操作系统期末复习

一、操作系统概述

操作系统的作用

• OS是用户与硬件系统之间的接口（命令方式、系统调用方式和图形、窗口方式）
• OS是计算机系统资源的管理者（处理器、存储器、I/O设备、文件）
• OS是扩充机/虚拟机（覆盖了软件的机器称为扩充机或虚机器）

基本的操作系统

• 批处理操作系统（目标：资源利用率、系统吞吐量，多道：多个作业并发运行）
• 实时操作系统（目标：快速响应）
• 分时操作系统（多路性：一主机多终端，独占性：一用户一终端，及时性：及时响应，交互性）

操作系统的基本特征（OS最基本特性：并发和共享）

• 程序的并发执行（若干事件在同一时间间隔内发生，串行：一CPU处理多作业，并行：多CPU处理多作业）
• 资源共享（多进程共享系统资源，资源分为互斥共享（独占资源）、同时访问）
• 虚拟
• 操作的异步性

操作系统的功能

• 处理机管理（进程控制、进程同步、进程通信、调度）
• 存储器管理（内存分配、地址映射、存储保护、存储扩充）
• 设备管理（缓冲管理、设备分配、设备驱动）
• 文件系统管理（存储空间管理、目录管理、读写管理）
• 用户接口
• 现代OS的新功能

操作系统结构

• 无结构OS
• 分层式结构OS
  基本原则：每一层都仅使用其底层所提供的功能和服务
• 模块化结构OS
• 微内核OS结构（以客户 / 服务器（C / S）为基础，面向对象程序设计（OOP））

二、进程管理

进程

• 程序是静态的，进程是动态的（本质区别）
  程序是永久的，进程是暂时的

• 组成部分：程序、数据、进程控制块PCB

• 特征：
  动态性、并发性（最基本特征）
  独立性：进程是独立获得资源和调度的基本单位
  异步性

• 基本状态
  就绪
  运行
  等待/ 阻塞
  
  

• PCB

1. 作用
   PCB是OS感知进程存在的唯一标志；
   将程序变为能独立运行的基本单位，可与其他进程并发执行；
   进程与PCB是一一对应的；
   PCB随进程创建而建立，随进程结束而回收；
2. PCB表（组织所有PCB）
   PCB表的大小决定了系统中最多可同时存在的进程个数（系统并发度）

线程

线程是进程中的一个实体，线程是系统调度的基本单位
进程使多个程序并发执行提高系统效率
线程减少并发执行时空开销

进程与线程比较

传统OS中拥有资源、独立调度基本单位是进程、进程
引入线程系统中拥有资源、独立调度基本单位是进程、线程

管程

• 定义：包含一个数据结构（能为并发执行进程所执行的一组操作）。
• 组成：
  （1）局部于管程的共享变量说明
  （2）对该数据结构进行操作的一组过程
  （3）对局部于管程的数据设置初始值的语句

进程通信

• 共享存储系统（SharedMemory）
• 管道通信系统（pipe、FIFO）
• 消息传递系统（MessageQueue）
• 客户机-服务器系统（套接字Socket）

进程同步

• 生产者——消费者问题
  
  
  
• 读者 / 写者问题
  
  

• 哲学家就餐问题
  
  
  
  

三、处理机调度与死锁

处理机调度

1. 作业调度（高级调度）

• 决定接纳哪个作业，即哪个进程进入系统中处理（为其创建进程，使其就绪）
• 批处理系统有作业调度
• 控制了并发的度

2. 进程调度（低级调度）

• 决定哪个进程获得处理机
• 任何OS均有进程调度

3. 中级调度

• 提高内存利用率

响应时间：首次运行时间 — 提交时间
周转时间：完成时间 — 提交时间
带权周转时间：周转时间 / 运行时间
平均周转时间：所有周转时间的和 / 作业数量
平均带权周转时间：所有带权周转时间的和 / 作业数量

