中山大学操作系统复习提纲.docx
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中山大学操作系统复习提纲
操作系统复习提纲
1）：
什么是OS？
，目的，功能
操作系统是一种管理计算机硬件的程序，为应用程序提供了基本的运行条件，在计算机用户和计算机硬件之间扮演着中介的角色。
操作系统是一管理电脑硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石。
操作系统身负诸如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。
操作系统是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据资源;控制程序运行;改善人机界面;为其它应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。
操作系统是一个庞大的管理控制程序，大致包括5个方面的管理功能:
进程与处理机管理、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。
2）中断形式，process获取CPU的形式，双模，特权非特权，
中断形式：
软中断（trap）和硬中断
通过指定一些能够造成伤害的机器指令作为特权指令可以实现这种保护，特权指令只能在监控模式下执行，在用户模式下运行会自陷给os。
通过调用特权指令，可以执行只有操作系统才能执行的任务。
完成与操作系统的交互。
为了阻止用户执行非法的I/O操作，我们将所有的I/O指令定义为特权指令。
在系统引导时，硬件以监控模式开始运行。
然后装入操作系统并以用户模式开启用户进程。
无论自陷和中断何时发生，硬件都会从用户模式转向监控模式（将模式位的状态转为0）。
这样，不管操作系统何时获得计算机的控制权，它都处于监控模式。
在将控制转给用户程序前系统总是要转为用户模式（通过将模式位设置为1）。
指具有特殊权限的指令。
这类指令只用于操作系统或其他系统软件，一般不直接提供给用户使用。
在多用户、多任务的计算机系统中特权指令必不可少。
它主要用于系统资源的分配和管理，包括改变系统工作方式，检测用户的访问权限，修改虚拟存储器管理的段表、页表，完成任务的创建和切换等。
常见的特权指令有以下几种:
（1）有关对I/O设备使用的指令如启动I/O设备指令、测试I/O设备工作状态和控制I/O设备动作的指令等。
（2）有关访问程序状态的指令如对程序状态字（PSW）的指令等。
（3）存取特殊寄存器指令如存取中断寄存器、时钟寄存器等指令。
（4）其他指令
这得从CPU指令系统（用于控制CPU完成各种功能的命令）的特权级别说起。
在CPU的所有指令中，有一些指令是非常危险的，如果错用，将导致整个系统崩溃。
比如：
清内存、设置时钟等。
如果所有的程序都能使用这些指令，那么你的系统一天死机n回就不足为奇了。
所以，CPU将指令分为特权指令和非特权指令，对于那些危险的指令，只允许操作系统及其相关模块使用，普通的应用程序只能使用那些不会造成灾难的指令。
形象地说，特权指令就是那些儿童不宜的东东，而非特权指令则是老少皆宜。
3）communicationmodel图的好处和用途
Commonsystemcomponents
进程管理，主存管理，辅存管理，文件管理，网络，I/O系统管理，保护系统，命令解释系统。
Communicationmodel包括两种模型：
消息传递模型，共享存储器模式。
•消息传递模式：
建立连接，知道通信名称（同一台机的不同进程，或者通过通信网络连接的不同主机上的进程），主机名称，或进程被os引用为等效标示符，在同一主机上，用文件系统调用（open，close），不同主机？
（系统调用船体）。
接受连接的进程为os提供特定用途的“守护进程”，接受连接进程要发确认信息。
通过读写信息系统来完成信息交换。
主要特点：
交换数据量小，计算机间连接更容易实现
共享存储器模式：
进程利用mapmemory调用访问其他进程的内存。
请求解除限定，他们可以在这些共享空间上读写数据来交换信息。
主要特点：
最高速度传递，便利，完成计算机内的复杂同步。
第四章：
process定义，
上下文切换，PCB，
例子的分析。
父子进程。
Process，programinexecution。
一个工作单元。
