操作系统是管理计算机硬件和软件资源，并且提供用户交互的软件系统
常见操作系统有Windows，Linux，Android
操作系统具备管理计算机资源的功能，具备抽象计算机资源的能力，能和用户进行交互
操作系统实质上是一个很复杂的控制软件，可以管理应用，资源管理，管理外设等等
操作系统的架构的层次是在硬件之上，应用之下
OS Kernel：可并发（同时存在多个运行的应用）。可共享，可虚拟，可异步
微内核：尽可能将内核功能移植到用户空间，缺点就是性能低
外核和内核：一个负责硬件，一个负责软件
DISK（硬盘存储）：存储OS
BIOS：基本I/O处理系统（加载外设以及加载软件来运行OS） （basic I/O system)
BootLoader：加载OS
POST（加电自检，查找显卡和执行BIOS）
系统调度：来源于“合法”的应用向系统发出服务请求的（同步或者异布）
异常：来源于“不良”的应用非法指令（或者应用意想不到的请求，应用无法获得资源需求）（同步）
中断：来源于外设对于硬件设备和网络中断（异步）
逻辑化地址空间，独立地址空间，可访问相同内存，更多内存空间（虚拟化）
物理地址空间：硬件支持的地址空间
逻辑地址空间：应用程序拥有的内存范围
操作系统为了运行多个程序，进行了内存地址的隔离（分配独立的虚拟内存地址），虚拟内存地址和物理内存地址是映射关系
应用逻辑地址映射到物理地址
CPU需要逻辑地址上的内存内容（ALU），内存管理单元（MMU）寻找逻辑地址和物理地址之间的映射，控制器将从总线发送物理地址的内存内容的请求
内存发送物理地址内存内容给CPU（告诉CPU，物理地址找到了），建立逻辑地址和物理地址之间的映射（确保应用互不干扰）
虚拟地址和物理地址的映射关系管理
内存分段（内存被看成一组不同长度的段）
内存分段下的虚拟地址分为段选择⼦和段内偏移量
段选择⼦保存在段寄存器中，段选择⼦其中的段号被用于段表的索引，段表中保存的是这个段的基地址和段界限等等
而段内偏移量是位于0和段界限之间的，如果段内偏移量合法，那么段内偏移量加段的基地址得到物理内存地址
分段的内存碎片问题，如果某个程序占用了128mb内存，然后该程序被关闭了，释放128mb内存，如果这个128mb内存不是连续的，而是被分段了，这将导致没有内存空间打开另一个内存占用128mb的程序
内存分页（将物理内存和虚拟内存切成一段段固定大小的内存空间）
内存分页解决了内存分段的内存碎片问题，其释放内存是以页为单位释放的，当内存空间不够，会释放其他正在运行的进程的没使用的内存页面
内存分页下的虚拟地址被分为页号和页内偏移，页好为页表的索引，页表保存着物理页的所在物理内存的基地址，基地址和页内偏移组成物理内存地址
内存分页的缺点就是在运行多线程时，页表会非常大，所以出现了多级⻚表（将页表分成一级一级的）
段⻚式内存管理（内存分段和内存分页的结合体）
先将内存分为多个段，再将每个端分为多个页，地址通过段号，段内⻚号和⻚内位移组成
连续性内存管理（内存碎片和分区的动态分配）
外部碎片：在分配单元间的未使用内存
内部碎片：在分配单元中的未使用内存
当一个应用被批准运行在内存中时，分配一个连续的区间，来给运行的应用访问数据
动态分配的策略：当想分配某字节，先从低地址找，找到第一个被某字节大的空闲块，就使用它
动态分配的缺点就是外部碎片严重
非连续内存分配
分段Segmentation：
逻辑地址空间连续，物理地址离散
一个段表示一个内存块，一个逻辑地址空间，应用访问内存地址的时候，需要个二维的二元组
虚拟内存：
早期内存不够应用消耗，应用的规模比存储器的容器大
当应用太大，超出内存，可采用手动的覆盖(overlay) 技术，只把需要的指令和数据保存在内存中
当应用太多，超出内存，可采用自动的交换(swapping) 技术，把暂时不能执行的程序送到外存（磁盘）中
进程和线程：
