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计算机操作系统

2017-03-20 19:34:18   0  举报

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计算机系统前3章知识点

计算机系统

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大纲/内容

第一章操作系统引论

<div>1.1 操作系统的概述</div>

<div>计算机系统= 硬件+软件</div>

<div>操作系统的定位:</div><div><div>它是裸机之上的第一层软件</div><div> 裸机：没有配置任何软件的物理计算机</div></div>

1.2 操作系统的目标和作用

<div>1.操作系统的目标</div>

<div>方便性:方便使用计算机系统，避免用户自己编写程序的繁琐工作。</div>

<div>有效性:<span style="font-size: 13px;">合理组织计算机的工作流程，进一步改善资源的利用率，提高系统的吞吐量。</span></div>

<div>2. 操作系统的作用</div>

<div>它作为用户和计算机硬件之间的接口</div>

<div>它作为计算机系统资源的管理者</div>

<div>它作为扩充机器</div>

<div> 3. 推动操作系统发展的主要动力</div>

<div>不断提高计算机资源利用率</div>

<div>方便用户使用</div>

<div>器件的不断更新换代</div>

<div>计算机体系结构的不断发展</div>

<div>1.3 操作系统的发展过程</div>

<div>1. 无操作系统的计算机系统 </div>

<div> 1）人工操作方式</div>

<div>2. 单道批处理系统 </div>

<div> 1）联机批处理（慢速I/O直接与主机相连）</div>

3. 多道批处理系统 

<div>概述：计算机能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对原事件的处理，并且控制所有实时设备和实时任务协调一致的工作。</div>

<div>（1）响应时间要快</div><div>（2）系统可靠性要高</div><div>（3）具有连续的人-机对话能力</div><div>（4）具有保护过载能力</div><div>（5）系统整体性要强</div>

<div>6. 实时系统和分时系统的比较</div>

<div>1.4 操作系统的基本特性</div>

<div>1. 并发性（Concurrence）：指多个事件同时发生。</div>

<div>并发：是一种逻辑的或者宏观的同时性概念，即并发是宏观上的并行。</div><div>（在各自的起点和终点之间）；</div>

<div>并行：是一种物理的或者微观的同时性概念。</div>

<div>2. 共享性（Sharing）:OS追求的主要目标之一，并发和共享是OS的两个最基本的特征。</div>

<div>3. 不确定性（Nondeterminacy）:指事件的不可预测（时间和次序）随机性事件是造成OS不确定性的基本原因。</div>

<div>4. 虚拟性（Virtual）:虚拟是指将一个物理的实体变换（映射）为若干个逻辑上的对应物。例如分时CPU。</div>

1.5 操作系统的主要功能

<div>1. 处理机管理</div>

主要任务：对CPU进行分配，且对其运行控制和管理 

<div>进行控制：为作业创建、撤销已结束的进程；</div><div>进程同步：进程互斥和进程同步；</div><div>进程通信：进程之间的信息交换；</div><div>调度：作业调度和进程调度。</div>

<div>2. 存储器管理</div>

<div>主要任务：为多道程序分配内存，方便用户使用存储器，提高存储器利用率并且在逻辑上扩充内存。</div>

<div>内存分配：为每道程序静态或者动态地分配内存；</div><div>内存保护：保证每道用户程序都在自己的内存空间运行，互不干扰；</div><div>地址映射：将应用程序的地址空间映射为逻辑地址或相对地址；</div><div>内存扩充：借助虚拟存储技术，从逻辑上扩充内存。</div>

<div>3. 设备管理功能</div>

<div>主要任务：完成I/O请求，分配I/O设备，提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O速度，方便使用I/O设备。 </div>

<div>缓冲管理：管理好各类缓冲区，提高系统吞吐量；</div><div>设备分配：根据I/O请求，分配所需要的设备；</div><div>设备处理：实现CPU与设备控制器之间的通信；<br><div>设备独立性：指应用程序独立于物理设备；</div><div>虚拟设备：将一个物理设备变换（改造）为多个对应的逻辑设备，是每个用户感觉自己独占该设备（spooling技术）。</div></div>