调度算法

1. 先来先服务调度算法（FCFS）

• 利于长作业/ 进程，不利于短作业/ 进程

2. 短专业优先调度算法（SJF）

• 利于短作业/ 进程，不利于长作业/ 进程

3. 最高响应比优先调度算法（HRRN）

• 响应比：1+（作业等待时间 / 作业处理时间）

4. 举个栗子
   

死锁产生的原因

• 竞争资源引起进程死锁
• 进程推进顺序不当引起死锁

产生死锁的必要条件

• 互斥使用：资源非共享
• 不可剥夺：不能强行剥夺进程拥有的资源
• 请求和保持：等待新资源时继续占有已有资源
• 环路等待（死锁一定有环，有环不一定死锁）

预防死锁

破坏四个必要条件之一

• 破坏请求和保持：一次性分配策略
• 破坏不可剥夺：剥夺资源法
• 破环环路：资源有序分配

避免死锁

• 银行家算法
• 举个栗子
  

四、存储器管理

内存碎片 / 内存零头

• 内零头：进程在向操作系统请求内存分配时，系统满足了进程所需要的内存需求后，还额外还多分了一些内存给该进程，也就是说额外多出来的这部分内存归该进程所有，其他进程是无法访问的。
• 内零头：内存中存在着一些空闲的内存区域，这些内存区域虽然不归任何进程所有，但是因为内存区域太小，无法满足其他进程所申请的内存大小而形成的内存零头。

存储器管理的功能

• 地址映射
• 主存分配与回收
• 存储保护
• 主存扩充(虚拟内存)

地址映射（地址重定位）

• 物理地址，也称绝对地址、内存地址

• 逻辑地址，也称相对地址、程序地址、虚地址

• 程序装入内存，逻辑地址到物理地址的修改为地址映射，也即地址重定位

• 举个栗子
  
  

• 据程序地址字分离出页号P和页内地址（偏移量）W
  
  

主存分配

1.连续分配方式

• 单一连续分配（分为系统区，用户区，程序使用全部用户区）
• 固定分区分配（内存划为个数固定、大小不一的分区，每个分区放一道作业）
• 动态分区分配（系统运行时建立分区，使分区大小与作业大小相等）
  （1）首次适应法（FF）
  （2）循环首次适应法（下次匹配法）（NF）：按分区的先后次序，从上次分配的分区起查找，到最后分区时再回到开头
  （3）最佳适应法（BF）
  （4）最坏适应法（WF）
  空闲分区表的组成方式分别为首址递增（1）和（2），空闲区大小递增（3），空闲区大小递减（4）
• 可重定位分区分配（在动态分区分配基础上，增加紧凑功能，即合并小的空闲分区）
• 举个栗子
  

2.非连续分配方式（离散分配）

• 分页存储管理方式（页表）
• 分段存储管理方式（段表）
• 段页式存储管理
  （1）引入原因：
  分页系统能有效提高内存的利
  用率，而分段则能更好地满足用户的需要，因此可以将两者结合成一种新
  的存储管理方式系统称为“段页式系统”。
  （2）原理
  先将用户程序分成若干段并分别赋予段名，再将这些段分为若干页
  地址结构:由段号、段内页号和页内地址三项共同构成地址
• 快表（联想存储器 / TLB）
  为减少逻辑地址到物理地址的转换时间，分页和分段管理用快表加速；
  页表放在快速存储器中（Cache）为快表，放在内存中为慢表；
  未引入快表，分页、分段、段页式访问内存次数依次为2、2、3。
  使用快表只访问 1 次内存。
• 分页管理与分段管理的区别：
  （1）页是信息的物理单位，分页是为实现离散分配方式，以消减内存的零头，提高内存的利用率，分页是由于系统管理的需要不是用户的需要；段是信息的逻辑单位，它含有一组其意义相对完整的信息，分段的目的是为了能更好的满足用户的需要。
  （2）页的大小固定且由系统决定，由系统把逻辑地址分为页号和页内地址两部分，是由机器硬件实现的，因而在系统中只能有一种大小的页面；段的长度不固定，决定于用户所编写的程序，通常由编译程序在对流程序进行编译时，根据信息的性质来划分。
  （3）分页的作业地址空间是一维的，各个模块在链接时必须组织成同一个地址空间；分段的作业地址空间是二维的，各个模块在链接时可以每个段组织成一个地址空间。
  （4）段比页大，因而段表比页表短，可以缩短查找时间，提高访问速度。
  （5）段的共享比页的共享更容易。
• 举个栗子
  