程序是静态实体（就像是存储在磁盘上的文件），进程是动态实体，它
有一个程序计数器指明下一条要执行的指令，并且拥有一组相关的资源。
进程的不同状态：
新：
进程正被创建。
运行：
（进程的）指令正被执行。
等待：
进程正在等待发生一些事件（如I/O完成或接收一个信号）。
就绪：
进程正等待分配处理器。
终止：
进程结束运行
PCB（进程控制块）
进程状态：
该状态可能是新、就绪、运行、等待、停止等等。
l程序计数器：
该计数器指明了该进程要执行的下一条指令的地址。
lCPU寄存器：
基于计算机体系结构，这些寄存器的数量和类型很不相同。
这包括了累加器、变址寄存器、栈指针、通用寄存器，以及条件信息（condition-codeinformation）。
连同程序计数器，在中断发生时必须要保存这些状态信息，这样便于后来进程继续正确执行（图4.3）。
lCPU调度信息：
包括进程优先权、指向调度队列的指针和其它的调度参数。
（第六章描述进程调度。
）
l存储器管理信息：
可能包括诸如基址寄存器和界限寄存器值、页表或段表，这取决于操作系统所选用的存储系统（第九章）。
l记账信息（accountinginformation）：
包括CPU数量和实时使用量、时间限制、账户数目、作业或进程数目等等。
lI/O状态信息：
包括分配给该进程的I/O设备的列表、打开的文件的列表等等。
PCB只是存储信息，而进程间的这些信息是不同的。
处理器每次只处理一个process，PCB与programcounter之间切换。
上下文切换：
•当CPU转换到另外一个进程时，系统发配程序将旧进程的状态存储在PCB中，然后将新进程状态载入。
上下文转换时间是纯粹的开销，因为在转换进行时系统不能做任何有用的工作。
需求时间依硬件设施的支持。
父子进程
进程在运行期间通过调用创建进程系可以创建多个新进程，创建进程的进程称作：
父进程，而产生的新进程称作为：
子进程。
当一个进程创建了一个新进程时，会以两种可能的方式执行：
1.父进程（继续执行）与子进程并行执行。
2.父进程等待部分或全部子进程终止执行。
新进程的地址空间也有两种可能：
1.子进程是父进程的一个拷贝。
2.载入一个程序运行。
在新（子）进程中fork的返回码是零，而父进程中fork的返回码是子进程的进程号（非零）
也就是说当pid<0的时候说明创建子进程不成功，否则成功，在成功的前提下，pid==0的话那么就在子进程里面，如果>0的话那么就是在父进程里面。
进程运行完毕后，由操作系统将其删除，并回收所有资源、结果返回父进程（可能）。
父进程终止，其子进程也必须终止。
父进程可能会出于某个原因而结束它的一个子进程，例如：
l子进程需要更多的资源。
（Thechildhasexceededitsusageofsomeoftheresourcesthatithasbeen
allocated.）这需要父进程能够检查其子进程的状态。
分配给子进程的任务已经不再需要。
l父进程退出，而且操作系统禁止子进程在父进程终止后继续执行。
在这样的系统中，如果一个进程（正常或非正常）终止，那么它的所有子进程也必须要终止。
这种级联式的进程终止通常是操作系统发起的。
第五章：
manytoone，onetoone，的理解与画图。
程序段的分析。
线程是CPU的调度对象，是CPU上运行的最小单元。
由堆栈和寄存器，以及programcounter组成。
一个进程包括多条线程，因此线程分享DATA，Code，OS资源。
线程是最小运行单元，而进程是最小资源分配单元。
分清userthread和kernelthread的区别。
Userthread是由线程库创建，管理以及调度。
更快。
而内核线程有内核创建，管理，以及调度。
一个userthread必须和一个内核线程一起，才能在CPU上运行。
多线程：
Manytoone是指多个用户线程映射到一个内核线程，适用于不支持多内核线程的os。
而0netoone是指一个进程中的每个线程都对应一个kernelthread。
再由os调度CPU处理kernelthread。
图见ppt。
Java是提供了线程的建立于管理的一种语言，它不属于用户线程，也不属于内核线程。
通过创建一个继承thread类的新类，然后重载其run的方法。
任何一个Java程序都至少有一个控制执行序列。
即当只有主函数时也将其当做一线程处理。
由于继承类方法不显明的创建了线程，实际中用Start的方法。
