计算机操作系统1-6章
2021-08-20 14:50:50 26 举报AI智能生成
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计算机操作系统1-6章
作者其他创作
大纲/内容
管理计算机资源的
系统软件
本质：程序集合
定义
处理机管理
存储管理
设备管理
文件管理
用户接口
划分为
资源管理的观点
是扩充逻辑功能的软件，是比裸机功能更强的、使用方便的虚拟机
用户的观点（扩展机器的观点）
操作系统的定义
没有操作系统
第一代计算机
出现了早期的单道批处理系统
程序和数据的输入是在一台专门用来输入输出的计算机的控制下进行的（即脱离主机）
减少了CPU的空闲时间
提高了输入输出的速度
优点
脱机输入输出
输入输出都在主机的控制下进行
联机输入输出
有了监控系统
第二代计算机
把多个程序同时放入内存并运行，使它们共享系统中的资源
思想
充分利用CPU，减少CPU的等待时间
目的
充分发挥CPU（处理机）、I/O设备（外部设备/外设）并行工作
多道程序设计技术
分时系统
第三代计算机
第四代计算机
阶段
多道批处理系统
操作系统形成的标志
并行运行
宏观
串行运行
微观
单机系统中，多道程序在内存中
操作系统的产生和发展
并发性（程序的并发执行）
互斥共享方式
共同访问方式
共享性（资源共享）
虚拟性
不确定性
操作系统的特征
最基本的2个特征
进程控制
进程同步
进程通信
进程调度
P22
进程管理（处理机管理）
内存分配
地址映射
内存保护
内存扩充
P22-23
设备分配
设备控制
设备的无关性
P23
文件存储空间的管理
目录管理
文件的读写管理
文件的存取控制
P24
联机命令接口
脱机命令接口
图形用户界面接口
为一般用户提供
命令接口
为程序员提供
程序接口
操作系统接口
操作系统的功能
自动性
顺序性
单道性
主要特征
单道批处理操作系统
CPU利用率得到提高
内存、输入输出设备的利用率提高
增加了系统的吞吐量
多道性
无序性
调度性
多道批处理操作系统
形式
允许用户把多个作业同时交给计算机
资源利用率高
系统吞吐量大
平均周转时间长
无交互能力
缺点
批处理操作系统
P27
分时技术的引入
及时接收
及时处理
P28
要解决的关键问题
单道分时操作系统
具有“前台”和“后台”的分时操作系统
多道分时操作系统
实现形式
多路性
独占性
交互性
及时性
特征
允许在一台主机上同时连接多台终端，多个用户可以通过多台终端同时交互地使用计算机。
分时操作系统
提供过程控制
环境监控
早期应用
实时控制系统
实时信息处理系统
类型
可靠性
设计时，必须首先考虑系统的
高可靠性
过载防护
对截止时间的要求
特殊要求
计算机能及时处理由过程控制反馈的数据并做出及时响应
实时操作系统
P31
实时与分时的比较
增加系统的吞吐量
节省投资
提高系统的可靠性
P38
引入的原因
1个
主处理机
多个
从处理机
处理机分为
此模式的操作系统易于实现，但资源利用率低
非对称多处理机模式（主一从模式）
允许多个进程同时运行
对称多处理机模式
多处理机操作系统
P39
计算机网络的产生
网络的控制中心
概念
向客户端提供一种/多种服务
任务
文件服务器
打印服务器
数据库服务器
服务程序
服务支撑软件
包含
服务器
服务器节点
用户本地处理、访问服务器的计算机节点
本地处理软件
访问服务器上的服务程序的软件接口
客户端
客户端节点
2种形式的节点
分布处理
集中控制
客户端/服务器模式
作为客户端去访问其他节点
作为服务器向其他节点提供服务
计算机在网络中的功能、地位是相同的
网络服务、控制功能分布于各个节点上
网络中没有服务处理中心、控制中心
对等的
节点
分布控制
对等模式（Peer to Peer）
网络操作系统的模式
网络通信
资源共享管理
网络服务
最基本的任务：安全管理
网络管理
P40
互操作能力
P39-40
网络操作系统的功能
网络操作系统
一组相互连接并能交换信息的计算机
任何一台计算机上的用户都可以共享网络中其他计算机上的资源
没有标准的、统一的接口
不是一个一体化的系统
对用户不透明
特点
存在的问题
计算机网络
大量的实际应用需要有一个完整的一体化系统、且具有分布处理的能力
出现的原因
