操作系统重点概念

1 CPU 的两种运行模式 内核态 又称核心态 系统态 管态 和用户态 又称目态 的两种运行模式 内核态 又称核心态 系统态 管态 和用户态 又称目态 2 指令是控制计算机执行某种操作的命令 指令是控制计算机执行某种操作的命令 3 特权指令 是一类具有特殊权限的指令 只用于操作系统或其他系统软件 普通用户特权指令 是一类具有特殊权限的指令 只用于操作系统或其他系统软件 普通用户 不能直接使用不能直接使用 4 非特权指令 也称为用户指令或普通指令 是普通用户能够直接使用的指令 这是指非特权指令 也称为用户指令或普通指令 是普通用户能够直接使用的指令 这是指 令集中除特权指令外的所有指令 令集中除特权指令外的所有指令 5 操作系统的用户观点和系统观点操作系统的用户观点和系统观点 用户观点 为用户提供使用计算机系统的接口和各种用户观点 为用户提供使用计算机系统的接口和各种 资源管理服务 从系统外部看 系统观点 管理和分配计算机系统硬件及软件资源 资源管理服务 从系统外部看 系统观点 管理和分配计算机系统硬件及软件资源 因此 操作系统是计算机资源的管理者 从系统内部看因此 操作系统是计算机资源的管理者 从系统内部看 6 操作系统 是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源 有效地组织多道程序运操作系统 是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源 有效地组织多道程序运 行的系统软件 或程序集合 行的系统软件 或程序集合 是用户与计算机之间的接口 是用户与计算机之间的接口 功能 处理机管理 存储器管理 设备管理 文件管理 用户接口功能 处理机管理 存储器管理 设备管理 文件管理 用户接口 7 多道程序设计的基本思想多道程序设计的基本思想 在内存中同时存放多道程序 在管理程序的控制下交在内存中同时存放多道程序 在管理程序的控制下交 替地执行 这些作业共享替地执行 这些作业共享 CPU 和系统中的其他资源 和系统中的其他资源 8 多道批处理系统优缺点 优点多道批处理系统优缺点 优点 系统资源利用率高 系统吞吐量大 缺点系统资源利用率高 系统吞吐量大 缺点 用户作业等待用户作业等待 时间长 无交互性 用户一旦提交作业就失去了对其运行的控制能力时间长 无交互性 用户一旦提交作业就失去了对其运行的控制能力 9 多道 系统在内存中存放多个作业 并且在外存上还保存大量的后备作业 多道 系统在内存中存放多个作业 并且在外存上还保存大量的后备作业 10 成批 系统按批次调度作业 而在系统运行过程中不允许用户和机器之间发生交互作成批 系统按批次调度作业 而在系统运行过程中不允许用户和机器之间发生交互作 用 用 11 分时 对时间的共享 分时 对时间的共享 在分时系统中 分时主要是指若干并发程序对在分时系统中 分时主要是指若干并发程序对 CPU 时间的共时间的共 享享 12 Linux 系统特点系统特点 与与 UNIX 兼容兼容 自由软件 源码公开 自由软件 源码公开 性能高 安全性强 性能高 安全性强 便于定 便于定 制和再开发制和再开发 互操作性高 互操作性高 全面的多任务和真正的 全面的多任务和真正的 32 位操作系统位操作系统 13 进程概念 程序在并发环境中的执行过程进程概念 程序在并发环境中的执行过程 进程最根本的属性 是动态性和并发性进程最根本的属性 是动态性和并发性 进程的特征 动态性进程的特征 动态性 并发性并发性 独立性独立性 异步性异步性 批处理系统的特征 脱机批处理系统的特征 脱机 多道多道 成批处理成批处理 分时系统的特征 多路性分时系统的特征 多路性 独立性独立性 及时性及时性 交互性交互性 14 进程间的相互关系主要分为如下三种形式 进程间的相互关系主要分为如下三种形式 1 互斥互斥 竞争同一资源而发生相互制约竞争同一资源而发生相互制约 2 同步同步 协同完成一项任务协同完成一项任务 3 通信通信 交换信息 合作完成一项工作交换信息 合作完成一项工作 15 进程和程序的区别和联系 进程和程序的区别和联系 1 进程是动态概念 