计算机操作系统——知识点总结

操作系统主要知识点总结

包括5个主要部分：概述，进程，处理机调度与死锁，存储器管理，虚拟存储器

另外的部分如文件管理，磁盘管理等相对不重要，下篇文章补充

一.概述

1.操作系统的发展
1)未配置系统
①.人工操作

②.脱机输入输出

2).单道批处理:内存中只有一个程序，作业依次运行
3）多道批处理：多个程序一起运行
4）分时:一个主机，多个终端
5）实时：在规定的时间内对外部时间做出响应

2.操作系统类型
1）单用户单任务
2）单用户多任务
3）多用户多任务

3.操作系统特性：
并发
共享
虚拟：将一个资源虚拟成多个使用，是用户感觉自己一个人使用一样
异步


4.操作系统功能
1）处理机管理
进程控制
进程同步
进程通信
调度：作业调度，进程调度

2）存储器管理
内存分配
内存保护
地址映射
内存扩充

3）设备管理
缓冲管理
设备分配
设备处理：利用设备处理程序（又称设备驱动程序）实现CPU和设备控制器之间的通信

4）文件管理
文件存储控制管理
目录管理
文件读写管理和保护

5）提供接口
用户接口：让用户可以控制自己的作业
程序接口：让程序调用系统的功能

6）新功能
系统安全
网络功能和服务
多媒体应用

5.操作系统结构
1）传统结构
无结构
模块化结构
分层式结构

2）客户/服务器模式
3）面向对象设计
4）微内核结构
①.概念：
足够小的内核
基于客户/服务器模式
机制与策略分离原理应用
采用面向对象技术


②微内核功能（包括但不限于）
进程（线程）管理
低级存储器管理
中断和陷入控制（陷入就是出现异常）

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2.进程
1)程序运行
①.前趋图
②.运行方式
a.顺序运行
特征
--顺序性
--封闭性
--可再现性

b.并发运行

特征
--间断性
--丢失封闭性
--不可再现性

2)进程概念
①.PCB（进程控制块）
a.描述进程的基本情况和活动过程
b.作用
--描述进程作为独立运行基本单位的标志（在线程出现之前）
--能让进程实现间断运行
--提供进程管理所需要的信息
--提供进程调度所需要的信息

--实现与其他进程的同步与通信

c.里面的信息
--进程标识符
--处理机状态
--用于进程从断点处重新执行
--进程调度信息

--进程控制信息

②.特征
动态性
并发性
独立性
异步性

③.状态
就绪
执行
阻塞
创建
终止

④.挂起:将进程从某一个状态挂起，放入外存。可利用激活操作激活

3)控制
①.处理机执行状态
系统态（管态，内核态）:能执行所有指令和访问所有寄存器和存储区
用户态（目态）:能执行部分规定的执行，访问指定的寄存器和内存。一般情况下，应用程序只能在用户态运行，不能执行OS指令和访问OS区域

②.OS内核两大功能（大部分内核都具备的）
a.支撑功能（提供给其他模块的一些基本功能）
--中断管理
--时钟管理
--原语管理

b.资源管理
--进程管理
--存储器管理
--设备管理

③.进程的创建
a.进程层次：允许一个进程创建另一个进程，子进程可以继承父进程的资源
注意：windows不存在层次概念，而是创建一个进程就拥有一个句柄，利用这个句柄可以控制进程
b.引起进程创建的事件
用户登录
作业调度
提供服务
应用请求

c.创建过程
申请空白PCB
为新进程分配资源
初始化PCB
如果新进程已就绪，放入就绪队列

d.进程终止
引用进程终止事件
--正常结束
--异常结束
----越界错
----保护错:进程访问一个不被允许的资源等时，抛出异常
----非法指令
----特权指令错:进程执行不被允许的指令
----运行超时
----等待超时
----算术运算错
----IO故障

--外界干预

终止过程
--根据进程标识符，得到PCB，获取进程状态
--终止执行此进程
--终止此进程的子孙进程，若有的话
--将进程的资源归还给父进程或OS
--将对应的PCB从队列（或链表）中移除，等待其他程序搜索信息

e.进程阻塞和唤醒
引起阻塞的事件
--向系统请求资源失败
--等待某种操作完成
--新数据尚未到达
--等待新任务的到达

阻塞过程:调用block原语，修改PCB现行状态为阻塞，并插入到阻塞队列

唤醒过程:有关进程调用wakeup原语，被阻塞进程从阻塞队列中移除，修改PCB现行状态为就绪，插入到就绪队列

f.进程挂起和激活
挂起过程:suspend原语
激活过程:active，从外存调到内存等等

4)进程同步
①.基本概念
a.两种制约关系
间接制约:共享系统资源导致

直接制约:进程相互合作导致

b.临界资源:进程间需采用互斥的方式共享的资源

c.临界区:访问临界资源的那段代码

d.同步进制应遵循的规则

空闲让进
忙则等待
有限等待
让权等待

②.硬件同步进制
关中断:进程在临界区执行代码，不响应中断
Test-and-Set指令实现互斥
Swap指令实现互斥

③.信号量
a.类型
整形型号量：wait（S），signal（S）两个操作，又称P、V操作。S是某资源个数
记录性信号量：不仅有资源数目的变量，还有所有等待进程的进程链
AND型信号量：多个信号量一次分配
信号量集：一次分配某个资源多个

