操作系统期末复习总结

第1章 、操作系统概述1、 操作系统的定义 P5操作系统是一组能控制和管理计算机系统中各种硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程、有效地控制多道程序运行、方便用户使用计算机的程序和数据的集合。2、 操作系统的功能 P56处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理、用户接口3、 操作系统的特征 P7并发性、共享性、虚拟性、不确定性 4、 用户接口 P7用户接口分为操作接口和程序接口。操作接口包括命令接口和图形用户接口。5、多道程序设计技术：在内存中放多道程序,使它们在管理程序的控制下相互穿插地运行。6、多道运行的特点 P13 （1）多道：内存中同时存放几个作业； （2）宏观上并行运行：同时有多道程序在内存运行，某一时间段上，各道程序按不同速度向前推进。（3） 微观上串行运行：任一时刻最多只有一道作业占用CPU，多道程序交替使用CPU。7、多道批处理系统的优缺点优点：资源利用率高：CPU和内存利用率较高；作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；缺点：用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；8、操作系统的形成 P13 推动多道批处理系统形成和发展的动力是提高资源利用率和系统吞吐量。推动分时系统形成和发展的主要动力是用户的需要：交互、共享主机、方便上机。9、 操作系统分类 P15191、 最基本的操作系统类型有三种，即多道批处理操作系统、分时操作系统、实时操作体统。2、 操作系统分类1）多道批处理系统2）分时系统3）实时系统 P16用于工业过程控制、军事实时控制、金融等领域，包括实时控制、实时信息处理。 实时控制系统：如工业控制。 实时信息处理系统：如联网订票系统。实时系统的特征：高响应性、高可靠性、高安全性。4） 个人计算机操作系统 P17针对单用户使用的个人计算机进行优化的操作系统。个人计算机操作系统的特征应用领域：事务处理、个人娱乐，系统要求：使用方便、支持多种硬件和外部设备（多媒体设备、网络、远程通信）、效率不必很高。常用的个人计算机操作系统单用户单任务：MS DOS单用户多任务：OS/2, MS Windows 3.x, Windows 95, Windows NT, Windows 2000 Professional多用户多任务：UNIX(SCO UNIX, Solaris x86, Linux, FreeBSD)5） 网络操作系统P18 6） 多处理机操作系统P18多处理机系统的特点增加系统的吞吐量：N个处理器加速比达不到N倍（额外的调度开销，算法的并行化）提高系统可靠性：故障时系统降级运行7） 分布式操作系统P18多处理机系统的类型 非对称式多处理,又称主从模式。 主处理器：只有一个，运行OS。管理整个系统的资源，为从处理器分配任务； 从处理器：可有多个，执行应用程序或I/O处理。 特点：不同性质任务的负载不均，可靠性不够高，不易移植（通常要求硬件也是非对称）。 对称式多处理：OS交替在各个处理器上执行。任务负载较为平均，性能调节容易傻瓜式。8） 嵌入式操作系统 P19嵌入式系统:把嵌入到对象体系中,实现对象体系智能化控制的计算机,称为嵌入式计算机系统,简称嵌入式系统10、 操作系统的结构P20操作系统通常采用的结构有：整体式结构、分层结构、虚拟机结构、微内核结构。第2章 、处理器管理1、 进程的定义P32进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。2、进程的特征 P33 1. 动态性。动态性是进程的最重要的特性。 2. 并发性。 3. 独立性。 4. 异步性。 5. 结构性。进程是由程序段、数据段和进程控制块三部分组成。3、 进程与程序的联系和区别 P33程序是完成某个特定功能的指令的有序序列，是一个静态的概念；进程是程序的一次执行，是一个动态的概念，进程是有生命期的，表现在它由创建而产生，完成任务后被撤消。