必須知道的操作系統(tǒng)原理

　　操作系統(tǒng)(英語：operating system，縮寫作 OS)是管理計算機硬件與軟件資源的計算機程序，同時也是計算機系統(tǒng)的內核與基石。操作系統(tǒng)需要處理如管理與配置內存、決定系統(tǒng)資源供需的優(yōu)先次序、控制輸入設備與輸出設備、操作網(wǎng)絡與管理文件系統(tǒng)等基本事務。操作系統(tǒng)也提供一個讓用戶與系統(tǒng)交互的操作界面。操作系統(tǒng)的類型非常多樣，不同機器安裝的操作系統(tǒng)可從簡單到復雜，可從移動電話的嵌入式系統(tǒng)到超級計算機的大型操作系統(tǒng)。許多操作系統(tǒng)制造者對它涵蓋范疇的定義也不盡一致，例如有些操作系統(tǒng)集成了圖形用戶界面，而有些僅使用命令行界面，而將圖形用戶界面視為一種非必要的應用程序。下面是小編收集整理的必須知道的操作系統(tǒng)原理范文，歡迎借鑒參考。

　　必須知道的操作系統(tǒng)原理(一)

　　進程概念是現(xiàn)在操作系統(tǒng)的基本概念，已經(jīng)成為計算機科學中的一大成就。

　　什么是進程?

　　進程的出現(xiàn)，是為了是操作系統(tǒng)可以以一種有序的方式管理應用的執(zhí)行，以達到以下目的：

　　資源對多個應用程序是可用的;

　　物理處理器在多個應用程序之間切換以保證所有程序都在執(zhí)行中;

　　處理器和I/O設備能得到充分利用;

　　所有現(xiàn)在操作系統(tǒng)采用的方法都是依據(jù)一個或者多個進程存在的應用程序執(zhí)行的一種模型。 到底什么是進程呢?

　　進程是一組元素組成的實體，它可以是一個正在執(zhí)行中的程序，也可以是一個能分配給處理器并由處理器執(zhí)行的實體。

　　進程的兩個基本元素是：程序代碼(program code)和代碼相關聯(lián)的數(shù)據(jù)集(set of data)。

　　在進程執(zhí)行時，任意給定一個時間，進程都可以唯一地表征為以下元素：

　　標識符：進程的唯一標識符，用來區(qū)別其他進程

　　狀態(tài)：進程在不同的生命周期有著不同的狀態(tài)

　　優(yōu)先級：相對于其他進程的優(yōu)先級

　　程序計數(shù)器：程序中即將被執(zhí)行的下一條指令的地址

　　內存指針：包含程序代碼和進程相關數(shù)據(jù)的指針，還有和其他進程共享內存塊的指針

　　I/O狀態(tài)信息：包括顯示的I/O請求、分配給進程的I/O設備和被進程使用的文件列表等

　　記賬信息：可能包括處理器時間總和、使用的時鐘數(shù)總和、時間限制、記賬號等

　　上述的列表信息被存放在一個稱為進程控制塊的數(shù)據(jù)結構中，該控制塊由操作系統(tǒng)創(chuàng)建 和管理。

　　進程狀態(tài)

　　在任何時刻，進程可以處于以下兩種狀態(tài)之一：運行態(tài)和未運行態(tài)，這是最簡單的兩狀態(tài)模型。在這個模型中，會有一個調度器(dispatcher)，使處理器從一個進程切換到另外一個進程。

　　由于存在著一些處于非運行狀態(tài)但已經(jīng)就緒等待執(zhí)行的進程，而同時存在另外一些處于堵塞狀態(tài)等待I/O操作結束的進程。

　　因此，解決這一問題比較自然的方法是使用五狀態(tài)模型： 運行態(tài)、就緒態(tài)、堵塞/等待態(tài)、新建態(tài)和退出態(tài)。

　　>>(1)被掛起的進程

　　上述的基本狀態(tài)提供了一種為進程建立系統(tǒng)模型的方法，并指導系統(tǒng)的實現(xiàn)。但是，往這個模型中添加其他狀態(tài)也是合理的。