进程状态(state)，线程(thread)，进程间通信(inter-process communication)，进程互斥与同步，死锁(deadlock)
进程包含正在运行的应用的全部状态信息
进程可动态化创建，结束进程，可以被独立调度并占用处理，不同的进程互不影响，可访问共享数据或者资源
进程控制块(process control block, PCB)：进程的数据结构，操作系统管理控制进程运行所用的信息集合，操作系统为每一个进程都维护了一个PCB，用来存储保存和该进程有关的状态信息
进程是操作系统最小可调度的资源单位
多个程序运行在单核心CPU服务器上，实质就是在共享时间片（时间片，操作系统将某个程序分配到某段CPU时间上，单核是无法同时运行多个程序的，只能共享时间片，而进程就是因此而生）
进程状态有3种，分别是运行，阻塞以及就绪
运行和就绪可互相转换，运行状态就是CPU指令在读取运行进程中的程序段，而就绪就是该进程在等待调用
运行可切换到阻塞状态
阻塞就是进程在等待信号（依赖的资源没有就位），阻塞状态结束后会切换到就绪状态
进程状态的切换可理解为接力赛跑，运行状态就是正在跑的运动员，而就绪状态就是在等待接力棒的运动员，而阻塞状态就是运动员需要补充休息，暂时不跑了
进程发生阻塞时，该进程将放弃CPU使用权，CPU会执行下一个就绪状态的进程
中断和中断向量
当程序发生中断（CPU暂时中断当前正在运行的程序），CPU转去处理其他的程序（也可能是处理内存的数据），当CPU处理完毕，CPU可恢复到之前被暂时中断当前正在运行的程序的状态，这个过程叫中断
中断向量就是中断程序的入口地址
中断发生时，该进程会第一时间保存被中断程序的状态，会将相关数据保存到寄存器，当CPU通过中断向量，跳转到处理中断程序中去，并且执行中断程序，然后决定下一个执行哪个程序，如果这个程序正好是之前被中断的，会从寄存器中读取相关数据。恢复到之前中断的执行状态
任何进程都需要排队等待
进程中断和进程阻塞的区别：中断是由于一些优先级比较高的需要CPU处理而被迫中断执行，而阻塞是因为进程需要一些依赖，但是依赖没有就位，需要等待就位，该进程就会进入到阻塞队列中，当依赖就位，就恢复到就绪状态，等待进程调度系统分配CPU执行权
进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源的分配和调度的基本单位，每个进程都拥有一个自己的地址空间，进程至少有5种基本状态，分别是：初始状态，执行状态，等待状态，就绪状态，终止状态
线程（Thread）是进程的执行实例，是程序执行的最小单位，是操作系统能够进行运算调度的最小单位，一个进程可以创建多个线程，同一个进程的线程共享进程的内存信息，同一个进程的多个可以并发执行，一个线程要执行，必须至少有一个进程
并发和并行的区别
并发：指一个时间段中有多个线程（程序）被快速的轮换执行（处于启动运行到运行完毕之间），在一个时间段中只有一个线程（程序）在执行，在宏观上感觉是多个线程同时被处理，如果多线程操作在一个cpu上，操作系统将cpu运行时间分隔为若干个时间段，将时间段分配给各个线程执行，在一个时间段的线程执行时，其他线程将处于挂起状态，这就叫并发
并行：当系统拥有多个cpu（1个以上）时，一个cpu执行一个线程，另一个线程执行另一个线程，同时进行处理，这就叫并行
并发和并行的区别：并发一个时间段只能执行一个线程（多个线程需要排队执行），并行可以在一个时间段中同时执行多个线程
当多线程程序在单核CPU上执行时，就是并发，在多核CPU执行时，就是并行，当线程数大于CPU核数，那么既有并行又有并发
进程调度的性能消耗太大，因为进程调度会导致进程中断，不但需要将数据保存在寄存器中，恢复进程还需要从寄存器中读取数据，而调度线程的性能消耗就很小，线程是进程的执行单元，一个进程中最少存在一个线程
进程的竞争和临界区
临界区：指的是共享内存中的程序片段
