计算机操作系统（第四版）复习材料

第一章 操作系统引论

什么是操作系统

1. 定义
   操作系统是一组能有效地组织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，以及方便用户使用的程序的集合。（操作系统是一类程序的集合）
2. 从外部看OS

• 用户环境观点（计算机用户的观点）
• 虚拟机器观点（应用程序员的观点）

3. 从内部看OS

• 资源管理观点（OS开发者观点一）
• 作业组织观点（OS开发者观点二）
  

操作系统的目标和作用

1. 目标

• 有效性
• 方便性
• 可扩充性
• 开放性

2. 作用

• OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口
• OS作为计算机系统资源的管理者（四大管理：进程管理、存储管理、设备管理、文件管理）
• OS实现了对计算机资源的抽象

操作系统的发展过程

1. 人工操作方式
2. 脱机输入输出方式
3. 单道批处理系统（自动性、顺序性、单道性）
4. 多道批处理系统（调度性、无序性、多道性）
5. 分时系统（多路性、独立性、及时性、交互性）
6. 实时系统（实时性和可靠性、多路性、独立性、交互性）
7. 通用操作系统

• 微机操作系统

1. 单用户单任务操作系统（CP/M、MS-DOS）
2. 单用户多任务操作系统（Windows98以及以前版本的Windows）
3. 多用户多任务操作系统 （UNIX、Windows XP以及以后版本的Windows）

• 网络操作系统

8. 其他操作系统（MPS…）

操作系统的基本特征

1. 现代OS的两个基本特征（慕课版）

• 任务¹共行

从宏观上来看，任务共行是指系统中有多个任务同时运行
从微观上来看，任务共行是指单处理器系统中的任务并发或多处理系统中的任务并行

• 资源共享

从宏观上看，资源共享是指多个任务可以同时使用系统中的软硬件资源
从微观上看，资源共享是指多个任务可以交替互斥地使用系统中的某个资源

2. 操作系统的基本特征（所学习版）

• 并发性（最重要）
• 共享性
• 虚拟性
• 异步性

并发性和共享性是操作系统的两个最基本特征，二者互为存在条件。

操作系统的主要功能

处理机管理

1. 进程控制
2. 进程同步
3. 进程通信
4. 进程调度

存储器管理

1. 内存分配
2. 内存保护
3. 地址映射
4. 内存扩充

设备管理

1. 缓冲管理
2. 设备分配
3. 设备处理
4. 虚拟设备

文件管理

1. 文件存储空间的管理
2. 目录管理
3. 文件的读写管理
4. 文件的共享与保护

用户接口

1. 用户接口
2. 程序接口

操作系统的结构设计

操作系统的结构设计发展

1. 无结构
2. 模块化
3. 分层式
4. 微内核

常见的OS总体结构风格

大多数现代OS其总体结构包含两类子系统：1.用户接口子系统；2.基础平台子系统；它们之间具有单向性。

1. 常见的基础平台子系统结构风格

• 分层结构风格
• 分级结构风格
• 分块结构风格
• 单模式²结构风格
• 多模式结构风格

2. 双模式基础平台子系统

• 核外子系统（User Mode）
• 核内子系统（Kernel Mode）

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第二章 进程的描述与控制

现代OS中进程和线程的概念

进程：是资源分配的和独立运行的基本单位。
线程：是系统调度的基本单位。

前驱图和程序执行

1. 前驱图
   有向无循环图（DAG ）。描述一个程序的各部分（程序段或语句）间的依赖关系，或者是一个大的计算的各个子任务间的因果（前后）
   关系。前趋图中的每个结点可以表示一条语句、一个程序段或一个进程，结点间的有向边表示两个结点之间存在的偏序关系或前趋关系“→ ”。没有前趋的结点称为初始结点，没有后继的结点称为终止结点。此外，每个结点还具有一个权值，用于表示该结点所含有的程序量或结点的执行时间。
2. 程序顺序执行

