j < m; ++j) {
if (need[i][j] > work[j]) {
canProceed = false;
break;
}
}
if (canProceed) {
for (int j = 0; j < m; ++j) {
work[j] += allocation[i][j];
}
finish[i] = true;
found = true;
}
}
}
if (!found) return false;
}
return true;
}
};文件系统
文件系统结构
boot block → super block → inode bitmap → data bitmap → inode table → data blocks
inode结构
每个文件对应一个inode，存储元数据：
struct inode {
int inode_no; // inode编号
mode_t mode; // 文件类型和权限
uid_t uid; // 文件所有者ID
off_t size; // 文件大小
time_t atime; // 访问时间
time_t mtime; // 修改时间
time_t ctime; // 状态改变时间
int blocks; // 占用块数
int block_ptr[15]; // 直接/间接块指针
};参考
- 操作系统 - 维基百科
- [Operating System Concepts - Silberschatz]