操作系统原理复习笔记【期末上分】

第一章 操作系统引论

概念

操作系统的定义：操作系统是一组控制和管理计算机软硬件资源、合
理地对各类作业进行调度以及方便用户使用的程序集合。

操作系统的目标

1. 方便性:操作系统使计算机更易于使用。
2. 有效性:操作系统允许以更有效的方式使用计算机系统资源。
   • 提高系统资源利用率（important）
   • 提高系统的吞吐量(important)
3. 可扩展性:在操作系统中,允许有效地开发，测试和引进新的系统功能。
4. 开放性:实现应用程序的可移植性和互操作性,要求具有统一的开放的环境。

操作系统发展过程

1. 无操作系统（人工操作方式）
   缺点：
2. 用户独占全机
3. CPU等待人工操作
4. 单道批处理操作系统
   定义：系统对作业的处理都是成批进行的，且在内存中始终仅存一道作业运行，运行结束或出错，才自动调另一道作业运行。
   主要特征：自动性、顺序性、单道性
   优点：
5. 减少人工操作
6. 解决了作业的自动接续

缺点：

1. 平均周转时间长
2. 没有交互能力
3. 多道批处理操作系统
   定义：在内存中存放多道作业运行，运行结束或出错，自动
   调度内存中的另一道作业运行。
   主要特征：多道性、无序性、调度性（进程调度和作业调度）
   优点：
4. 提高CPU的利用率。
5. 提高内存和I/O设备利用率。
6. 增加系统吞吐率

例题：

解答：

4. 分时操作系统
   特点：
5. 多路性：一个主机与多个终端相连
6. 独立性：彼此独立操作，互不干扰
7. 及时性：系统能在很短的时间得到回答
8. 交互性：能实现人机对话（区别于批处理系统）
9. 实时操作系统
   定义：是计算机及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完
   成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致的运行。
   特点:
10. 多路性：能对多个对象进行控制。
11. 独立性：独立运行，不混淆，不破坏。
12. 交互性：仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。
13. 可靠性：高可靠性，应具有多级容错防护能力。（区别于分时系统）
14. 及时性：不同的系统要求不一样，控制对象必须在截止时间内完成。

现代OS的四个基本特征

1. 并发性（最重要的特征）
   并发：并行性和并发性，并发执行的过程。

• 并行性：是指两个或多个事件在同一时刻发生。
• 并发性：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

2. 共享性
   共享：是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

• 互斥共享方式
  系统中的临界资源可以提供给多个进程使用，但一段时间内仅允许一个进
• 同时访问方式
  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，多个进程交替互斥地使用系统中的某个资源。例如磁盘。
  程使用，称为互斥共享方式

3. 虚拟性
   虚拟：是指通过某种技术把一个物理实体变为（映射为）若干个逻辑上的
   对应物

• 时分复用技术
• 空分复用技术

4. 异步性
   异步：多道程序环境下程序（进程）以异步的方式执行，每道程序在何
   时执行、各自执行的顺序、完成时间都是不确定的，也是不可预知的
   并发是最重要的特征，其它特征都以并发为前提。
   例题：
   
   解答：C

操作系统主要功能

1. 处理机管理（CPU）
2. 存储器管理
3. 设备管理
4. 文件管理
5. 方便用户使用的用户接口。

第二章 进程管理

前驱图

程序顺序执行时的特征

1. 顺序性：处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执行。
2. 封闭性：程序运行时独占全机资源，程序一旦开始执行，其执行结果不受外界因素
   影响。
3. 可再现性：只要程序执行时的环境和初始条件相同，都将获得相同的结果。（不论它是从头到尾不停顿地执行，还是“停停走走”地执行）

程序并发执行时的特征

1. 间断性：由于它们共享系统资源，以及为完成同一项任务而相互合作，致使
   在这些并发执行的程序之间，形成了相互制约的关系。相互制约将导致并
   发程序具有“执行——暂停——执行”这种间断性的活动规律。
2. 失去封闭性：是多个程序共享系统中的各种资源，因而这些资源的状态将由
   多个程序来改变，致使程序的运行已失去了封闭性。
3. 不可再现性：程序在并发执行时，由于失去了封闭性，导致不可再现性 。