• 顺序性
• 封闭性
• 可再现性

3. 程序并发执行

• 异步性
• 失去封闭性
• 不可再现性
  

进程的描述

进程的定义

进程是程序在一个数据集合上的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
扩：进程实体：程序段+数据段+PCB

进程的特征

• 动态性
• 并发性
• 独立性
• 异步性

进程和程序的区别

程序是指令的有序集合，是静态的，其存在是无生命周期的，而进程由程序段、数据段、PCB组成，是动态的，有生命周期的。

进程的状态模型

1. 二状态模型
   Running
   Not-Running
2. 三状态模型
   Running
   Ready
   Block
3. 五状态模型
   Running
   Ready
   Block
   New
   Exit
4. 七状态模型
   Running
   Ready
   Block
   Ready，Suspend
   Block，Suspend
   New
   Exit

挂起需要用到Swapping技术；

如何区分阻塞Or挂起？

• 进程是否等待事件，阻塞与否
• 进程是否被换出内存，挂起与否

进程控制块PCB

1. 定义：
   是操作系统为了管理和控制进程的运行，而为每一个进程定义的一个数据结构，它记录了系统管理进程所需的全部信息。
2. 位置：
   常驻内存，存放在操作系统中专门开辟的PCB区内。
3. 作用：
   a. 作为独立运行基本单位的标志，进程存在的唯一标志，系统根据PCB而感知相关进程的存在。
   b. 能实现间断性运行方式。保护现场
   c. 提供进程管理所需要的信息
   d. 提供进程调度所需要的信息
   e. 实现与其他进程的同步和通信
4. 内容：
   a. 进程标识符
   b. 处理机状态
   c. 进程调度信息
   d. 进程控制信息

进程控制

操作系统内核的功能

1. 支撑功能

• 中断处理
• 时钟管理
• 原语³操作

2. 资源管理功能

• 进程管理
• 存储器管理
• 设备管理

进程的层次结构

• 子进程可继承父进程的所有资源
• 子进程撤销时要把资源归还给父进程
• 父进程撤销时也必须撤销所有子进程

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

进程创建流程

• 为进程分配一个唯一标识号
• 为进程分配空间
• 初始化PCB
• 建立链接
• 建立或扩展其他数据结构

引起进程结束的事件

正常、异常、外界干预

进程的终止过程

• 根据PID找到PCB，读出该进程的状态
• 若该进程为执行状态，则终止其执行，调度新进程执行
• 若该进程有子孙进程，则立即终止其所有子孙进程
• 将该进程的全部资源，或归还其父进程，或归还系统
• 将被终止进程的PCB从所在队列中移出，等待其他程序来搜集信息

进程的阻塞与唤醒

阻塞是主动的，唤醒是被动的

进程的挂起与激活

挂起是由进程自己或其父进程调 Suspend 原语完成。激活是由父进程或用户进程请求激活指定进程，系统利用 Active 原语将指定进程激活。

线程相关

1. 当引入线程后，线程是系统调度的基本单位，进程是资源分配的基本单位，而不再是一个可执行的实体。
2. 进程与线程的存在方式
   
3. 进程与线程的比较
   

进程同步

定义

是指对多个相关进程在执行次序上进行协调，他的目的是使系统中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。

机制

硬件机制、信号量机制、管程机制

制约关系

• 直接制约关系（进程同步）
• 间接制约关系（进程互斥）
  

临界资源

临界资源是一次只允许一个进程使用的资源，需要进程采用互斥方式访问；访问临界资源的那一段代码叫做临界区（CS区）。

同步机制规则

• 空闲让进
• 忙则等待
• 有限等待
• 让权等待

硬件机制

• 关中断
• TS指令
• Swap指令
  不符让权等待（造成了忙等）

信号量机制

操作：P、V操作
原语：wait、signal（必须成对存在）
类别：资源信号量、互斥信号量
资源信号量：申请/归还资源，可以初始化为一个正整数（>=0 表示可用资源数 <0表示被阻塞的进程数）
互斥信号量：申请/释放使用权，常初始化为1
注意事项：两个wait操作相邻的话，顺序很重要！同步wait必须在互斥wait前面！wait，signal成对出现，当为互斥操作时，处于同一进程，否则不在同一进程；使用PV不当，会产生死锁；

