操作系统（存储管理&进程管理&设备管理）

存储管理

页式存储管理

概念

• 将进程空间分为一个个页（逻辑地址）
• 将系统的物理空间也分为一个个物理块（页帧号）（物理地址）
• 每次将需要运行的逻辑页装入物理块中，运行完再装入其他需要运行的页
• 逻辑地址与物理地址的转换
• 页地址计算
  • 页号（高位）
  • 页内地址（低位）

优点

• 利用率高
• 碎片小（只在最后页一个页中有）
• 分配及管理简单

缺点

• 增加了系统开销
• 可能产生抖动现象

页面置换算法

• 最优算法（OPT）
  • 理论算法，无法实现
  • 是进程执行完后进行的最佳效率计算，用来与其他算法比较差距
  • 原理是选择未来最长时间内不被访问的页面置换，可以保证未来执行的都是马上要访问的
• 先进先出算法（FIFO）
  • 先调入内存的页先被置换淘汰
  • 会产生抖动现象，分配的页数越多，缺页率可能越多（效率越低）
• 最近最少使用(LRU)
  • 在最近的过去，进程执行过程中，过去最少使用的页面被置换淘汰
  • 根据局部性原理，这种方式效率高，且不会产生抖动现象

快表（很快速的页表）

• 小容量的相联存储器，由快速存储器组成
• 按内容访问，速度快，可以从硬件上保证按内容并行查找
• 用来存放当前访问最频繁的少数活动页面的页号
• 快表是将页表存于Cache中，慢表将页表存在于内存上
• 慢表需要访问两次内存才能取出页，而快表是访问一次Cache和一次内存，因此更快

段式存储管理

概念

• 进程空间分成一个个段
• 每段有段号和段内地址
• 与页式存储不同的是，每段物理大小不同，分段是根据逻辑整体分段的

优点

• 程序逻辑完整
• 修改互不影响

缺点

• 内存利用率低
• 内存碎片浪费大

段页式存储管理

概念

• 对进程空间先分段，然后分页

优点

• 空间浪费小，存储共享容易，能动态连接

缺点

• 由于管理软件的增加，复杂性和开销也增加，执行速度下降

进程管理

概述

作用

• 通过资源管理提高计算机系统的效率
• 改善人机界面向用户提供友好的工作环境

特征

• 并发性
• 共享性
• 虚拟性
• 不确定性

功能

• 进程管理
• 存储管理
• 文件管理
• 设备管理

分类

• 批处理操作系统
• 分时操作系统（轮流使用CPU工作片）
• 实时操作系统（快速响应）
• 网络操作系统
• 分布式操作系统（物理分散的计算机互联系统）
• 微机操作系统（Windows）
• 嵌入式操作系统

计算机启动基本流程

• BIOS->主引导记录->操作系统

进程管理

进程的组成

• 进程控制块PCB（唯一标志）
• 程序：描述进程要做什么
• 数据：存放进程执行时所需数据

进程的基础状态

• 系统自动控制（三态图）
  • 等待：等待某个事件，例如：I/O输入
  • 就绪：等待事件发生，所有资源都具备，只差CPU资源
  • 运行：使用CPU资源（调度），时间片到，从运行状态->就绪状态
• 人为操作（五态图）
  • 活跃阻塞
  • 活跃就绪
  • 运行
  • 静止阻塞
  • 静止就绪

前趋图

• 作用：用来表示哪些任务可以并行执行，哪些任务之间有顺序关系
• 任务间的并行
• 任务间的先后顺序

进程资源图

• 作用：表示进程和资源之间的分配和请求关系
  • P代表进程
  • R代表资源
  • 指向P的代表P已经拥有了该R资源，P指向的代表P还需要该R资源
• 阻塞节点
  • 某进程所请求的资源已全部分配完毕，无法获取所需资源，该进程被阻塞了无法继续
• 非阻塞节点
  • 某进程所请求的资源还有剩余，可以分配给该进程继续运行
• 死锁状态
  • 当一个进程资源图中所有的进程都是阻塞节点时，即进入死锁状态

