2025年【OS】新国立nus操作系统知识点（中文版）

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文章目录

1. Introduction to OS
- 本章涉及
- 1.1 什么是操作系统？
- 1.2 为什么我们需要操作系统？
- - 抽象 Abstraction
  - 控制程序
  - Summary
- 1.3 现代操作系统分类
- 1.4 操作系统结构
- OS结构
- OS是一个程序
- OS的实现
- - 单片OS `Monolithic OS`
  - 微核OS `Microkernel`
- 虚拟机 `Virtual Machines`
2. 进程抽象 `Process Abstraction`
- 2.1 进程管理
- - 回忆：C程序和编译代码
  - 回忆：程序执行——内存
  - 回忆：通用计算机架构
  - 回忆：组件介绍
  - 回忆：基本指令执行
  - 回忆：你需要知道的
- 2.2 内存层面 Memory Context：函数调用 Function Call
- - 2.2.1 函数调用 Function Call
  - - Function Call: Challenges
    - Function Call：控制流和数据 Control Flow and Data
  - 2.2.2 栈内存 `Stack Memory`
- 2.2.3 Illustration: Stack Frame v1.0
- - 函数调用约定`function call convention`
  - - 1. 准备进行一个函数调用：
    - 2. 调用函数g()
    - 3. 结束函数调用，回到调用者
    - 帧指针 `frame pointer`
    - 保存的寄存器 `saved register`
- 2.2.4 Illustration: Stack Frame v2.0
- 注意，这只是个例子。
- - 函数调用小结
- 2.3 内存层面 Memory Context：动态分配内存 Dynamically Allocated Memory
- - 堆内存 `Heap memory`
- 2.4 OS context：进程ID和进程状态 ProcessID & Process State
- 2.5 进程表和进程控制块 Process Table & Process Control Block
- - 进程表
- 2.6 进程和OS之间交互：系统调用 `System Calls`
- 2.7 进程和OS之间交互：Exception and Interrupt
- - Exception
  - Interrupt
  - Exception / Interrupt Handler
  - Summary
3. 进程调度 `Process Scheduling`
- 3.1 并发执行 `concurrent execution`
- - 简化的并发示例
- 3.2 交错执行 Interleaved Execution：context switch
- - 多任务OS
- 3.3 调度 Scheduling
- - 进程行为 Process Behavior
  - 处理环境 Processing Environment
  - 调度算法的评判标准 Criteria for Scheduling Algorithm
  - 什么时候执行调度？
  - 调度步骤
- 3.4 批处理调度 `Scheduling Fro Batch Processing`
- - （1）先到先得 First-Come-First-Served
  - （2）短任务优先 Shortest-Job-First SJF
  - （3）最短剩余时间 Shortest Remaining Time SRT
- 3.5 交互式系统的调度 Scheduling For Interactive System
- - 交互式环境的评判标准
  - 确保周期性调度
  - - Timer & Time Quantum
  - 调度算法
  - （1）循环赛 Round Robin （RR）
  - （2）优先调度 Priority Scheduling
  - （3）多级反馈队列 Multi-Level Feedback Queue (MLFQ)
  - - 规则
    - 例子1
    - 例子2: 例子1的基础上 + 中间有时候会出现短任务
    - 例子3
  - （4）彩票调度 Lottery Scheduling
  - - 性质
  - Summary
4. 线程 Threads
- 4.1 Motivation for Thread
- 4.2 线程 Thread of Control
- - 使用fork()创建多线程
  - 使用Thread..do多线程
  - Process and Thread
  - - 进程context交换 vs 线程交换
  - 线程优点
  - 线程的问题
- 4.3 线程模型 Thread Models
- - 用户线程 `User Thread`
  - 内核线程 Kernel Thread
  - 混合线程模型 Hybrid Thread Model
5. 进程间通信 Inter-Process Communication
- 5.1 共享内存 `Shared-Memory`
- - POSIX Shared Memory in *nix
  - - Master Program
    - Slave Program
- 5.2 信息传递 Message Passing
- - 命名机制：直接通信 Naming Scheme: Direct Communication
  - 命名机制：间接通信 Naming Scheme: Indirect Communication