管程机制

定义：一个数据结构和在该数据结构上能被并发进程所执行的一组操作，这组操作能使进程同步和改变管程中的数据。
管程规定每次只准许一个进程执行，从而实现了进程互斥，保证了管程共享变量的数据完整性。

经典进程同步的同步问题

生产者消费者问题

资源信号量：full=0、empty=n（分别表示满缓冲区的数目、空缓冲区的数目）
互斥资源量：mutex=1
核心算法表示：

哲学家进餐问题

互斥资源量：五个

可能会出现死锁，改进如下：

读者写者问题

1. 读者优先：
   共享变量：readcount，当前读者个数，初值为0
   互斥信号量：Rmutex=1（读互斥）、Wmutex=1（写互斥）
   
2. 写者优先
   共享变量：readcount，当前读者个数，初值为0
   互斥信号量：Rmutex=1（读互斥）、Wmutex=1（写互斥）、S=1（读写互斥）
   

进程通信

1. 共享存储器系统
2. 消息传递系统

• 直接通信方式：消息缓冲通信
• 间接通信方式：信箱通信方式

3. 管道通信（共享文件通信）
4. 客户机-服务器系统

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第三章 处理机调度与死锁

处理机调度的层次和调度算法的目标

按照层次划分

高级调度 外《----》内
中级调度 外《----》内 但PCB在内
低级调度 内存之中

按OS类型划分

批处理调度、分时调度、实时调度、多处理机调度

调度算法的共同目标

• 资源利用率

$CPU利用率=CPU有效工作时间/有效时间+空闲等待时间$

• 公平性（防止进程饥饿）
• 平衡性（CPU型进程和I/O型进程）
• 策略强制执行（抢占）

批处理系统的目标

• 平均周转时间

周转时间：驻外存等待调度时间+驻内存等待调度时间+执行时间+阻塞时间=结束时间-到达时间
平均周转时间=$\frac{1}{n}\sum _{i=0}^n{T}_i$
平均周转时间可以衡量不同调度算法对相同作业流的调度性能。
带权周转时间=$\frac{1}{n}\sum _{i=0}^n\frac{T_i}{T_s}$
带权周转时间越小越好

• 系统吞吐量
• 处理机利用率高

分时系统的目标

• 响应时间快
• 均衡性

实时系统的目标

• 截止时间保障
• 可预测性

作业调度（高级调度）

作业与作业步

Job是指，计算机用户在一次上机过程中要求计算机系统为其所做的工作的集合；作业中的每项相对独立的工作称为作业步；
一个典型的作业可分为三个作业步：1.编译作业步 2.连结装配作业步 3.运行作业步

作业运行的三阶段和三状态

• 收容阶段 后备状态
• 运行阶段 执行状态
• 完成阶段 停止状态

FCFS（先来先服务）

基本思想：按进程（作业）进入就绪（后备）队列的先后次序来分配处理机（为其创建进程）。
调度方式：非剥夺
优点：简单、有利于CPU繁忙型作业
缺点：I/O不利、短作业不利

SJF（最短作业优先）

基本思想：从后备作业中选择一个或若干个估计运行时间最短的作业，将他们调入内存运行
调度方式：非剥夺
优点：有效降低作业的平均等待时间、提高了吞吐量
缺点：长作业不利、不考虑紧迫性、作业执行时间、剩余时间仅为估计