　　由于處理器的運行速度遠大于I/O，以至于內存中所有的進程都在等待I/O的情況也是很常見的。因此，即使是多道程序設計，大多數(shù)處理器仍然可能處于空閑狀態(tài)。

　　一種解決方案是增大內存，使得內存中可以存在更多的進程。然而這種方案顯然是治標不治本的。

　　另外一種解決方案是交換(swapping)。當內存中沒有處于就緒狀態(tài)的進程時，操作系統(tǒng)就把被阻塞的進程換出到磁盤中的掛起隊列(suspend queue)。操作系統(tǒng)在此之后取出掛起隊列中的另一個進程，或者接受一個新進程，將其加載到內存中運行。這時，在進程狀態(tài)模型中添加了另外一個狀態(tài)：掛起態(tài)。

　　當操作系統(tǒng)從掛起隊列中取出一個依然阻塞的進程是毫無意義的，因為它仍然沒有準備好執(zhí)行。所以為了區(qū)分被掛起的進程哪些是可以取出的，需要設計另外一種掛起模型：為了區(qū)分，需要四個狀態(tài)：

　　就緒態(tài)：進程在內存中并可以執(zhí)行

　　阻塞態(tài)：進程在進程中并等待一個事件

　　阻塞/掛起態(tài)：進程在外存中并等待一個事件

　　就緒/掛起態(tài)：進程在外存中，但是只要被載入內存就可以執(zhí)行

　　總結一下掛起的進程的概念：

　　1.進程不能被立即執(zhí)行。

　　2.進程可能是或不是正在等待一個事件。如果是，阻塞條件不依賴于掛起條件，阻塞事件的 的發(fā)生不會使進程立即執(zhí)行。

　　4.為組織進程的執(zhí)行，可以通過代理把這個進程置于掛起狀態(tài)，代理可以是進程自己，也 可以是父進程或者操作系統(tǒng)。

　　5.　除非代理顯示的命令操作系統(tǒng)進行狀態(tài)轉換，否則進程無法從這個狀態(tài)中轉移。

　　6.　除了因為提供更多的內存空間，進程還會因為什么原因被掛起呢?

　　必須知道的操作系統(tǒng)原理(二)

　　1、進程與線程的區(qū)別

　　(1)粒度性分析：線程的粒度小于進程。

　　(2)調度性分析：進程是資源擁有的基本單位，線程是獨立調度與獨立運行的基本單位，出了寄存器，程序計數(shù)器等必要的資源外基本不擁有其他資源。

　　(3)系統(tǒng)開銷分析：由于線程基本不擁有系統(tǒng)資源，所以在進行切換時，線程切換的開銷遠遠小于進程。

　　2、進程的狀態(tài)及其轉換

　　3、進程同步與互斥的區(qū)別

　　互斥：是指某一資源同時只允許一個訪問者對其進行訪問，具有唯一性和排它性。但互斥無法限制訪問者對資源的訪問順序，即訪問是無序的。

　　同步：是指在互斥的基礎上(大多數(shù)情況)，通過其它機制實現(xiàn)訪問者對資源的有序訪問。在大多數(shù)情況下，同步已經(jīng)實現(xiàn)了互斥，特別是所有寫入資源的情況必定是互斥的。少數(shù)情況是指可以允許多個訪問者同時訪問資源。

　　簡單地說：同步體現(xiàn)的是一種協(xié)作性，互斥體現(xiàn)的是一種排他性。

　　4、進程間的通信方式有哪些?

