操作系统辅导.docx
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操作系统辅导
操作系统辅导
汤子赢、哲风屏、汤小丹
第一章操作系统引论
一、操作系统
操作系统——是裸机上的第一层软件，它是对硬件系统功能的首次扩充，是填补人与机器之间的鸿沟。
设置操作系统的目的：
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。
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。
OS的作用：
计算机用户需要的用户命令
由OS实现的所有用户命令所构成的集合常被人们称为OS的Interface（用户接口），有时也称为命令接口。
命令的表示形式：
字符形式：
较灵活但因繁琐而难记；
菜单形式：
（试图在字符终端上提供友好的用户界面）
图形形式：
因直观而易记但不灵活。
应用软件需要的SystemCall（系统调用）
由OS实现的所有系统调用所构成的集合被人们称为程序接口或应用编程接口（ApplicationProgrammingInterface,API）。
操作系统作为计算机系统资源管理者。
1、处理机管理：
分配和控制CPU。
2、存储器管理：
内存分配与回收。
3、I/O设备管理：
I/O设备的分配与操纵。
4、文件管理：
文件的存取、共享和保护。
操作系统用作扩充机器功能，使其便于使用的机器，这种机器又称为虚拟机。
二、操作系统的发展：
无操作系统时的计算机系统：
1、人工操作方式
一台计算机的所有资源由用户独占，降低了计算机资源利用率，人操作慢，出现了严重的人机矛盾。
2、脱机输入输出方式
在外围计算机的控制下，实现输入输出。
主要解决了CPU与设备之间不匹配的矛盾
单道批处理系统：
1、在内存中仅存一道作业运行，运行结束或出错，才自动调另一道作业运行。
2、单道批处理系统主要特征：
自动性、顺序性、单道性。
3、单道批处理系统主要优点：
减少人工操作，解决了作业的自动接续。
4、单道批处理系统主要缺点：
平均周转时间长，没有交互能力。
多道批处理系统：
一、多道程序的概念：
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。
多道程序带来的好处：
1、提高CPU的利用率。
2、提高内存和I/O设备利用率。
3、增加系统吞吐率。
二、多道批处理系统主要特征：
多道性、无序性、调度性（进程调度和作业调度）。
三、多道批处理的主要优点：
提高了资源利用率和吞吐能力。
多道批处理的主要缺点：
平均周转时间长，没有交互能力。
分时系统：
五、分时系统的产生
用户需要：
人机交互、共享主机、便于用户上机
二、分时系统实现的方法
简单分时系统
具有“前台”和“后台”的分时系统
多道分时系统
三、分时系统实现中的关键问题：
及时接收：
实现多个用户的信息及时接收。
及时处理：
及时控制作业的运行。
四、分时系统的特征：
多路性：
多个用户分时使用一台计算机。
独立性：
独立运行，不混淆，不破坏。
及时性：
系统能在很短的时间得到回答。
交互性：
能实现人机对话。
五、影响响应时间的若干因素:
Ti=NQ+To.s+Twap
改善响影时间的方法
采用重入码减少信息的对换量
采用虚拟存储技术,减少信息对换量
实时系统：
所谓实时系统：
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。
一、实时系统分为两类
1、实时控制系统
2、实时信息处理系统
二、实时任务的类型
1、按任务执行是否为周期性来化分
2、按截止时间来化分
三、实时系统的特征
1、多路性：
能对多个对象进行控制。
2、独立性：
独立运行，不混淆，不破坏。
3、交互性：
仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。
4、可靠性：
高可靠性，应具有过载防护能力。
5、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。
三、操作系统的基本特征
现代OS的四个基本特征：
1、并发2、共享3、虚拟4、异步
并发：
并发是最重要的特征，其它特征都以并发为前提。
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。
任务共行
从宏观上看，任务共行是指系统中有多个任务同时运行
从微观上看，任务共行是指单处理机系统中的任务并发（TaskConcurrency：