进程

进程的定义

1. 进程是程序的一次执行。
2. 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
3. 进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度
   的一个独立单位。

进程的特征

1. 结构特征
   程序段、相关的数据段和PCB三部分构成了进程实体。
2. 动态性
   进程由创建而产生，由调度而执行，由撤消而消亡
3. 并发性
   指多个进程实体同存于内存中，且能在一段时间内同时运行。
4. 独立性
   指进程实体是一个能独立运行、独立分配资源和独立接受调度的
   基本单位
5. 异步性
   指进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，或说进程实体
   按异步方式运行。

进程的状态及其切换

Ready：准备执行

Running：占用处理机（单处理机环境中，某一时刻仅一个进程占用处理机）

Blocked：等待某事件发生才能执行，如等待I/O完成等

New：进程已经创建，但未被OS接纳为可执行进程，并且程序还在辅存，
PCB在内存

Exit：因停止或取消，被OS从执行状态释放

挂起状态(Suspend):使执行的进程暂停执行、静止下来。我们把这种静止状态称为挂起状态。

引入挂起状态的原因

1. 终端用户的请求。
2. 父进程请求。
3. 负荷调节的需要。当实时系统中的工作负荷较重，把一些不重要的进程挂起，
   以保证系统能正常运行。
4. 操作系统的需要。操作系统有时希望挂起某些进程，以便检查运行中的资源使用情况或进行记账

PCB

进程控制块(PCB)中的信息

1. 进程标识符

• 内部标识符。为每一个进程赋予一个惟一的数字标识符。设置内部标识
  符主要是为了方便系统使用。
• 外部标识符。它由创建者提供，通常是由字母、数字组成，往往是由用
  户（进程）在访问该进程时使用。

2. 处理机状态

• 通用寄存器
• 指令计数器
• 程序状态字PSW
• 用户栈指针

3. 进程调度信息

• 进程状态
• 进程优先级
• 进程调度所需的其它信息
• 事件，阻塞原因

4. 进程控制信息

• 程序和数据的地址
• 进程同步和通信机制
• 资源清单
• 链接指针

PCB的组织方式

1. 线性方式
   
2. 链接方式
   
3. 索引方式
   

进程同步

信号量机制

1. 整形信号量
   定义为一个整型量 ,仅能通过两个标准的原子操作 wait（S）和signal（S）来访问。
   又称为P、V操作。
2. 记录型信号量
3. AND型信号量
   原子操作：要么全部分配到进程，要么一个也不分配。
4. 信号量集

进程同步问题

1. 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
  
  

2. 哲学家进餐问题

• 利用记录型信号量解决
  
• 利用AND信号量解决
  

3. 读者 — 写者问题
   

进程通信(管道（Pipe）通信)

1. 直接通信方式
   这是指发送进程利用OS所提供的发送命令，直接把消息发送给目标进程。
   系统提供下述两条通信命令（原语）

• Send （Receiver， message）
• Receive（Sender， message）

2. 间接通信方式
   写进程 -> 信箱（中间实体） -> 读进程原语
   优点：在读/写时间上的随机性
   Send (mailbox, message)
   Receive (mailbox, message)

例题：

解答：

第三章 处理机的调度与死锁

处理机三级调度

1. 高级调度

• 调度对象：作业
• 又称作业调度、长程调度、接纳调度
• 实现：作业管理程序
• 将外存作业调入内存，创建PCB等，插入就绪队列。
• 用于批处理系统，分/实时系统一般直接入内存，无此环节。
• 频度：最低，分钟级

2. 低级调度

• 又称进程调度或短程调度
• 对象：就绪进程（或内核线程）
• 功能：决定就绪队列中的那个进程应获得处理机，并将处理机分配给选中
  的进程。
• 实现者 ：