程序可以作为一种软件资源长期保存。进程是把程序作为它的运行实体，没有程序，也就没有进程。进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。以多用户进程共享一个编译程序为例，为多个用户执行编译时，显然CPU的分配是以进程为单位，而不是以程序为单位。因为主存只有一个编译程序，但几个用户的源程序都得到编译。进程是可以并发执行。进程间的相互制约，使进程执行具有间隙-异步性。进程是具有结构的。为了描述进程的运行变化过程，系统为每个进程建立一个结构进程控制块。从结构上看，进程是由程序、数据和进程控制块三部分组成4、 进程的状态P341） 进程的三种基本状态：就绪，运行，阻塞2） 转换图：3）五种状态：创建、就绪，运行，阻塞、终止5、 进程控制块P37为了描述一个进程和其它进程以及系统资源的关系，为了刻画一个进程在各个不同时期所处的状态，人们采用了一个与进程相联系的数据块，称为进程控制块(PCB)。系统利用PCB来控制和管理进程，所以PCB是系统感知进程存在的唯一标志进程与PCB是一一对应的每个进程有唯一的进程控制块。6、 进程控制 P39所谓进程控制，是指系统使用一些具有特定功能的程序段来创建、撤消进程以及完成进程各状态间转换等一系列有效管理。用于进程控制的程序段在执行过程中是不允许被中断的，或者说其执行过程不可分割。我们把这样的程序段叫原语。用于进程控制的原语有：创建原语；撤消原语；阻塞原语；唤醒原语等。7、 线程 P4145 适合多处理机系统1） 在操作系统中引入线程则是为了减少程序并发执行时所付出的时空开销，使操作系统具有更好的并发性。2） 进程的两个基本属性进程是一个可拥有资源的基本单位。进程同时又是一个可独立调度和分派的基本单位。3） 线程定义：线程是进程内的一个相对独立的、可调度的执行单元。 4） 线性的实现P435） 线性与进程的比较P448、 处理机调度P451） 处理机调度就是把CPU有效、合理地分配给作业（进程）。2） 通常将调度层次分为三级，即作业调度、交换调度和进程调度。9、 作业调度P4650 1)作业的状态P46 提交、后备、执行和完成这四个不同的状态2) 作业调度功能P47(1) 记录进入系统的各个作业情况。 (2) 从后备作业中挑选一些作业投入执行。(3) 为被选中的作业做好执行前的准备工作。(4) 在作业运行结束时或运行过程中因某种原因需要撤离时，作业调度程序还要完成作业的善后处理工作。3）作业调度的性能指标P48在实际应用中，主要使用平均周转时间T和平均带权周转时间W来衡量系统的调度性能。4） 作业调度算法P491先来先服务算法(First Come First Serve，FCFS)2短作业优先算法(Shortest Job First，SJF)3响应比高者优先算法(Highest Response Ratio First，HRRF) 响应比 = 作业响应时间/作业运行时间 响应时间=作业进入系统后的等待时间+作业运行时间。10、进程调度P511）进程调度功能 1记录系统中各进程的执行状况 2选择进程占有CPU 3完成进程上下文的切换2） 进程调度方式非抢占方式、抢占方式3）进程调度时机 1正在执行的进程正确完成或由于某种错误而终止运行； 2执行中的进程提出I/O请求，从运行状态进入阻塞状态等待I/O完成时； 3在分时系统中，按照时间片轮转，分配给进程的时间片用完时； 4按照优先级调度并采用抢占式调度方式时，有更高优先级进程变为就绪状态时； 5在进程通讯中，运行中的进程执行了某种操作原语，如阻塞原语和唤醒原语时，都有可能引起进程调度。4）进程调度算法 1 先来先服务算法; 2 优先级调度算法; 3 时间片轮转调度算法; 4 多级反馈队列轮转调度算法第3章 、进程同步与死锁1、进程的并发P63661）顺序执行的特征 1. 执行的顺序性。2. 环境的封闭性。3. 过程的可再现性。2）并发执行的特征 1. 间断性。 2. 