　　(1) 管道( pipe )：管道是一種半雙工的通信方式，數(shù)據(jù)只能單向流動，而且只能在具有親緣關系的進程間使用。進程的親緣關系通常是指父子進程關系。

　　(2)有名管道 (named pipe) ： 有名管道也是半雙工的通信方式，但是它允許無親緣關系進程間的通信。

　　(3)信號量( semophore ) ： 信號量是一個計數(shù)器，可以用來控制多個進程對共享資源的訪問。它常作為一種鎖機制，防止某進程正在訪問共享資源時，其他進程也訪問該資源。因此，主要作為進程間以及同一進程內不同線程之間的同步手段。

　　(4) 消息隊列( message queue ) ： 消息隊列是由消息的鏈表，存放在內核中并由消息隊列標識符標識。消息隊列克服了信號傳遞信息少、管道只能承載無格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點。

　　(5)信號 ( sinal ) ： 信號是一種比較復雜的通信方式，用于通知接收進程某個事件已經(jīng)發(fā)生。

　　(6)共享內存( shared memory ) ：共享內存就是映射一段能被其他進程所訪問的內存，這段共享內存由一個進程創(chuàng)建，但多個進程都可以訪問。共享內存是最快的 IPC 方式，它是針對其他進程間通信方式運行效率低而專門設計的。它往往與其他通信機制，如信號兩，配合使用，來實現(xiàn)進程間的同步和通信。

　　(7)套接字( socket ) ： 套解口也是一種進程間通信機制，與其他通信機制不同的是，它可用于不同及其間的進程通信。

　　5、作業(yè)(或進程)的調度算法有哪些?

　　(1)先來先服務(FCFS，F(xiàn)irst-Come-First-Served): 此算法的原則是按照作業(yè)到達后備作業(yè)隊列(或進程進入就緒隊列)的先后次序來選擇作業(yè)(或進程)。

　　(2)短作業(yè)優(yōu)先(SJF,Shortest Process Next)：這種調度算法主要用于作業(yè)調度，它從作業(yè)后備隊列中挑選所需運行時間(估計值)最短的作業(yè)進入主存運行。

　　(3)時間片輪轉調度算法(RR，Round-Robin)：當某個進程執(zhí)行的時間片用完時，調度程序便停止該進程的執(zhí)行，并將它送就緒隊列的末尾，等待分配下一時間片再執(zhí)行。然后把處理機分配給就緒隊列中新的隊首進程，同時也讓它執(zhí)行一個時間片。這樣就可以保證就緒隊列中的所有進程，在一給定的時間內，均能獲得一時間片處理機執(zhí)行時間。

　　(4)高響應比優(yōu)先(HRRN，Highest Response Ratio Next): 按照高響應比((已等待時間+要求運行時間)/ 要求運行時間)優(yōu)先的原則，在每次選擇作業(yè)投入運行時，先計算此時后備作業(yè)隊列中每個作業(yè)的響應比RP然后選擇其值最大的作業(yè)投入運行。

　　(5) 優(yōu)先權(Priority)調度算法: 按照進程的優(yōu)先權大小來調度，使高優(yōu)先權進程得到優(yōu)先處理的調度策略稱為優(yōu)先權調度算法。注意：優(yōu)先數(shù)越多，優(yōu)先權越小。

　　(6)多級隊列調度算法：多隊列調度是根據(jù)作業(yè)的性質和類型的不同，將就緒隊列再分為若干個子隊列，所有的作業(yè)(或進程)按其性質排入相應的隊列中，而不同的就緒隊列采用不同的調度算法。

　　6、死鎖產(chǎn)生的原因，死鎖產(chǎn)生的必要條件是什么，如何預防死鎖，如何避免死鎖，死鎖定理?

