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、线程
进程 / 线程间通讯方式
进程调度算法
进程 / 线程状态
死锁
内存管理

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）