即多个任务在单个处理机上交替运行）或多处理机系统中的任务并行（TaskParallelism：
即多个任务在多个处理机上同时运行）。
共享：
所谓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。
1、互斥共享方式：
把在一段时间内只允许一个进程访问的资源，称为临界资源。
系统中的临界资源可以提供给多个进程使用，但一次仅允许一个进程使用，称为互斥共享方式。
2、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，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。
例如磁盘。
虚拟：
所谓虚拟是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。
虚拟处理机：
分时实现
虚拟设备：
SPOOLING技术
虚拟存储器：
虚拟存储管理实现
异步性：
异步性——是指进程以异步的方式执行，进程是以人们不可预知的速度向前推进。
四、操作系统的结构设计
操作系统是一个大型系统软件，其结构已经历了四代的变革：
第一代的OS是无结构的；
第二代OS采用了模块式结构；
第三代是层次式结构。
第四代是把工程学引入到软件开发的过程中，从而形成了软件工程学
软件工程的基本概念
1．软件的含义
所谓软件，是指当计算机运行时，能提供所要求的功能和性能的指令和程序的集合，该程序能够正确地处理信息的数据结构；
软件则是一种逻辑部件，它具有的特点：
①软件是人的思想产物，看不见，也摸不着。
②软件产品则不允许有误差，因此在软件的生产上，要求有很高的质量保证体系。
③对软件的维护要比硬件的维护复杂得多。
软件工程的含义
软件工程是指运用系统的、规范的和可定量的方法，来开发、运行和维护软件；或者说，是采用工程的概念、原理、技术和方法，来开发与维护软件，其目的是为了解决在软件开发中所出现的编程随意、软件质量不可保证以及维护困难等问题。
模块化OS结构
（1）模块化结构
使用分块结构的系统包含若干module（模块）；其中，每一块实现一组基本概念以及与其相关的基本属性。
块与块之间的相互关系：
所有各块的实现均可以任意引用其它各块所提供的概念及属性。
（2）模块化OS的优缺点
优点：
①提高了OS设计的正确性、可理解性和可维护性。
②增强了0S的可适应性。
③加速了OS的开发过程。
缺点:
①对模块的划分及对接口的规定要精确描述很困难。
②从功能观点来划分模块时，未能将共享资源和独占资源加以区别；
分层式OS结构
使用分层系统结构包含若干layer（层）；其中，每一层实现一组基本概念以及与其相关的基本属性。
层与层之间的相互关系：
所有各层的实现不依赖其以上各层所提供的概念及其属性，只依赖其直接下层所提供的概念及属性；
每一层均对其上各层隐藏其下各层的存在。
微内核OS结构
微核结构设计思想：
尽最大努力剔除核心子系统中的多余成份，并把它们移到核外子系统中实现，核心子系统只实现一些必要的简单的概念及其属性，从而保持核心子系统简洁高效。
当前比较流行的、能支持多处理机运行的OS，几乎全部都采用了微内核结构，
微内核技术
微内核的基本功能：
（1）进程管理。
①把进程作为资源分配的基本单位。
②允许一个进程拥有若干个线程。
③把线程作为独立运行和调度的基本单位。
④在同一进程中的各线程可以共享进程所拥有的资源。
⑤允许这些线程并发执行。
⑥实现进程间和线程间的同步。
（2）存储器管理
①提供了虚拟存储器管理功能，例如页式存储管理。
②用于为进程分配和回收运行空间。
③从逻辑上扩充内存的容量，以满足更多用户的需求。
（3）进程通信管理
为实现进程之间的通信，在微内核中采用了消息传递机构，即进程之间是以消息（Message）作为交换单位。
（4）I/O设备管理
在微内核中，为每一个连接到主机上的I/O设备配置一个设备驱动程序，用以实现设备的I/O处理，因此，通常在微内核中都有若干个I/O设备驱动程序。
客户服务器模式
客户／服务器模式的基本概念：
当有一客户进程发出一个请求，当服务器完成了该客户的请求后，便给该客户回送一个响应，这种模式为客户／服务器模式。
客户／服务器模式的优点：
（1）提高了系统的灵活性和可扩充性。
（2）提高了OS的可靠性。
（3）适应性强：
可用于单处理机系统中，又适用于计算机网络和分布式系统。
面向对象的程序设计技术
面向对象技术的基本概念
所谓对象，是指在现实世界中具有相同属性。
服从相同规则的一系列事物的抽象，而把其中的具体事物称为对象的实例。
例如进程对象、线程对象、存储器对象等。
第二章 进程的描述与控制
一、相关概念