程序是静态概念 进程是动态概念 程序是静态概念 2 进程有并发 进程有并发 性 程序没有 性 程序没有 3 一个程序对应多个进程 一个程序对应多个进程 4 进程有三个基本状态 进程有三个基本状态 进程的三种状态及其转换进程的三种状态及其转换 16 进程控制块的作用 每个进程有唯一的进程控制块 操作系统根据进程控制块的作用 每个进程有唯一的进程控制块 操作系统根据 PCB 对进程实施控对进程实施控 制和管理 进程的动态 并发等特征是利用制和管理 进程的动态 并发等特征是利用 PCB 表现出来的 表现出来的 PCB 是进程存在的唯一是进程存在的唯一 标识标识 17 临界资源 一次仅允许一个进程访问的资源临界资源 一次仅允许一个进程访问的资源 18 临界区 简称临界区 简称 CS 区区 进程中访问临界资源的那段程序代码进程中访问临界资源的那段程序代码 19 原语是为完成某些特定的功能而编制的一段系统程序 原语操作也称做原语是为完成某些特定的功能而编制的一段系统程序 原语操作也称做 原子操作原子操作 即一个操作中的所有动作要么全做 要么全不做 执行原语操作时 要屏蔽中断 以即一个操作中的所有动作要么全做 要么全不做 执行原语操作时 要屏蔽中断 以 保证其操作的不可分割性 即它是不可中断的过程 保证其操作的不可分割性 即它是不可中断的过程 20 信号量的值与相应资源的使用情况有关信号量大于信号量的值与相应资源的使用情况有关信号量大于 0 时代表可用的资源数 小于时代表可用的资源数 小于 0 时 时 其绝对值表示正在等待使用该资源的进程数其绝对值表示正在等待使用该资源的进程数 21 对信号量的操作有如下严格限制 对信号量的操作有如下严格限制 1 信号量可以赋初值 且初值为非负数 信号量可以赋初值 且初值为非负数 2 在使 在使 用过程中 信号量的值可以修改 但只能由用过程中 信号量的值可以修改 但只能由 P 和和 V 操作来访问 不允许通过其他方式操作来访问 不允许通过其他方式 来查看或操纵信号量 来查看或操纵信号量 3 设信号量为设信号量为 S 对 对 S 的的 P 操作记为操作记为 P S 对 对 S 的的 V 操作记操作记 为为 V S 22 信号量信号量 S 对应某种资源 对应某种资源 1 S 0 时时 S 表示资源可用量 表示资源可用量 2 P S 表示申请一个该类表示申请一个该类 资源 资源 3 S 0 时时 S 表示等待该信号量的进程数 表示等待该信号量的进程数 4 V S 表示释放一个该类资源 表示释放一个该类资源 23 用用 P 和和 V 操作实现同步时应注意 操作实现同步时应注意 分析进程间的制约关系 确定信号量种类 分析进程间的制约关系 确定信号量种类 信号量的初值与相应资源的数量有关 也与信号量的初值与相应资源的数量有关 也与 P V 操作在程序代码中出现的位置有关 操作在程序代码中出现的位置有关 同一信号量的同一信号量的 P V 操作要操作要 成对成对 出现 但是 它们分别出现在不同的进程代码中 出现 但是 它们分别出现在不同的进程代码中 24 死锁死锁 是指各并发进程彼此互相等待对方所拥有的资源 且这些并发进程在得到对方的是指各并发进程彼此互相等待对方所拥有的资源 且这些并发进程在得到对方的 资源之前不会释放自己所拥有的资源 从而造成大家都想得到资源而又都得不到资源 资源之前不会释放自己所拥有的资源 从而造成大家都想得到资源而又都得不到资源 各并发进程不能继续向前推进的状态各并发进程不能继续向前推进的状态 25 产生死锁的根本原因 资源有限且操作不当产生死锁的根本原因 资源有限且操作不当 产生条件 产生条件 1 互斥条件 互斥条件 2 占有且申请条件 占有且申请条件 3 不可抢占条件 不可抢占条件 4 环路等待条件 环路等待条件 策略 策略 预防死锁预防死锁 避免死锁避免死锁 检验死锁检验死锁 解除死锁解除死锁 26 作业 是用户定义的 由计算机完成的工作单位作业 是用户定义的 由计算机完成的工作单位 27 作业状态作业状态 提交状态 用户向系统提交一个作业提交状态 用户向系统提交一个作业 后备状态 收容状态 作业后备状态 收容状态 作业 送入输入井中存放 