b.应用
利用信号量实现进程互斥
利用信号量实现前驱

④.管程机制

a.概念:将共享资源抽象成共享数据结构，并提供一些对数据结构的操作。进程对资源的操作只能通过这些提供的操作，并且确保每次仅有一个进程进入管程，执行相关操作。实际上就是对资源进行抽象再封装

b.条件变量:管程有多个条件，每个条件对应一个进程被阻塞或挂起的原因。条件只能在管程中调用。其实就是用于解决进程阻塞或挂起时，不释放管程的情况。类似于java的锁对应的条件。操作有wait，signal

⑤.经典同步问题
a.生产者-消费者问题
利用记录型信号量解决
利用AND信号量解决

利用管程解决

b.哲学家进餐问题

利用AND信号量解决

c.读者-写者问题
利用记录型信号量解决
利用信号量集解决

5)进程通信
①类型
a.共享存储器系统

基于共享数据结构：OS提供共享存储器，程序员设计共享数据结构，仅适用于少量数据传递

基于共享存储区：内存划分出一个共享存储区，当进程需要通信时，从共享存储区申请一个区，对这个区进行数据读写。数据形式，位置或访问控制都由进程控制，非OS

b.管道通信

管道指一个读进程和写进程以实现它们之间通信的一个共享文件（个人认为一个内存区域也可以）

提供的协调能力
--互斥:一个时刻只能有一个读或写
--同步
--确定对方是否存在

c.消息传递系统:将通信数据封装在格式化信息为单位的信息中，利用OS提供的通信命令（原语），在进程间传递消息
分类
--直接通信：消息从一方直接到另一方；利用OS提供的通信原语直接将消息发送给目标进程

--间接通信：通过共享中间实体，如信箱通信

d.客户机-服务器系统
套接字（Socket）
--基于文件型:通信进程在同一台机器中，一个套接字关联一个特殊文件，通信双发通过对这个特殊文件读写实现通信

--基于网络型:一对套接字，类似于java的socket网络通信

远程过程调用（RPC），远程方法调用（RMC）
注：RPC引入存根的概念实现，java的rmi也是利用存根的概念实现

6)线程
①.进程只能运行在一个处理器上面。对于多线程的进程，可以将进程的多个线程运行在多个处理器上面
②.状态
执行
就绪
阻塞
③.TCB（线程控制块）
线程标识符
一组寄存器的内容（包括计数器PC，状态寄存器，通用寄存器）
线程运行状态
优先级
专有存储区
信号屏蔽
堆栈指针


④.多线程OS的进程
进程是一个拥有资源的基本单位
多个线程可并发运行
进程已不是可执行的实体

⑤.线程实现
a.实现方式
内核支持线程（KST）
用户级线程（ULT）
以上两种组合

b.具体实现

内核支持线程实现:一个进程里面有一个任务数据区，里面有若干个线程控制块TCB控件，每创建一个线程，就分配一个TCB

用户级线程的实现
--运行时系统
--内核控制线程（又称轻型线程（LWP））

c.线程创建与终止

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3.处理机调度与死锁
1)调度层次
高级调度（长程调度，作业调度）
低级调度（进程调度，短程调度）
中级调度（内存调度）