1、前趋图——有向无循环的图。
表示程序执行的偏序关系。
2、程序的顺序执行——严格按照程序给定的顺序执行，仅当前一个执行结束才执行后一个。
3、 程序的顺序的特征：
①顺序性②封闭性③可再现性
4、程序的并发执行——是指两个或两个以上程序段在执行的时间上是重叠的，即使这种重叠只有一小部分，则称这些程序为共行执行。
5、程序并发执行的特征：
①间断性②失去封闭性③不可再现性
例2：
若程序Pa和Pb单独执行时间分别Ta、Tb和Tc，Ta=1小时，Tb=1.5小时，Tc=2小时，其中处理机工作时间分别为Ta=10分钟，Tb=15分钟，Tc=35分钟。
如果采用多道程序设计的方法，让Ta、Tb和Tc并行工作，假定处理机利用率达到60%，另加20分钟系统开销，请问系统效率能提高百分之几？
答：
Ta、Tb和Tc并行工作共用CPU时间：
（10+15+35）/60%=100
系统效率提高：
[（60+90+120）-（100+20）]/[（60+90+120）*100%]
=（270-120）/（270*100%）
=55%
二、进程的基本概念
1、进程的定义——可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。
2、进程的基本特征
①动态性②并发性③独立性④异步性⑤结构特征
3、进程的基本状态及其转变
进程的三种基本状态及其转换：
就绪状态：
执行状态、阻塞状态
4、进程控制块——描述和控制进程运行，系统为每个进程定义的一个数据结构。
5、进程控制块的组织方式
三、进程控制
1、进程管理
进程图：
表明进程的创建关系，创建的进程和被创建的进程可以并发执行。
2、引起进程创建的原因
①用户登录：
为终端用户建立进程。
②作业调度：
选中的作业建立进程。
③提供服务：
为用户提供的服务进程。
例如：
I/O进程等。
④应用请求：
应用程序自己创建的进程。
3、原语：
由若干条指令构成，用于完成一定功能的一个过程。
4、原子操作（原子性）：
一个操作中的所有动作，要么全做，要么全不做。
是一个不可分割的操作。
5、线程的基本概念
（1）线程：
一个被调度和分派的基本单位并可独立运行的实体。
（2）线程分类：
①内核支持线程：
依赖于内核进行控制和管理。
②用户级线程：
在用户级创建、撤消和切换。
（3）在引入线程的O.S系统中，则把线程作为调度和分派的基本单位，而把进程作为资源的拥有的基本单位。
（4）在同一进程中的线程切换不会引起进程切换。
（5）在不同一进程中的线程切换会引起进程切换。
进程同步的基本概念
1、进程的相互制约
①间接相互制约——资源共享引起②直接相互制约——相互合作引起
2、临界资源：
一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。
3、临界区：
访问临界资源的那段代码称为临界区。
4、同步机制应遵循的准则：
①空闲让进——充分利用资源②忙则等待——保证同步与互斥
③有限等待——防止陷入“死等”④让权等待——防止陷入“忙等”
信号量机制（程度）
1、经典信号量——表示资源的物理实体。
2、记录型信号量——更有效的利用资源，解决忙等的问题。
3、AND型信号量机制——防止系统出现不安全性。
①AND型信号量机制的概念化（见P43）
②Swait操作（SP操作）：
（见P43）
③Ssignal操作（SV操作）：
（见P43）
4、信号量应用实例
①互斥②前趋③同步
进程通信
进程通信的类型：
低级通信和高级通信
（1）高级通信方式：
①共享存储器系统：
共享数据结构、共享存储器区通信方式
②消息传递系统：
直接通信方式——通过收发原语
间接通信方式——通过信箱实现信息交换
③管道通信
（2）管道通信具有三方面的协调能力：
①双方同时存在
② 同步关系
③ 互斥使用管道
第三章 调度与死锁
一、调度的类型
1、高级调度：
作业调度
2、低级调度：
非抢占式、抢占式
抢占式：
时间片原则、优先权原则、短作业优先原则
3、中级调度
二、面向用户的准则
1、周转时间短：
平均周转时间、平均带权周转时间2、响应时间快
3、截止时间的保证4、优先权准则
三、面向系统的准则
1、系统的吞吐量2、CPU的利用率好3、各类资源平衡使用
调度的算法
1、先来先服务调度的算法
2、短作业优先调度的算法
3、时间片轮转调度的算法（分时）
或简单轮转调度的算法
4、优先权调度的算法：
非抢占式、抢占式
①静态优先权②动态优先权
5、响应比高者优先调度的算法：
RP=1+等待时间/服务时间
6、多级队列调度算法：
例如，前台、后台
7、多级反馈队列调度算法（P80）
实时系统的调度算法
