操作系统概念 自学笔记

第二部分 进程管理

第三章 进程

进程包括：代码段，当前活动（程序计数器的值和处理器寄存器的内容），进程堆栈段（临时数据，如函数参数、返回地址和局部变量）和数据段（包括全局变量），堆（进程运行期间动态分配的内存）。

进程状态：1）新的，进程正在被创建；2）运行：指令正在被执行；3）等待：进程等待某个事件的发生。4）就绪：进程等待分配处理器；5）终止：进程完成执行。

进程控制块：每个进程在操作系统内用进程控制块（process control block,PCB)来表示。包括：1）进程状态，状态可包括新的、就绪、运行等；2）程序计数器，计数器表示进程要执行的下一个指令的地址。3）CPU计算器；4）CPU调度信息，包括进程优先级、调度队列的指针和其他；5）内存管理信息，包括基址之类；6）记账信息，包括CPU时间、实际使用时间、时间界限等；7）I/0状态信息，分配给进程的I/O设备列表、打开的文件列表等。

操作系统有两种主要队列：I/O请求队列和就绪队列。就绪队列包括所有准备执行并等待CPU的进程。每个进程有PCB,PCB链接起来就形成了就绪队列。调度队列：进程进入系统时，会被加到作业队列中，该队列包括系统中的所有进程。长期调度程序和短期调度程序，主要的差别是它们执行的频率。长期（作业）调度通过选择进程来争用CPU，通常场地调度会受资源分配考虑；而短期调度从就绪队列中选择进程。有的操作系统如分时系统，可能引入另外的中期调度系统，能将进程从内存中移出，从而降低多道程序设计的程度。

大多数操作系统根据一个唯一的进程标识符（process identifier,pid)来标识进程，pid通常是一个整数值。操作系统必须为父进程创建子进程提供一种机制。父进程在继续之前可以等待它的子进程终止，也可以并发执行父进程和子进程。创建子进程时，初始化数据有父进程传递给子进程。

进程间通信：并发执行的优点1）信息共享：由于多个用户可能对同样的信息感兴趣；2）提高运算速度，如果希望一个特定任务快速运行，那么必须将它分成子任务，每个子任务可以与其他子任务并行执行。3）模块化，可能需要按模块化方式构造系统。4）方便，单个用户也可能同时执行许多任务。协作进程需要一种进程间通信机制（interprocess communication,IPC)来允许进程相互交换数据与信息。进程间通信有两种基本模式：1）共享内存，2）消息传递。在共享内存模式中，建立起一块供协作进程共享的内存区域，进程通过向此共享区域读或写入数据来交换信息。在消息传递模式中，通过在协作进程间交换消息来实现通信。这两种发发并不互相排斥，能在同一操作系统内同时实现。消息传递可以是阻塞或非阻塞也称为同步或异步。socket,RPC远程过程调用，RMI远程方法调用。RMI是RPC的JAVA版。RPC与RMI，RPC支持子程序编程，即只能调用远程的子程序或函数，而RMI是基于对象的额，支持调用远程对象的方法。在RPC中，远程过程的参数是普通数据结构，而RMI可以将对象作为参数传递给远程方法。

第四章 线程

线程是CPU使用的单元，它由线程ID、程序计数器、寄存器集合和栈组成。它与属于同一进程的其他线程共享代码段、数据段和其他操作系统资源，如打开文件和信号。多线程编程的优点：1）响应度高2）资源共享3）经济4）多处理器体系结构的利用。

有两种不同方法来提供线程支持：用户层的用户线程或内核层的内核线程。1）多对一模型：将多个用户级线程映射到一个内核线程。如果一个线程执行了阻塞系统调用，那么整个进程会阻塞。2）一对一模型：将每个用户线程映射到一个内核线程。3）多对多模型：多路复用了许多用户线程到同样数量或更小数量的内核线程上。

线程库为程序员提供创建和管理线程的API。主要有两种方法来实现线程库。Java程序中有两种创建线程的技术，一种是创建一个新的类，从thread类派生，重载run()函数；另一种是定义一个实现runnable接口的类。创建thread对象并不会创建一个新的线程，实际是用start函数来创建新的线程。

