操作系统知识点

第一章操作系统引论

1.操作系统的目标和作用

        1.操作系统的定义(考)

计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合——管理和控制计算机系统的软硬件资源，合理的组织计算机的工作流程，以便有效利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境， 从而在计算机和用户之间起到接口的作用。

定义概括：用于控制和管理系统资源，方便用户使用计算 机的程序的集合

        目标

         1）方便性 2） 有效性 3） 可扩充性 4） 开放性

        作用(考)

          1）OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口

  2）OS作为计算机系统资源的管理者

在计算机系统中，资源可分为四类：处理器、存储器、 I/O设备、信息(数据和程序)

OS的主要功能也是阵对这四类资源进行有效的管理

        (1) 处理机管理: 用于分配和控制处理机

        (2) 存储器管理: 主要负责内存的分配与回收

        (3) I/O设备管理: 负责I/O设备的分配与操纵

        (4) 文件管理: 负责文件的存取、共享和保护

3）OS实现了对计算机资源的抽象

2.操作系统的发展过程

1）无操作系统的计算机系统

缺点：

用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用效率极低

2）单道批处理系统

引入脱机输入/输出技术（用外围机+磁带完成），并由监督程序（操作系统的 雏形）负责控制作业的输入、输出

脱机输入/输出技术

在采用脱机输入输出方式 时，程序和数据的输入输出都 是在外围计算机的控制下完成， 即它们是脱离主机进行的，故 称之为脱机输入输出操作。

优点：减少了cpu的空闲时间、提高I/O速度 

单道批处理过程：

单道：在内存中仅有一道作业

批处理：是指计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术

运行原理：问题在于cpu需要等待设备的I/O完成

运行特征

① 单道性：内存中仅存放一个作业运行，即监督程序每次从磁带上 只调入一道程序进入内存运行；

② 顺序性：磁带上的各道作业是顺序地进入内存，各道作业的完成 顺序与他们进入内存的顺序，在正常情况下应完全相同，亦即先 调入内存的作业先完成；

③ 自动性：在顺利情况下，在磁带上的一批作业能自动地逐个地一 次运行，而无需人工干预

主要优缺点

主要优点：缓解了一定程度的人机速度矛盾，资源利用率有所提升

主要缺点：1.内存中仅能有一道程序运行，只有该程序结束后才能调入下一道程序。

                  2.CPU有大量的时间是在空闲等待I/O完成。资源利用率依然很低

3）多道批处理系统

基本概念(考)

工作原理

多道、成批

运行特征

1. 多道：内存中同时存放几个作业；

2. 宏观上并行运行：都处于运行状态，但都未运行完；

3. 微观上串行运行：各作业交替使用CPU；

运行情况

优缺点(考)

优点： 1. 资源利用率高：CPU和内存利用率较高；

           2. 作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大。

缺点： 1. 用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时，才与用 户交互，不利于调试和修改。

           2. 作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长。

批处理：适合 大型科学计算、 数据处理

作业周转时间是指从作业进入系统开始，直到其完成并退出 系统为止所经历的时间。

例题： 设在内存中有P1、P2两道程序，并按照P1、P2的次序运行，其 内部计算和I/O操作时间如下： P1：计算60ms,I/O 80ms ,计算20ms； P2：计算120ms,I/O 40ms,计算40ms。 (1) 画出并发执行这两道程序的时序图。 (2) 计算若并发完成这两道程序比单道运行节约的时间是多少？(调度程序的执 行时间不计) （3）CPU的利用率分别为多少？（保留小数点后两位）

推动操作系统发展的主要动力是什么？ 

答：1. 不断提高计算机资源利用率 ；2. 方便用户 ；3. 器件的不断更新换代 ； 4. 计算机体系结构的不断发展；5. 不断提出新的应用需求

4）分时操作系统

批处理系统的目标是提高计算机系统的工作效率，但批处理系统的用 户交互性差和作业平均周转时间长导致了分时系统的出现。

分时系统：是指，在一台主机上连接了多个配有显 示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终 端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。

分时系统的思想

分时操作系统的特征

5）实时操作系统

指系统能及时（或即时）响应外部事件的请求，在规定的时间内 完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。

实时操作系统特点：

及时性要求高，系统可靠性高。

实时操作系统类型

工业控制、信息查询、多媒体系统、嵌入式系统

实时任务的类型

实时系统和分时系统特征的比较

➢ 多路性 实时控制系统的多路性主要表现在系统周期性的对多路现场信息 进行采集，以及对多个对象或多个执行机构进行控制， 分时系统中的多路性则与用户情况有关，时多时少。

➢ 独立性 信息处理系统中的每个终端用户在向实时系统提出服务请求时， 是彼此独立的操作，互不干扰；而实时控制系统中对信息的采集和对 象的控制也都是彼此互不干扰。

➢ 及时性 信息处理系统对实时性的要求与分时系统类似，都是以人所能接 受的等待时间来确定;而实时控制系统的及时性，则是以控制对象所要 求的开始截止时间或完成截止时间来确定.