在实时系统中，广泛采用抢占式调度方式
死锁的基本概念
1、何谓死锁？
（见P90）
2、产生死锁原因：
①竞争资源②推进顺序不当
3、产生死锁的必要条件
①互斥②请求和保持③不剥夺④环路等待条件
4、处理死锁的基本方法
①预防死锁：
设置某些限制条件，破坏四个条件。
②避免死锁：
资源动态分配，防止进入不安全状态。
③检测死锁：
设置检查机构，定时检查系统是否出现死锁。
④解除死锁：
已出现死锁。
第四章 存储器管理
一、程序的装入
1、绝对装入方式
直接用物理地址编制程序。
2、可重定位装入方式（静态重定位）
重定位——把在装入时对目标程序中的指令和数据地址的修改过程称为重定位。
3、动态运行时装入方式（动态重定位）
作业在存储空间的位置，也是装入时确定的，但在作业运行过程中，每次存访内存之前，将程序的地址（逻辑地址）变为内存的物理地址。
这种变换是依靠硬件地址变换机构、自动连续实施，这样程序在内存的地址是可变的，可申请临时空间。
二、程序的链接
1、 静态链接——事先进行链接，以后不再拆开的链接方式，称为静态链接。
2、 装入时动态链接——编译后的目标模块，是在装入内存时，边装入，边链接的。
3、运行时动态链接——将某些目标模块的链接推迟到执行时才进行，即在执行过程中，若发现一个被调用模块尚未装入内存时，再由操作系统去找到该模块，将它装入内存，并把它链接到调用者模块上。
4、静态链接需要共享目标模块的拷贝，而动态链接不需要共享目标模块的拷贝。
三、连续分配存储管理方式
1、固定式分区
2、动态分区分配——根据用户实际需要，动态的分配连续空间。
l拼接技术
3、动态重定位分区分配——采用动态重定位技术的分区分配。
l紧凑技术
4、多重定位分区分配——可为一个作业分多个区。
四、分区管理的算法
1、首次适应算法：
每个空白区按地址顺序链接在一起，表头指向第一个空白区。
2、循环首次适应算法：
将空白区构成循环链表。
表头指向当前开始查找的第一个空白区。
3、最佳适应算法：
空白区按尺寸大小递增顺序构成队列。
表头指向第一个空白区。
五、对换技术（交换技术）
就是将主存中的信息以文件的形式写入到辅存，接着将指定的信息从辅存读入主存，并将控制转给它，让其在系统上运行。
六、分页存储器管理
1、在分页存储管理方式中，一个进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的片，称为页面。
内存空间也分成与页相同大小的存储块，并将进程的每一个页面离散地存储在内存的任一物理块中，建立相应的页表，由系统实现进程的正确运行。
2、快表：
为了提高地址变换速度，可在地址变换机构中，增设一个具有并行查寻能力的特殊高速缓冲存储器，称为快表。
七、分段存储管理
①在分段存储管理方式中，一个作业的地址空间分成若干个段，每一段定义了一组逻辑信息，则为每个段分配连续的分区，而进程中的各段可以离散地存储在内存中不同的分区中，建立相应的段表，由系统实现进程的正确运行。
②分页与分段存储管理的区别？
答：
P121
八、段页式管理
（1）基本思想（见P123）
（2）地址变换机构（见P124）
虚拟存储管理
1、虚拟存储器的概念？
使用虚拟存储管理技术，用户将会感觉到系统的内存空间比实际内存大。
系统的可用内存空间并非计算机系统中的实际物理内存，它包含物理内存及一部分磁盘空间。
习惯上，人们把这种用户感觉上存在但实际上并不存在的内存称为虚拟内存。
2、请求分页存储管理方式
基本思想：
请求分页存储管理方式中，不限定把进程的整个地址空间全部装入主存，而只要求把当前需要的一部分装入主存，由系统实现进程的正确运行，其它的页面当需要时才去调用。
这样实现了主存的“扩充”。
地址变换机构（见P129）
页面的管理：
①页面调入策略
请求式调页、预先调页
②页面置换算法：
FIFO例如,P134
最近最久不用页面置换算法LRU例如,（P135）
简单的Clock置换算法例如,（P136）
3、系统抖动？
3、请求分段存储管理方式
（1）基本思想
在请求分段存储管理方式中，把作业的所有分段的副本保存在辅存中，当其运行时，只要求把当前需要的一段或数段装入主存，其它的段当需要时才装入，由系统实现进程的正确运行。
这样实现了主存的“扩充”。
（2）地址变换机构（见P139）
分段保护：
越界检查（段长值）
存取控制检查
第五章 设备管理
一、I/O系统的组成
1、I/O系统的结构
（1）设备
①独占设备——在一段时间内只允许一个用户访问的设备。
②共享设备——在一段时间内允许多个用户访问的设备。
③虚拟设备——将一台独占物理设备变换为若干台逻辑设备。
（2）设备控制器