<div>主要任务：对用户文件和系统文件进行管理，方便用户使用，并保证文件的安全性。</div>

<div>文件存储空间的管理：为文件分配必要的外存空间，提高外存利用率，并提高文件系统的运行速度；</div><div>目录管理：为每个文件建立其目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，实现方便的按名存取；<br><div>文件读/写管理：从外存中读写数据；</div><div>文件保护：防止未经核准的用户存取文件，防止冒名存取文件，防止不正确的方式存取文件。</div></div>

<div>主要任务：方便用户使用操作系统，以命令、系统调用或者图形方式为用户提供接口。</div>

1.6 操作系统的结构设计

<div>1. 传统的操作系统结构</div>

<div>无结构操作系统:<span style="font-size: 13px;">OS可以看做一组过程的集合，过程之间互相调用。</span></div>

<div>模块化结构: <span style="font-size: 13px;">OS由许多标准的、可兼容的基本单位构成，称为模块。各模块功能上相互独立，模块间通过规定的接口相互调用，将各模块连接起来构成完整的系统。         </span></div>

<div>分层式操作系统:<span style="font-size: 13px;">将模块按照某种逻辑关系排成若干层、层间只能单向依赖，不构成循环，系统的正确性由各层的正确性来保证。</span></div>

<div>2. 微内核操作系统结构</div>

<div>客户/服务器模式（Client-Server Model）</div>

<div>面向对象的设计技术（Object-Oriented Programming）</div>

<div>微内核技术（MicroKernel）:是指精心设计的、能实现现代OS核心功能的小型内核。 </div>

<div>a.  进程管理</div><div>b.  存储器管理</div><div>c.   进程通信管理</div><div>d.   I/O设备管理</div>

第2章进程的描述与控制

<div>2.1 进程的基本概念</div>

<div>1. 程序的顺序执行与特征</div>

<div>前趋图： 是一个有向无循环图DAG(Directed Acyclic Graph)</div>

<div>2.程序的并发执行和特征</div>

<div>(1)不可再现性：<span style="font-size: 13px;">并发程序的执行结果与它们的相对速度有关。</span></div>

<div>(2)制约性：并发程序之间相互依赖和制约。</div>

<div>(3)程序与计算不再一一对应    </div>

<div>3.进程的定义和特征</div>

定义：一个具有独立功能的程序在一个数据集合上的一次动态执行过程。是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

<div>进程和程序的区别：</div>

<div>程序是静态概念，是一组指令的有序集合；进程是程序的执行，是动态概念。</div>

<div>进程的存在是暂时的，而程序的存在是永久的。</div>

<div>进程和程序是密切相关的，但是无一一对应关系。一个程序可对应多个进程；通过调用关系，一个进程也可包含多个程序。</div>

进程是一个能独立运行的单位，能与其它进程并发执行。而程序是不能作为一个独立运行的单位而并发执行的。

<div>进程是程序的执行，因此进程的组成应包括程序、数据和进程控制块（即进程状态信息）。</div>

<div>动态性  进程是程序在并发系统内的一次执行，一个进程有一个从产生到消失的生命期；</div>

<div>并发性  正是为了描述程序在并发系统内执行的动态特性才引入了进程，没有并发就没有进程；</div>

<div>独立性  每个进程的程序都是相对独立的顺序程序，可以按照自己的方向和速度独立地向前推进；</div>

<div>制约性  进程之间的相互制约，主要表现在互斥地使用资源和相关进程之间必要的同步和通讯；</div>

<div>结构性  进程 = PCB（进程控制块） + 程序 + 数据集合。</div>

<div>4.进程的状态和组成</div>

进程的基本状态:

运行状态  

就绪状态

阻塞状态  

创建状态  

退出状态  

<div>进程队列、PCB组织方式：</div>

线性方式

链接方式

原语：

<div>原语操作也称做“原子操作”，即一个操作中的所有动作要么全做，要么全不做。</div>

进程的创建 

进程可借助创建原语建立一个子进程

进程的终止 

<div>撤销原语一般由其父进程或祖先发出，不会自己撤销自己。一旦系统中出现要求终止进程的事件后，便调用进程终止原语。</div>

<div>进程的阻塞</div>

<div>正在运行的进程通过调用阻塞原语主动地把自己阻塞。     </div>

进程的唤醒

<div>当被阻塞进程所等待的事件出现时，则由另外的与被阻塞进程相关的进程调用唤醒原语，将等待该事件的进程唤醒。可见，被阻塞进程不能唤醒自己。</div>

进程的挂起

<div>调用挂起原语的进程只能挂起它自己或它的子孙。</div>

进程的激活

<div>一个进程只能将自己的子孙进程解挂。一个进程可以将自己挂起，却不能将自己解挂。</div>

1.进程同步的基本概念 

<div>(1)同步（直接相互制约关系、相互合作的关系）</div>

<div>(2)互斥（间接相互制约关系、对资源争用的关系）</div>

<div>2.临界资源和临界区</div>

<div>(1)临界资源(Critical Resouce )</div>

一次只允许一个进程使用的资源。

<div>(2) 临界区(critical section) </div>

<div>在每个进程中访问临界资源的那段程序，简称CS区。</div>

<div>(3) 临界区的调用原则</div>

空闲让进   

忙则等待  

有限停留

让权等待

<div>3.临界区互斥执行的解决方法</div>

<div>单标志算法<br>双标志、先检查算法<br>双标志、先修改后检查算法<br></div>

<div>先修改、后检查、后修改者等待算法（算是对两个进程同步最好的实现）</div>

4.信号量机制 

1. 整型信号量

即PV操作对应的wait(S)，signal(S).S表示资源数 mutex互斥

执行一次signal操作意味着释放一个单位资源

执行一次wait操作意味着申请分配一个单位资源

2. 记录型信号量

<div>信号量的值（s.value，计数）</div>

<div>指向PCB的指针（s.L，标识进程等待队列）</div>

<div>3. AND型信号量 </div>

<div>区别：上述的进程互斥问题，是针对各进程之间要共享一个临界资源而言的。在有些应用场合，是一个进程需要先获得两个或更多的共享资源后，方能执行其任务。</div>

<div>Swait(S1,S2,…,Sn)</div>

<div>Ssignal(S1,S2,…,Sn)</div>

区别：在记录型信号量机制中，wait(S)和signal(S)操作仅能对信号量施以加1或减1操作，当一次需要N个某类临界资源时，便要进行N次wait(S)操作，很低效；另外，在有些情况下，当资源数量低于某一下限值时，便不予以分配。

S为信号量，d为需求值，t为下限值。

Swait(S1, t1, d1, …, Sn, tn, dn)

5.信号量的应用 

<div>利用信号量实现进程互斥 </div>

<div>用信号量实现进程同步</div>

利用信号量实现前趋关系 

2.4 经典的同步问题

生产者—消费者问题

<div>2. 读者-写者问题（reader-writers problem)</div>

<div>3. 哲学家进餐问题（The Dinning Philosophers Problem)</div>

<div>用AND信号量机制可获得最简洁的解法。</div><div>每个哲学家先获得两个临界资源(筷子)后方能进餐，</div>

1.管程的基本概念 

<div>基本思想:把信号量及其操作原语封装在一个对象中。</div>

<div>2.管程(monitor)的定义</div>

<div>管程由三部分组成：</div><div>(1)局部于管程的共享变量说明；</div><div>(2) 对该数据结构进行操作的一组过程；</div><div>(3) 对局部于管程的数据设置初始值的语句。此外，还须为管程赋予一个名字。 </div>

为了实现对临界资源的互斥访问，管程每次只允许一个进程进入其内（即访问管程内的某个过程）

<div>3.引入管程的优点</div>

<div>(1)具有良好的封装性，可增强模块的独立性。</div><div>(2)引入管程可以提高代码的可读性，便于修改和维护并保证代码的正确性。  </div>