1.在JVM中为新线程分配内存并初始化该线程。
2.调用run方法，使该线程能够在JVM中运行。
（注意：
永远不要直接调用run方法。
而是调用start方法，然后由它调用run方法。
）
这个问题的程序段，一般理解为继承thread的新类，并且重载其run方法/
程序段解释类似于此法：
当Summation程序运行时，JVM创建两个线程。
第一个是与应用程序关联的线程——该线程在主函
数中开始执行。
第二个线程是由start方法直接创建的Summation线程。
Summation线程在它的run方法中
开始执行。
当该线程从run方法中退出时就终止运行。
第六章：
抢占型，非抢占型
调度算法，平均时间
6.15优先级
roundrobine？
一个I/O繁忙型程序通常有很多非常短的CPUburst。
一个CPU繁忙型程序可能有少数非常长的CPUburst。
这种分布（distribution）能够帮助我们选择一个合适的CPU调度算法。
在如下的四种情况下可能会进行CPU调度：
1.当进程从运行状态转换到等待状态时（例如：
I/O请求或等待一个子进程的终止）（forexample,I/O
request,orinvocationofwaitfortheterminationofoneofthechildprocesses）
2.当进程从运行状态转换到就绪状态时（例如：
当发生中断时）
3.当进程从等待状态转换到就绪状态时（例如：
I/O完成）
4.当进程终止时
在出现了CPU调度的前提下才有抢占型与非抢占型之分。
第一和第四种情况为非抢占型（即只能从就绪队列中调出一个新的进程来）。
而其他未抢占型。
因为可选择。
进程运行包括：
CPUburst
I/Oburst。
交互式进行，最后一个由CPUburst结束。
调度程序停止一个进程并开始运行另一个进程所需的时间被称为调度时间（Dispatchlatency）。
调度程序（dispatcher）的：
其工作包括：
l转换上下文
l转换到用户摸式
l跳转到用户程序中的正确位置重新开始该程序
调度算法一些准则：
CPUutilization,
Throughput（吞吐量）：
对工作量的一种测量是单位时间内完成的进程数，
Turnaroundtime（周转时间）：
从进程提交到进程完成的时间间隔。
Waitingtime:
等待时间是进程在就绪队列中耗费时间的总和
Responsetime：
进程提交请求到首次响应时间。
护送效应（convoyeffect）：
即短进程在长进程之后。
1）FCFS即先来先到原则,计算等待时间，长进程放后面比较有效率
2）SJF短作业优先：
即利用下一个CPUburst的时间，分配给长度最小的进程，如果有两个进程的CPUburst一样，则采取FCFS原则。
还分为抢占式与非抢占式。
抢占式（Preemptive）就是当一个进程正在运行，此时一个新的进程进来，他的CPUburst时间比正在运行的进程剩余时间短，则抢占执行。
非抢占则允许执行完即在最短作业优先的前提下不打扰。
3）优先级（priority）调度，抢占型即优先级高的达到时抢占当前的进程。
（本书中小数字代表高的优先级。
）缺点是：
优先级低的有可能永远得不到cpu，解决办法，aging（老化）即：
等待时间越长，优先级也随之提高
4）RR（roundrobin）（轮转调度法）：
即将就绪队列看成一个循环队列。
每隔一个时间单元就转换一次，分配给不同进程。
就绪队列满足FCFS原则。
新进的进程放入队列末尾，当一个进程运行完一个时间量之后，由进程调度程序进行进程调度，将此进程中断放入到此队列末尾。
如此循环。
超过一个时间量，中断处理。
一个原则是百分之八十的进程的CPUburst应该短于时间量。
第七章：
管理java同步，
机器指令，打断，数据不一致性
临界段的作用，实现方法。
忙等待，非忙等待的实现代码7.39。
信号量，实现代码等。
协作进程同时对共享数据进行操作，会造成数据的不一致性。
进程的同步解决两个进程同时访问数据，造成数据的不一致性。
当一个进程在其临界区内执行时就不允许其它进程在它的临界区内执行
进入区，临界区，推出区，剩余区。
临界区必须满足三个条件：
1互斥，2有空让进，3有限等待
算法1：
是共享了一个整数变量。
记录哪个进程进入临界段，而不能达到有空让进的功能。
算法2：
用数组booleanflag[2]代替了turn。
将flag初始化为false。