失去了程序的封闭性。 3. 不可再现性。3） 临界资源与临界区1. 所谓临界资源，就是一次仅允许一个进程使用的资源。2. 临界区(critical section，CS)也称作临界段，是指在每个程序中访问临界资源的那段程序。3. 临界区的调度原则如下： (1) 当无进程在临界区时，允许一进程立即进入。每个进入临界区的进程只能在临界区内逗留有限的时间。 (2) 若已有进程在临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待。 (3) 当进程退出临界区时，若有等待进入临界区的进程，则应允许其中一个立即进入。2、进程互斥与同步P671）进程互斥是指由于共享资源所要求的排他性，进程间要相互竞争来使用这些资源。2）进程同步是指多个进程中发生的事件存在某种时序关系，必须协同动作，相互配合来共同完成一个任务。3）进程之间的这种相互依赖又相互制约、相互合作又相互竞争的关系，也即进程的同步与互斥关系。又叫进程的低级通信。4）实现进程互斥的软件方法P675）实现进程互斥的硬件方法P68禁止中断指令、测试与设置指令、交换指令3、 利用P、V操作实现互斥P721） 信号量：是一个确定的二元组(s，q)，其中s是一个具有非负初值的整型变量，q是一个初始状态为空的队列。s表示系统中某类资源的数目，当其值大于0时，表示系统中当前可用资源的数目；当其值小于0时，其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞的进程数目。除信号量的初值外，信号量的值仅能由P操作和V操作改变。OS利用它的状态对进程和资源进行管理。2） P、V操作原语描述P723） P、V操作表示的物理意义是：执行一次P操作，意味着向系统请求分配一个单位的资源；执行一次V操作，意味着向系统释放一个单位的资源。4） 对于两个并发进程，互斥信号量的值仅取1、0和-1三个值 若mutex1表示没有进程进入临界区 若mutex0表示有一个进程进入临界区 若mutex-1表示一个进程进入临界区，另一个进程等待进入。4、 进程同步的实现P731）有关同步问题可分为两类： 一类是保证一组合作进程按确定的次序执行；另一类保证共享缓冲区的合作进程的同步。2）共享缓冲区的同步实例P74-755、关于信号量的讨论P75（1）信号量的物理含义：S0表示有S个资源可用S=0表示无资源可用S0则| S |表示S等待队列中的进程个数 P(S)：表示申请一个资源 V(S)：表示释放一个资源。 信号量的初值应该大于等于0（2）P、V操作必须成对出现，有一个P操作就一定有一个V操作当为互斥操作时，它们同处于同一进程当为同步操作时，则不在同一进程中出现如果P(S1)和P(S2)两个操作在一起，那么P操作的顺序至关重要。一个同步P操作与一个互斥P操作在一起时同步P操作在互斥P操作前；而两个V操作无关紧要。（3）P、V操作的优缺点P76优点：简单，而且表达能力强（用P、V操作可解决任何同步互斥问题）缺点：不够安全，P、V操作使用不当会出现死锁；遇到复杂同步互斥问题时实现复杂4、 经典的同步与互斥问题P76781） 生产者与消费问题P762） 哲学家进餐问题P785、 死锁P821） 死锁定义：一组进程中，每个进程都无限等待被该组进程中另一进程所占有的资源，因而永远无法得到的资源，这种现象称为进程死锁，这一组进程就称为死锁进程。（或P82）2） 产生死锁的原因：P82互斥资源的共享 并发进程的同步关系不当3） 死锁产生的必要条件P83互斥条件 请求和保持条件 非剥夺条件 环路等待条件4） 解决死锁问题的基本方法 忽略死锁、预防死锁、避免死锁、检测及解除死锁5） 概念：死锁的预防：通过设置某些限制条件，去破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或几个来防止发生死锁。死锁的避免：在资源的动态分配过程中，用某种方法防止系统进入不安全状态，从而避免死锁。死锁的检测和解除：是指定期启动一个软件检测系统的状态，若发现有死锁存在，则采取措施恢复之。