《操作系统》知识点整理

1.1操作系统的目标和作用

1. OS的目标

方便性：用户无需了解底层硬件，无需用0、1机器语言操作。（可以说不用手，用工具，进入石器时代了。）

有效性：CPU、I/O、存储等的管理专门、合理地被组织管理起来，提高资源的利用率。

可扩充性：扩充应用软件；适应硬件和体系结构发展，扩充底层管理功能模块等。

开放性：网络环境，遵循开放互联标准。

2.OS的作用

1) 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

3）OS用作扩充机器

3.  单道批处理系统(Simple Batch Processing System)

特征：单道性、顺序性、自动性

优点：

l 一定程度解决人机矛盾，CPU与I/O速度矛盾；

l 提高了资源利用率和系统吞吐量；

l 算做OS的前身，但还不是现在所理解的OS；

4.  多道批处理系统

1）多道批处理系统的特征：

多道性

无序性：作业入内存由算法决定，不按提交顺序。入内存后顺序执行。

调度性：包括作业调度、进程调度

2）多道批处理系统的优缺点：

优点：

资源利用率高：CPU和内存利用率较高；

系统吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；

缺点：

平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；

无交互能力：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；

5.操作系统定义

操作系统是：一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度（多道），方便用户使用的程序的集合。

6.分时系统

分时系统的特征：

多路、独立、及时、交互

多路性：多个用户同时使用一台计算机,共享CPU和其他资源，充分利用系统资源

宏观上：是多个人同时使用一个CPU

微观上：多个人在不同时刻轮流使用CPU

独立性：用户感觉不到计算机为其他人服务，各用户独立操作，互不干扰。

及时性：通过时间片技术和轮转调度算法保证及时响应。

交互性：系统及时响应用户的请求，显著提高调试和修改程序的效率：缩短了周转时间。

7.  实时系统(Real-Time System)

实时系统是指：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。

8.三大系统比较

 

 

 

 

1.3操作系统的基本特性

并发、共享  、虚拟、异步

1.4操作系统的主要功能

处理机管理功能（作业管理）

存储器管理功能

设备管理功能

文件管理功能

用户接口

 

2.1 进程的基本概念

1.

1）引入前趋图

描述进程执行前后关系的图

有向无循环图(DAG)

lPi结点：描述一个程序段、进程、或一条语句。

l有向边“→”：结点之间的偏序或前序关系

lPi→Pk，则Pi是Pk的直接前趋，Pk是Pi的直接后继。

2）程序顺序执行时的特征

(1) 顺序性

处理机的操作严格按程序规定顺序执行

(2) 封闭性

 程序一旦开始执行，其计算结果不受外界因素影响。

(3) 可再现性

程序执行只要初始条件一样，不论如何停顿，重复执行多少次结果都一样。

4）并发程序执行时的特征

间断性、失去封闭性、结果不可再现性

2.  进程

1）进程的定义

进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

2）进程的特征

①结构性特征，进程的根本——PCB

②动态性

l进程实质上是进程实体的一次有生命期的执行过程。程序只是静态的一组有序指令。

l进程最基本特征

③并发性

l多个进程实体同存于内存中，在一段时间内同时运行。

l有PCB的程序才能并发。

④独立性

⑤异步性

！区别进程与程序

¡动与静：

l进程是动态的，程序是静态的：程序是有序代码的集合；进程是程序的执行。

¡永久与暂时：

l进程是暂时的，程序是永久的：进程是一个状态变化的过程，程序可长久保存。

¡结构：

l进程的组成包括程序、数据和进程控制块（进程各种控制信息）。

¡进程与程序的对应关系：

l都可1对n。通过多次执行，一个程序可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可包括多个程序。

3）进程的基本状态

 (1)就绪状态(Ready)

 进程获得除CPU之外的所有必需资源，一旦得到CPU控制权，可立即运行。

(2)运行状态(Running)

进程已获得所有运行必需的资源，正在处理机上执行。

(3)阻塞状态(Blocked)