PSA（优先级调度算法）

• 静态优先级
• 动态优先级

HRRN（高响应比优先算法）

基本思想： 既考虑了作业的等待时间，也考虑了作业的运行时间，是一种动态优先级调度算法。
优先权=等待时间+要求服务时间/要求服务时间

进程调度（低级调度）

进程调度任务

1. 保存处理机的现场信息
2. 按某种算法选取进程
3. 把处理器分配给进程

进程调度机制

1. 排队器
2. 分派器
3. 上下文切换器

进程调度方式

1. 非抢占式
   优点：简单、系统开销小
   缺点：不适用于分时系统和实时系统
2. 抢占式
   抢占原则：优先权原则、短进程优先原则、时间片原则

SRT（最短剩余时间优先）

基本思想：它总是选择预期剩余时间最短的进程。只要新进程就绪，且有更短的剩余时间，调度程序就可能抢占当前正在运行的进程
方式：抢占式
优点：抢占
缺点：必须记录过去的服务时间，从而增加了开销。

RR（时间轮转调度算法）

基本思想：系统将所有就绪进程按FCFS的原则，排成一个队列依次调度，把 CPU 分配给队首进程，并令其执行一个时间片，通常为
10-100ms。时间片用完后，系统的计时器发出时钟中断，该进程将被剥夺 CPU并插入就绪队列末尾。
优点：非常公平
进程切换时机：

1. 若一个时间片尚未用完进程便已经完成，就立即再调度就绪队列中队首进程运行，并启动一个新的时间片。
2. 如果在一个时间片用完时进程尚未运行完毕，则剥夺 CPU，调度程序把它送往就绪队列的末尾。
   响应时间T = 时间片q × 就绪队列进程数n
   时间片的选择：略大于一次典型的交互所需要的时间（在一个时间片内能完成80%左右的进程）

MFQ（多级反馈队列调度算法）

1. 基本思想
   
   

实时调度

实现实时调度的基本条件

1. 提供必要的调度信息
2. 系统处理能力强
3. 采用抢占式的调度机制
4. 具有快速切换机制

实时调度算法的分类

1. 按实时任务性质

• 硬实时
• 软实时

2. 按调度方式

• 非抢占
• 抢占

EDF（最早截止时间优先算法）

1. 非抢占式
   
2. 抢占式
   

LLF（最低松弛度优先算法）

基本思想：算法是根据任务紧急（或松弛）的程度，来确定任务的优先级。任务的紧急度越高，其优先级越高，并使之优先执行。
方式：抢占式
松弛度 = 必须完成时间 - 本身剩余运行时间 - 当前时间

优先级倒置

1. 原因
   高优先级进程（或线程）被低优先级进程（或线程）延迟或阻塞。临界资源
2. 解决方法
   
   

死锁概述

死锁定义

死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。
扩：饥饿是指一个进程一直得不到资源⁴

死锁产生原因

1. 竞争不可抢占资源引起死锁
2. 竞争可消耗资源引起死锁
3. 进程间推进顺序不当引起死锁

死锁产生的条件

1. 互斥条件
2. 请求和保持条件
3. 不可剥夺条件
4. 环路等待条件
   前三个是必要条件、最后一个是前三个条件产生的结果

处理死锁的方法

1. 鸵鸟方法
2. 预防死锁（破坏四个条件中的一个或几个）
3. 避免死锁
4. 检测死锁
5. 解除死锁

避免死锁（银行家算法）

1. 定义
   在资源的动态分配过程中, 采用某种策略防止系统进入不安全状态⁵, 从而避免发生死锁。（确保系统不进入不安全状态）。
   并非所有不安全状态都是死锁状态，只要系统处于安全状态，则可避免进入死锁状态。

2. 银行家算法
   实质：设法保证系统动态分配资源后不进入不安全状态，以避免可能产生的死锁。
   前提条件：要求进程必须预先提出自己的最大资源请求数量，这一数量不能超过系统资源的总量，系统资源的总量是一定的。
   数据结构：
   
   

算法描述：


自然语言描述:
系统提出请求后，先判断请求是否合法，如果合法，则尝试修改，判断修改后是否存在安全状态，如果存在则确认修改。
如何判断是否存在安全状态：
当前系统可用资源分配给某个进程后，可以完成该进程，并释放该进程资源。循环直至全部完成；