当两个进程同时访问了临界区，而临界区中的数据正好不能被同时访问，例如进程A读取了临界区中的某个内存，并且修改了这个内存，但是进程B正好在读取该临界区的这个内存，导致读取的数据是错的，而解决这个问题的最简单方法就是互斥，当一个进程在该临界区中时，其他进程不能进入，需要排队等待，而且不能过于长时间的占用临界区，临界区外的进程不影响到临界区内的进程
死锁：当多个进程因为竞争资源或者进程通信而导致的阻塞现象，进程在互相等待，无法进行下一步操作
严格轮换法，Peterson算法
严格轮换法简单来说就是声明一个状态，某个进程进入临界区时，状态为1，出来的时候状态为0，当其他进程看到状态为1时，等待该进程出来，看到状态为0时，进入临界区
Peterson算法是严格轮换法的优化版，实现了互斥的同时又避免的死锁
Peterson算法的思路是声明2个状态（一个是正在使用临界区的状态，另一个是想进入临界区的状态），当一个进程想进入临界区时，会检查一下其他进程是否想进入临界区，如果存在其他进程想进入临界区，则等待
FHS规范（3.0），全称Filesystem Hierarchy Standard，中文翻译为文件系统层次结构标准，用于定义根目录以及一级子目录的规范，大多数Linux版本使用该标准来定义文件系统（并不一定完全符合规范，只是大概上符合）
FHS规范定义了系统各个目录应该要放什么文件数据，以及所需要的文件和目录
例如：规范某一些文件或者目录可以分享或者不可以分享给给其他人使用
FHS规范了根目录(/)，以及根目录的子目录etc（配置文件），bin（必要软件或者命令），usr（二级目录），home（当前用户的家目录），var（动态数据）
Linux文件系统—VFS（虚拟文件系统）（Linux下一切都是文件）
VFS不需要考虑不同文件系统和存储介质的差异，因为其内核抽象出了通用的文件系统接口，只要符合接口标准，一些文件或者比较特殊的文件系统都是可以兼容
VFS抽象对象，超级块：文件系统，目录项：文件的路径，索引节点：具体文件（操作文件的具体信息），文件：进程打开的文件。都有自己的接口来操作
XFS（高性能64位日志文件系统），带有日志功能防丢数据，原生提供备份工具（xfsdump/sfsrestore）
图灵机和冯诺依曼模型
图灵机实质就是机器模拟人类在纸上进行数学运算，先将数值写到一个纸带的小方格中，再通过读写头来读取小方格里面的信息
这个读写头具备存储，运算，控制功能。存储读取的数据以及运算出来的数据，可执行运算指令，可识别数据是运算指令（例如加号，减号等等运算符号）还是数字
冯诺依曼模型（约定使用二进制来存储和计算数据，并且定义计算机基本结构，CPU，内存，输入设备，输出设备，总线，具备这5个部分的计算机就是冯诺依曼模型）
CPU：中央处理器，64位处理器（64位指的CPU的位宽，位宽决定了处理器一次可以计算处理多少字节的数据，64位处理器可以一次计算8个字节）
CPU内部还有寄存器（存储CPU计算时的数据），运算单元（负责计算），控制单元（控制CPU工作）
常见的寄存器有：通用寄存器（存储需要进行计算的数据），程序计数器（存储CPU要执行下一个指令的内存地址），指令寄存器（存储程序计数器指向的指令）
总线（CPU和其他设备之间的通信，总线被分为3种，地址总线（传送外部存储器（内存）的地址），控制总线（用来传输和接收控制信号），数据总线（传送内存的数据信息，数据总线又分单向传输，双向传输））
输入输出设备（输入设备通过控制总线和CPU通信，CPU处理后，将数据输出给输出设备）
线路传输：通过电压来传输数据，低电压表示0，高电压表示1，一条线路可传输1bit的数据（二进制，0或1）
32位处理器的最大寻址空间为2的32次方（4294967296，大概4GB左右），所以32位CPU（或者操作系统）只能操作4G内存（而64位理论上寻址范围高达2的64次方）