一定是有多台计算机组成的系统
由若干计算机经互联网连接而形成的系统
独立工作（自治性）
协同合作
并行运行分布式程序
这些计算机都可以
自动的任务分配、协调
多机合作
任务分配
分布式操作系统
每个用户都在本地计算机上处理任务，所以妹妹哟任务分配程序
良好的可用性、可靠性
自动恢复
其系统的重构功能很弱
健壮性
隐藏了系统内部的实现细节
透明性
分布在各个站点的软、硬件资源可供全系统中的所有用户共享
P40-41
特点（与网络操作系统相比）
将计算机嵌入其他设备
需要专用开发工具和方法进行设计
是技术密集、高度分散、不断创新的知识集成系统
面向特定任务
具有实时约束
实时系统
处理机速度<<个人计算机的速度
特性
嵌入式操作系统
操作系统类型
一、引论
独立的
多个进程不能同时使用同一个资源
先来先得
相互竞争（约束）
进程之间知道对方的程度最低
性质
互斥
多个进程中发生的时间存在着某种时序关系
相互制约、协调
知道对方的程度稍高
同步
多个进程之间要传递一定量的信息
知道对方的程度最高
交互关系（相互协作的）
操作系统中的并发进程
所有的共享资源都是临界资源。
某段时间内只许一个进程使用的资源
临界资源
每个进程中访问临界资源的程序
临界区
采用互斥访问的方式实现共享
P73
进程访问临界区的一般结构
空闲让进
忙则等待
保证在有效时间内进入
有限等待
不能进入临界区时，应立即释放处理机
让权等待
临界区不允许两个进程同时进入
临界区进入准则
临界资源、临界区
为了保证互斥，只要保证一个进程不被中断即可
保证了互斥
在临界区进程不能被中断
单处理机环境
不能保证对临界区的互斥进入
仅对本指令的CPU起作用
多处理机环境
禁止中断
P74
TS（Test and Set）指令
Swap指令
专用机器指令
包括
P75
优缺点
互斥实现的硬件方法
单标志算法
双标志、先检查算法
双标志、先修改后检查算法
先修改、后检查、后修改者等待算法
P75-77
互斥实现的软件方法
解决进程互斥进入临界区的问题
P77
wait (s){ while(s<=0)；资源没有了，只能等待别人释放。加入这样就一直保持这样 s--；当前面这条语句不满足时，才会执行它}
P操作
signal (s){ s++；}
V操作
整型信号量
假如s=0，它会一直执行s<=0的死循环直到某个进程执行signal的s++以后s=1再回到wait时，已经不满足s<=0的条件所以不执行“while(s<=0)”而执行s--；就申请到这个资源了
记录型信号量
分为
信号量的定义
S.value>0时的值表示可用的资源数目
系统中某种资源的数目
则s.value = 2
信号量的取值范围则从2开始减
每次最多允许2个进程进入该程序段
信号量的初值（资源信号量）
进程申请一个临界资源
s.value = s.value -1
进程所申请的资源不能满足，进程无法继续执行
资源已分配完毕
当s.value < 0时
自我阻塞，放弃处理机，插入等待该信号量的等待队列
block（s.queue）
进程释放一个临界资源
s.value = s.value +1
仍有请求该资源的进程被阻塞
当s.value <= 0时
唤醒相应阻塞队列中的首进程
wakeup（s.queue）
| s.value |表示等待队列的进程数
信号量的物理意义（信号量机制）
初始值为 semaphore s=1
在利用信号量实现进程互斥时，应将临界区置于（P操作）和（V操作 ）之间
P78
用信号量解决互斥问题
提供资源（先）的用V
使用资源（后）的用P
初始值为 semaphore s=0
用信号量解决同步问题
信号量、PV操作
P79
生产者—消费者问题
P81
读者—写者问题
P82
哲学家进餐问题
经典进程同步、互斥问题
P88-91
管程
P91-93
同步与互斥实例
共享存储器系统
直接通信方式
信箱通信
一对一
多对一
一对多
多对多
发送方、接收方之间的关系
间接通信方式
消息传递系统
管道通信
在消息缓冲通信中，消息队列是一种（临界）资源
P93
三、进程同步、通信
可以限制多道程序的道数
高级调度（作业调度）
提高内存的利用率、系统的吞吐量
中级调度（对换程序）
低级调度（进程调度）
P101