死锁的检测与解除

1. 资源分配图
   重要结论：如果资源分配图中不存在环路，则系统中不存在死锁；反之，如果资源分配图中存在环路，则系统中可能存在死锁，也可能不存在死锁。
2. 死锁定理
   

死锁的解除

• 资源剥夺法
• 撤销进程法

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第四章 存储器管理

存储器的层次结构

程序的装入和链接

如何从源程序变为在内存中可执行的程序

1. 编译
2. 链接
3. 装入
   

程序的装入方式

1. 绝对装入方式
2. 可重定位⁶装入方式

3. 动态运行时装入方式

程序的链接方式

1. 静态链接
2. 装入时动态链接
3. 运行时动态链接

存储管理技术-分区（连续）

固定分区

1. 定义
   系统初始启动时将内存划分为数目固定、尺寸固定的多个分区。这些分区的尺寸可以相等也可以不等。
2. 条件
   系统需建立一张分区说明表或使用表，以记录分区号、分区大小、分区的起始地址及状态（已分配或未分配）。
3. 流程
   当某个用户程序要装入内存时，通常将分区按大小进行排队，由内存分配程序检索分区说明表，从表中找出一个满足要求的尚未分配的分区分配该程序，同时修改说明表中相应分区的状态；若找不到大小足够的分区，则拒绝为该程序分配内存。程序执行完毕，释放占用的分区，管理程序修改说明表中相应分区的状态为未分配，实现内存资源的回收。
4. 缺点
   作业的大小并不一定与某个分区大小相等，从而使一部分存储空间被浪费，产生内零头⁷，所以主存的利用率不高。分区尺寸固定,系统无法运行大程序；分区数目固定,使活动进程的数目受限。

动态分区

1. 定义
   动态分区分配是一种动态划分存储器的分区方法。内存不是预先划分好的，作业装入时，根据作业的需求和内存空间的使用情况来决定是否分配。
2. 条件
   系统需要建立空闲分区表（和空闲分区链），用来登记系统中的空闲分区（分区号、分区起始地址、分区大小及状态）。以及需要特定的分区分配算法；
3. 流程
   
   
4. 缺点
   容易产生外零头⁸，需要较好的匹配算法支持。

5. 分配算法
   a.基于顺序搜索的动态分区分配算法

• 首次适应算法
• 循环首次适应算法
• 最佳适应算法
• 最坏适应算法
  b.基于索引搜索的动态分区分配算法
• 快速适应算法
• 伙伴系统
• 哈希算法

6. 涉及到的寄存器（存储保护）

• 基址寄存器
• 界限寄存器

7. 覆盖与对换
   覆盖可减少一个进程运行所需的空间。对换可让整个进程暂存于外存中，让出内存空间。
   覆盖是由程序员实现的，操作系统根据程序员提供的覆盖结构来完成程序段之间的覆盖。对换技术不要求程序员给出程序段之间的覆盖结构。
   覆盖技术主要在同一个作业或进程中进行。对换主要在作业或进程之间进行。

存储管理技术-分页（离散）

简单分页

1. 定义
   将一个用户进程的地址空间（逻辑空间）划分成若干个大小相等的区域，称为页或页面，各页从 0 开始编号。内存空间也分成若干个与页大小相等的区域，称为块（物理块）或页框（frame），同样从 0 开始编号。在为进程分配内存时以块为单位，将进程中若干页装入到多个不相邻的块中，最后一页常装不满一块而出现页内碎片。在分页存储管理方式中，如果不具备页面对换功能，不支持虚拟存储器功能，这种存储管理方式称为纯分页或基本分页存储管理方式。
2. 条件
   需要建立页表、以及需要寄存器的配合（硬件地址转换）。
   逻辑地址：页号＋页内偏移
   物理地址：块号＋块内偏移
3. 页表
   a.为了便于在内存找到进程的每个页面所对应块，分页系统中为每个进程配置一张页表，进程逻辑地址空间中的每一页，在页表中都对应有b.一个页表项。
   c.页表存放在内存中，属于进程的现场信息。用途：①记录进程的内存分配情况 ②实现进程运行时的动态重定位。
   d.访问一个数据需访问内存 2 次 (页表一次，内存一次)。页表的基址及长度由页表寄存器给出。
4. 页面的大小
   