CPU执行过程：CPU读取程序计数器的值（指令内存地址），控制单元通过地址总线访问到内存，并且通过数据总线获取数据给CPU，CPU接收到数据，将该数据存储在指令寄存器，CPU处理指令寄存器的数据，确定数据的类型，如果是计算类，就交给运算单元处理，如果是存储类，就交给控制单元处理，CPU处理完毕后，程序计数器的值自增（用来表示下一条指令，自增取决于CPU的位宽，如果是64位处理器就是自增8（因为64位一次性处理8个字节数据，一个字节数据需要一个地址来存放））
CPU会不断执行该过程，直到结束（这个过程叫CPU的指令周期）
CPU的执行速度取决于指令的执行速度，而指令的执行速度取决于CPU的时钟频率（Ghz），例如我电脑的CPU是 2.10 GHz的，这个 2.10 GHz指的是1秒内可以产生2.1G次数的脉冲信号，而每一次脉冲信号的高低电平的转换就是时钟周期（振荡周期）
时钟频率越高，时钟周期越低，CPU的处理速度越快
存储器
内存断电，数据会丢失，而硬盘不会，因为硬盘是持久化存储，而且CPU内部也有存储器（只不过其能存储的数据很小）
寄存器处理速度最快，再到CPU Cache（中⽂称为CPU缓存，一般分为L1,L2,L3这样的缓存层，比如我电脑的r5 3550h的一级缓存为384KB，二级缓存为2MB，三级缓存为4MB，二级缓存是一级缓存的缓冲器，三级缓存是二级缓存的缓冲器）
然后再到内存，最后是硬盘
一个主频为2.1Ghz的CPU，表示其1秒内完成2.1x10的9次方个时钟周期
CPU Cachee使用了⼀种叫 静态随机存取存储器（Static Random-Access Memory，SRAM）的存储器，一旦断电就会丢失数据
每个CPU核心都有属于自己的L1缓存和L2缓存，而L3缓存一般是多核心共享的
内存使用的是一种叫动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）的存储器
SRAM存储1bit的数据，一般情况需要6个晶体管，而DRAM只需要一个晶体管和一个电容
硬盘就是固体硬盘（分为HDD硬盘（Hard Disk Drive）和SSD硬盘(Solid-state disk)），HDD硬盘结构和内存相似，但是和内存，缓存之类的不同的是其断电，数据不会丢失
CPU Cachee的数据是从内存中获取的，通过Cache Line（缓存块）来一块一块获取，L1缓存一般分为数据缓存和指令缓存
补码：将正数的二进制全部取反再加1，补码被用于处理负数
十进制小数转二进制用的是乘2取整法（将小数部分乘以2，作为二进制的一位，一直到不存在小数，整数还是用除2法，再合并就是小数的二进制结果）
不是所有小数都可以乘2取整的，例如0.1就不能取整，无法使用二进制精确表示0.1，只能使用近似值来表示，这将导致精度缺失的情况发生
操作系统内核：连接硬件设备的桥梁，应用只需要和内核交互，无需关注硬件，内核已提供访问硬件的接口
现代操作系统内核支持进程调度，内存管理，硬件通信，提供系统接口等功能
内核权限很高，并且将内存分称2个部分，分别是内核空间（只有内核程序可访问），用户空间（专门提供给应用使用）
当程序在使用用户空间时，那么该程序在用户态执行，如果在使用内核空间，那么该程序在内核态执行
内核一般分为三种，宏内核（Linux为代表，整个内核是一个完整的程序），微内核（具备一个小内核，一些服务或者模块由用户态来管理）以及混合内核（宏内核和微内核的结合体，windows为代表）
计算机的输入，输出，状态转换函数F
状态描述：一切可使用数字描述
输入：晶振（时间输入，CPU周期，时钟驱动CPU工作），外界输入设备
输出：打印机，显示器
机械计算机：差分机（巴贝奇，多项式求值）
图灵机
冯 诺依曼模型
CPU的工作原理（内存，寄存器，ALU（算数逻辑单元））
数据空间地址和指令空间地址
指令
通过指令来控制计算机工作，CPU被时钟驱动，并且不断读取指针指向的指令，从内存读取指令然后执行指令
