操作系统知识点介绍

1、操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行 调度，以及方便用户使用的程序的集合。 虚拟机：在裸机的基础上，每增加一层新的操作系统的软件，就变成了功能 更为强大的虚拟机或虚机器。 操作系统的目标：1 方便性2.有效性3可扩充性4开放性 操作系统的作 用：OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口 ；OS 作为计算机系统资源的管理者；OS实现了对计算机资源的抽象（作扩充机 器）。 操作系统的特征：并发性；共享性；虚拟性；异步性 推动操作系统发展的主要动力：不断提高计算机资源利用率；方便用户；器 件的不断更新换代；计算机体系结构的不断发展。 人工操作方式的特点：用户独占全机；CP

2、U等待人工操作；独占性； 串行性。缺点:计算机的有效机时严重浪费；效率低脫机I/O方式的主要优 点：减少了 CPU的空闲时间提高I/O速度。 单道批处理系统的特征：自动性；顺序性；单道性 多道批处理系统原理：用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队 列，称为“后备队列”；然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中 选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的 各种资源。 多道批处理系统的优缺点资源利用率高；系统吞吐量大；可提高内存和I/O 设备利用率；平均周转时间长；无交互能力 多道批处理系统需要解决的问题（1）处理机管理问题（2）内存管理 问题（3） I/O设备管理问题4）文件管

3、理问题（5）作业管理问题 分时系统：在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时 允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资 源。 时间片：将CPU的时间划分成若干个片段，称为时间片，操作系统以 时间片为单位，轮流为每个终端用户服务 实时系统与分时系统特征的比较：多路性；独立性；及时性；交互性； 可靠性 操作系统的特征： 并发性；共享性；虚拟性；异步性 操作系统的主要功能：处理机管理；存储器管理；设备管理；文件管 理；作 业管理 对处理机管理，可归结为对进程的管理：进程控制（创建，撤消，状 态转 换）；进程同步（互斥，同步）；进程通信；进程调度（作业调度，进程调 度

4、）。 存储器管理功能： 内存分配（最基本）；内存保护；地址映射；内存 扩充 设备管理功能：设备分配；设备处理（相当于启动）；缓冲管理；虚 拟设备 文件管理功能：文件存储空间管理；目录管理；文件读写管理；文件 保护。 用户接口：命令接口；程序接口；图形接口 传统的操作系统结构：无结构OS；模块化OS结构；分层式OS结模块化 操作系统结构：操作系统是由按其功能划分为若干个具有一定独立性和大小 的模块。每个模块具有某个方面的管理功能，规定好模 块之间的接口。 微内核的基本功能：进程管理-存储器管理-进程通信管理-I/O设备管 理 进程的特征：动态性(最基本)；并发性；异步性；独立性；结构特 征(程序

5、 段，数据段，进程控制块PCB) 进程的基本属性：可拥有资源的独立单位；可独立调度和分配的基本单位。 进程控制块的基本组成：进程标识符；处理机的状态；进程调度所需信息； 进程控制信息。 进程控制一般是由操作系统的内核中的原语来实现 临界资源：如打印机、磁带机等一段时间内只允许一个进程进行使用的资 源。 信号量：整型，记录型，and型，信号量集。实现进程互斥，前趋尖 系，进 程同步。 semaphore 同步P操作在互斥P操作前 Swait(S, d, d)表示每次申请d个资源，当少于d个时，便不分配 Swait(S, 1,1)表示互斥信号量 Swait(S, 1,0)可作为一个可控幵矢(S 1

6、时，允许多个进程进入临界区； S=o时，禁止任何进程进入临界区) 同步机制应遵循的规则：空闲让进；忙则等待；有限等待；让权等待 生产者 进程i: Repeat 生产数据nextp； wait(empty); wait(mutex); bufferi n:二 nextp; in=(i n+1)% n ; sig nal(full); un til false; 消费者进程i: Repeat wait(full); wait(mutex); Nextc 二 buffer(out); out=(out+1)% n ; sig nal(empty); un til false; 哲学家i： Repea

