系统分析员考试复习笔记-3：第三章 操作系统基本原理



1.      第三章操作系统基本原理（P116）

1.1.      操作系统概述

一般操作系统包括：处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理和用户接口等5种功能。

1. 对处理机的分配和运行进行有效的管理。在多道程序环境下，处理机的分配和管理是以进程为单位的。因此处理机管理，可以归结为进程管理。

2. 存储器管理，对内存的分配、保护和扩充。

3. 设备管理，设备分配（采用缓冲和虚拟技术），设备传输控制（物理的输入输出，I/O），设备独立性（用户向操作系统申请的设备与实际的操作设备无关）。

4. 文件管理，对文件的存储空间管理，包括存储空间的分配和回收，目录管理、文件操作管理和文件保护等。

5. 用户接口，使用操作系统功能的手段；分为程序接口和操作接口。

   操作系统的类型

   可分为：单用户操作系统、批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、并行操作系统和嵌入式操作系统。【注：分类标准很混乱】

1. 单用户操作系统，一台处理机上只能支持一个用户程序的运行。

2. 批处理操作系统，作业处理系统。分为单道批处理系统和多道批处理系统。

3. 分时操作系统，为了解决批处理系统无法进行人机交互的问题，并使多个用户通过自己的终端以交互的方式使用计算机，共享主机中的资源。系统采用分时技术，将CPU的时间划分成很短的时间片，轮流分配给各个终端作业使用。

4. 网络操作系统，具有网络功能的操作系统，主要特点是网络中各种资源的共享和各台计算机间的通讯。

5. 分布式操作系统，各台计算机间相互合作，共同完成一个任务。网络操作系统的高级形式，与网络操作系统的区别是，在于任务的分布性，即把大任务分成多个小任务，并分派到不同的CPU上执行。

6. 嵌入式操作系统，运行在嵌入式智能芯片环境中。

   操作系统的结构

   从结构看，主要有整体结构、层次结构、客户/服务器结构和面向对象结构。

1. 整体结构，也称为模块组合结构或无序结构，是基于结构化程序设计的设计方法，开发的操作系统。模块作为操作系统的基本单位，每个模块具有一定独立的功能，若干个相关联模块协作完成某个功能。模块之间无序调用。所有的模块连接成一个完整的操作系统。

2. 层次结构，将操作系统划分为内核和若干模块（或进程），这些模块按功能的调用次序排列成若干层次，各层之间是单向依赖或者单向调用关系，即低层为高层服务，反之不能。缺点建立模块间的通信机制，模块间通讯花费很大。

3. 客户服务器结构，现代操作系统大多拥有两种工作状态，分别是核心态和用户态。一般应用程序工作在用户态，内核模块和最基本的操作系统核心工作在核心态。也称为微内核结构。大多操作系统功能由在用户态的服务器进程来实现。客户进程将请求发给服务器进程，服务器进程将处理结果返回服务器进程。服务器进程不能直接访问硬件。主要优点：

1. 统一的接口。

2. 可伸缩性好

3. 可移植性好，所有与具体机器特征的相关代码，全部隔离在微内核中。

4. 实时性好。

5. 安全可靠性高

6. 支持分布式系统

1. 面向对象结构

   进程管理

   进程是进行资源分配和调度的基本单位。

   进程是通过物理实体被感知的，进程的物理实体又称为进程的静态描述，通常由三部分组成，分别是程序、数据集合和进程控制块（Process Control Block，PCB）。程序描述了进程所要完成的功能，数据集合描述了程序运行所需要的数据部分和工作区；PCB包括进程的描述信息、控制信息和资源信息，是进程动态特性的集中反映。程序和集合是进程存在的物质基础，是进程的实体；PCB是进程存在的标志，进程与PCB是一对一的关系，操作系统利用PCB对并发执行的进程进行控制和管理。

   进程的状态

   进程与程序不同，它是活动的且有状态变化的。

1. 三态模型

   具有三种基本的状态，分别是运行、就绪和阻塞，入下图：

   程序加载后处于就绪状态，分配的CPU时间片到，进入运行状态，CPU时间片到，回到就绪状态；在运行状态中，如果需要等待某事件，进入阻塞状态，事件条件满足后，进入就绪状态。