正在执行的进程由于发生某事件（请求I/O、申请缓冲、时间片到）而暂时无法执行时，便放弃CPU后暂停

3.  进程控制块PCB

进程实体：代码段+数据段+PCB

进程控制块定义
Process Control Block

存放进程的管理和控制信息的数据结构称为进程控制块。

 

PCB的组织方式

¡链接方式

l同一状态的PCB，依靠链接指针链接成队列。就绪队列；若干个阻塞队列；空白队列（PCB区的空PCB块）

¡索引方式

l同状态的PCB同样集中记录，但以索引表的方式记录PCB的地址。用专门的单元记录各索引表的首地址。

 

 

2.2进程控制

进程控制的基本过程：

进程的创建

进程的终止

进程的阻塞与唤醒

进程的挂起和激活

1）进程创建过程

(1) 申请空白PCB

(2) 为新进程分配资源

主要是内存资源的处理

(3) 初始化进程控制块

标识符（包括父进程的）、程序计数器指向程序入口地址，就绪态、优先级等信息的填写。

(4) 将新进程插入就绪队列

 

注意！

原语是由若干指令构成的原子操作过程，作为整体实现功能，不可被打断。

2）阻塞和唤醒过程

由进程调用阻塞原语阻塞自己，是主动行为：

（1）将PCB中的状态改为阻塞

（2）该PCB加入到阻塞队列中

（3）转进程调度，将处理机分配给另一进程

（4）进行进程切换，即根据两切换进程的PCB，保护与重新设置处理机状态。

3）挂起和激活

（1）检查被挂起进程的状态，活动就绪则改为静止就绪，活动阻塞则改为静止阻塞

（2）将该PCB复制到内存（方便检查）/外存（对换）指定区域

（3）*若挂起的进程是执行态，则需重新进行进程调度。

 

2.3进程同步

1）进程同步的主要任务：

 使并发执行的诸进程之间能有效地共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可再现性。

2）临界资源

¡一次仅允许一个进程使用的资源。

理解同步

互斥：在操作系统中，当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待，直到占用临界资源的进程退出临界区，我们称进程之间的这种相互制约关系为“互斥”。

同步：多个相互合作的进程，在一些关键点上可能需要互相等待或互相交换信息，这种相互制约关系称为进程同步关系。可理解为“有序”。

如：生产和消费的“有序”关系靠对counter的正确判断达到，而对counter的修改必须“互斥”修改。

3）临界区

每个进程中访问临界资源的那段代码叫临界区。为了正确同步，对临界区的代码要增加控制

4）同步机制应遵循的规则

实现互斥的方法应符合如下每条原则

空闲让进：资源使用最基本原则

忙则等待：保证互斥

有限等待：合适时被唤醒防止死等

让权等待：能主动释放CPU防止忙等

 

2.4信号量机制

1） 整型信号量

信号量定义为一个整型量； 根据初始情况赋相应的值； 仅能通过两个原子操作来访问。

P操作  wait(S):                   While S<=0 do no-op;               S:=S-1;

V操作  signal(S):                     S:=S+1;

 

2）记录型信号量

整型信号量符合“有限等待”原则 signal释放资源后，当CPU被分配给等待进程后，等待进程仍可继续执行，可以符合“有限等待”。

但整型信号量不符合“让权等待”原则 整型信号量的wait操作，当s ≤0时，当前进程会占着CPU不断测试； 信号量原语不能被打断，这个占有CPU的进程会一直不断的占据CPU循环下去，陷入忙等。

 

3）信号量的基本应用

实现进程互斥

S.value = S.value - 1;

 if  S.value < 0  then  block(S,L)

critical section操作共享资源R

S.value = S.value + 1;

 if  S.value <= 0 then wakeup(S,L)

remainder section

实现进程间的前趋关系（有序）

P1 ： C1 ；signal(S)；

P2 ： wait(S)；C2 ；

 