　　死鎖產(chǎn)生的原因：(1)競爭資源;(2)進程推進順序不當。

　　死鎖產(chǎn)生的必要條件：

　　(1)互斥條件：一個資源一次只能被一個進程所使用，即是排它性使用。

　　(2)不剝奪條件：一個資源僅能被占有它的進程所釋放，而不能被別的進程強占。

　　(3)請求與保持條件：進程已經(jīng)保持了至少一個資源，但又提出了新的資源要求，而該資源又已被其它進程占有，此時請求進程阻塞，但又對已經(jīng)獲得的其它資源保持不放。

　　(4)環(huán)路等待條件：當每類資源只有一個時，在發(fā)生死鎖時，必然存在一個進程-資源的環(huán)形鏈。

　　預防死鎖：破壞四個必要條件之一。

　　死鎖的避免：銀行家算法，該方法允許進程動態(tài)地申請資源，系統(tǒng)在進行資源分配之前，先計算資源分配的安全性。若此次分配不會導致系統(tǒng)從安全狀態(tài)向不安全狀態(tài)轉換，便可將資源分配給進程;否則不分配資源，進程必須阻塞等待。從而避免發(fā)生死鎖。

　　死鎖定理：S為死鎖狀態(tài)的充分條件是：尚且僅當S狀態(tài)的資源分配圖是不可完全簡化的，該充分條件稱為死鎖定理。

　　死鎖的解除：

　　(1)方法1：強制性地從系統(tǒng)中撤消一個或多個死鎖的進程以斷開循環(huán)等待鏈，并收回分配給終止進程的全部資源供剩下的進程使用。

　　(2)方法2：使用一個有效的掛起和解除機構來掛起一些死鎖的進程，其實質是從被掛起的進程那里搶占資源以解除死鎖。

　　7、分段式存儲管理、分頁式存儲管理，兩個的區(qū)別?

　　分段式存儲管理：分頁存儲管理是將一個進程的地址(邏輯地址空間)空間劃分成若干個大小相等的區(qū)域，稱為頁，相應地，將內存空間劃分成與頁相同大小(為了保證頁內偏移一致)的若干個物理塊，稱為塊或頁框(頁架)。在為進程分配內存時，將進程中的若干頁分別裝入多個不相鄰接的塊中。

　　分頁式存儲管理：在分段存儲管理方式中，作業(yè)的地址空間被劃分為若干個段，每個段是一組完整的邏輯信息，如有主程序段、子程序段、數(shù)據(jù)段及堆棧段等，每個段都有自己的名字，都是從零開始編址的一段連續(xù)的地址空間，各段長度是不等的。

　　兩者的區(qū)別：

　　1、頁是信息的物理單位，分頁是為了實現(xiàn)非連續(xù)的分配，以便解決內存的碎片問題，或者說分頁是為了由于系統(tǒng)管理的需要。

　　2、頁的大小固定是由系統(tǒng)確定的，將邏輯地址劃分為頁號和頁內地址是由機器硬件實現(xiàn)的。而段的長度是不固定的，決定與用戶的程序長度，通常由編譯程序進行編譯時根據(jù)信息的性質來劃分。

　　3、分頁式存儲管理的作業(yè)地址空間是一維的，分段式的存儲管理的作業(yè)管理地址空間是二維的。

　　8、頁面置換算法有哪些?

　　(1)最佳置換算法(Optimal)：即選擇那些永不使用的，或者是在最長時間內不再被訪問的頁面置換出去。(它是一種理想化的算法，性能最好，但在實際上難于實現(xiàn))。

　　(2)先進先出置換算法FIFO：該算法總是淘汰最先進入內存的頁面，即選擇在內存中駐留時間最久的頁面予以淘汰。

　　(3)最近最久未使用置換算法LRU(Least Recently Used)：該算法是選擇最近最久未使用的頁面予以淘汰，系統(tǒng)在每個頁面設置一個訪問字段，用以記錄這個頁面自上次被訪問以來所經(jīng)歷的時間T，當要淘汰一個頁面時，選擇T最大的頁面。