页面置换算法

• 最佳页面算法（OPT）
  转换将来最晚访问或不会访问的页面，置换性能最好，但无法实现
  

• 先进先出页面置换算法（FIFO）
  置换最早装入内存的页面，性能较差，会产生belady现象（分配物理页数增多，缺页次数增加）
  

• 最近最久未使用页面置换算法（LRU）
  置换最近最久未访问的页面，为OPT较好近似
  

• 轮转算法（clock）
  即最近未使用算法

• 最不经常使用（LFU）
  置换访问最少的页面

• 举个栗子
  

主存扩充（虚拟内存）

• 常规存储管理特征：
  一次性（作业必须一次全部装入内存后才能运行）
  驻留性（作业装入内存后，一直驻留在内存中）
• 虚拟存储器特征：
  离散性（内存分配时采用离散分配的方式）
  多次性（一个作业被分成多次调入内存运行）
  对换性（允许在作业运行过程中换进换出）
  虚拟性（逻辑上扩充内存容量）
• 虚拟存储器原理：
  （1）进程运行前：全部装入外存，部分装入内存
  （2）进程运行时：
  牺牲外存空间和CPU时间换取内存空间。
  （访问页不在内存，发生缺页中断，中断处理程序：
  找到访问页在外存的地址；
  在内存找一空闲页面；
  如没有，按淘汰算法淘汰一个；
  读入所需页面（切换进程）；
  重新启动中断指令。）

五、IO设备管理

• 定义：设备是指计算机系统中除CPU、内存和系统控制台以外的所有设备。

• 设备分类：
  （1）低速设备：键盘、鼠标
  （2）中速设备：打印机
  （3）高速设备：磁盘、光盘
  （4）字符设备：打印机、终端、modem
  （5）块设备：磁盘、磁带、光盘

• I/O系统基本功能
  （1）隐藏物理设备细节
  （2）设备独立/无关性：编程时，用逻辑设备名，由系统将其转换为物理设备
  （3）提高处理机与I/O设备利用率
  （4）对I/O进行控制

• I/O系统模型
  

• 设备管理功能：
  （1）监视系统中所有设备的状态
  （2）设备的分配
  （3）I/O控制

• I/O控制方式
  （1）循环测试I/O方式（程序查询）
  CPU不断使用指令检测方法来获取外设工作状态，不能处理其他业务，只能一直等待，到外设完成数据准备工作，CPU才能开始进行信息交换。
  硬件结构也比较简单，CPU的运行效率极低。
  （2）I/O中断方式
  遇到突发事件（I/O设备发出中断请求）而中断正在执行的程序，转而对突发事件进行处理，待处理完后继续原程序的执行。
  每执行一条指令，处理机都要测定是否有中断信号。
  节省了CPU时间，硬件结构相对复杂。
  （3）DMA方式
  直接存储器存取方式，是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。
  需要更多的硬件，适用于主存和高速外围设备之间大批量数据交换的场合。
  （4）通道方式
  即I/O处理机，实现内存与外设的数据批量交换。
  道的出现则进一步提高了CPU的效率，这种效率的提高是以增加更多的硬件为代价的。

六、磁盘管理

• 磁盘调度算法
  （1）FCFS：先来先服务
  举个栗子
  
  
  （2）SSTF：最短寻道时间优先
  
  （3）Scan：扫描算法（电梯算法）
  磁头按一个方向移动，如果该方向还有访问请求则继续扫描，否则改变移动方向
  
  （4）C-Scan：单向扫描算法（循环扫描算法）
  同扫描算法（电梯算法），区别是朝一个方向一直扫描（磁盘是环状）。
  
• 磁盘的访问过程
  （1）寻道：磁头移动定位到指定磁道
  （2）旋转延迟：待扇区旋转到磁头
  （3）数据传输：数据由磁盘传至内存

七、文件管理

• 文件形式：
  （1）由字节组成，无结构文件，即流式文件。（UNIX、MS-DOS采用）
  （2）由记录组成。
• 文件物理结构：
  （1）连续结构：
  顺序存取、随机存取。
  如磁带（顺序存取）。
  （2）链接结构
  顺序存取
  （3）索引结构
  顺序存取、随机存取
• 目录结构作用：
  （1）实现按名存取
  （2）实现文件重名
  （3）提高检索文件速度
  （4）文件共享