操作系统本质上是人机之间交互的接口，人通过操作系统（比如命令行、窗口、菜单）去操控计算机硬件；同时也是应用软件与硬件之间的接口（换而言之可以控制程序的运行）。
操作系统的五大作用：进程管理、存储管理、文件管理、作业管理、设备管理
上图就是典型的计算机结构：硬件层——>操作系统——>其他系统软件——>应用软件
一、进程与线程的基本概念
1、进程
进程是程序在一个数据集合上运行的具体过程，是一个动态的概念，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是程序的一次执行过程（创建就产生，撤销就消亡）
进程有两个基本属性：
1.可拥有资源的独立单位
2.可独立调度和分配资源的基本单位
进程由程序块（进程执行的程序）、进程控制块（PCB，进程执行的相关记录）和数据块（执行所需要的数据）组成。其中，PCB是进程存在的唯一标志，包括进程的标识符、状态、位置信息、控制信息、队列指针（用来链接同一状态的进程）、优先级、现场保护区等。
PCB的组织方式有多种，以下图为索引方式，即我们建立了一个索引表来查找对应的PCB：
（1）如果是顺序方式，逻辑顺序和物理顺序是一致的，即逻辑上相邻物理位置上也相邻，换而言之我们不需要索引表，指针和PCB直接对应，逐个往下查就可以了
（2）如果是链接方式，类似于链表，前面的节点有一个线索指向后面一个节点（索引方式是单独记录的，不一定是指向下一个），即我们不需要索引表，只要在PCB中设置好下一个PCB是谁就可以了
（3）还有不常用的hash方式，即根据hash函数计算存在哪里
程序是一个静态的概念，操作系统用不用，程序都客观存在。
2、线程
线程是进程内部的子单位（比如支持多线程的操作系统中，一个进程可创建多个线程），可以被独立调度，但不能分配资源；它的资源也不是独立被分配的，可能会与其他线程共享，但程序计数器、寄存器、栈空间不可共享。
二、进程的状态
动态的进程有不同的状态变迁，模型有很多种，这里以三态模型和五态模型为例。
三态模型是进程状态的基础，将整个进程运行状态分为了：运行、阻塞、就绪
该模型会把cpu（核心资源）和非cpu资源做分类，根据资源占据的情况来划分进程的状态，举例：
① 运行态：cpu资源就绪，非cpu资源也就绪了，进程就会被cpu调度从而进入运行态；一个进程不会长时间占用cpu资源，cpu资源会被划分为多个时间片，某一个进程自己的时间片用完了还未分到新的资源，就会进入就绪态去排队等待下一个时间片的到来；
② 就绪态：cpu资源就绪，非cpu资源未就绪，等待非核心资源的分配；
③ 阻塞态：两个资源都不足，等待资源。
如果考虑挂起，就会有五态模型，内存资源不足的时候，将某个进程挂起从内存移动到磁盘里变为静止xx的状态，后面我们再运行。
三、信号量与PV操作
由于在一个计算机中进程有很多，因此进程与进程之间就会有不同的关系，主要是互斥与同步
1、互斥：进程之间相互抵制，有些临界资源同一时间只能让少数进程来用，但是需要用它的进程很多，就会出现互斥现象，这种情况又叫做间接制约关系。
2、同步：进程之间的依赖关系，进程A可能会依赖于进程B的一些结果，但他们运行的速度有差异，所以就会出现进程A等待进程B或者进程B等待进程A的情况，这种情况叫直接制约关系。
一些背景知识：
临界资源：进程需要以互斥方式对其进行共享操作的资源，类似于缓存区，一次只能有一个进程使用
临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码
信号量(S)：特殊的变量，一种全局变量，可以拿来记录相应的资源数量
P操作：信号量减1（可以理解为占据/锁定/申请1个资源），如果信号量小于0就说明没有资源了，就把当前进程放入阻塞队列去等资源（S负的越多，等待资源的进程越多）；如果没小于0就继续
V操作：信号量加1（可以理解为释放资源的过程），如果信号量小于等于0，说明现在的阻塞队列里是有进程在排队的，就需要去通知下他们有资源可以用了，就会进入就绪状态；如果没有小于等于0就继续
四、前驱图与PV操作
前趋图包含了节点和键线，分别代表进程、进程与进程间的依赖关系，体现的是进程之间的直接制约关系（间接制约是资源制约），如下图，表示了A进程是B进程的前驱，B进程是A进程的后继（后继活动开始前前驱必须要完成，用（A,B）表示）
用PV理解前趋图，有如下前趋图：
在D进程开始之前，需要检查ABC是不是完成了，用P操作来看，就是D去请求一个资源，用V操作来看，就是ABC去释放一个资源，且三个信号量的初始值都是0；可以看出，前趋图中的箭头流入就是一个P操作，流出就是一个V操作，每一个键线代表一个信号量。