等待进入内存送入输入井中存放 等待进入内存 执行状态 作业被调入内存 并在执行状态 作业被调入内存 并在 CPU 上执行 上执行 完成状态 完成计算任务 由系统回收资源 准备退出系统完成状态 完成计算任务 由系统回收资源 准备退出系统 28 作业控制块作业控制块 JCB 1 系统为每个作业设置了一个作业控制块 系统为每个作业设置了一个作业控制块 JCB 2 它记录该作 它记录该作 业的有关信息 业的有关信息 3 JCB 是作业在系统中存在的标志是作业在系统中存在的标志 29 作业调度是宏观调度 进程调度是微观调度作业调度是宏观调度 进程调度是微观调度 30 时间片长度的选择非常重要 将直接影响系统开销和响应时间 如果时间片长度很小 时间片长度的选择非常重要 将直接影响系统开销和响应时间 如果时间片长度很小 则调度程序剥夺处理机的次数频繁 加重系统开销反之 则调度程序剥夺处理机的次数频繁 加重系统开销反之 如果时间片长度选择过长 如果时间片长度选择过长 比方说一个时间片就能保证就绪队列中所有进程都执行完毕 则轮转法就退化成先来比方说一个时间片就能保证就绪队列中所有进程都执行完毕 则轮转法就退化成先来 先服务算法 先服务算法 31 影响时间片大小设置的主要因素有 系统响应时间 就绪进程数目 终端数目 影响时间片大小设置的主要因素有 系统响应时间 就绪进程数目 终端数目 32 先来先服务 比较有利于长作业 而不利于短作业 先来先服务 比较有利于长作业 而不利于短作业 容易实现 但效率较低容易实现 但效率较低 33 短作业优先 能有效地降低作业的平均等待时间和提高系统的吞吐量 但该算法对长短作业优先 能有效地降低作业的平均等待时间和提高系统的吞吐量 但该算法对长 作业很不利 并且不能保证紧迫性作业会被及时处理 作业很不利 并且不能保证紧迫性作业会被及时处理 34 高响应比优先法 高响应比优先法是一种非抢占方式 高响应比优先法 高响应比优先法是一种非抢占方式 这种折中算法既这种折中算法既 照顾到短进程 又考虑了长进程 其缺点是调度之前需要计算进程的响应比 从而增照顾到短进程 又考虑了长进程 其缺点是调度之前需要计算进程的响应比 从而增 加系统的开销 另外 对于实时进程无法做出及时反应 加系统的开销 另外 对于实时进程无法做出及时反应 35 中断是指中断是指 CPU 对系统发生的某个事件做出的一种反应 使得对系统发生的某个事件做出的一种反应 使得 CPU 暂停当前正在执行暂停当前正在执行 的程序 保留现场后执行相应的处理程序 待处理完毕后 又返回原来被中断处继续的程序 保留现场后执行相应的处理程序 待处理完毕后 又返回原来被中断处继续 执行或调度新的进程执行的过程 在操作系统中 实现进程并发的基础就是中断机制执行或调度新的进程执行的过程 在操作系统中 实现进程并发的基础就是中断机制 36 系统调用的实现过程 系统调用的实现过程 用户在程序中使用系统调用 给出系统调用名和函数后 即产用户在程序中使用系统调用 给出系统调用名和函数后 即产 生一条相应的陷入指令 通过陷入处理机制调用服务 引起处理机中断 然后保护处生一条相应的陷入指令 通过陷入处理机制调用服务 引起处理机中断 然后保护处 理机现场 取系统调用功能号并寻找子程序入口 通过人口地址表来调用系统子程序 理机现场 取系统调用功能号并寻找子程序入口 通过人口地址表来调用系统子程序 s sw RR 然后返回用户程序继续执行 然后返回用户程序继续执行 37 重定位 程序和数据装入内存时 需对目标程序中的地址进行修改 这种把逻辑地址重定位 程序和数据装入内存时 需对目标程序中的地址进行修改 这种把逻辑地址 转变为内存物理地址的过程称作重定位转变为内存物理地址的过程称作重定位 38 静态重定位 目标程序装入内存时 由装入程序对目标程序中的指令和数据的地址进静态重定位 目标程序装入内存时 由装入程序对目标程序中的指令和数据的地址进 行修改 即把程序的逻辑地址都改为实际的内存地址 行修改 即把程序的逻辑地址都改为实际的内存地址 39 动态重定位 在程序执行期间 每次访问内存之前进行重定位 目标程序可不经过任动态重定位 在程序执行期间 