　　(4)Clock置換算法：也叫最近未用算法NRU(Not RecentlyUsed)。該算法為每個頁面設置一位訪問位，將內存中的所有頁面都通過鏈接指針鏈成一個循環(huán)隊列。當某頁被訪問時，其訪問位置“1”。在選擇一頁淘汰時，就檢查其訪問位，如果是“0”，就選擇該頁換出;若為“1”，則重新置為“0”，暫不換出該頁，在循環(huán)隊列中檢查下一個頁面，直到訪問位為“0”的頁面為止。由于該算法只有一位訪問位，只能用它表示該頁是否已經(jīng)使用過，而置換時是將未使用過的頁面換出去，所以把該算法稱為最近未用算法。

　　(5)最少使用置換算法LFU：該算法選擇最近時期使用最少的頁面作為淘汰頁。

　　必須知道的操作系統(tǒng)原理(三)

　　在工作中經(jīng)常會遇到這樣的情況：想要安裝Linux但是計算機不帶光驅或軟驅，或者是筆記本配置的非標準的軟驅和光驅，如1394接口，USB接口等，在Linux安裝時所引導的Linux內核一般都不會帶這些接口的驅動，所以也無法通過本地安裝Linux，此外，在一些場合，如機房，IT實驗室，工廠生產(chǎn)線，有大量的計算機需要同時安裝Linux，如果通過光驅的方式一個個安裝，不僅效率低，也不利于維護。這是時候你就需要PXE的強大功能了。本文將就PXE的基本原理和工作方式進行簡要介紹。具體的實踐過程需要比較豐富的網(wǎng)絡知識。

　　1.操作系統(tǒng)安裝的流程

　　通用流程：首先，bios啟動，選擇操作系統(tǒng)的啟動(安裝)模式(此時，內存是空白的)，然后根據(jù)相關的安裝模式，尋找操作系統(tǒng)的引導程序(不同的模式，對應不同的引導程序當然也對應著不同的引導程序存在的位置)，引導程序加載文件系統(tǒng)初始化(initrd)程序和內核初始鏡像(vmlinuz)，完成操作系統(tǒng)安裝前的初始化;接著，操作系統(tǒng)開始安裝相關的系統(tǒng)和應用程序。

　　硬盤安裝的流程：bios啟動——MBR尋找grub——grub程序讀取menu.list等配置文件，找到內核啟動鏡像和相關初始化程序，安裝(或者啟動)。

　　PXE(Pre-boot Execution Environment)是由Intel設計，可以使計算機通過網(wǎng)絡啟動的協(xié)議。協(xié)議分為client和server兩端，PXE client在網(wǎng)卡的ROM中，當計算機啟動時，BIOS把PXE client調入內存執(zhí)行，并顯示出命令菜單，經(jīng)用戶選擇后，PXE client將放置在遠端的操作系統(tǒng)通過網(wǎng)絡下載到本地運行。

　　pxe網(wǎng)絡安裝的流程：bios啟動——pxe client中的程序進入內存，顯示命令菜單——此程序開始尋找網(wǎng)絡引導程序(bootstrap文件，這個文件的名字隨著發(fā)行版的不同而不同，在centos中，它是pxelinux.0)——引導程序讀取配置文件pxelinux.cfg，獲得系統(tǒng)初始化的相關文件信息——系統(tǒng)啟動，開始進行安裝。

　　2.pxe模式安裝操作系統(tǒng)的原理

　　2.1安裝流程

　　客戶機從自己的PXE網(wǎng)卡啟動，向本網(wǎng)絡中的DHCP服務器索取IP，并搜尋引導文件的位置

　　DHCP服務器返回分給客戶機IP以及bootstrap文件的放置位置(該文件一般是放在一臺TFTP服務器上)

　　客戶機向本網(wǎng)絡中的TFTP服務器索取bootstrap文件

　　客戶機取得bootstrap文件后之執(zhí)行該文件

　　根據(jù)bootstrap的執(zhí)行結果，通過TFTP服務器加載內核和文件系統(tǒng)