➢ 交互性 实时信息处理系统虽然也具有交互性，但这里人与系统的交互仅 限于访问系统中某些特定的专用服务程序。它不像分时系统那样能向 终端用户提供数据处理和资源共享等服务。

➢ 可靠性 分时系统虽然也要求系统可靠，但相比之下，实时系统则要求系 统具有高度的可靠性。因为任何差错都可能带来巨大的经济损失，甚 至是无法预料的灾难性后果，所以在实时系统中，往往都采取了多级 容错措施来保障系统的安全性及数据的安全性。

6）嵌入式系统

✓ 系统内核小

✓ 专用性强

✓ 系统精简

✓ 高实时性

✓ 多任务的操作系统

✓ 需要开发工具和环境

7）网络操作系统

8）分布式操作系统

3.操作系统的基本特性

1）并发性：

并行性是两个处理器在同一时刻做多个任务

并发性是一个处理器同一时间间隔做多个任务

2）共享性：

3）虚拟性：

4）异步性：

4.操作系统的主要功能

从资源管理观点看，操作系统具有四大功能：

➢1. 处理机管理：1.进程控制，2.进程同步，3.进程通信，4.调度

➢ 2. 存储器管理：1.内存分配，2.内存保护，3.地址映射，4.内存扩充

➢ 3. 设备管理：1.缓冲管理，2.设备分配，3.设备处理

➢ 4. 文件管理 1.文件存储空间的管理，2.目录管理，3.文件的读/写管理和保护

第二章 进程的描述与控制

1.前驱图和程序执行

1）前驱图

有向无循环图，用于描述进程之间执行的先后顺序。

图中的节点表示一个程序段或一个进程，乃至一条语句；节点间的 有向边表示结点间存在的偏序或前驱关系。(为了描述程序段或进程之间执行的先后次序关系)

2）程序顺序执行

定义

在计算机系统中只有一个程序在运行，这个程序独占系统中所有资源，其执行不受外界影响。通常一个程序可分成若干个程序段，它们必须按照某种先后次序执行，仅当前一操作执行后，才能执行后继操作。

特征

1.顺序性

一个程序的各个部分的执行，严格地按照某种先后次序执行；

2.封闭性

程序再封闭的环境下运行，即程序运行时独占全部系统资源

3.可再现性

结果一致，只要程序执行时的环境和初始条件相同，当程序重复执行时， 不论它是从头到尾不停顿地执行，还是“停停走走”地执行，都 将获得相同的结果。

3）程序并发执行

并发环境

在一段时间内机器上有两个或两个以上的程序同处于开始 运行但尚未结束的状态，并且次序不是事先确定的。

程序的并发执行

例：s1: a=x+2，s2: b=y+4，s3: c=a+b，s4: d=c+b

特征

1.间断性

程序并发执行时，由于它们共享资源或程序之间相互合作完成一项共同任务，因而使程序之间相互制约

2.失去封闭性

程序在并发执行时，是多个程序共享资源中各种资源，因而这些资源的状态将由多个程序来改变，致使程序的运行失去了封闭性

3.不可再现性

由于程序的并发执行，打破了由另一个程序独占系统资源的封闭性，因而破坏了可再现性

例：

2.进程

1）定义

是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的独立单位

为了使参与并发执行的每个程序（含数据）都能独立地运行，在操作系统中必须为之配置一个专门的数据结构， 称为进程控制块（Process Control Block, PCB）。系统利用PCB来描述进程的基本情况和活动过程，进而控制和管理进程。一般情况下，我们把进程实体简称为进程。

 

结构特征：

为了控制和管理进程，系统为每个进程设立一个 进程控制块(PCB)

实体：

程序段、数据段和PCB

2）特征

动态性：

✓ 进程的实质是程序的一次执行过程；

✓ 动态性是进程的最基本的特征。

✓ 进程是动态产生，动态消亡的，进程在其生命周期内，在三种基本状态 (就绪，执行，阻塞)之间转换。

并发性:

✓ 内存中的任何进程都可以同其他进程一起同时运行；

✓ 并发性是进程的重要特征。

独立性：

✓ 进程实体是一个能独立运行、独立分配资源和独立接受调度的基本单位。

✓ 凡未建立PCB的程序都不能作为一个独立的单位参与运行。

异步性：

✓ 由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立 的、不可预知的速度向前推进。

3）进程与程序的区别

4）进程的基本状态

三种基本状态

① 就绪状态 (Ready):  当进程已分配到除CPU以外的所有必要资源时，它便处于就绪状态，一旦获得CPU，便立即执行。

② 执行状态 (Running):已获得CPU的进程进入执行状态。执行状态遇到I/O请求且去完成，之后需要重新回到执行状态

③ 阻塞状态 (Block) :正在执行的进程，由于发生某个事件(I/O请求或申请缓存空 间等)而暂时无法执行时，便放弃处理机而进入阻塞状态；

注意：由于执行的进程变为阻塞状态后，调度程序立即把处理机分配给另一个就绪进程；因此，阻塞进程的事件消失后，进程不会立即恢复到执行 状态，而转变为就绪状态，重新等待处理机

五状态进程转换模型

创建一个进程一般要通过两个步骤：

① 创建状态 ：系统已为其分配了PCB，但进程所需资源尚未分配，进程还未进入主存，即创建工作尚未完成，进程还不能被调度运行。

                        –1. 为一个新进程创建PCB，并填写必要的管理信息；

                        –2. 把该进程转入就绪状态并插入就绪队列之中。

② 终止状态 : 进入终止状态的进程不能再执行，但在操作系统中仍然保留着一个记录，其中保存状态码和一些计时统计数据，供其它进程收集。

                      - 1.OS进行善后处理。

                      - 2.将该进程的PCB清零并将PCB空间返还给系统。

一个进程何时进入终止状态？

(1) 当一个进程到达了自然结束点；

(2) 出现了无法克服的错误；

(3) 被操作系统所终结；

(4) 被其它有终止权的进程所终结。

七状态（挂起）进程转换模型

挂起、激活

引入挂起状态的原因： 

1. 终端用户的请求；2. 父进程的请求；3. 负荷调节的需要；4. 操作系统的需要；

引起挂起状态的目的：

1.提高处理机效率；2.为运行进程提供足够内存；3.调试

5）进程管理中的数据结构

系统为了管理进程设置的一个专门的数据结构，存放了用于描述该进程情况和控制进程运行所需的全部信息。