每次访问内存之前进行重定位 目标程序可不经过任 何改动而装入物理内存单元 何改动而装入物理内存单元 40 交换技术与覆盖技术共同点 基本思想 一个程序并不需要一开始就把它的全部指令交换技术与覆盖技术共同点 基本思想 一个程序并不需要一开始就把它的全部指令 和数据都装入内存后再执行 进程的程序和数据主要放在外存 当前需要执行的部分和数据都装入内存后再执行 进程的程序和数据主要放在外存 当前需要执行的部分 放在内存 内外存之间进行信息交换放在内存 内外存之间进行信息交换 41 覆盖和交换的区别 与覆盖技术相比 交换不要求程序员给出程序段之间的覆盖结构 覆盖和交换的区别 与覆盖技术相比 交换不要求程序员给出程序段之间的覆盖结构 而且 交换主要是在而且 交换主要是在 进程或作业之间进行 而覆盖则主要在同一个作业或同一个进程进程或作业之间进行 而覆盖则主要在同一个作业或同一个进程 内进行 另外 覆盖只能覆内进行 另外 覆盖只能覆 盖那些与覆盖程序段无关的程序段 盖那些与覆盖程序段无关的程序段 40 覆盖 把程序划分为若干个功能上相对独立的程序段 按照其自身的逻辑结构将那些覆盖 把程序划分为若干个功能上相对独立的程序段 按照其自身的逻辑结构将那些 不会同时执行的程序段共享同一块内存区域 不会同时执行的程序段共享同一块内存区域 42 覆盖实现要求 作业各模块之间有明确的调用结构 程序员必须完成把一个程序划分覆盖实现要求 作业各模块之间有明确的调用结构 程序员必须完成把一个程序划分 成不同的程序段 向系统指明覆盖结构 然后由由操作系统完成覆盖成不同的程序段 向系统指明覆盖结构 然后由由操作系统完成覆盖 43 交换 是指先将内存某部分的程序或数据写入外存交换区 再从外存交换区中调入指交换 是指先将内存某部分的程序或数据写入外存交换区 再从外存交换区中调入指 定的程序或数据到内存中来 并让其执行的一种内存扩充技术 定的程序或数据到内存中来 并让其执行的一种内存扩充技术 44 分页存储管理的基本方法分页存储管理的基本方法 逻辑空间分页逻辑空间分页 页面或页页面或页 页号 页号 内存空间分块内存空间分块 内存块或页框内存块或页框 逻辑地址表示逻辑地址表示 45 内存分配原则 内存分配原则 以块为单位以块为单位 每个页面对应一个内存块每个页面对应一个内存块 内存块可不连续内存块可不连续 46 页式管理每取一次数据 至少要访问页式管理每取一次数据 至少要访问 2 次内存 次内存 47 段式管理每取一次数据 至少要访问段式管理每取一次数据 至少要访问 2 次内存 次内存 48 分段 以段为单位分配内存 每段分配一个连续的内存区 同一进程所包含的各段之分段 以段为单位分配内存 每段分配一个连续的内存区 同一进程所包含的各段之 间不要求连续 间不要求连续 49 程序的逻辑地址要用两个成分来表示 程序的逻辑地址要用两个成分来表示 段号段号 s 和段内地址和段内地址 d 50 段页式逻辑地址的构成由三部分组成段页式逻辑地址的构成由三部分组成 即段号即段号 s 段内页号 段内页号 p 和页内相对地址和页内相对地址 d 51 进程的逻辑地址空间是二维的进程的逻辑地址空间是二维的 52 虚拟存储器 的容量是由计算机的地址结构决定的 若虚拟存储器 的容量是由计算机的地址结构决定的 若 CPU 有有 32 位地址 则它的虚位地址 则它的虚 拟地址空间为拟地址空间为 232 53 请求分页的基本思想 当一个进程的部分页面在内存时就可调度它运行 在运行过程请求分页的基本思想 当一个进程的部分页面在内存时就可调度它运行 在运行过程 中若用到的页面尚未在内存 则把它们动态换入内存 页表项增加一个标志位 用来中若用到的页面尚未在内存 则把它们动态换入内存 页表项增加一个标志位 用来 标示该页面是否在内存中标示该页面是否在内存中 54 段的二维结构 是由于每个段是一个首地址为零的 连续的一维线性空间 段的长度段的二维结构 是由于每个段是一个首地址为零的 连续的一维线性空间 段的长度 是不固定的 每个段定义一组逻辑上完整的程序或数据 是不固定的 每个段定义一组逻辑上完整的程序或数据 55 先进先出法 总是淘汰在内存中停留时间最长 年龄最老 的一页 