4）AND型信号量

出现原因：一些应用往往需要两个或多个共享资源，而不是前述的一个资源。进程同时要求的共享资源越多，发生死锁可能性越大。

解决思想：         一次性分配给进程所需资源，用完一起释放。Wait操作时对它所有需要的资源都要判断，有AND条件，故称“AND同步”、“同时wait”。

 

5）信号量集

引入原因：

每次只能获得或释放一个单位的资源，低效；

某些时候资源分配有下限的限制；

修改：

在大于可分配设置的下界值t前提下，每次可分配d个。

 

*信号量题目做题一般方法：

分析问题，找出同步、互斥关系

根据资源设置信号量变量

写出代码过程，并注意P、V操作的位置

检查代码，模拟机器运行，体验信号量的变化和程序运行过程是否正确。

 

2.4 经典进程同步问题

生产者—消费者问题 互斥、同步

哲学家就餐问题 互斥

读者——写者问题 有条件的互斥

 

1. 生产者—消费者问题

无论生产者、消费者使用缓冲池时应保证互斥使用（互斥信号量mutex ）

生产者和消费者间交叉有序： 有序的控制最根源在产品数量上。 设置两个信号量：分别针对生产者、消费者设置不同的信号量，empty和full分别表示缓冲池中空缓冲池和满缓冲池（即产品）的数量。

empty、full两者有天然的数量关系，在PV控制下值不断变化，但在值等于0的点上是控制顺序的关键。

1）两个生产者同时的情况 假设的时间片轮转顺序如下

produce;       

     produce;

wait(e);

wait(m);

buffer(in):=nexp;

wait(e);

wait(m);

buffer(in):=nexp;

in:=(in+1)mod n;

signal(m);

signal(f);

in:=(in+1)mod n;

signal(m);

signal(f);

2）生产者等待消费者情况

假设的时间片轮转顺序如下 produce;

wait(e);

wait(m);

buffer(in):=nexp;  

       wait(f);   

     wait(m);

nextc:=buffer(out);

in:=(in+1)mod n;

signal(m);

signal(f);

out:=(out+1) mod n;     

    signal(m);      

   signal(e);

consume;

 

2. 哲学家进餐问题

五个哲学家共用一张圆桌，分别坐在周围的五张椅子上，在桌子上有五只碗和五只筷子，他们的生活方式是交替地进行思考和进餐。平时，一个哲学家进行思考，饥饿时便试图取用其左右最靠近他的筷子，只有在他拿到两只筷子时才能进餐。进餐毕，放下筷子继续思考。

repeat          

wait(chopstick[ i ]);          

wait(chopstick[ ( i +1) mod 5] );      

…  

   eat;  

   …        

  signal(chopstick[ i ]);    

      signal(chopstick[ ( i +1) mod 5] );  

   …    

 think;

until  false;

2）就餐死锁问题

假如五位哲学家同时饥饿而各自拿起左边的筷子时，就会使五个信号量chopstick均为0，当他们再试图去拿右边的筷子时，都将因无筷子可拿而无限等待。

解决方法：

数量控制：           

至多只允许有四位哲学家同时去拿左边的筷子，最终能保证至少有一位哲学家能够进餐，并在用毕后释放出他用过的两只筷子，从而使更多的哲学家能够进餐。---限制并发执行的进程数 

 

3. 读者——写者问题

一个数据文件被多个进程共享。Reader进程只要求读文件，Writer进程要求写入内容。 合理的同步关系是： 多个读进程可同时读； Writer进程与任何其他进程（包括Reader进程或其他Writer进程）不允许同时访问文件。

Reader : repeat    wait(wmutex);    读文件；    signal(wmutex); until  false;

Writer : repeat    wait(wmutex);    写入文件；    signal(wmutex); until  false;

 

读者Reader :

begin repeat      

wait(rmutex);

 if Readcount=0 then

   Readcount :=Readcount +1;

signal(rmutex);

       …    

perform read operation;  

wait(rmutex);

 …        

Readcount :=Readcount -1;  

 if Readcount=0 then signal(wmutex);

signal(rmutex);

until  false;

end

 