①是CPU与I/O设备之间的接口，它接收从CPU发来的命令，并控制I/O设备工作。
②设备控制器是可编址设备。
当用于控制多台设备时，则具有多个地址。
（3）通道
通道控制方式的引入
①DMA方式显著地减少了CPU的干预。
②当CPU要完成一组相关的读（或写）操作及有关控制时，只需向I/O通道发送一条I／O指令。
③通道接到该指令后，通过执行通道程序便可完成CPU指定的I／O任务。
④可实现CPU、通道和I／O设备三者的并行操作，从而更有效地提高整个系统的资源利用率。
⑤而当我们需要一次去读多个数据块且将它们分别传送到不同的内存区域，或者相反时；则须由CPU分别发出多条I／O指令及进行多次中断处理，才能完成。
通道分类：
①字节多路通道
②数组选择通道——按数组方式进行数据传送，但在一段时间内只能为一台设备占用，执行一道通道程序。
③数组多路通道——按数组方式进行数据传送，但能为多台设备占用，高速的进行数据传送。
二、I/O控制方式
1、程序I/O方式（查询方式）（P152）
2、中断驱动方式（P152）
3、DMA方式（P152）
通道是通过执行通道程序，并与设备控制器共同实现对I／O设备的控制的。
通道程序是由一系列通道指令（或称为通道命令）所构成的。
通道又称为特殊的处理机。
三、缓冲管理
引入缓冲原因：
（1）缓和CPU与I／O设备间速度不匹配的矛盾。
（2）减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制。
（3）提高CPU和I／O设备之间的并行性。
例如：
单缓冲、 双缓冲、 循环缓冲、 缓冲池
缓冲技术是以空间换取时间，而且只能在设备使用不均衡时起到平滑作用。
四、设备分配
设备管理是通过一些数据结构来实现对其设备进行管理和控制的。
1、设备控制表、通道控制表、系统设备表、控制器控制表
2、设备分配中应考虑的若干因素
（1）设备的固有属性：
独享设备、共享设备、虚拟设备
（2）设备的分配算法：
FIFO、优先级高者优先
（3）设备分配中的安全性
3、设备固有属性不同，其分配算法不同
4、SPOOLING技术可将一台物理设备虚拟为多台逻辑设备，可为多个用户所共享。
SPOOLing技术的核心思想是：
在快速辅助存储设备中建立I/O缓冲区用于缓存从慢速输入设备流入内存的数据或缓存从内存流向慢速输出设备的数据。
五、设备处理
1、设备处理程序又称为设备驱动程序，它是I/O进程与设备控制器之间的通信程序。
①初始化I/O设备
②设备与进程之间的数据传送
③当数据传完之后，将产生中断信号将它换醒，进入中断处理过程。
2、中断处理过程（见P224或P171）
3、用户请求设备使用的是逻辑设备名。
由系统通过逻辑设备表实现逻辑设备到物理设备的映射。
当更换物理设备时，用户的程序不用改，仅修改逻辑设备表。
磁盘存储器管理
一、早期磁盘调度算法
1、先来先服务（见P174）
2、最短寻道时间优先（见P174）
3、扫描法（见P175）
4、循环扫描法（见P175）
第六章 文件系统
一、 文件和文件系统的基本概念
1、数据项——>记录——>文件（见P）
2、文件系统模型（见图8-2）
3、文件的操作（见17行）
二、文件逻辑结构
1、顺序文件（见P187）
优点：
可以快速实现批量存取，可存储在磁带上
缺点：
增删困难
2、索引文件（见P189）
优点：
实现直接存取、快速
缺点：
增加空间开销
三、外存分配方法
1、连续分配——将文件信息存放在连续编号的物理块中。
（见P192）
优点：
结构简单，存取速度快。
缺点：
长度事先确定，随后不允许增加长度。
2、链接分配——将文件信息存放在非连续编号的物理块中。
（见P194）
优点：
插入、删除方便，文件长度可变。
缺点：
查找困难。
3、索引文件（见P196）
优点：
可以随机存取。
缺点：
增加空间的开销。
四、 目录管理
1、对文件目录管理要求（见P19815行）
2、文件控制块与文件目录（见P198倒台行）
3、单级文件目录（见P201）
缺点：
查找速度慢、不允许重名、不便于实现文件共享
4、两级目录和多级目录（见P240或P201）
l 当前目录——工作目录
l 优点：
①检查速度快
②不同目录可以重名
③不同用户可使用不同名字，来访问系统中的同一个共享文件。
索引结点的引入：
在检索目录文件的过程中，只用到了文件名，仅当找到一个目录项（即其中的文件名与指定要查找的文件名相匹配）时，才需从该目录项中读出该文件的物理地址。
而其它一些对该文件进行描述的信息，在检索目录
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