处理机分配给某个进程，该进程要一直执行下去，直到运行完毕或出错，决不允许其他进程抢占正在运行的处理机
适合批处理操作系统
不适合实时操作系统（对时间要求严格）
不可剥夺方式（非抢占方式）
高优先级的进程可以抢占处理机而运行
采用优先权原则
优先级低的进程调度CPU，让优先级高的进程运行
可剥夺方式（抢占方式）
方式
因为进程退出后，CPU空闲，必须从就绪队列中选择一个进程运行
进程退出
进程由于等待I/O、信号量等而放弃CPU时，必须选择另一个进程运行
进程阻塞
肯定会发生调度的情况
新进程创建
中断发生
时钟中断
P102
尽管调度在逻辑上不必须，但经常发生
时机
提交一个请求 → 系统响应
用户可见
尽快响应交互式用户的请求
响应时间
作业被提交 → 完成
平均周转时间
带权周转时间
= （等待时间+服务时间）/服务时间
响应比
尽量减少进程的等待时间
周转时间
优先权
截止开始时间
截止完成时间
截止时间
面向用户
单位时间内所完成的作业数
尽可能提高系统的吞吐量
系统吞吐量
尽量提高处理机的利用率
处理机的利用率
各类资源的平衡利用
公平
面向系统
（选择调度算法）性能准则
当进程调度程序未能选中一个进程时，就绪队列、阻塞队列一定为空。
调度
按时间顺序
利于长作业
利于处理机（CPU）繁忙的作业，不利于I/O繁忙的作业
先来先服务调度算法FCFS
第一个到达的进程先运行，接下来就是运行时间短的先
事先估计进程的运行时间
如果所有进程同时到达，此算法使进程的平均周转时间最短。
改善了平均周转（、带权）时间，缩短了等待时间
提高系统的吞吐量
不利于长作业
不考虑作业的紧迫程度
准确性不高，从而影响调度性能
可能导致长作业被饿死
短作业优先调度算法SJF、SPN
时间片的长度
主要指标
系统的处理能力
系统的负载状况
在分时系统中，当用户数一定时，影响响应时间的主要因素是时间片
用户的响应时间T=N（进程数目）x q（时间片）
系统对响应时间的要求
影响时间片的因素
事务处理系统
适于
不利于I/O频繁的进程
不足
画坐标轴，一小格一小格
从A开始，遵守“进划插还”的规则，一个字母一个字母的写入坐标轴
做题方法
时间片轮转调度算法RR
系统从后备队列选择若干个优先权最高的作业调入内存
作业调度
进程运行时， 可把处理机分配给新出现的优先权更高的进程
可剥夺方式
不可剥夺方式
把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程
适用于
（等待时间+服务时间）/服务时间
响应比
在进程创建时确定的，且不变
系统进程 >（优于） 用户进程
进程的类型
要求少的 > 要求多的
进程对资源的要求
用户的紧迫程度
用户的要求
因素
静态优先权
为了让优先权低的进程，提高优先权，而被调度执行
↑，优先权 ↑
进程的等待时间
防止一个长进程长期垄断处理机
↑，优先权 ↓
占有处理机的时间
取决于
变化的
动态优先权
确定进程的优先权
关键
优先权调度算法Priority
进程执行时间（CPU上的运行时间）
要考虑
最高响应比HRRN
P107
多级反馈队列调度算法MFQ
多种调度算法比较
选择调度算法的准则
调度算法
不是临时
一组竞争系统资源 / 相互通信的进程相互的“永久”阻塞
每个进程等待着某个不可能得到的资源
死锁只发生在相互竞争资源的进程之间。
如处理机、I/O通道、设备、文件、数据库
一次只提供一个进程安全使用，且不会因使用而耗尽
设计系统时施加关于资源请求顺序的约束
解决这类死锁的策略
可重复使用资源
可以创建、撤销的资源
如中断、信号量、缓冲区
当进程使用后，这种资源就不存在了
可消耗资源
资源
多个进程竞争资源出现了循环等待
资源不足
并发进程的执行速度
进程的动态执行
应用程序的细节
（进程）推进次序非法
产生的原因
竞争互斥资源
产生的根本原因
互斥条件
请求和保持
环路条件
P112
产生的必要条件
预防死锁不可以去掉互斥条件
可以破坏产生死锁的请求与保持条件
资源预先静态分配
不可剥夺
可以破坏产生死锁的环路条件
资源的有序分配
环路
P113
预防死锁
避免进入不安全状态
不安全状态未必死锁
死锁一定是不安全状态
安全状态一定不会死锁
安全状态是没有死锁的状态，非安全状态是可能有死锁的状态
系统安全状态
合法请求
request<need
