武汉理工大学操作系统复习

一、操作系统绪论

操作系统（Operating System，简称OS）是管理和控制计算机系统中的软件和硬件资源，合理地组织计算机工作流程，方便用户使用的的计算机系统软件。

五大功能：处理机管理，存储管理，设备管理，文件管理，用户接口

操作系统的类型：批处理、[多道、多道批处理、]分时、实时、个人计算机、网络、分布式

操作系统的特征是并发性、共享性和随机性。 几种观点：

资源的观点：用来管理和控制计算机系统软硬件资源的程序的集合 用户界面的观点：用户与计算机硬件之间的接口

进程的观点：若干个可以同时独立运行的程序和一个对这些程序进行协调的核心所组成

二、操作系统用户界面 作业：

在一次应用业务处理过程中，从输入开始到输出结束，用户要求计算机所做的有关该次业务处理的全部工作称为一个作业

三个组成部分：程序、数据和作业说明书（在系统中生成作业控制块JCB）

输入输出方式：联机、脱机输入输出，直接耦合方式，SPOOLING系统和网络联机方式 用户界面：命令接口，系统调用 三、进程管理

“并行”是指无论从微观还是宏观，二者都是一起执行的；并发是在同一时段发生，并行是在同一时刻发生

并发执行的特征：独立性、异步性和共享性

进程：并发执行的程序在执行过程中分配和管理资源的基本单位 进程和程序的区别与关系： 1.进程是一个动态概念，而程序则是一个静态概念。程序是指令的有序集合，没有执行含义。 2.进程具有并发特征，而程序没有。进程具有并发特征的两个方面，即独立性和异步性 3.进程是竞争计算机系统资源的基本单位，从而其并发性受到系统自己的制约 4.不同的进程可以包含同一程序，只要该程序所对应的数据集不同。 进程的静态描述有三部分：进程控制块PCB，有关程序段和数据集

进程的五种基本状态：初始态、执行状态、等待状态、就绪状态和终止状态 {进程初始时可能未立即得到处理机，处于就绪状态} 进程状态转换：

进程控制：创建、撤销、阻塞和唤醒

进程互斥与同步（并发性带来一些问题，同数据库中的并发性控制；常用锁机制） P(pass，—)，V（+）原语和信号量

设置信号量{互斥：公用信号量，同步：私用信号量}，赋初值，执行过程 互斥：两个或两个以上的进程,不能同时进入关于同一组共享变量的临界区 临界资源是指每次仅允许一个进程访问的资源。每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。

临界区：不允许多个并发进程交叉执行的一段程序，也成为临界部分；

同步：一组并发进程因直接制约而互相发送消息而互相合作、等待，使各进程按一定的速度执行的过程成为进程间的同步

用PV原语实现互斥与同步， 读者写者，生产者消费者，哲学家就餐 进程的通信方式：主从式，会话式，消息或邮箱机制，共享存储区方式

死锁：各并发进程彼此互相等待对方所拥有的资源，且这些并发进程在得到对方的资源之前不会释放自己所拥有的资源 产生死锁的必要条件：

1.互斥条件 2.不剥夺条件 3.部分分配 4.环路条件

四、处理机调度{CPU分配给谁} 作业状态：提交、收容、执行和完成

调度层次：作业调度，交换调度（内外存交换，又称中级调度），进程调度，线程调度 作业与进程的关系：

作业可被看作是用户向计算机提交任务的任务实体；进程则是计算机为完成用户任务实体而设置的执行实体，是系统分配资源的基本单位。一个作业总是由一个以上的进程组成。 调度评价指标：

周转时间：完成时间 — 提交时间（等待+执行）； 带权周转时间：周转时间 / 执行时间 作业和或进程调度算法：

FCFS，轮转法，多级反馈轮转法，优先级法，最短作业优先（SJF）{仅考虑执行时间} 最高响应比优先（HRN）{响应比 = （等待时间 + 执行时间） / 执行时间}

五、存储管理 虚拟存储器：

是一种存储管理技术，每一个进程拥有一个虚拟空间，每个指令或数据单元在该虚拟空间中拥有一个虚拟地址；虚拟存储器不考虑物理存储器的大小和信息存放的实际位置，只规定每个进程中互相关联信息的相对位置。 虚拟地址到物理地址的变换：

1.虚拟地址空间的划分 2.地址映射（地址重定位） 内存管理通用问题：

分配与回收；内存信息的共享与保护：硬件法、软件法、软硬件结合 覆盖与交换技术：扩充内存的两种方法 具体管理方式（实现虚拟内存的方法）：

分区存储管理：把内存划分成若干个大小不等的区域，除操作系统占用一个区域外，其余由多道环境下的各并发进程共享。

动态分区法的分配与回收（可用表或自由链）： 最先适应法，最佳适应法，最坏适应法 页式管理：

逻辑分页，物理分块，逻辑地址由页号和页内地址组成； 主要问题：页划分之后的地址变换以及页面的调入调出技术 地址变换： 高速联想存储器提速

逻辑地址 / 页大小 = 页号，逻辑地址 % 页大小 = 页内地址；查找页表的页面号， 计算页的起始地址和物理地址

静态页式管理：进程或作业在执行前全部装入内存

动态页式管理：部分装入，请求式页式管理和预调入页式管理 请求页式管理中的置换算法： FIFO（先进先出），LRU（最近最久未使用），OPT，LFU（最不经常使用） 页式管理的优缺点：