用户线程对程序员来说是可见的，而对内核来说却是未知的。通常，用户线程跟内核线程相比，创建和管理要更快，因为它不需要内核干预。

第5章 CPU调度

CPU的成功调度依赖于进程的如下属性：进程执行由CPU执行和I/O等待周期组成。进程在这两个状态之间切换。

调度算法：1）先到先服务调度FCFS;2)最短作业；3）优先调度算法SJF；4）优先级调度算法；5）转轮法RR调度算法是专门为分时系统设计的；6）多级队列调度，将就绪队列分成多个独立的队列；7）多级反馈队列调度，允许进程在队列之间移动，主要根据不同CPU区间的特点；优先级和SJF调度会产生饥饿，老化技术可以阻饥饿。

多处理器调度：非对称多处理，对称多处理SMP

第6章 进程同步

临界区问题。每个进程必须请求允许进入其临界区，这一请求的代码段称为进入区，临界区之后有退出区，其余代码为剩余区。临界区问题的解答需要满足如下三项：互斥、前进、有限等待。

Peterson算法，这是一个经典的基于软件的临界区问题的解答。

信号量S是个整数变量，除了初始化外，它只能通过两个标准原子操作：wait()和signal()来访问。这些操作原来被称为P（测试）和V（增加）。通常操作系统区分计数信号量与二进制信号量，计数信号量的值域不受限制，而二进制信号量的值只能为0或1,可称为互斥锁。最大的缺点是忙等，进程在其等待锁时还在运行称为自旋锁，自旋锁有其优点，不进行上下文切换，锁占用时间短则有用。在具有忙等的信号量的经典定义下，信号量的值不可能为负，但修改为阻塞后的实现可能产生负的信号量值。如果信号量的值喂负，那么其绝对值就是等待该信号量的进程的个数。每个信号量包括一个整数值和一个PCB链表的指针。管程，

第7章 死锁

一个系统满足如下4个条件，引起死锁：互斥，占有并等待、非抢占、循环等待。

死锁避免：安全序列，进程顺序,如果对于每个Pi，Pi仍然可以申请的资源数小于当前可用资源加上所有进程Pj(j

第三部分 内存管理

第8章 内存管理

内存必须容纳操作系统和各种用户进程。通常分为两个区域：一个用于驻留操作系统，另一个用于用户进程。

分页内存管理方案允许进程的物理地址空间可以是非连续的。

不同的内存管理算法（连续分配，分页，分段，以及分页与分段结合）在许多方面呈现出不同的特点。需要考虑以下：

1）硬件支持：对单分区和多分区方案，只需要一个基地址寄存器或一对基地址和界限寄存器，对于分页和分段，需要映射表以定义地址映射。2）性能：随着内存管理算法变得越来越复杂，逻辑地址到物理地址的映射所需要的时间也有所增加。3）碎片：4）重定位：外部碎片问题的解决方案之一是紧缩。紧缩涉及在内存中移动程序而不影响到程序。这种方案要求在执行时逻辑地址能动态地进行重定位。5）交换：进程可以定时地从内存交换到外存再交换到内存。6）共享：7）保护

第9章 虚拟内存

引用串 7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0，3，2，1，2，0，1，7，0，1，三个帧

页置换算法：1）FIFO页置换，选择最旧的页置换，最开始的3个引用会引起页错误，总共有15帧错误。存在belady异常2）最优页置换算法OPT，页错误率最低的，置换最长时间不会使用的页，有9个页错误。3）最近最少使用算法LRU页置换，置换最长时间没有使用的页，有12次错误。

虚拟内存通常采用按需调页方式来实现。纯按需调页只有在引用页时才调入页。第一次引用就会使操作系统产生页错误。操作系统检查内部表确定该页在备份仓库上的位置。接着，它找到空闲帧并从备份仓库中读入页。更新页表以反映这一修改，并重新执行产生页错误的指令。使用按需调页以降低分配给进程的帧数，这种安排能增加多道程序的程度，且（至少从理论上说）增加了系统CPU的使用率。即使进程内存需要超过总的物理内存，也能允许进程运行。

第四部分 存储管理

第10章文件系统接口

访问方法：顺序访问、直接访问