系统能满足资源需求
request<available
新资源请求的题目
P115
银行家算法
避免死锁
解决死锁
P118
死锁的检测
剥夺资源
P120
死锁的解除
死锁
四、调度、死锁
单一连续分配
页式和段式存储方案
管理方案
内存
管理的对象
span style=\
多道程序环境下，程序运行必须先装入内存
以“0”为开始地址
相对地址（逻辑地址）
里面的地址称为
生成目标模块
编译
有统一的地址空间
以“0”为参考地址
编译后形成的多个目标模块、它们所需要的库函数链接在一起形成装入模块
程序运行之前实现进行的链接
P124
相对地址（逻辑地址）的修改
外部符号引用的变换
2个目标模块链接在一起要解决的问题
链接形成的完整的装入模块
可执行文件
静态链接
可以在程序装入内存是边装入边链接
便于软件版本的更新
便于实现目标模块的共享
程序的整个运行期间，装入模块是不改变的
每次运行时的装入模块是相同的
装入时动态链接
将目标模块的链接推迟到程序执行时再进行
执行过程中发现被调用模块还没有装入内存，再去找该模块，将它装入内存，并链接到调用模块
运行时动态链接
实现链接的方法
链接
装入模块装入内存实际物理地址空间
修改程序中与地址有关的代码
装入
完成的是相对地址（逻辑地址）→ 内存的绝对地址（物理地址）
程序装入时一次完成，以后不再改变
在程序执行之前重定位
无须硬件支持
程序重定位之后不能再在内存中移动
要求程序的存储空间是连续的
静态重定位
在每次访问每个地址单元前再进行地址变换
程序在执行过程中（运行时）进行地址重定位
重定位寄存器
需要硬件
目标模块装入内存时无须任何修改，因而装入后可以再搬迁
一个程序是由若干个相对独立的目标模块组成的
动态重定位
按重定位的时机
地址重定位（地址映射）
用户源程序 → 可在内存运行的程序
程序的装入和链接
内存的低地址部分
内存的高地址部分
可驻留在
提供给操作系统使用
系统区域
供应用程序使用的内存区域
用户区域
内存区域
P126
操作系统、用户程序的3中组织方案
执行
没超过
产生越界中断，停止用户程序的执行
超过
指令的物理地址与界限寄存器的地址对比
使用界限寄存器
设置保护机构
防止操作系统受到用户程序的破坏
单一连续分区
分区说明表
一旦划分好，在运行期间不能重新划分
在进程装入内存前，操作员或OP系统把内存划分成若干个【大小不等】的分区
可以不相同
需预先设定
每个分区的大小是
处理器需设置【上、下限】寄存器以保证作业在所在分区内运行。
每个用户进程共驻内存
技术简单
一个进程的大小刚好==某个分区大小的情况很少，总有一小部分被浪费
内存利用率不高
固定分区
在进程装入内存时，把可用的内存空间切出一个连续的区域分配给进程
用户申请分区时系统根据用户的情况给用户分配大小的内存空间，而不是分配大小固定的内存
整个内存分区的大小、个数不是固定的，根据进程的大小动态划分
在存储管理时，给程序配了一定的内存，但是没有全部使用，有一部分空闲而浪费
内部碎片
外部碎片
碎片
可变分区就是用户申请分区时系统根据用户的情况给用户分配大小的内存空间，而不是分配大小固定的内存。克服了固定分区方式中内存浪费的问题，【解决的是内部碎片】，而不是外部碎片，因为有时候可能用户申请的内存大于系统闲置的内存。
合并空闲区
合并分区的目的是
记录内存的使用情况
分区序号
分区起始地址
分区大小
为每个还没分配出去的分区设置一个表项
空闲分区表
用于控制分区分配的信息
用于链接各个分区的指针
在每个空闲分区中设置
将空闲分区链接成一个链表
空闲分区链
数据结构
以【地址递增】的次序，从上往下
每次从低地址部分开始查找，影响查找速度
优先用低地址，留下很多难以利用的空闲分区
高地址很少被利用
首次适应算法（First Fit）
每次不再从链首开始查找，而是从上次找到的空闲分区的下一个开始找
内存比较均衡使用
减少查找空闲分区的开销
系统缺乏打的空闲分区，导致大的进程无法运行
下次适应算法（Next Fit）
第一次找到的满足要求的空闲区
将空闲块按【大小递增】次序排列的
如果空闲分区大小刚好==进程大小，则必然选中该空闲块
保留有较大的空闲分区
链表头部会留下很多难以利用的小空闲区（碎片），影响分配速度
最佳适应算法（Best Fit）