4.黑白棋子问题

两个人下棋，一方执黑棋，一方执白棋。要求双方轮流下子。给出两种情况的解决办法：     1）执黑子一方先下 2）双方都可以先下，谁先抢到棋盘谁先下。然后开始轮流下子。

1）执黑子一方先下     信号量：b=1，w=0

黑： while(没结束){     wait(b);     下一黑棋;     signal(w); }

白： while(没结束){     wait(w);     下一白棋;     signal(b); }

2）先抢到棋盘者先下，然后轮流下子

Semaphore    m=1； turn=0;

黑 while(没结束){ p(m)； if （turn<>2）         下一黑子；   turn=2;     v(m) }

白： while(没结束){     p(m)；     if （turn<>1）         下一白子；     turn=1;     v(m) } 

5.嗜睡的理发师问题

一个理发店有N个沙发，1个理发椅； 理发师： 持续睡觉，理发，收钱的动作 顾客： 若有沙发，进入等待；否则离开。 理发椅空，一顾客放弃沙发，去唤醒它理发； 理发后付费，付费完毕离开理发椅，离店。

顾客 Repeat

…   

 顾客坐上椅子   

 singal(full)（叫理发师）  

   wait(cutok)（享受理发中）   

 付费     

signal(payment)   

 wait(receipt)   

 离开椅子  

   离开店

Until false

 

顾客间对椅子、沙发使用导致的相互关系

顾客 Repeat     

if count>N then       

 离开店     

else      

   count=count+1      

   if count=1 then          

   wait(empty)等椅子      

   else       

     wait(sofa)         

      坐入沙发           

 wait(empty)等椅子       

       离开沙发          

   signal(sofa)         

end if   

 end if

Until false

顾客坐上椅子   

 …

（与理发师的关系）

    离开椅子   

      离开店

 

6.生产与销售问题

        设一无限大仓库。就1个门，不允许同时入库，也不允许边入库边出库。 1）两个生产者A,B生产各自的产品入库；但要求满足关系Sa-Sb在限定的[-n,m]差值范围内。 2）一个销售者取产品销售，但对两种产品的卖出进度要把握在Ma-Mb也在[-n,m]范围内。

同步关系分析

互斥：三人在对仓库的使用上必须互斥（mutex=1）

顺序关系：

1)生产者AB之间：因为假设仓库无限大，不需考虑空的限制。控制其能否生产的关键是再生产一个能否满足Sa-Sb在限定的[-n,m]范围内。 A、B关心的都是各自的生产指标数量，即A关心x=A-B这个变量的值，同样B关心y=B-A。 初值：初始若无产品，A最多可生产m个，B最多可生产n个。自己生产一个必然使对方可以多生产一个。

2)生产与消费之间 关心卖出的A、B间的差值

 

 

1)生产者间关系 定义资源信号量Sab，Sba表示A、B各自允许生产的数量 初始：Sab=m，Sba=n（注意Sab，Sba之间的关系，和始终是m+n。）

生产者A： Repeat   wait(Sab)  生产A   signal(Sba)     wait(mutex)       入库 signal(mutex)Until false

生产者B： Repeat   wait(Sab)  生产A   signal(Sba)     wait(mutex)       入库 signal(mutex)Until false

2）生产与销售的关系

销售要做的： 是否有商品？

设置总商品数S，每次wait（S）

有商品，是A还是B?

设置A,B商品计数的信号量SA,SB。对某种商品执行取就wait（SA）

是否可以取？

取操作要满足销售产品的关系。所以 wait（SA/SB）前面需要判断控制---判断差值difference ，

 

销售与生产间有什么关系？

生产者A： Repeat  wait(Sab)   生产A signal(Sba) wait(mutex)              入库 signal(mutex)Signal(SA) Signal(S)Until false

生产者B： Repeat  wait(Sba)   生产A signal(Sab) wait(mutex)              入库 signal(mutex)Signal(SB) Signal(S)Until false