但是此算法没有满足有限等待的条件。
当两个flag都为true时，都在等待while，即对方变为false、所以一直循环。
算法3：
利用法1，与法2的变量booleanflag[2];intturn;初始化flag[0]=flag[1]=false，turn的值无关紧要（但是0或者是1）。
publicvoidenteringCriticalSection（intt）
{
intother=1-t;
flag[t]=true;
turn=other;
while（（flag[other]==true）&&（turn==other））
Thread.yield（）;
}
此段代码只要满足flag的要求，注意此段代码
信号量：
信号量S是一个整形数，除初始化以外，对它的访问只能通过两个标准原子操作：
wait
和signal。
其是用来解决n个信号量的临界区问题。
一个被阻塞而等待信号量S的进程应该能够在其它进程执行signal操作后被重新开始。
wakeup操作重新开始进程，它把进程的状态从等待状态转为就绪状态。
信号量S只能被两个原子操作：
wait（S）{signal（S）{
S++;
}
while（S<=0）
;//no-op
S--;
）
每个信号量有一个整形数和一个进程列表
block操作将一个进程置入与该信号量关联的等待队列中并将进程状态设为等待。
wakeup操作重新开始进程，它把进程的状态从等待状态转为就绪状态。
signal操作将进程从等待进程列表中移除并唤醒该进程。
wait操作定义如下：
voidwait（semaphoreS）{
S.value--;
if（S.value<0）{
addthisprocesstoS.L;
block（）;
}
}
signal操作定义如下：
voidsignal（semaphoreS）{
S.value++;
if（S.value<=0）{
removeaprocessPfromS.L;
wakeup（P）;
}
}
block操作将挂起调用它的进程。
wakeup（P）操作恢复执行一个被阻塞的进程。
这两个操作由操作系统作为基本的系统调用提供。
两个或多个进程无休止的等待发生一个事件，而这个事件只能由等待中的某个进程引发。
问题中的这个事件是指signal操作的执行。
当达到这样的一个状态时，我们称这些进程被死锁（deadlock）。
饥饿，操作系统是指一个进程一直得不到资源。
忙等待
Dosth;
while（condition）;
Dosth;
非忙等待
Dosth;
if（condition）
{releaseCPUandwaiting}
Dosth;
在producer与consumer的经典问题时候，
注意empty是指空缓存区的数目，而full指满缓存区的数目，而操作produce是指生产满缓存区的，而consume是生产空缓存区的。
因此下面代码好理解。
读者与写者的问题（多个进程共享一个数据对象）只分析而不是写代码，要看懂！
！
！
读者无需等待。
因为不会造成数据不一致性，而写者会，所以要求互斥，也即有一写者时，则无其他任何操作。
在上面P操作等价与wait而V操作等价去signal操作。
读是读取这个数据结构的内容，而写是更新这个数据结构的内容（而不是写入），
因此在write代码实现的过程中，
publicvoidstartWrite（）{
db.P（）;
}
publicvoidendWrite（）{
db.V（）;
}
所以在开始写的时候要先占用数据，因此调用P函数。
管程：
管程一次只执行一个线程，而程序员可以自己设定条件
第七章半桶水，有时间再看一遍，没时间抓考试重点。
第八章：
死锁的预防，避免（不破坏）的区别
在多道程序设计环境中，多个进程可能要为有限的资源展开竞争。
进程请求资源；如果当前这些资源不可用，那么该进程进入等待状态。
正在等待的进程可能不会再改变状态，因为它所请求的资源一直被其它进程所持有。
这种情况被称为死锁（deadlock）
资源被分为三个过程：
请求使用，释放。
发生死锁的四个必要条件：
1：
互斥条件，即同时只有一个进程使用该资源。
2：
持有并等待，即进程必须持有一个资源并且等待下一个资源。
3：
不抢占：
即一个进程执行完后会释放该资源
4：
循环等待。
即一个等待一个。
死锁预防：
死锁预防算法通过对约束资源请求来预防死锁的发生。
这种约束确保了至少有一个死锁的必要条件不会发生，从而达到预防死锁的目的，造成资源利用率低。
