操作系统原理

1、操作系统原理第一章操作系统概论1.1 操作系统的概念操作系统的特征：并发性，共享性，随机性。研究操作系统的观点：软件的观点，资源管理的观点，进程的观点，虚拟机的观点，服务提供者的观点。操作系统白功能：1.进程管理：进程控制，进程同步，进程间通信，调度。2 .存储管理：内存分配与回收，存储保护，内存扩充。3 .文件管理：文件存储空间管理，目录管理，文件系统安全性。4 .设备管理5 .用户接口UNIX是一个良好的、通用的、多用户、多任务、分时操作系统。1969年AT&T公司KennethL.Thompson用汇编语言编写了Unix第一个版本V1,之后Unix用C语言编写，因此事可移植的。1

2、.3操作系统分类1 .批处理操作系统：优点是作业流程自动化较高，资源利用率较高，作业吞吐量大，从而提高了整个系统的效率。缺点是用户不能直接与计算机交互，不适合调试程序。2 .分时系统：特点是多路性，交互性，独占性，及时性。3 .实时操作系统4 .嵌入式操作系统5 .个人计算机操作系统6 .网络操作系统7 .分布式操作系统8 .智能卡操作系统1.4操作系统结构1 .整体式结构2 .层次结构3 .微内核（客户机/服务器）结构：可靠，灵活（便于操作系统增加新的服务功能），适宜分布式处理的计算机环境第二章操作系统运行机制2.1 中央处理器寄存器：用户可见寄存器：数据寄存器（通用寄存器），地址寄存器，条

3、件码寄存器。控制和状态寄存器：程序计数器，指令寄存器，程序状态字。目态到管态的转换唯一途径是通过终端和异常。管态到目态的转换可以通过设置PSW指令（修改程序状态字）实现。PSW包括：CPU的工作状态代码条件码中断屏蔽码2.2 存储体系存储器设计：容量，速度，成本存储保护：界地址寄存器（界限寄存器）：产生程序中断-越界中断或存储保护中断存储键2.3 中断与异常机制分类：中断：时钟中断，输入输出（I/O）中断，控制台中断，硬件故障中断异常：程序性中断，访管指令异常2.4 系统调用系统调用程序被看成是一个低级的过程，只能由汇编语言直接访问。系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口。分类：进程控制类

4、，文件操作类，进程通信类，设备管理类，信息维护类。第三章进程线程模型3.1 多道程序设计模型顺序执行的特点：顺序性封闭性确定性可再现性多道程序设计的特点：独立性随机性资源共享性3.2 进程模型进程的三状态模型：运行，就绪，等待。七状态模型：挂起（Suspend）：把一个进程从内存转到外存激活（Active）:把一个进程从外存转到内存事件出现（EventOccurS）:提交（Admit）:完成一个新进程的创建过程，新进程进入就绪状态或就绪挂起状0PCB是进程存在的唯一标志包括：进程名，进程号，存储信息，优先级，当前状态，资源清单，“家族”关系，消息队列指针，当前打开文件夹等。进程组成：程序，数据

5、，PCB。原语是操作系统核心的一个组成部分，它必须在管态下执行，并且必须常驻内存。原语有不可中断性。3.3 线程模型线程是进程中的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位。线程的好处：创建或者结束一个线程花费时间少两个线程切换花费时间少由于同一进程内的线程共享内存和文件，线程之间相互通信无需调用内核，故不需要额外的通信机制，使通信更便捷，信息传送速度也快。线程能独立执行，能充分利用和发挥处理器与外围设备并行工作能力线程调用描述pthread_creat创建一个新线程pthread_exit结束调用的线程pthread_join等待一个特定的线程退出pthread_yield释放CPU来运行另一个

6、线程pthread_attr_init创建并初始化一个线程的属性结构pthread_attr_destroy删除一个线程的属性结构3.4 进程（线程）调度先来先服务最短作业优先最短剩余时间优先轮转法最高优先级算法多级反馈队列算法最短进程优先实时系统中的调度算法第四章并发与同步4.2 进程互斥互相感知的程度：相互不感知，间接感知，直接感知。临界资源访问过程：进入区临界区退出区剩余区进程同步机制准则：空闲则入忙则等待有限等待让权等待4.4 经典的进程同步问题写者进程：While(true)P(write);写文件;V(write);读者进程：While(true)P(mutex);read_cou