7、t wait(SM); wait(chopsticki); wait(chopstick(i+1 )%5); 就餐； sig nal(chopstick(i+1 )%5); sig nal(sm); 继续思考； un til false; Chopstick0.4=1 ;sm=4 读者进程i : REPAET wait(rmutex); if readcout=0 wait(wmutex); Readco un t+; sig nal(rmutex); 访问数据文件； wait(rmutex); Readco un t-; If readcout=0 wait(wmutex); sig nal

8、(rmutex); un til false; 写者进程i : REPAET wait(wmutex); 修改文件； sig nal(wmutex); un til false; 司机与售票员的合作问题 VARS1 = 1;S2=0; 司机： Wait(s1); 启动车辆； 正常行车； 到站停车 Sig nal(s2); 售票员： Wait(s2); 幵车门； 上下乘客； 矢车门 Sig nal(s1); 售票 读者进程i : Var s=100;mutex=1; Wait(s); Wait(mutex); 查登记表，并置某座位为占用态 在座位上坐下阅读; Wait(mutex); 查登记表，

9、并置某座为空闲状态 Sig nal(mutex); Sign al(s); 接收原语 Procedure receive(b) Begi n J=internal n ame; Wait(j.sm); Wait(j.mutex); Remove(j.mqJ); Sig nal(j.mutex); b.se nder 二 i.sizer; b.size 二 i.size; b.text 二 i.size; End; 进程通信的类型：共享存储器系统；消息传递系统；管道通信管道通信：用 于连接一个读进程和一个写进程以实现他们通信的一个 共享文件，又名Pipe文件，本身提供了互斥和同步进程的能力。ne

10、xt:指向 下一个消息缓冲区的指针 线程的属性：轻型实体；独立调度和分派的基本单位；可并发执行; 共享进程资源 作业的状态进入”或提交”后备”运行”完成” 决定作业调度的两个因素： 多道程序度；调度算法 周转时间：完成时间-到达时间 带权周转时间：周转时间/执行时间 先来先服务（FCFS） 短作业（进程）优先SJ （P） F 高响应比优先调度算法HRRN :响应比R =（到达时间）/服务 时间 时间片轮转法RR 准则：面向用户的准则（周转时间短；反应时间快；截止时间的保证；优先 权准则 ）；面向系统的准则（系统吞吐量高；处理机利用率好；各类资源的平衡利 用） 程序的装入：绝对装入方式；可重定位

11、装入方式；动态运行时装入方式。 程序的链接：1、静态链接：程序运行前先链接，再装入内存：1）对相对地 址的改变2）变换外部调用符号 2、装入时动态链接：装入内存时，边装入边链接。 3、运行时动态链接：某些模块的链接推迟到执行时才执行，用不到的模块 可以不调入内存。 产生死锁的原因竞争资源：可剥夺和非剥夺性资源/临时性资源；进程间推 进顺序非法 死锁是指多个进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局，若无 外力作用，它们都将无法再向前推进。 处理死锁的基本方法：预防死锁；避免死锁；检测死锁；解除死锁产生死锁 的必要条件互斥条件：资源本身的特性；请求和保持条件：在请求不到新资 源的时候进程不释放原

12、来的资源；不剥夺条件：进 程获得的资源，为使用完前不可被剥夺；环路等待条件：逬程对资源的请 求形成一个请求环形链 预防死锁 1、 打破请求和保持条件：要求进程一次性申请到全部资源后再运行，不会 产生死锁，但效率降低 2、打破不剥夺条件：要求进程提出新资源要求不被满足后，必须释放原来 的保持的资源，损失代价严重； 3、 打破环路等待条件：对资源进行线性排序编号，要求每个进程必须从低 号到高号申请资源，而不考虑进程实际申请资源的先后顺序。死锁的解除剥 夺资源；撤消进程拼接或紧凑：通过移动内存中作业的位置，以把原来多个 分散的小分区拼接成一个大分区的方法。 虚拟存储器的特征：多次性；对换性；虚拟性