<div>4.管程和进程的区别</div>

<div>(1)进程是为了描述程序的动态执行过程，而管程是为了协调进程的同步和对共享资源的访问。</div><div>(2)操作系统维护进程的数据结构是PCB，而与管程相关的数据结构是等待队列。</div><div>(3)管程可被进程调用，管程与操作系统的共享资源相关。</div><div>(4)进程有创建和撤消，而管程没有。  </div>

进程通信的类型 

<div>1. 共享存储器系统(Shared-Memory System) </div>

2. 管道(Pipe)通信

<div>3. 消息传递系统(Message passing system)</div>

线程的基本概念 

线程的引入正是为了简化线程间的通信，减小程序在并发执行时所付出的时空开销，提高进程内的并发程度。

<div>2.线程和进程的对比</div>

<div><div>(1)线程和进程的关系</div>线程是进程的一个组成部分。</div><div>一个进程可以有多个线程，一个进程的多个线程都在进程的地址空间活动。</div><div>资源的分配对象是进程，而不是线程。</div><div>调度的基本单位是线程而不是进程，即处理机是分配给线程的；真正在处理机上执行的是线程，但线程所用到的资源是进程所分配到的资源。</div><div>线程在执行过程中，需要协作同步。</div>

<div>(2)进程和线程的比较</div><div>地址空间资源：不同进程的地址空间是相互独立的，而同一进程的各个线程共享同一地址空间。</div><div>通信关系：进程通信必须使用操作系统提供的进程间通信机制，而同一进程的各个线程间可以通过直接读写进程数据段来进行通信。</div><div>调度切换：同一进程中的线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。</div>

<div>3. 线程的属性</div>

<div>(1)轻型实体。 </div><div>(2) 独立调度和分派的基本单位。 </div><div>(3) 可并发执行。 </div><div>(4) 共享进程资源。 </div>

<div>4. 线程的状态</div>

<div> 就绪状态：线程已具备执行条件，正在等待CPU。</div><div> 备用状态：由调度程序选定为一个执行对象。</div><div> 运行状态：正在CPU上执行其程序。</div><div> 等待状态：正在执行，由于某种原因不能继续运行下去。</div><div> 转换状态：若线程已准备好执行，但突然资源不可用，从而成为转换状态。</div><div> 终止状态：线程完成了它的执行。</div>

第3章处理机调试与死锁

<div>3.1  处理机调度的基本概念</div>

<div>1．高级调度——又称作业调度或长调度 </div>

定义：用于决定把外存上后备队列中哪些作业调入内存，并为它们创建进程、分配必要的资源，然后将新创建的进程插入到就绪队列中，准备运行。

<div>任务：<br>接纳多少个作业——取决于多道程序度</div><div>接纳哪些作业——取决于调度算法</div>

<div>2．低级调度--又称进程调度或短调度。是最基本的调度 </div>

定义：用来决定就绪队列中的哪个进程应获得处理机，然后再由分派程序执行把处理机分配给该进程的具体操作。

调度方式：

<div>（1）非抢占方式</div>

（2）抢占方式  

<div>    优先权原则； </div><div>    短作业优先原则；</div><div>    时间片原则。   </div>

<div>3.  中级调度--挂起和激活，存储器管理中的对换功能。</div>

<div>三种调度相比较：</div>

<div>进程调度的运行频率最高 </div><div>作业调度频率最低 </div><div>中级调度界于之间 </div>

1.调度队列模型

<div>1.  仅有进程调度的调度队列模型 </div>

<div>2.  具有高级和低级调度的调度队列模型 </div>

<div>3.  同时具有三级调度的调度队列模型 </div>

2.调度算法

<div>3.2.1  先来先服务调度算法(FCFS)</div>

<div>FCFS算法比较有利于长作业（进程），不利于短作业（进程）。</div><div>有利于CPU繁忙型作业（进程），不利于I/O繁忙型作业（进程）——因非抢占式  </div>