  - 两种同步行为 Two Synchronization Behaviors
  - 优缺点
- 5.3 Unix Pipes
- - Piping in Shell
  - Unix Pipes
  - - Unix Pipes：as an IPC Mechanism
    - Unix Pipes: Semantic
    - Unix Pipe：System Calls
  - 示例代码
- 5.4 Unix Signal
6. 进程管理：同步 Process Management： Synchronization
- 并发执行的问题
- 竞争条件 Race Condition
- 临界区 Critical Section
- Critical Section的实现
- - （1）汇编层面实现 Assembly Level Implementation
  - （2）高级语言层面实现 High-Level-Language Implementation
  - （3）高级抽象 High-Level Abstraction
  - - Wait() and Signal()
    - 信号量例子：Critical Section
    - 互斥量的非正式证明 Mutex：Correct CS - Informal Proof
    - 不正确地使用信号量：死锁
  - （4）其他高阶抽象
- 经典的同步问题 Classical Synchronization Problems
- - （1）Producer-Consumer
  - - 生产者-消费者：忙等方式
    - 生产者-消费者：阻塞方式
  - （2）读者写者 Readers Writers
  - 哲学家进餐问题 Dining Philosophers: Specification
- `Tanenbaum Solution`
- `有限进食者 Limited Eater `
- 同步的实现 Synchronization Implementations
- - POSIX信号量
  - pthread 互斥量和条件变量 Mutex and Conditional Variables
  - 其他
7. 内存抽象 Memory Management：Memory Abstraction
- 7.1 内存基础
- - 硬件
  - 进程的内存使用
  - 操作系统的作用
  - Key Topics
- 7.2 内存抽象
- - 实际地址-没有内存抽象
  - - 优点
    - 缺点
  - 逻辑地址
  - - 改进：地址搬迁 Address Relocation
    - 改进：Base + Limit Registers
- 7.3 连续内存分配
- - - 多任务、context切换和交换 `Multitasking, Context Switching & Swapping`
  - 内存分区 `Memory Partitioning`
  - 固定大小分区
  - 可变大小分区
  - - 分配算法 `Allocation Algorithm`
    - 合并和压缩 `Merging and compaction`
    - - Example
    - 动态分配算法：伙伴系统 `Buddy system`
    - 伙伴系统：分配算法 Buddy System: Allocation Algorithm
    - 伙伴系统：释放算法 Deallocation Algorithm
    - 如何找到Buddy
8. 内存管理：不相交内存 Disjoint Memory Schemes
- 分页 Paging：基本思想
- 页表：查找机制
- 逻辑地址转换
- - 逻辑地址转换：基本技巧
  - 逻辑地址转换：公式
  - - 示例：4 个逻辑页，8 个物理帧
  - 分页：观察
  - 实施分页
  - 分页机制：硬件支持
  - - TLB：对内存访问时间的影响
    - TLB 和进程切换
    - 分页方案：保护
    - 分页方案：页面共享 Page Sharing
- 分割机制 segmentation scheme
- - 细分方案：动机
  - 分割方案：基本思想
  - 分段：逻辑地址转换
  - Segementation 优缺点
- 分页分割
- - 分页分割：基本思想
  - Summary
9. 虚拟内存管理 Virtual Memory Management
- 虚拟内存：Motivation
- - 虚拟内存：基本思想
  - 扩展分页机制
  - 访问页面 X：一般步骤
  - 虚拟内存：理由
  - 回顾：局部性原则 Locality Principles
  - 虚拟内存和局部性原则
  - 虚拟内存：总结
  - 更多
- 页表结构 Page Table Structures
- - 页表结构
  - 页表结构：直接分页
  - 2 级分页：基本思想
  - 2 级分页：优势
  - 倒页表：基本思想
- 页面替换算法
- - 内存引用建模
  - 页面替换算法：评价
  - **页面替换 (`Optimal Page Replacement, OPT`)
  - FIFO页面替换算法
  - - 先进先出：问题
  - 最近最少使用的页面替换 (Least Recently Used Page Replacement, LRU)
  - - LRU：实施细节
    - Second-Chance页面替换 (CLOCK)
    - Second-Chance：实施细节
- 帧分配
- - 帧分配和页面替换
  - 本地与全局替换
  - 帧分配和抖动 Frame Allocation and Thrashing
  - 找到正确的帧数
  - 工作集模型 Working Set Model
- Summary

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