操作系统 part3

1、操作系统四特性

1. 并发：一个时间段，多个进程在宏观上同时运行
2. 共享：系统中的资源可以被多个并发进程共同使用（互斥共享，同时共享）
3. 虚拟：利用多道程序设计，利用时分复用（分时系统）和空分复用（虚拟内存），使得一台物理设备在感觉上像是多台物理设备
4. 异步：程序的执行不是一贯到底，而是走走停停，向前推进的速度是不可预知的

2、用户态和核心态

references：内核态和用户态

概念
用户态：用户态具有较低的权限（3环），运行在用户态的程序不能直接访问内核中的程序和数据结构。大部分用户面对的程序都是在用户态的，只能执行非特权指令。
内核态：具有较高的权限（0环），可以访问内存中所有的数据包括外围设备，能执行特权指令。sys_fork()就运行在内核态。
RING0~RING3的权限分级是通过硬件实现的。
每个进程中有两个栈：用户栈和内核栈。分别对应用户态和内核态。

用户态到内核态的切换
用户态切换到内核态的三种方式：系统调用，异常，外围设备的中断

1. 系统调用：用户态进程主动要求切换到内核态的方式，用户态进程通过系统调用来申请操作系统提供的服务。比如fork()创建新的进程。
2. 异常：CPU在执行用户态程序时发生了异常，就会切换到处理此异常的相关内核程序。比如缺页异常。
3. 外围设备的中断：外围设备完成用户请求的操作后，会向CPU发送相应的中断信号，那么CPU就会暂停下一条指令，然后去执行中断信号所指的程序。比如硬盘读写完成，

为什么要分用户态和内核态
CPU将指令分为特权指令和非特权指令。特权指令权限非常大（清内存、修改用户的访问权限），使用不当将导致程序崩溃，如果所有程序都能使用特权指令，那么这是很危险的。

3、缓冲区

references：缓冲区

概念
缓冲区是内存空间的一部分，即内存中预留了一定的存储空间，用来缓冲输入输出数据。

为什么引入缓冲区
高速设备和低速设备的速度不匹配，会让高速设备等待低速设备。
作用：

1. 解除两者制约关系，高速设备把数据输入缓冲区就可以去处理别的事情，低速设备从缓冲区读取数据。
2. 减少数据读写次数，如果每次传输的数据很少，那么传输的次数就要增加。如果使用缓冲区，待缓冲区满后再读出，次数就减少了。

分类
全缓冲：缓冲区填满时才调用IO操作。磁盘文件通常是全缓冲。
行缓冲：遇到' '换行符才调用IO操作，但是缓冲区满了没遇到' '也会调用IO操作。如命令行输入。
无缓冲：不进行缓冲。有的时候我们希望数据第一时间显示出来，比如显示错误信息stderr（标准错误）。

缓冲区的刷新

• 缓冲区满
• 关闭文件
• C++中提供了flush

缓冲区刷新时，会进行IO操作把数据读出

缓冲区溢出
计算机向缓冲区填充数据时超过了缓冲区本身的容量，溢出的数据覆盖到了合法数据上。
原因：没有检查用户输入的合法性。

4、协程

协程，又叫微线程，是一种用户态的“线程”，其实是一种函数。
线程、进程都是内核管理创建销毁等等，但是协程完全由程序控制，完全由程序员来调度，所以协程都在用户态下。线程、进程在多核情况下能进行并行，但是协程不行。

优点

1. 协程的切换开销很小，和内核没有关系，也不需要同步机制。
2. 单线程内就能实现高并发的效果。

缺点

1. 协程无法利用多核资源。
2. 协程阻塞将导致整个线程阻塞。

在Python中，可以使用yield/send来使用协程。
协程执行到yield会阻塞，然后等待send进来一个东西再继续执行

def consumer():  
  print("开始吃")  
  while True:  
	  str = yield  
	  print("吃了" + str)  
  
if __name__ == '__main__':  
  con = consumer() #消费者对象  
  next(con)  
  food = ["西瓜", "蛋糕", "馒头"]  
  for i in food:  
	  print("生产了" + i)  
	      con.send(i)
# 输出：  
开始吃  
生产了西瓜  
吃了西瓜  
生产了蛋糕  
吃了蛋糕  
生产了馒头  
吃了馒头