<div>3.2.2  短作业(进程)优先调度算法（SJF）（SPF)</div>

<div>从后备队列中选择一个或几个估计运行时间最短的作业，将它调入内存运行。</div>

<div>优点：当多个作业同时到达时，SJF算法可使平均周转时间最短。</div>

<div>3.2.3  高优先权优先调度算法 </div>

目的：照顾紧迫型作业，使之在进入系统后便获得优先处理。 

<div>系统从后备中选择一个或几个优先权最高的作业，将它调入内存运行。 </div>

优先权的类型 

<div>静态优先权</div>

<div>静态优先权——它是在创建进程时确定的，且在进程整个运行期间保持不变。</div>

动态优先权  

在创建进程时所赋予的优先权，是可以随进程得推进，或随其等待时间的增加而改变的，以便获得更好的调度性。

<div>3.2.4  高响应比优先调度算法</div>

<div>响应比＝(等待时间+要求服务时间)/要求服务时间</div>

<div>每次要进行作业调度时，系统首先计算后备队列中各作业的响应比，然后选择一个或若干个响应比最高的作业调入内存执行。 </div>

优点：综合了FCFS和SJF算法的优点<br><div>缺点是会增加系统开销——每次调度都要计算响应比。 </div>

<div>3.2.5  基于时间片的轮转调度算法  </div>

<div>1．时间片轮转法 </div>

<div>系统把就绪队列中的所有进程，按先来先服务的原则，排成一个队列； </div>

<div>每次调度时，把CPU分配给队首进程，并让它执行一个时间片； </div>

2．多级反馈队列调度算法 

目的：满足实时系统对调度的要求

<div>具备下述几个条件：</div>

<div>1．提供必要的信息</div>

<div>2．系统处理能力强</div>

<div>3．采用抢占式调度机制</div>

<div>4．具有快速切换机制</div>

 常用的几种实时调度算法

<div>1．最早截止时间优先算法</div><div>      即EDF(Earliest Deadling First)算法</div>

<div>根据任务的开始截止时间来确定任务的优先级。截止时间愈早，其优先级愈高。</div>

<div>2．最低松弛度优先算法</div><div>      即LLF(Least Laxity First)算法</div>

<div>根据任务紧急(或松弛)的程度来确定任务的优先级。任务紧急程度愈高，其优先级愈高。</div>

3.4  产生死锁的原因和必要条件

定义：一组竞争系统资源或相互通信的进程间相互的“永久”阻塞。

产生死锁的原因

<div>（1）竞争资源 </div><div>（2）进程间推进顺序非法 </div>

<div>产生死锁的必要条件</div>

<div>互斥条件 </div><div>请求和保持条件 </div><div>不剥夺条件 </div><div>环路等待条件</div>

处理死锁的基本方法

3.5  预防和避免死锁的方法

预防死锁

<div>2．屏弃“请求并保持”条件 </div>

3．屏弃“不剥夺”条件

避免死锁——银行家算法 

<div>存在一个安全序列<P2，P1，P3>，即只要系统按此进程序列分配资源，就能使每一个进程都顺利完成。 </div>

2.  安全状态之例 

<div>3.  利用银行家算法避免死锁</div>

<div>1）银行家算法中的数据结构</div>

<div>可利用资源向量Available</div>

<div>最大需求矩阵Max </div>

<div>分配矩阵Allocation </div>

<div>需求矩阵Need </div>

3.6 死锁的检测和解除

<div>预防死锁的方法——破坏死锁必要条件</div>

<div>避免死锁——银行家算法</div>

死锁的检测 

<div>1. 利用资源分配图检测死锁</div>

<div>(1) 若资源分配图中无环路，则此时系统中无死锁；</div>

<div>(2) 如果资源分配图中有环路，且每个资源类中仅有一个资源，则系统中发生了死锁。此时，环路是系统发生死锁的充要条件，环路中的进程便为死锁进程；</div>

子主题

死锁的解除

<div>从其它进程剥夺足够资源给死锁进程，以解除死锁状态。(教科书)     或者：</div><div>剥夺死锁进程占用的资源，但并不撤消它，直到死锁解除。</div>

撤消全部死锁进程 <br><div> 按某个顺序逐个撤消死锁进程，直至使死</div><div>  锁状态解除为止。 </div>

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