6） 银行家算法举例P866、死锁的检测和解除1）资源分配图资源分配图又称进程资源分配图，它是一种描述系统中进程与资源的申请和分配情况的有向图，其中方框结点表示资源，圆圈结点表示进程，从方框结点指向圆圈结点的有向边表示某类资源被某进程占有，从圆圈结点指向方框结点的有向边表示某进程申请某类资源。由于某一类资源可能含有多个同类资源，在方框中用圆点来表示同一类资源的数目。 2）死锁的检测 通过对资源分配图进行化简来判断是否发生死锁。要判断系统是否处于死锁状态，只需判断简化后的资源分配图中是否形成环路。资源分配图的简化过程如下 ： (1) 寻找一个非孤立且没有请求边的进程结点Pi，若无则转(3)； (2) 去除所有Pi的分配边使Pi成为一个孤立结点，转(1)； (3) 寻找所有请求边均可满足的进程Pj，若找不到这样的进程，则转(5)； (4) 将Pj的请求边全部改为分配边，转(1)； (5) 结束。资源分配图的简化：3） 死锁的解除当死锁检测算法检测出系统中存在死锁时，一种可能的方法是通知操作员哪些进程处于死锁状态，并让操作员手工处理死锁问题；另一种方法是操作系统自动解除死锁并在适当时机恢复相应进程运行。操作系统可用撤消进程、进程回退和剥夺资源等方法来解除死锁。7、进程通信P891） 进程通信是指进程之间可直接以较高的效率传递较多数据的信息交换方式。2） P.V操作实现的是进程之间的低级通信,所以P.V为低级通信原语。它只能传递简单的信号,不能传递交换大量信息。如果要在进程间传递大量信息则要用Send/Receive原语(高级通信原语)3） 常用的三种高级通信方式为消息传递、共享内存和管道。4） 消息通信可分为：直接通信方式和间接通信方式。第四章、存储管理1、计算机存储系统分层结构P1042、用户程序的处理过程P104P1051）用户的程序处理可分为三个阶段 (1) 编译(2) 链接(3) 装入3、存储管理的几个基本概念P1041）地址空间与逻辑地址名字空间：存放源程序的空间 地址空间：源程序经编译或连接后，目标代码所限定的地址域逻辑地址：各个地址以“0” 为参考地址顺序编址（相对于0的地址，故又称为相对地址）2）物理地址 物理地址是内存中存储单元的地址。物理地址也叫绝对地址,或实地址。 存储空间是指物理存储器中全部物理单元的集合所限定的空间。 3） 地址重定位把程序相对地址空间的逻辑地址转换为存储空间的物理地址的工作叫地址重定位，又叫地址映射或地址变换。 地址重定位的方式可分为静态重定位和动态重定位。静态重定位：在用户程序运行之前，由装入程序把用户程序中的相对地址全部转换为存储空间的绝对地址动态重定位：在程序执行过程中动态地进行地址转换的方式 动态重定向与静态重定向相比： 主存利用率高。 程序不必占有连续的存贮空间。 便于多用户共享存贮器中的同一程序。4） 存储器共享和存储器保护P1074、 分区存储管理P1081） 单一连续分配内存分为两个区域，一个供操作系统使用，一个供用户使用。最简单，适用于单用户、单任务的OS。 优点：易于管理。 缺点：对要求内存空间少的程序，造成内存浪费；程序全部装入，很少使用的程序部分也占用内存。2） 固定式分区存储管理它把主存预先划分成几个大小不等的分区。优点：易于实现，开销小。缺点：内碎片造成浪费；分区总数固定，限制了并发执行的程序数目。3） 可变式分区存储管理动态创建分区：在装入程序时按其初始要求分配，或在其执行过程中通过系统调用进行分配或改变分区大小。 优点：没有内碎片。 缺点：有外碎片5、 为什么引入覆盖技术与交换技术？P115在多道环境下扩充内存的方法，用以解决在较小的存储空间中运行较大程序时遇到的矛盾。覆盖技术主要用在早期的操作系统中。交换技术被广泛用于小型分时系统中，交换技术的发展导致了虚存技术的出现。