即先进入内存的先进先出法 总是淘汰在内存中停留时间最长 年龄最老 的一页 即先进入内存的 页 先被换出 页 先被换出 56 先进先出存在先进先出存在 Belady 异常现象 即缺页率随内存块增加而增加 先进先出算法产生异常现象 即缺页率随内存块增加而增加 先进先出算法产生 Belady 现象的原因 在于它根本没有考虑程序执行的动态特征 现象的原因 在于它根本没有考虑程序执行的动态特征 57 最佳置换算法其实质是 为调入新页面而必须预先淘汰某个老页面时 所选择的老页最佳置换算法其实质是 为调入新页面而必须预先淘汰某个老页面时 所选择的老页 面应在将来不被使用 或者是在最远的将来才被访问 面应在将来不被使用 或者是在最远的将来才被访问 58 最近最少使用置换法 当需要置换一页时 选择在最近一段时间里最久没有使用过的最近最少使用置换法 当需要置换一页时 选择在最近一段时间里最久没有使用过的 页面予以淘汰 页面予以淘汰 59 在在 UNIX Linux 和和 MS DOS 系统中 按文件的内部构造和处理方式分类 系统中 按文件的内部构造和处理方式分类 普通文件普通文件 由表示程序 数据或文本的字符串构成 内部没有固定的结构 由表示程序 数据或文本的字符串构成 内部没有固定的结构 目录文件由下属文目录文件由下属文 件的目录信息构成的文件 件的目录信息构成的文件 特别文件特指各种外部设备 使用文件前必须先打开文特别文件特指各种外部设备 使用文件前必须先打开文 件件 60 文件的逻辑结构可分为两大类 字符流式的无结构文件和记录式的有结构文件 文件的逻辑结构可分为两大类 字符流式的无结构文件和记录式的有结构文件 61 连续文件 顺序文件 它是把一个逻辑上连续的文件信息存放在连续编号的物理块中 连续文件 顺序文件 它是把一个逻辑上连续的文件信息存放在连续编号的物理块中 62 链接文件 串连文件 把一个逻辑上连续的文件分散存放在不同的物理块中 这些物链接文件 串连文件 把一个逻辑上连续的文件分散存放在不同的物理块中 这些物 理块不要求连续 也不必规则排列 理块不要求连续 也不必规则排列 63 索引文件系统为每个文件建立一索引表 其中的表项指出存放该文件的各个物理块号 索引文件系统为每个文件建立一索引表 其中的表项指出存放该文件的各个物理块号 指示逻辑记录和物理记录之间的对应关系表指示逻辑记录和物理记录之间的对应关系表 64 无结构文件文件内部不再划分记录 是由一组相关信息组成的有序字符流 即流式文无结构文件文件内部不再划分记录 是由一组相关信息组成的有序字符流 即流式文 件件 65 有结构文件 又称记录式文件 它在逻辑上可被看成一组连续记录的集合 即文件是有结构文件 又称记录式文件 它在逻辑上可被看成一组连续记录的集合 即文件是 由若干相关记录组成 且对每个记录编上号码由若干相关记录组成 且对每个记录编上号码 66 磁带存储器是一种顺序存取的存储设备磁带存储器是一种顺序存取的存储设备 67 磁盘存储器是一种直接存取的存储设备磁盘存储器是一种直接存取的存储设备 68 对硬盘上一个物理块的访问要提供三个参数 分别是柱面号 对硬盘上一个物理块的访问要提供三个参数 分别是柱面号 磁头号 磁头号 扇区号 扇区号 69 文件保护 指文件本身需要防止文件的拥有者本人或其他用户破坏文件内容 文件保护 指文件本身需要防止文件的拥有者本人或其他用户破坏文件内容 70 文件保密 指未经文件拥有者许可 任何用户不得访问该文件 文件保密 指未经文件拥有者许可 任何用户不得访问该文件 71 树形目录结构具有下列特点 树形目录结构具有下列特点 1 层次清楚 层次清楚 2 解决了文件重名问题 解决了文件重名问题 3 查找搜索速度快 查找搜索速度快 72 通道接受主机的委托 独立地执行通道程序 对外部设备的通道接受主机的委托 独立地执行通道程序 对外部设备的 I O 操作进行控制 以实操作进行控制 以实 现内存和外设之间的成批数据传输 通道是一种特殊的处理机 具有执行现内存和外设之间的成批数据传输 通道是一种特殊的处理机 具有执行 I O 指令集指令集 的能力 的能力 73 外围设备和内存之间的常用数据传送控制方式有外围设备