不同的cpu架构使用不同的指令集，常见的指令集有RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集），CISC（Complex Instruction Set Computing，复杂指令集）
RISC中代表的有arm指令集，CISC中代表的有x86指令集
RISC的特点就是CPU单元电路少，面积小，功耗低（只进行二进制处理器指令）
CISC的特定就是CPU单元电路多，面积大，功耗大（进行复杂指令）
寻址模式，浮点数，指令分类
寻址模式（指令集的一部分，表示指令有哪些操作符，地址应该怎么计算）
寄存器寻址，立即寻址，偏移量寻址（基地址，偏移量），PC相对寻址
内存读写（load/store指令），加减乘除（add，sub，div，mult）。
操作系统的并发性（2个事件及2个以上事件在一段时间内发生，就叫并发，并发是单核CPU的知识点），共享性（操作系统的资源可以提供给多个并发程序使用，互斥共享，同时访问（一段时间内并发访问资源）），虚拟性（将物理设备虚拟成多个逻辑实体，虚拟技术有时分复用（分时使用硬件资源，例如虚拟处理器技术，就是将多个程序分时复用处理器资源，虚拟设备技术，就是将物理设备虚拟成多个逻辑设备，一个程序使用一个逻辑设备，通过逻辑设备来并发访问真实的物理设备），空分复用技术（虚拟磁盘技术（将物理磁盘虚拟成多个逻辑盘），虚拟内存技术（可使用比实际内存更大的内存空间））），异步性（允许多进程并发执行）
信号量（semaphore）
信号量是操作系统解决不同进程之间共享资源互斥和同步的原语（原语，控制进程，一个程序段，一旦执行，那么就要执行完毕，过程不可中断，并且常驻内存，并且是原子操作（英文primitive or atomic action，表示该操作的全部动作必须做完或者不做，是不可被分割的）的，在管态（即内核态，处理器可在该下执行指令系统的全集，另外还有目态，即用户态，目态切换管态只能通过中断完成，因为当程序在目态下执行特权指令时，会发生中断，让操作系统来完成，避免用户态程序对系统发生破坏，而管态切换目态只需要修改状态字就可以了）执行）
阻止恶意操作和保护数据使用到了一种叫hierarchical protection domains的机制，中文翻译为分级保护域，这个分级rings特权级分为四个级别，分别是0，1，2，3 0拥有最高权限，3拥有最低的权限，例如在Windows，只使用了两个级别，0和3，Windows下应用程序工作在3级，只能访问3级的数据，而操作系统内核和驱动工作在0级，可访问全部级别的数据 在低权限的级别上工作，想执行特权指令是不行的，只能通过系统内核调用完成（而这个内核调用的过程就是CPU运行级的用户态与内核态的转换），这个机制是为用户程序和服务程序对资源的利用隔离
负级的保护，实际上并没有定义负级的（这个是微软的说法，用于hypervisor层运行），Ring -1的例如有VT-x 与 AMD-V（这两个支持全虚拟化，也就是硬件辅助虚拟化技术（Hardware-assisted Virtualization Machine）），VT-x 与 AMD-V都定义了一个新的保护级，可以让vmm运行在比ring0级别权限更高的级别上（也就是Ring -1）
VT-x将保护级别分为两种操作模式，分别为根操作模式（vmm运行在该模式中，）和非根操作模式（vm机运行在该模式），这两个操作模式都有Ring0到Ring3 的全部指令级别
vm机可以正常运行在Ring 0 级别，因为发出什么级别的指令都会进入到根操作模式的虚拟层中
运行在ring级别越低，行为可见性越低，对ring级别高的程序来说，就是不可见的，比如ring3的应用程序是无法感知内核级别干了什么的，因此当在ring级别低的层级中运行恶意程序，其行为被察觉和查杀将变的更难