6、 覆盖与交换P1161177、 分页式存储管理P1171191） 页框（或块）概念P1172） 页表概念P1183） 地址转换过程（1）设置页表控制寄存器：执行时，就执行进程的页表始址、页表长度从进程控制块中取出，放入页表控制寄存器中；（2） 硬件地址分页结构自动将每条程序指令中的逻辑地址解释成页号和页内地址两部分； （3）比较页号与页表长度，如果未出现越界中断，则将页号乘以页面大小，得到页内相对地址；（4）页内相对地址加上页表起始地址，便可得到该页号在页表中的具体位置；（5）从页表具体位置处获得该页的物理存储块号（页框号）； （6）计算物理地址：物理地址 = 物理块号 页面大小 + 页内地址 4）优点：解决了碎片问题；便于管理 缺点：不易实现共享；不便于动态连接8、 虚拟存储管理P1251） 局部性原理：程序在执行过程中，大部分的访问操作都集中在该程序的某一小部分，呈现局部性规律。2） 局部性原理主要表现在以下两个方面：时间局部性；空间局部性。3） 利用技术手段，在固有内存容量的基础上实现存储容量扩充的存储系统称作为“虚拟存储器” 9、 请求分页式存储管理技术P1261）请求分页式存储管理是在分页式存储管理的理论基础上实现的一种虚拟存储系统。2）请求分页式存储管理基本原理P1263)请求页式管理与页式管理的主要区别是将作业信息的副本存放在磁盘一类的快速辅助存贮器中，当作业被调度运行时，先将作业的较少页装入主存，在执行过程中，访问不在主存页时，再将其装入。 在这种情况下，每个作业地址空间的页有的在主存，有的在辅存，为此要修改页表。10、页面置换算法P1261281）先进先出页面置换算法2）最佳页面置换算法3）最近最久未使用页面置换算法11、分段与分页主要有以下差别： 段是依据程序的逻辑结构划分的，页是按内存线性空间物理划分的。 段式技术中程序地址空间是二维的，分页技术中程序地址空间是一维的。 段是面向用户的，页对用户而言是透明的。 段长由用户决定，且各段的大小一般不相等，唯一的限制是最大长度。面页长是由系统决定的，各页的长度必须相等。 段的共享比页的共享更容易。第五章、设备管理1、I/O系统的结构P1371）总线结构2）通道结构2、设备的分类 P1383、设备控制器P1391）设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口，它接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，使处理机从繁杂的设备控制事务中解脱出来。2）设备控制器的功能： 接收和识别命令。 实现CPU与控制器、控制器与设备间的数据交换。 随时让CPU了解设备的状态。 识别设备地址。3） 设备控制器的组成：设备控制器与CPU的接口、设备控制器与设备的接口、I/O逻辑4、 通道P1421）通道又称I/O处理机，是一种独立于CPU、专用于输入/输出控制的处理机。2）采用通道方式实现数据传输的过程P1423）通道的类型P1435、I/O控制方式P1431471）程序直接控制方式2）中断控制方式3）DMA控制方式4）通道控制方式6、I/O系统的软件P1471）I/O软件的总体设计目标是高效性和通用性 在效率与通用的目标制约下，I/O软件设计主要考虑以下4个问题：1设备无关性。 2出错处理。 3同步（阻塞）异步（中断驱动）传输。 4独占性外围设备和共享性外围设备。2）为了合理、高效地解决以上问题，操作系统通常把I/O软件组织成以下四个层次：1I/O中断处理程序（底层）。2设备驱动程序。3与设备无关的操作系统I/O软件。4用户层I/O软件。7、设备无关性软件P148P1491）设备无关性的概念设备无关性（又称设备独立性）的含义是指用户编写的应用程序是独立于具体物理设备的，即使设备更换了，应用程序也不用改变。2）引入设备无关性的概念后，用户程序使用逻辑设备名，而不必使用物理设备名，可以带来以下好处： （1）使得设备分配更加灵活。 （2）可以实现I/O重定向。 3）设备无关软件为实现设备独立性，必须在操作系统中提供设备无关的软件。它提供适用于所有设备的常用I/O功能，并向用户层软件提供一个一致的接口，其主要功能如下： 向用户层软件提供统一接口。 设备命名。 设备保护。 提供一个独立于设备的块。 对独占设备的分配与回收。 缓冲管理。 差错控制。 