就是让发生死锁的四个条件有一个不发生，或者说破坏发生死锁的四个条件之一，便可以预防死锁的发生。
1）破坏互斥，
2）破坏持有并等待，1：
即在一个进程要申请其他资源的时候必须释放前面所拥有的资源，2：
必须一次性申请所有必要的资源。
3）不抢占，当一个进程需要等待其他资源的时候，那此时他所拥有的资源放入等待序列中，可以被抢占。
4）循环等待，每个资源对应一个正整数，当一个进程拥有一个资源的时候，再需要申请另外一个资源的时候，此资源的正整数必须大于先前的资源。
死锁避免
有了这个进程的请求和释放资源的完整队列我们就可以确定请求进程是否应该等待。
为了判断当前的请求是应该满足还是延迟以避免可能发生的死锁们就可以确定请求进程是否应该等待。
为了判断当前的请求是应该满足还是延迟以避免可能发生的死锁、
第九章1：
实程管理虚存管理的区别，2：
page解决连续存放的什么问题，3：
外部分割
4：
swappingoverlay不考，5：
往年只考段共享sharedpage9-52why？
9-34，9-40
内存的管理方法有：
分页，与分段。
其由大量字与字节队列构成，每个字与字节都有其相应的地址。
由于程序在运行过程中，要经过编译，连接，编入等，每次所对应的地址空间都不一样，这就涉及到一个地址映射问题。
CPU产生的地址通常被称为逻辑地址（虚拟地址）。
而物理地址则是内存单元的地址，也就是被装入内存的内存地址寄存器（memory-addressregister）的地址。
内存管理单元（MMU）为：
逻辑地址到物理地址的映射机制。
Swapping：
进程必须在内存中才能执行。
然而，可以暂时把一个进程从内存换出到后备存储器（backingstore）中，然后将它换回继续执行
进程必须在内存中才能执行。
然而，可以暂时把一个进程从内存换出到后备存储器（backingstore）中，然后将它换回继续执行。
利用重定位寄存器和界限寄存器，可以实现内存保护。
内存分配方法：
首先适应策略：
分配第一个足够大的连续空间。
可以从连续空间列表的最开头开始搜寻，也可以从上一次搜寻的结尾开始。
找到一个足够的大空闲空间时停止搜寻。
最佳适应策略：
分配空间足够大的连续空间中最小的那个。
必须搜寻整个列表，除非列表按大小排序。
这个策略将产生最小的剩余空间。
最差适应策略：
分配最大的连续空间。
也必须搜寻整个列表，除非列表按大小排序。
这个策略会产生最大的剩余连续空间，这个连续空间比用best-fit方法产生的更小的剩余空间有用。
连续存放的问题：
即使采用了某些优化措施，如果有N个已分配的内存块，另外还有0.5N个内存块由于作为碎片而丢失。
也就是说，可能有三分之一内存不可用！
这被称为50-percentrule
我们把物理内存分成固定大小的块，称为帧（frame）。
也把逻辑内存分成同样大小的块，称为页（page）。
CPU产生的地址分为两个部分：
页号（pagenumber）（p）和页偏移（pageoffset）（d）。
页号用于索引页表（pagetable）。
页表包含了物理内存中每个页的基地址。
把这个基地址与页偏移相结合生成发送到内存单元的物理地址。
分页不产生外部碎片，但是产生内部碎片。
TLB中的每个表项由两部分组成：
键（或标记）和值。
在进行比较时是同时与表中所有的键进行比较。
对TLB的使用方式如下。
TLB只包含了很少的页表项。
当CPU产生一个逻辑地址时，它的页号被发送到TLB。
如果能够在TLB中找到这个页号，那么立即产生它的帧号并用其访问内存。
整个过程仅仅比非映射内存引用慢10%。
少了一次获取帧号时访问内存的时间。
分段
将一个独立的功能作用题作为一个段。
比如：
1.全局变量；
2.过程调用堆栈，用于存储参数和返回地址；
3.每个过程或函数的代码部分；
4.每个过程或函数的本地变量。
段一般是指令，或者数据，指令一般不会自我修改，因此一般设为只读，或者只执行。
分段的优点是1：
达到保护作用，比如指令段，2：
达到共享。
外部分割：
即内存里有一个进程要的空间，但是不连续。
共享代码段在各进程中必须以相同的逻辑地址去存在。
•被共享的段的段号在各进程中应该相同
•不含有物理指针的多个只读数据段可以以不同的段号被共享
•假如代码段中涉及本段的地址是用相对位移，则可以以不同的段号被共享
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