2)作业调度
①.作业与作业步
②.作业控制块
③.三个阶段
收容
运行
完成

④.三个状态
后备
运行
完成

⑤.调度算法
先来先服务算法
短作业优先算法
优先级调度算法
高响应比优先调度算法

3)进程调度
①.调度任务
保存处理机的现场信息
按某种算法选取进程
把处理机分配给进程

②.进程调度进制
排队器
分派器
上下文切换器

③.调度方式
非抢占式
抢占式

④.调度算法
轮转调度
优先级调度
多队列调度
多级反馈队列
基于公平原则调度
--保证调度
--公平分享调度

4)实时调度
①.算法分类
非抢占式
抢占式

②.算法
最早截止时间优先（EDF）
--非抢占式调度方式用于非周期实时任务
--抢占式调度方式用于周期实时任务

最低松弛度优先（LLF）

③.优先级倒置:解决方法

5)死锁
①.资源
可重用性资源和消耗性资源
可抢占型资源和不可抢占性资源

②.死锁原因
竞争不可抢占性资源引起死锁
竞争可消耗资源引起索索
进程推进顺序不当引起死锁

③.定义:一组进程发生死锁，这组死锁进程的每一个进程都在等待另一个死锁进程占用的资源

④.产生死锁的必要条件（缺一不可）
互斥条件
请求和保持条件
不可抢占条件
循环等待条件

⑤.处理死锁方法
a.预防死锁
破坏“请求和保持条件”
两种实现协议
--1.必须一次性申请整个运行过程中所有的资源

--2.只获得一开始运行所需资源，运行时释放全部资源，才能申请其他资源

破坏“不可抢占条件”：就是将资源释放给其他程序用

破坏“循环等待条件”
--实现方法：对所有资源进行线性排序，一开始申请资源后，接下来申请的资源必须大于拥有的资源序号才能被分配

b.避免死锁:使系统一直处于安全状态
方法：银行家算法

c.检测死锁
资源分配图
当一个资源分配图是不可完全简化的，此死锁资源分配图对应系统就发生死锁

d.解除死锁
终止进程
--终止所有死锁进程
--逐个终止进程

付出代价最小的死锁解除算法

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4.存储器

4.1存储器结构
1）CPU寄存器
2）主存
①.高速缓存
②.主存储器
③.磁盘缓存
3).辅存
①.固定磁盘
②.可移动存储介质

4.2程序装入和链接
1)程序一般经过的步骤
编译
链接
装入
运行

2)程序装入
①.绝对装入方式:逻辑地址就是物理地址（适用于单道程序环境）
②.可重定位装入方式:装入时就进行地址变换（静态重定位）
③.动态运行时装入:地址变换推迟到运行时

3)程序链接
①.静态链接方式:1.对相对地址进行修;2.变换外部调用符号
②.动态链接
a.装入时:
优点:
--便于修改和更新

--便于实现对目标模块的共享

b.运行时

4.3连续分配存储管理方式
1)分配方式
单一连续分配
固定分区分配
动态分区分配

2)动态分配算法
①.基于顺序搜索
首次适应
循环首次适应
最佳适应
最坏适应

②.基于索引搜索
快速适应
伙伴系统
哈希算法

③.动态可重定位分区分配
紧凑
动态重定位
算法步骤

4.4对换
1)概念:将内存中不能运行的进程或者暂时不用的程序和数据换出到外存上，以便腾出足够的内存空间，再把已具备的运行条件的进程或进程所需的程序和数据换入内存
2)类型
整体对换
页面（分段）对换

3)对换空间的管理
对文件区管理
对对换空间的管理

4.5存储方式
1)离散分配方式
分页存储
分段存储
段页式存储

2)分页式存储管理
①.基本方式
a.页面和物理块
逻辑地址分成若干个页面，物理地址分成若干个段，页和块大小相等

分页地址的地址结构:页号+偏移量

b.页表

c.地址变换机构
基本地址变换机构
带有快表的地址变换机构

②.两级或多级页表

③.反置页表:不同于普通的页面（页号对应一个物理块，根据页号排序），反置页表用一个物理块对应一个页号（并带有所属进程的标识符），并根据物理块排序

3)分段存储管理
①.优点
方便编程
信息共享
信息保护
动态增长
动态链接

②.基本方式
a.分段

分段地址的地址结构:段号+段内地址

b.段表
c.地址变换机构:普通和加入联想存储器（同分页式地址变换机构）

4)分页和分段比较
①.页式信息的物理地址，段是信息的逻辑地址

②.页的大小固定且有系统决定，段大小不固定，有用户编写的程序决定

③.分页地址一维，分页行为是系统决定，程序中只有一个逻辑地址。段是二维，段号加段内地址，程序员决定

5)段页式存储管理
先将程序分成若干段，再将每段分成若干页
地址结构:段号+段内页号+页内地址

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5.虚拟存储器
1)概念:具有请求调入和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统。逻辑容量有内存和外存容量之和决定

2)特征
多次性
兑换性
虚拟性

3)实现方法
①.分页请求系统
a.硬件支持
请求页表机制
--页表项:页号+物理块号+状态位P+访问字段A+修改位M+外存地址
缺页中断机构
--在指令执行期间产生和处理中断
--一条指定在执行期间可能产生多次缺页中断
地址变换机构

b.内存分配
最小物理块数的确定
内存分配策略
--固定分配局部置换
--可变分配全局置换
--可变分配局部置换

c.物理块分配算法
平均分配算法
按比例分配算法
考虑优先权的分配算法

d.页面调入策略
何时调入
--预调入策略

--请求调页策略

从何处调入
--系统拥有足够的对换区空间，可全部从对换区调入
--系统缺少足够的对换区空间，但凡不会被修改的文件，直接从文件去调入

--UNIX方式。未运行过的从文件去调入，运行过的都跟对换区交互

页面调入过程

缺页率

e.页面置换算法
最佳置换算法（目前没法实现，只用来评价其他算法）
先进先出页面置换算法
最近醉酒未使用
最少使用
clock置换算法
页面缓冲算法

②.分段请求系统
a.硬件支持
请求段表机制:段名+段长+段基址+存储方式+访问字段A+修改位M+存在位P+增补位+外存始址
缺段中断机制
地址变换机构

b.分段的共享与保护
共享段表
共享段分配与回收
分段保护
--越界检查
--存储控制检查
--环保护机构

2）多道程序与抖动
①.工作集：某段时间间隔内，进程实际所要访问页面的集合
②.抖动预防方法
采取局部置换策略
把工作集算法融入到处理机调度中
利用L=S准则调节缺页率
--L为缺页之间的平均时间
--S为平均缺页服务时间
选择暂定的进程