8、I/O软件的层次结构P1509、缓冲技术P1511）缓冲技术的目的是为了提高中央处理机与外设的并行程度。2）缓冲技术的主要实现方法硬件缓冲：采用专门的硬件寄存器 软件缓冲：在系统内存储器中开辟若干单元，作为专用的输入/输 出缓冲区，用以存放输入/输出数据3）单缓冲、双缓冲、缓冲池10、硬盘管理P1541） 提高硬盘存取速度的方法主要包括提高单个硬盘存取速度的磁盘调度技术与利用并行原理提高整个硬盘系统存取速度的硬盘阵列技术。2） 硬盘主要由盘片、读写磁头、盘片转轴与控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口以及缓存等几个部分组成。3） 硬盘存储容量磁头数磁道（柱面）数每道扇区数每扇区字节数4） 某扇区物理地址=（柱面号、磁头号、扇区号）5） 我们将这种扇区的地址称为扇区的绝对地址或物理地址。但操作系统并不使用绝对地址来管理磁盘上的数据，而是使用所谓相对扇区号（地址）或逻辑扇区号（地址）6） 硬盘的性能参数：平均寻道时间，它是影响硬盘内部数据传输率的重要参数；旋转延迟时间；数据传输率。7）硬盘调度算法P156P159硬盘调度的主要目的是降低平均寻道时间，其基本方法是根据硬盘请求队列的规律选择平均寻道时间较少的访问序列。常用的硬盘调度算法有先来先服务算法、最短寻道时间优先算法、扫描算法以及循环扫描算法等。11、 设备分配P1631） 设备分配原则P1632） 设备分配方式有两种，即静态分配和动态分配。3） 设备分配的数据结构用来记录设备、设备控制器和通道的状态以及对它们进行控制所需要的信息12、I/O控制P1661）把从用户进程申请输入输出开始，给用户进程分配设备和启动有关设备进行I/O操作，以及在I/O操作完成之后响应中断，到进行善后处理为止的整个系统控制过程称为I/O控制。2）I/O控制的功能I/O控制过程首先收集和分析调用I/O控制过程的原因是来自外设的中断请求还是来自进程的I/O请求？然后分别调用不同的程序模块进行处理。3） I/O控制的实现一般采用三种方式实现I/O控制过程分别描述如下： 1作为请求I/O操作的进程的一部分实现。2作为当前进程的一部分实现。3I/O控制由专门的系统进程I/O进程完成。13、虚拟设备P1641）虚拟设备的概念：为提高计算机系统的效率，提出了在高速共享设备上模拟低速设备功能的技术，称为虚拟设备技术。2） 虚拟设备的基本思想是在独占型设备与进程之间加入一个共享型设备（目前主要是硬磁盘）14、 SPOOLing 系统1651） SPOOLing系统的定义：SPOOLing系统是在多道程序的环境下，利用多道程序中的一道或两道程序来模拟外围机，从而在联机的条件下实现脱机I/O的功能，实现将独占设备改造为共享设备的一种虚拟设备技术。2）SPOOLing系统的三个部分组成：1、输入井和输出井2、输入缓冲区和输出缓冲区3、输入进程和输出进程3）SPOOLing系统的特点：1、提高了I/O速度2、将独占设备改造为共享设备3、实现了虚拟设备功能第六章、文件系统1、文件的概念、属性、类型P175P1772、文件系统P77P1781）文件系统的概念文件系统是操作系统对文件实施管理、控制与操作的一组软件。2）应具备以下功能：文件管理目录管理文件存储空间的管理文件的共享和保护提供方便的接口3） 文件系统的层次模型P1784） 常见的文件系统 ext2/ext3：Linux常用的文件系统 NFS：网络文件系统 HPFS：高性能文件系统，是IBM OS/2的文件系统。 FAT：包含FAT12，FAT16和FAT32 NTFS：微软为了配合Windows NT的推出而设计的文件系统 CD-ROM：符合ISO9660标准的支持CD-ROM的文件系统。3、 文件的逻辑结构P1791） 文件按其逻辑结构通常分为流式文件和记录式文件两种。2） 相对流式文件而言，记录式文件的使用不很方便，尤其是变长记录文件。另外在文件中还要有说明记录长度的信息，这就浪费了一部分存储空间。4、文件的物理结构 P1791）文件的物理结构是指文件在外部存储介质