13、银行家算法：主要用来判断在当前状态下如果有进程提出资源请求 request,看是否能满足该请求： a :判断请求的合法性，是否满足小于NEED矩阵中的向量； b :请求的可满足性判断，是否小于available向量； c :试探分配，修改相应的参数 availableallocatio nn eed; d:进行安全性检查，若分配后安全，则进行分配，若判断从此进入了不安 全状态，则恢复原来数据，对进程请求不予满足。 安全性算法检查： (1) 设定两个向量work二available;finishi=true (2)从进程集合中找 到一个能满足下述条件的进程:finishi=false;needi

14、O work。;若找到， 执行步骤3,否则执行步骤4 (3)当进程pi获得资源后，可顺利执行，直到执行，并释放出分配给它的 资源 workj= workj+allocationij； finishi=true; Go to step2 (4)如果所有进程finishi=true都满足，则系统处于安全状态，否则处于不 安全状态。 Work need allocation work+allocation 虚拟存储器是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以 扩充的一种存储器系统。其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定的。 动态分区分配算法：首次适应算法：按地址递增的顺序；循环首次适

15、应算 法：从上次找到的空闲分区的下一个开始；最佳适应算法：按大小递增的顺 序；最坏适应算法：按地址递减的顺序 地址为A，页面大小L页号P,页内地址d : p=int （A/L） d=AmodL 分段系统的基本原理：分段：将作业的逻辑地址空间分为若干个 段，每个段内定义一组逻辑信息。作业的地址空间分为段号（名）+段内地 址两部分。 段表：将不同的段分配到内存不连续的存储空间，当然，具体每个段，因为 长度可能不同，但是需连续的存储空间，因此，段表内需确定段号、段的长 度、段在内存的起始地址0 分页与分段区别：（1）页是信息的物理单位，为了提高内存利用率引入 的；段是信息的逻辑单位，是考虑用户编程需

16、要分成的段。（2）页 的大小固定，段的大小不确定（3）页的逻辑地址是1维的，段的逻辑地址 是2维的。 段页式存储管理方式 基本原理：首先用户程序分成若干个段，每个段内再实施分页，为每个段赋 予一个段名。在段页式系统中，其地址结构由段号、段内页号及页内地址三 页号、物理块号、状态位p、访问字段A、修改位M、外存地址 页表机制：页号和物理块号，状态位P （0表示在外存，没有调入1表示 在内存）；访问字段A （段时间内访问次数或是否被访问过，供页面置换 出去时参考）；修改位M （段时间内是否被修改过，置换时需要回写到 外存对换区）；外存地址（将来调入内存时使用）；物理块的分配策略 固定分配局部置换

17、可变分配全局置换 可变分配局部置换 （1） （2） （3）物理块分配算法 （1 ） 平均分配算法 （2）按比例分配算法（3）考虑优先权的分配算法 最佳置换算法（Optimal） 先进先出置换算法（FIFO） 最近最久未使用（LRU） Clock置换算法 设备控制器是在CPU和I/O设备之间的接口，一个设备控制器控制几个设 备。 设备控制器的功能接收和识别命令；数据交换；标识和报告设备的状态； 地址识别；数据缓冲；差错控制 通道是通过执行通道程序，并与设备控制器共同实现对I/O设备的控 制的。 通道程序是由一系列通道指令所构成的。 通道程序每条指令：（1）操作码（2）内存地址（3）计数（4）通