每次分配先找最大的空闲区
不会留下小的空闲分区，不易形成碎片
当有大的进程需要运行时，不能满足要求
最坏适应算法（Worst Fit）
分配算法
最佳适应算法比首次适应算法具有更好的内存利用率。
P128-129
内存的回收
可变分区（动态分区）
P129
动态重定位分区
连续分配存储管理方式
把内存空间分成大小相同的若干个存储块（页框），编号
把进程的逻辑地址空间分成若干个与内存块大小相等的页（页面）
为进程分配空间时，以【页】为单位
页分别装入多个不相邻的存储块
为了减少内部碎片，页的大小越小越好
页式系统的优点是消除了外部碎片，更有效地利用了内存。
进程的最后一页经常装不满一个存储块，而形成不可利用的碎片
页内碎片
P130
分页是由【硬件】完成的
程序分页、内存分块
实现从页号到存储块号的地址映射
作用
驻留在内存
P131
空闲块表
页表
页的大小
基本原理
本次访问超出了进程的地址空间
系统产生越界中断
页号>页表寄存器中页表的长度
通过页表寄存器中页表始址找到页表
根据页号找出页表项
得到该页的存储块号
页号<页表寄存器中页表的长度
页号
页内位移
逻辑地址
实现逻辑地址→物理地址的动态重定位
地址变换机构
专门的寄存器
实现方式
页表放在内存中
加快地址变换过程
Cache
采用的硬件
快表
P132
页表的硬件实现
P133-134
页表的组织
页式存储管理
方便编程
段的共享
段的保护
动态链接
动态增长
P137
然后段内分页
先将程序分段
段表
指令或数据
P138
若程序的逻辑地址用24位表示，其中8位表示段号，则每个段的最大长度是
地址转换是操作系统的地址变换机构【自行完成】的，无需用户干预
地址变换过程
信息的物理单位
机器硬件实现，所以一个系统只能有一种大小的页
大小固定
地址
一维
逻辑地址空间
页
信息的逻辑单位
长度可变，由用户写的程序决定
段号
段内地址
二维
段
减少碎片，提高内存利用率
实现进程在内存的有效离散存放
系统管理的需要
由硬件完成
分页
满足用户的需要
分段
分段、分页的区别
在段式系统中段的共享比页式系统中页的共享更方便
P139
页共享与段共享的比较
P140
共享段表
P141
共享段的分配、回收
段的共享与保护
段式存储管理
五、存储管理
局部性原理
顺序执行
顺序访问数据结构
空间局部性
因为程序中存在大量循环操作
时间局部性
局部性表现在
引入
具有请求调入功能、置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储器系统
外存
逻辑内存的容量由
对换区之和决定
段页式存储管理系统
可用于
离散分配
离散性
多次性
对换性
外存的容量
指令中的地址长度
受到的限制
理论基础
在支持虚拟存储器的系统中，CPU能运行比该计算机内存容量还要大的程序。
虚拟存储器
设主存的容量为4MB
辅存的容量为40MB
计算机的地址线24位
与主存无关
则虚存的最大容量是（16MB ）。
真实的内存空间==32MB.
则该计算机的物理地址空间的大小为
说明该CPU最大支持的内存容量为4GB.这是逻辑空间
32位CPU可以寻址的空间为∗（1GB）的物理地址
逻辑地址空间的大小为
设一个计算机系统的CPU地址长度为32位，内存的大小是32MB
题目
可以扩大逻辑内存容量
虚拟存储管理策略
最佳置换算法OPT
当分配给进程的页面增加时，缺页的次数可能 ↓ ，也可能不变
先进先出置换算法FIFO
最近最久未使用置换算法LRU
时钟置换算法Clock / NRU
页面置换算法
P154
驻留集
被调出的页面又立刻被调入，由此所形成的频繁调入调出的现象
固定分配，局部置换
……最容易引起系统抖动
交换的信息过大
与（……）无关
系统抖动现象的发生
系统抖动
抖动和加载控制
性能
P156
地址变换过程中要访问的页面在内存不会引起中断
页的大小与缺页率成反比
缺页率
进程在执行过程中发生了缺页中断，操作系统处理后，应让其继续执行被中断的指令
所需访问的页面不在内存，则会引起缺页中断
请求页式存储管理
采用多道程序设计的系统中，系统的道数越多，系统的效率越高。
六、虚拟存储管理
操作系统
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