5. 多级页表
   为了解决大页表问题。
   
6. 反置页表
   是为每一个物理块设置一个页表项并按物理块号排序，其中的内容是页号 P 及隶属进程标志符 pid。

地址变换机构

作用：将用户地址空间中的逻辑地址变换为内存空间中的物理地址。实现逻辑地址向物理地址的转换（页号 ⇒ 块号）。地址变换借助页表来完成。

1. 基本地址变换机构
   
2. 具有快表的地址变换机构
   基本地址变换存在的问题：地址变换速度低（两次访问内存）
   目的：为提高地址变换速度。
   定义：又称为联想寄存器、联想存储器 (Associative Memory) 、IBM-TLB(Translation Lookaside Buffer)。快表是一种特殊的高速缓冲存储器（Cache），内容是页表中的一部分或全部内容。
   流程：CPU 产生逻辑地址的页号，首先在快表中寻找，若命中就找出其对应的物理块；若未命中，再到页表中找其对应的物理块，并将之复制到快表。若快表中内容满，则按某种算法淘汰某些页。
   

访问内存的有效时间

虚拟存储分页

存储管理技术-分段（离散）

引入的必要性：方便编程、信息共享、信息保护、动态增长、动态链接

简单分段

1. 定义
   将用户作业的逻辑地址空间划分成若干个大小不等的段（由用户根据逻辑信息的相对完整来划分）。各段有段名（常用段号代替），首地址为 0。
2. 条件
   需要段表（内存中）。
3. 维度
   整个作业的地址空间由于是分成多个段，，因而是二维的，逻辑地址由段号和段内地址所组成。

段页式

1. 引入：
   分页活动源于系统管理物理内存的需要，在系统内部进行，由系统实施，用户看不见。
   分段活动源于用户进行模块化程序设计的需要，在系统外部进行，由用户实施，用户是知道的。
   
2. 地址结构
   
3. 段表和页表
   系统中设段表和页表，均存放于内存中。读一字节的指令或数据须访问内存三次。为提高执行速度可增设高速缓冲寄存器。
   每个进程一张段表，每个段一张页表。
   段表含段号、页表始址和页表长度。页表含页号和块号。
4. 流程
   

虚拟存储分段

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第五章 虚拟存储器

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第六章 输入输出系统

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第七章 文件管理

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第八章 磁盘存储器的管理

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1. 所谓任务（Task）是指，计算机在某个资源集合上所做的一次相对独立的计算过程。 ↩︎

2. 所谓模式，简单地说，就是程序在运行过程中使用的、由硬件体系结构提供的CPU特权模式。 ↩︎

3. 由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程。是一个不可分割的基本单位，执行过程中不许中断。 ↩︎

4. 资源分类 可重用资源和消耗性资源、可抢占资源和不可抢占资源 ↩︎

5. 安全状态指在某一时刻，系统能按某种进程顺序 (p1,p2,…，pn) 来为每个进程 Pi 分配其资源，直到满足每个进程对资源的最大需求，使每个进程都可顺利地完成，则称此时的系统状态为安全状态，称序列 (p1,p2,…，pn) 为安全序列。若某一时刻系统中不存在这样一个安全序列，则称此时的系统状态为不安全状态。 ↩︎

6. 重定位：由于一个作业装入到与其地址空间不一致的存储空间所引起的，需对其有关地址部分进行调整的过程就称为重定位（实质是一个地址变换过程/地址映射过程）。分为静态、动态两种方式；静：软件实现，动：软硬（寄存器支持）结合。 ↩︎

7. 内零头是指分配给作业的存储空间中未被利用的部分。 ↩︎

8. 外零头是指系统中无法利用的小存储块。 ↩︎