同步和互斥

• 互斥：某资源（即临界资源），例如：打印机

  • 在同一时间内只能由一个任务单独使用
  • 使用时需要加锁
  • 使用完后解锁才能被其他任务使用

• 同步

  • 多个任务可以并发执行
  • 只不过速度上有差异，在一定情况下停下等待
  • 不存在资源是否单独或共享的问题
  • 例如：自行车和汽车

• 临界资源

  • 各进程间需要以互斥方式对其进行访问的资源

• 临界区

  • 指进程中对临界资源实施操作的那段程序
  • 本质是一段程序代码

• 互斥信号量

  • 对临界资源采用互斥访问，使用互斥信号量后其他进程无法访问，初值为1

• 同步信号量

  • 对共享资源的访问控制，初值一般是共享资源的数量

信号量操作

• P操作
  • 申请资源，S=S-1
  • 若S>=0，则进行P操作的进程继续执行
  • 若S<0，则置该进程为阻塞状态（因为无可用资源），并将其插入阻塞队列
• V操作
  • 释放资源，S=S+1
  • 若S>0，则执行V操作的进程继续执行
  • 若S<=0，则从阻塞状态唤醒一个进程，并将其插入就绪队列
  • 此时因为缺少资源被P操作阻塞的进程可以继续执行，然后执行V操作的进程继续
• 经典问题
  • 生产者和消费者
  • 三个信号量
    • 互斥信号量S0：仓库独立使用权
    • 同步信号量S1：仓库空闲个数
    • 同步信号量S2：仓库商品个数
  • 生产者流程
    • 生产一个商品S
    • P(S0)
    • P(S1)
    • 将商品放入仓库中
    • V(S2)
    • V(S0)
  • 消费者流程
    • P(S0)
    • P(S2)
    • 取出一个商品
    • V(S1)
    • V(S0)

死锁

• 概念
  • 当一个进程在等待永远不可能发生的事件时，就会产生死锁
  • 系统中有多个进程处于死锁状态，就会造成系统死锁
• 产生的必要条件
  • 资源互斥
  • 每个进程占有资源并等待其他资源
  • 系统不能剥夺进程资源
  • 进程资源图是一个环路
• 解决措施（打破四大条件）
  • 死锁预防
    • 采用某种策略限制并发进程对资源的请求
    • 破坏死锁产生的四个条件之一，使系统任何时刻都不满足死锁的条件
  • 死锁避免
    • 银行家算法：提前计算出一条不会死锁的资源分配方法，才分配资源，否则不分配
  • 死锁检测
    • 允许死锁产生
    • 系统定时运行一个检测死锁的程序：检测到死锁就解除
  • 死锁解除
    • 强制剥夺资源
    • 撤销进程
  • 死锁计算问题
    • 系统内有n个进程，每个进程都需要R个资源
      • 发生死锁的最大资源数：n*(R-1)
      • 不发生死锁得的最小资源数：n*(R-1)+1

进程

• 可拥有资源的独立单位
• 可独立调度和分配的基本单位
• 拥有资源的最小单位

线程

• 线程是独立调度的最小单位
• 线程可以共享进程的公共数据、全局变量、代码、文件等资源
• 线程不能共享线程独有的资源，如线程的栈指针等标识数据

设备管理

分类方式

• 按数据组织分类
  • 块设备
  • 字符设备
• 按资源分配分类
  • 独占设备
  • 共享设备
  • 虚拟设备
• 按数据传输速率分配
  • 低速设备
  • 中速设备
  • 高速设备

I/O软件层次结构

• 用户进程：进行I/O调用、格式化I/O、Spooling
• 设备无关软件：命名、保护、阻塞、缓冲、分配
• 设备驱动程序：置设备寄存器：检查状态
• 中断处理程序：当I/O结束时唤醒驱动程序
• 硬件：执行I/O操作

输入输出技术

• 程序控制（查询）方式
  • CPU主动查询外设是否完成数据传输，效率极低
• 程序中断方式
  • 外设完成数据传输后，向CPU发送中断，等待CPU处理数据，效率相对较高
  • 适用于键盘等实时性较高的场景
• DMA方式（直接主存存取）
  • CPU只需完成必要的初始化等操作，数据传输的整个过程都是由DMA控制器完成
  • 在主存和外设之间建立直接的数据通路，效率很高

虚设备和spooling技术

• 现状问题
  • 一台物理设备（互斥资源），例如打印机，在同一时间只能由一个进程使用，其他进程只能等待
  • 不知道什么时候打印空闲，极大的浪费了外设的工作效率
• spooling
  • 外设上建立两个数据缓冲区
    • 输入井
    • 输出井
  • 打印命令发出，数据会排队存储在缓冲区中
  • 打印机会自动按顺序打印，实现物理外设的共享
  • 每个进程都感觉在使用同一个打印机，这就是物理设备的虚拟化

磁盘结构

• 结构
  • 正反两个盘面
  • 每个盘面由多个同心圆
  • 每个同心圆是一个磁道，每个同心圆又被划分为多个扇区
  • 数据存放在一个个扇区中
• 读取数据
  • 磁头首先要寻找到对应的磁道
  • 等待磁盘进行周期旋转，旋转到指定的扇区，读取对应的数据
  • 寻道时间（耗时最长），指磁头移动到磁道所需的时间
  • 等待时间，等待读写扇区转到磁头下方所用的时间

寻道调度算法

• 先来先去服务FCFS
  • 根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度
• 最短寻道时间优先SSTF
  • 请求访问的磁道与当前磁道最近的进程优先调度
  • 产生饥饿现象，远处进程可能永远无法访问
• 扫描算法SCAN（电梯算法）
  • 磁头在磁盘上双向移动，会选择离磁头当前所在磁道最近的请求
  • 磁头永远都是从里向外或者从外向里一直移动完才掉头，与电梯类似
• 单向扫描调度算法CSCAN
  • 单向移动