　　進入安裝畫面, 此時可以通過選擇FTP,HTTP,NFS方式之一進行安裝

　　2.2流程小結

　　總結就是：

　　1)網(wǎng)卡的client 網(wǎng)卡rom 尋找dhcp服務器，由/etc/dhcp.conf得到ip和引導程序所在地點

　　2)有dhcp.conf(引導程序文件名)和tftp的配置(tftp跟路徑，里面有引導程序和系統(tǒng)初始化程序)，得到引導程序pxelinux啟動文件的絕對路徑，運行引導程序，讀取啟動配置文件pxelinux.cfg/default，得到操作系統(tǒng)初始化的兩個相關文件

　　3)選擇安裝方式

　　客戶端廣播dhcp請求——服務器相應請求，建立鏈接——由dhcp和tftp配置得到ip還有引導程序所在地點——客戶端下載引導程序并開始運行——引導程序讀取

　　2.3.相關文件位置與內容:

　　dhcp配置文件/etc/dhcpd/dhcp.conf——ip管理與引導程序名稱

　　tftp配置文件/etc/xinetd.d/tftp——tftp根目錄，和上面的引導程序名稱組成完整路徑

　　引導程序讀取的配置文件/tftpboot/pxelinux.cfg/default——啟動內核其他

　　3.實戰(zhàn)過程

　　實戰(zhàn)環(huán)境;centos 6.3,kernel 2.6.32

　　3.1安裝前的準備：

　　軟硬件配置：網(wǎng)卡要支持pxe啟動，操作系統(tǒng)也要支持pxe啟動，另外有ftp服務器用于存儲操作系統(tǒng)的安裝文件，dhcp服務器用于分配ip

　　3.2服務器配置

　　1)配置dhcp服務器

　　由于PXE客戶機通常是尚未裝系統(tǒng)的裸機，因此為了如服務器取得聯(lián)系并正確下載相關引導文件，需要預先配置好DHCP服務來自動分配地址并告知引導文件的位置。

　　注明：filename這一個選項很重要,它的作用是指明bootstrap所在的位置,一般是指向一個TFTP服務器的某個目錄下。這里是相對路徑，其中路徑的上半部分在的一個配置文件之中。

　　2)配置tftp服務器

　　TFTP服務的配置文件是/etc/xinetd.d/tftp,RedHat9 默認安裝已經(jīng)生成了該文件

　　注明：這個文件基本上不用改動,但是需要注意的的是server_args= -s /tftpboot這一行,它的含義是將/tftpboot作為root目錄,這樣在dhcpd.conf中的filename一行就應該寫bootstrap的相對路徑: filename “pxelinux.0”，這是出于安全方面考慮的.如果你去掉了-s這個參數(shù),那幺就要在filename一行指出bootstrap的絕對路徑: filename “/tftpboot/pxelinux.0”.注意，這里-s的內容會因為發(fā)行版的內容不同而不同，一般不用改動。

　　3.3添加引導程序

　　Bootstrap對于支持網(wǎng)絡安裝的操作系統(tǒng)，Bootstrap基本上都可以從安裝源文件上找到，對于本例來說，centos的bootstrap就是cdrom：/isolinux/pxelinux.0我們把它們都拷貝到tftpboot下.

　　3.4編輯引導配置文件

　　把centos第一張安裝光盤上images/pxeboot目錄下的initr.img和vmlinux也考到tftpboot/目錄下。在/tftpboot創(chuàng)建pxelinux.cfg目錄,用于放isolinux的配制文件。光盤isolinux/下有一個isolinux.cfg文件，把它拷貝到/tftpboot/pxelinux.cfg/目錄下并改名為default.下面為修改后的default文件：

　　default linux

　　prompt 1

　　timeout 30

　　label linux

　　kernel vmlinuz

　　append initrd=initrd.img

　　這個Default 文件很容易看懂，就是告訴啟動后使用那個內核引導

　　3.5開始安裝

　　1)確保：服務器端剛才配置的幾個服務都處于開啟狀態(tài);關閉防火墻;bios中選擇從網(wǎng)絡啟動

　　2)剩下的步驟和從硬盤安裝相同