7、nt:=read_count+1;If(read_count=1)P(write);V(mutex);读文件；P(mutex);read_count:=read_count-1;If(read_count=0)V(write);V(mutex);4.5 管程管程是一种高级同步原语组成：管程名称，共享数据的说明，对数据进行操作的一组过程和对共享数据赋初值的语句线程调用描述pthread_mutex_init创建一个互斥量pthread_mutex_destroy撤销一个已存在的互斥量pthread_mutex_lock获得一个锁或阻塞pthread_mutex_trylock获得一个锁或失败pt

8、hread_mutex_unlock释放一个锁4.6 进程通信共享内存，消息机制，管道通信。第五章内存管理5.1 基本概念内存分配表：位示图表示法，空闲页面表，空闲块表。地址转换：静态重定位：装入一个程序时，把程序中的指令地址和数据地址全部转换成绝对地址。动态重定位：装入程序时，不进行地址转换，而是直接把程序装入到分配的内存区域中。在程序执行过程中，每当执行一条指令时都由硬件的地址转换机构将指令中的逻辑地址转换为绝对地址主要内存管理方案：单一用户(连续区)管理，分区管理，页式管理，段式管理，段页式管理。5.2 分区存储管理方案(1)固定分区：系统先把内存划分为若干个大小固定的分区，一旦划分好，

9、在系统运行期间便不再重新划分。(2)可变分区：移动技术又称为紧凑技术或紧缩技术。空闲分区分配策略：最先适应算法，最优适应算法，最坏适应算法，下次适应算法。分区管理是实现多道程序设计的一种简单易行的存储管理技术。分区管理的主要缺点是内存使用仍然不充分，并且存在较为严重的碎片问题。5.3 覆盖技术和交换技术覆盖技术：作业1交换技术：进程从内存移到磁盘并再移回内存称为交换5.4 页式存储管理方案页号页内地址页表起始地址寄存器：用于保存正在运行进程的页表在内存的首地址页表长度寄存器：用于保护正在运行进程的页表长度。页表：多级页表，散列页表，反置页表。快表：按给定逻辑地址进行读写时，必须访问两次内存，第

10、一次按页号读出页表中对应的块号，第二次按计算出来的绝对地址进行读写。查找快表和查找内存页表是并行进行的。5.5 虚拟存储技术和虚拟页式存储管理方案的实现虚拟页式存储管理时需要在页表中增加以下的表项：5.6 页号页面编号5.7 有效位一一又称驻留位、存在位或中断位，表示该页是在内存还是外存。5.8 页框号页面在内存中时对应的页框号。5.9 访问位一一又称引用位和参考位，表示该页在内存期间是否被访问过。5.10 改位表示该页在内存中是否被修改过。5.11 护位一一是否能/读/写/执行。5.12 止缓存位一一采用内存映射I/O的机器中需要的位。访问位和修改位可以用来决定置换哪个页面。调入页面来源：(

11、1)进程装入时，将全部页面复制到交换区，以后总是从交换区调入。(2)凡是未被修改的页面，都直接从文件区读入，而被置换时不需调出；已被修改的页面被置换时需要调出到交换区，以后从交换区调入。页面置换算法：(1)先进先出FIFO(2)最近最少使用LRU(3)最近最不常使用LFU(4)理想页面置换算法OPT(5)最近未使用(6)第二次机会(7)时钟缺页中断率：f=F/A影响因素：分配给程序的内存块数页面大小程序编制方法页面置换算法工作集模式可以解决颠簸问题。操作系统为每一个进程保持一个工作集并为该进程提供与工作集大小相等的物理页面数，这一过程可动态调整统计工作集大小一般由硬件完成，系统开销较大。段页式

12、存储管理方案：用页面方法来分配和管理内存空间，即把内存划分为若干大小相等的页面；用段式方法对用户程序按照其内在的逻辑关系划分成若干段；再按照划分内存页面的大小，把每一段划分成若干大小相等的页面。第六章文件管理文件分类：按用途：系统文件库函数文件用户文件按组织形式：普通文件目录文件特殊文件按保护方式：只读文件读写文件可执行文件无保护文件6.2 文件的结构逻辑结构：流式文件纪录式文件物理结构：顺序结构链接结构：存取速度慢不适于随机存取文件，Windows的FAT文件系统采用的是链接结构但是将所有指针集中存放。索引结构：既适于顺序存取又适于随机存取，没有存储碎片存储介质磁带磁盘物理结构连接结构连续链