优点：

1.由于不要求程序段和数据在内存中连续存放，有效地解决了碎片问题

2.动态页式管理提供了内存和外存统一管理的虚存实现方式，使用户可以利用的存储空间大大增加。这既提高了主存的利用率，又利于组织多道程序执行。

主要缺点：

1.要求有相应的硬件支持，增加了机器成本。如地址变换机构 2.增加了系统开销，例如缺页中断处理等。

3.请求调页的算法如选择不当，有可能产生抖动现象。

4.虽然消除了碎片，但每个作业或进程的最后一页内总有一部分空间得不到利用。 段式管理：

一个页不具有逻辑上的意义，段是按照逻辑意义来划分的，把程序按内容（函数）关系或过程划分为段，每段有自己的名字，极大地方便了程序设计。

段的长度不固定，段号之间无顺序关系，每个段是个首地址为0、连续的一维线性空间，可直接通过段名对段访问

段式管理的地址变换：段表（类似页表） 段式管理的优缺点：

优点：

1.提供了内外存统一管理的虚存实现 2.段长可根据需要动态增长

3.便于对具有完整逻辑功能的信息段进行共享 4.便于实现动态链接

缺点：

要求有更多的硬件支持，提高了机器成本；在空闲区管理上同分区式管理，会产生碎片问题； 段的动态增长为系统带来一定的难度和开销；每个段的长度受内存可用区大小的限制 段页式管理：

对段进行页式管理，逻辑地址：段号s + 页号p + 页内相对地址d 程序员可见的为段号s和段内相对地址w，后两部分由系统解决 抖动现象：置换算法选择不当导致频繁调度

六、文件系统

文件：一组赋名的相关联字符流或相关联记录的集合 逻辑结构：字符流式的无结构文件和记录式的有结构文件 文件的物理结构：

连续文件，串联文件，索引文件

索引文件：适用于顺序存储和随机存储，索引表（逻辑块号和物理块号） 文件存储空间管理：

空闲文件目录；空闲块链；位示图

从文件管理的角度，一个文件包括两部分：文件说明（文件控制块FCB），文件体 基本文件目录表BFD：

文件信息存储分两部分，BFD和SFD（符号文件目录表），BFD像一个索引，SFD存储具体信息；若SFD为一个目录，它会存储其中包含的所有文件的信息 打开文件的过程就是查找BFD和SFD

把当前正在使用的那些文件的目录表目复制到内存中，这样既不占用太多的内存容量，又可以显著减少搜索目录的时间和输入输出设备的压力。 验证用户存取操作的四种方式：

存取控制矩阵，存取控制表，口令，密码方式

七、设备管理

除CPU和内存之外的大部分硬设备称为外部设备 外围设备和内存之间的常用数据传送控制方式： 1.程序直接控制方式 2.中断控制方式 3.DMA方式 4.通道方式

两种技术：中断技术，缓冲技术

SPOOLING系统：

SPOOLING（即外部设备同时联机操作）是关于慢速字符设备如何与计算机主机交换信息的一种技术，通常称为“假脱机技术”。

输入井、输出井表示存放用户的输入数据和输出数据的外存空间

外围设备与主机的信息交换经过输入输出井和输入输出缓冲区的处理，以输入过程为例： 操作系统的输入程序包含两个独立的过程，一个过程负责从外部设备把信息读入缓冲区；另一个是写过程，负责把缓冲区的信息送到外存输入井中。然后，系统为该作业建立作业控制块JCB，从而使输入井中的作业进入作业等待队列，等待作业调度程序选中后进入内存。

在SPOOLing系统中，实际上并没有为任何进程分配，而只是在输入井和输出井中，为进程分配一存储区和建立一张I/O请求表。这样，便把独占设备（spooling）改造为共享设备。 特点：

(1)提高了I/O速度。从对低速I/O设备进行的I/O操作变为对输入井或输出井的操作，如同脱机操作一样，提高了I/O速度，缓和了CPU与低速I/O设备速度不匹配的矛盾。

(2)设备并没有分配给任何进程。在输入井或输出井中。分配给进程的是一存储区和建立一张I/O请求表。

(3)实现了虚拟设备功能。多个进程同时使用一独享设备，而对每一进程而言，都认为自己独占这一设备，从而实现了设备的虚拟分配。不过，该设备是逻辑上的设备。

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