操作系统

响应用户输入指令达到控制硬件的效果的软件，叫做操作系统

常见的操作系统：Window、Linux、FreeBSD、MacOS

操作系统在内核空间，其他软件在用户空间。

操作系统结构

内核

操作系统的核心是内核，连接控制计算机的各种硬件设备。其他的软件不用直接和硬件联系，只用通过操作系统来进行调用
image.png

内核的基本能力

  • 管理进程、线程
  • 管理内存
  • 管理硬件设备
  • 提供系统调用

image.png

Linux内核

Linux内核由如下几部分组成：内存管理，进程管理，设备驱动程序，文件系统和网络管理等

Windows内核和Linux内核一致的地方

1、一切皆文件的观念一致，文件的格式不一样
2、内核映射方式一致
3、都用SOCKET进行网络通信
4、系统调用、中断

内存管理

虚拟内存

image.png
如何解决上面的问题？
造成的原因是两个程序都使用了绝对物理地址，这是要避免的

操作系统为每个进程分配独立的一套虚拟地址，然后提供一套映射关系和映射管理，所以

  • 我们程序使用的内存地址叫做虚拟内存地址
  • 实际存在硬件里面的空间地址叫做物理内存地址

操作系统引入了虚拟内存，进程持有的虚拟地址会通过CPU芯片中的内存管理单元（MMU）的映射关系，来转换变成物理地址，然后再通过物理地址访问内存
image.png

操作系统管理虚拟内存和物理地址之间关系的两种方式：
（1）内存分段（2）内存分页

内存分段

早期方案，通过段选择值和段偏移量，将内存分为一段一段的

不足之处：

  • 第一个是内存碎片的问题
  • 第二个是内存交换的效率低

内存分页

分页指的是将虚拟和物理内存空间都切成一段一段的固定大小，这样一个连续并且尺寸固定的内存空间，我们叫做页。Linux下，每一页大小为4KB
image.png

优点：

  • 因为是分页的，释放也是以页为单位，所以不会产生进程无法使用的小内存
  • 内存空间不够，需要置换部分数据到硬盘上时，一般是将其他正在运行的进程暂时没有使用的内存页面置换，所以一般为少数几页，效率相对较高

简单分页的缺点

空间上的缺陷

32位的系统，虚拟地址空间是4GB，假设每个页有4KB，那么需要100万页，每个【页表项】需要4个字节存储，那么这个映射空间就需要4MB的内存来存储页表。这只是一个进程，假如有100个进程

多级页表

例如二级分页，将页表（一级页表）分为 1024 个页表（二级页表），每个表（二级页表）中包含 1024 个【页表项】

多级页表的设计思路是：计算机中一个进程往往不会使用给它分配的全部内存，所以多级分页以后，页表占用的内存空间会远远小于不分级的情况

64位的系统，一般分为四级目录

Linux内存管理

Linux 内存主要采用的是页式内存管理，但同时也不可避免地涉及了段机制。支持分段机制属于历史遗留问题。实际Linux操作系统内核屏蔽了段式映射，因为每一段都是从0地址到4GB（32位系统）

每个进程都有各自独立的虚拟内存，但每个虚拟内存中的内核地址，关联的是相同的物理地址
image.png