13、接索引存取方式顺序顺序顺序咽hr仔取随机随机磁盘的存取：柱面号=物理块号/(磁头数*扇区数)磁头号=(物理块号mod(磁头数*扇区数)/扇区数扇区号=(物理块号mod(磁头数*扇区数)mod扇区数注：mod求余，磁头即盘面6.3 文件目录文件控制块FCB:文件名，文件号，用户名文件物理位置，文件长度，记录大小，文件类型，文件属性，共享说明文件逻辑结构，文件物理结构建立日期和时间，最后访问日期和时间，最后修改日期和时间口令，保存期限6.4 文件系统的实现(1)位示图：0表示空闲，1表示该物理块已分配。从0开始编。(2)空闲块表：(3)空闲块链表：效率低(4)成组链接：有些版本的UNIX操作系统采

14、用。文件的操作:(1)建立文件:(2)打开文件:create(文件名，访问权限，最大长度)检查参数合法性检查同一目录下有无重名文件在目录中有无空闲位置填写目录项内容返回fd=open(文件路径名，打开方式)根据文件路径名查目录，找到FCB主部根据打开方式，共享说明和用户身份检查访问合法性根据文件号查系统打开文件表，看文件是否已被打开在用户打开文件表中取一空表项，填写打开方式等，并指向系统打开文件对应表项返回信息：文件描述符fd,这是个非负整数，用于以后读写文件(3)读文件：read(文件名，文内位置，要读的长度，内存目的地址)(4)写文件：write(文件名，记录键，内存位置)(5)关闭文件：

15、close(文件名)(6)删除文件：delete(文件名)(7)指针定位：seek(fd,新指针的位置)6.5 文件的保护和安全文件保护：建立副本：用于较小且极为重要的文件。定时转储：按照转储内容分为增量转储和全量转储按照转储方式分为物理转储和逻辑转储规定文件的存取权限文件的存取权限(1)存取控制矩阵(2)二级存储控制(3) UNIX中的文件存取权限：Unix系统内部用数值表示文件属性，每一个属性与文件属性中的一个二进制相对应。1表示设置了该权限，0表示没有该权限。Unix中用8进制表示。文件的保密：屏蔽文件目录设置口令使用密码6.6 文件系统的性能提高文件系统性能措施：(1)块高速缓存(2)

16、合理分配磁盘空间(3)磁盘的驱动调度：磁盘的存取访问时间：寻道时间旋转延迟时间传输时间组成：I移臂调度：先来先服务FCFSD最短寻道时间优SSTF扫描算法SCAN又称电梯算法循环扫描算法C-SCANII旋转调度(4)信息的优化分布(5)RAID技术6.7Windows的FAT文件系统和UNIX文件系统文件分配表FAT(FileAllocationTable)具有简单的目录结构。三个版本是FAT12,FAT16,FAT32,取决于用多少位二进制表示磁盘地址。UNIX普通文件的物理结构是三级索引结构。第七章I/O设备管理7.1 设备与设备分类除CPU和内存以外的所有设备和装置设备管理主要任务：I/

17、O设备性能和CPU性能不匹配反差大实现统一管理，方便用户使用用户对I/O设备的使用必须是安全的设备分类：按使用特性：I/O设备和存储设备按信息组织方式：字符设备和块设备按共享属性：独占设备，共享设备和虚拟设备7.2 I/O硬件组成中央部分是CPU和主存，通过总线与第二层的接口(适配器)部件相连，第三层是各种外围设备控制器，最外层是外围设备。I/O设备数据传送控制方式：程序直接控制方式中断控制方式DMA方式通道控制方式：选择通道，数组多路通道，字节多路通道7.31 /O软件的结构和特点(1)中断处理程序(2)设备驱动程序(3)与设备无关的系统软件：统一命名设备保护提供与设备无关的逻辑块缓错处理(4)用户空间的I/O软件冲存储设备的块分配独占设备的分配与释放出7.4典型的I/O技术设备分配算法：p系统设备表SDT设备控制表DCT控制器控制表COCT通道控制表CHCT设备分配原则：考虑到设备的特性和安全性设备分配策略7.5I/O性能问题及解决方案小结(1)通过缓冲技术、减少或缓解不同设备之间传输速度的差距(2)通过应用异步I/O技术，使CPU计算不必等待I/O操作结果(3)