表示为：{ (A,D), (B,D), (C,D), (D,E) }
五、死锁
由于进程管理是操作系统的核心，如果设计不当就可能会出现死锁问题——即一个进程在等待一个永远不可能发生的事情，比如一个永远给不了它的资源
死锁要同时满足的四大条件才能成立：
- 互斥：某个资源为临界资源，其他进程拿不到，就会死锁
- 环路等待：比如A等B的cpu资源，B等A的内存资源，他们互相等待都不执行，就会死锁
3、不剥夺：进程不会剥夺其他进程正在用的资源，如果自己需要的资源其他进程在用，就会死锁
4、保持和等待：进程会保持当前的资源，会等待其他进程释放资源，如果他等不到就会死锁
打破死锁：
1、有序资源分配法：先给A分配组，再给B分配，不存在用了对方资源的情况
2、银行家算法
一、银行家算法
1、问题描述
（1）、研究银行家如何将总数 一定的资金，安全
地借给若干个顾客，使顾客既能满足对资金的需求，
也使银行家可以收回自己的全部资金，不至于破产
2、以下限制条件
（1）、每个顾客在借款前必须提前说明所需资金总额
（2）、每次借钱都是以一个单位进行（如，一个单位为一万人民币）
（3）、顾客在拿到一个单位的借款前可能需要等待
（4）、银行保证顾客的等待事件是有限的（借或者不借）
3、算法实例
4、算法策略：将资金优先借给需求较少的客户
5、应用场景
（1）、操作系统内核中的进程管理
（2）、数据库内核中的频繁事务管理
6、Qt中算法实施方案
（1）、使用多线程机制模拟客户和银行
（2）、银行优先分配给资源最小的客户
（3）、当客户的需求无法满足的时候
A、收回已分配的资源
B、强制线程结束
二、小结
1、银行家算法常用于资源分配的场合
（1）、解决的问题：保证资源分配的安全性
（2）、算法策略：优先选择量需求较少的客户进行资源分配
六、页式存储
操作系统有的时候会将外存中的一些文件调用到内存中给cpu使用，如果这个文件非常的大，即使一次只需要调用一点点，也很难遇到内存中有这么多连续的空间给你放置；所以我们需要把完整的内容切割之后再存储。
最常用的就是分页存储（页式存储），把我们需要存的程序和与之对应的内存划分成相同大小的区域，分别称为页和块，以页为单位存入内存空间，对应页存的内存称为块。
如下图，用户的文件被分为n页，并生成一个页表来记录页与块的映射（或：页号 与 块号/页帧号 的映射），其本质是逻辑地址和物理地址的映射。
逻辑地址和物理地址的页内地址都是一样的（即低位是一样的），就好比一本书，你把它拆散了重新订起来，需要重新编页，但是每一页的内容是不变的，原来的页码和重新编写的页码就好比页号和页帧号的对应关系，业内地址就好比你在这本书的哪个位置可以找到某个字，后者是不变的（比如8KB的页大小，就需要13位的页内地址来表示，即2^13）。
页式存储的优缺点：
- 优点：利用率高，碎片小，分配与管理简单
- 缺点：因为比较零碎，可能需要多次查询，增加了系统开销；可能产生抖动现象（如果分配给进程的存储块数量小于进程所需要的最小值，进程的运行将很频繁地产生缺页中断，这种频率非常高的页面置换现象称为抖动）
页表的其他属性：
访问位会定时被清理，时间是人为约定的
七、段式存储
分页存储的最大确定就是可能会把一串逻辑的代码切分到不同的页，因此就有了段式存储
段式存储：按用户作业中的自然段来划分逻辑空间，然后存入内存，段的长度可以不一样；
如下图，用户的作业被分为多个段，并生成一个段表来记录每一个段的 段号 与其 段长 与 基址 的映射。
与分页类似，我们也有：逻辑段地址 = 段号对应的基址 + 端内偏移量（必须>=段长）
比如上图上段号为2的逻辑地址，可以表示为 （2, 135K）、（2, 140K），只要偏移量大于段长即可，如果小于的话，逻辑地址到物理地址转换的时候地址会越界
段式存储的优缺点：
- 优点：多道程序共享内存（比如一个很常用的函数），各段程序修改互不影响
- 缺点：内存利用率低，内存碎片浪费大
八、段页式存储
即以上两种存储方法的结合，是段式和页式的综合体——先分段（大小不同），再分页（大小相同）
找到程序的过程，大概可以概括为：先查段表、再查页表，它的逻辑地址即为：段号 + 页号 + 页内地址， 的形式
段页式存储的优缺点：
优点：空间浪费小，存储共享容易、存储保护容易、能动态连接
缺点：由于管理软件的增加，复杂性和开销也随之增加，需要的硬件以及占用的内容也有所增加，使得执行的速度大大下降。
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