   运行状态：进程占有处理机正在执行程序的状态。

   阻塞状态：也称为等待状态或睡眠状态，是进程等待某个事件发生而处于暂停执行的状态。

   就绪状态：进程已经分配到除处理机以外的资源，具备执行条件，等待处理机调度的状态。

2. 五态模型

   由于进程的不断创建，系统资源尤其是内存资源不能满足所有进程的要求。这时必须将某些进程挂起，放到磁盘对换区，暂时不参加调度，以负载均衡。挂起原因，可能是系统故障，或调试程序等等。

   活跃就绪，指进程在内存并且可被调度状态。静止就绪，对换到外存时的就绪状态，是不能直接被调度的状态。

   活跃阻塞和静止阻塞同理。

   信号量与PV操作

   在多道程序中，由于资源共享与进程合作，使各进程间产生两种形式的制约关系，一种是间接制约，例如都需要访问打印机，执行打印操作；另外一种是直接制约，例如进程A通过缓冲区为进程B提供数据。

   进程同步主要源于进程合作，是进程之间共同完成一项任务时直接发生相互作用的关系。在多道程序中，这种在执行次序上的协调时必不可少的。

   进程互斥主要源于资源共享，是进程之间的相互制约关系。在多道程序中，每次只允许一个进程访问的资源成为临界资源，进程互斥要求保证每次只有一个进程使用临界资源。

   在每个进程访问临界资源的程序段，称为临界区，进程进入临界区需要满足一定的条件，以保证临界资源的安全使用了系统的正常运行。临界区是进程在时间上互斥。即同一时间只允许一个进程执行。

    

   【注：在访问临界资源时，需要说明的是临界区的大小，因为CPU是按照分时执行进程的，当进程拥有临界区的资源后（进程在执行临界区的代码），CPU被分配到其他的进程上，此时临界资源，对于其他的进程也是无法访问的。JVM的监视器模型，实际上是一个面向对象化的临界区和临界资源，拥有监视器，即拥有对象锁，也意味着进入了临界区，此时资源，只允许临界区的代码访问；即此时其他的进程应该无法进入临界区，即执行临界区的代码，控制的机制实际上就是信号量，通过信号量来控制临界资源的当前的数量，和允许那些进程进入到临界区中。同理，在监视器模型中，线程（在这里只限于同步代码，线程和线程是存在明显区别的）请求对象锁（类似于信号量），对象锁未被拥有，线程进入监视区，拥有该监视器（整体执行监视器的代码，中途不会将将CPU的时间片，分配给其他的线程；进程则是同判断，决定其他的进程是否执行临界区的代码，在同一个信号量下，保证临界区的代码只能有一个进行执行），可以执行对象的方法，注意，仅仅该对象的方法，其他的对象不包括在内，因为没有拥有其他对象的监视器，线程执行完成后，执行notify，通知其他线程，可以申请该对象的监视器。监视器monitor，即监视对象执行的监视区域的代码，即拥有监视器，才能执行监视区域的代码，和锁的概念不同，锁没有代码区。监视器是按照对象来区分的，如果在一个对象的监视区内，调用其他对象的方法，此时线程执行其他对象的方法，如果该方法，不需要拥有监视器，则同样按照线程分时去执行。即不会整体执行。】

1. 信号量

   信号量作为进程同步和互斥的工具。进程互斥，即临界区代码的访问。资源互斥，即不能对资源同时访问。

   信号量是一个二元组(S,Q)，其中S是一个整型变量，初值为非负，Q为一个初始状态为空的等待队列。在多道程序系统中，信号量是一种有效的实现进程同步与互斥的工具。信号量的值通常表示某类资源的数目，当它大于0，表示系统当前可用的资源数据量；当它小于0，表示系统中等待使用该资源的进程数量，即在Q队列上排队的PCB数量。信号量的值是可变的，由PV操作来改变。