18、道程序结束位（5 ）记录结束标志。 设备分配中的数据结构 1、设备控制表DCT 2、控制器控制表COCT、通道控制表CHCT 3、系统设备表 联机命令的类型 系统访问类（login）；磁盘操作类format、diskcopy ;文件操作类type ; 目录操作类mkdir ；其它命令 spooling系统组成 （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spi和输出进程spo SPOOLING系统的特点 提高了 I/O的速度；将独占设备改造为共享设备；实现了虚拟设备功能 设备处理程序通常又称为设备驱动程序。是I/O进程与设备控制器之间的通 信程序，以进程的形式存在，故

19、称为设备驱动进程。 连续分配的优缺点： （1 ）顺序访问容易（2）顺序访问速度快（3）要求有连续的存储空间 （4）必须事先知道文件的长度。 显示链接是把链接文件个物理块的指针显式的存放在内存的一张链接表中， 整个磁盘仅设置一张 混合索引分配方式：UNIX系统V的索引结点中： 直接寻址 iaddr(0)-iaddr(9)； 一次间接寻址iaddr(10)； 多次间接寻址iaddr(11) iaddr(12) 对目录管理的要求如下： (1) 实现按名存取” (2) 提高对目录的检索速度 (3) 文件共享 (4) 允许文件重名 文件与文件控制块-对应，人们把文件控制块的有序集合称为文件 目录 多级目

20、录结构 (1)提高了检索目录的速度(2)在不同的用户目录中，可以使用相 同的文件名 (3) 不同用户还可以使用不同的文件名来访问同一个共享文件。 输入下列命令:cp filel file2时将文件filel拷贝成file2 #in clude #in elude vfen tl.h 琴 cude AsysZfypcshv s n c - udecsys、ss-f h Vs-f main(inf argcbhar * ag 八 elseli ceaf(a g2LSIWRTE sREAD 二 a A o ) prinffcoreaf %s faHedHa g2D A e-se n*ead( fch

21、bufszeof(buf)八 if(neo) 7SC cose(fd)八 fdl Hopen(a g2L0IRDWR)八 if(fd-AO) pinmopen ese fTFWl(D(fdbufs A if(mAO) pmfvwme %s f a 一一 e d 一一 ag v 2 2 ese cose 回溢沖2哺K s pipe()邑* 丹洁申 程间的通信。父进程 if(k=fork()=0) 分。 创建两个子进程， 两 lockf(fd1,150); Hash函数，可将记 个子进程分别向管 write(fd1,nlam 录键值转换为相应 道中写一条消息： chlid2nM,13); 记录的地

22、址。 “1 am 盘块的分配： childl. ” 和 else (1)顺序扫描位示 “I am child2. lockf(fd0,150); 图，找出值为0的二 m=read(fdO,li ne,26) 进制位进行分配。 #in clude 5 (2)将所找到的每 #i ncludevu ni std.h write(STDOUT_FIL 一个位，转换为相应 int mai n() ENOJi ne,m); 的盘块号b=n (i-1)+j int j,k,m; (n为每行位数) int fd2; (3)修改位示图，令 char lin e40; mapi,j=1 pipe(fd); 系统调

23、用的类型 盘块的回收： if(j=fork()=0) (1)进程控制类 1、将回收的盘 lockf(fd1,1s0); (2 )文件操纵类 块号转换为仃号 write(fd1,Hi am (3 )进程通信类 和列号 chlid1nn,13); i=(b-1)/n+1 lockf(fd150,0); 对对象操纵和管理 j=(b-1)% n+1 的软件集合是文件 2、修改位示图。令 else 管理系统的核心部 mapiJ=0 系统调用在本质上 int retpid = 0; 父进程创建一个子 是应用程序请求操 in tstatus=0; 进程，在子进程运行 作系统内核完成某 childpid 二 fork: 时显示当前目录下 功能时的一种过程 if(childpid 0) 的所有文件和目录5 调用，属于特殊的过 printf( 父进程输出子进程 程调用 HfailnH); 和自己进程的ID。在 系统调用的类型 else if(childpid =0) 程序运行时控制进 (1)进程控制类 pri ntf(ns