操作系统理解

操作系统概论1.1.1操作系统的定义和目标定义：管理系统资源、控制程序执行、改善人机界面、提供各种服务，并合理组织计算机工作流程和为用户方便而有效地使用计算机提供良好运行环境的最基本的系统软件。主要目标：（1）、方便用户使用（2）、扩充机器功能（3）、管理各类资源（4）、提高系统效率（5）、构筑开放环境1.1.2操作系统的资源管理技术P6页1、操作系统通过共享硬件资源的方式来实现虚拟机抽象，所利用的资源管理技术如下；（1）、资源复用（2）、资源虚化（3）、资源抽象2、操作系统中的基础抽象（1）、进程抽象（2）、虚存抽象（3）、文件抽象3、虚拟计算机。 P9页基本组成部分：虚处理器、虚主存（又称虚拟主存）、虚辅存（又称虚拟辅存）和虚设备1.1.3操作系统的作用与功能P9页作用：（1）、操作系统作为用户接口和公共服务程序（2）、操作系统作为程序执行的控制者和协调者（3）、操作系统作为扩展机或虚拟机（4）、操作系统作为资源的管理者和控制者功能：（1）、处理器管理（2）、存储管理（3）、设备管理（4）、文件管理（5）、网络与通信管理（6）、用户接口1.1.4操作系统的主要特性1、并发症：是指两个或两个以上的活动或事件唉同一时间间隔内发生。1.2.3多道程序设计与操作系统的形成1、多道程序设计：是指允许多个作业（程序）同时进入计算机系统的主存并启动交替计算的方法。2、操作系统中引入多道程序设计的优点：一是提高CPU、主存和设备的利用率；二是提高系统的吞吐率，使单位时间内完成的作业数增加；三是充分发挥系统的并行性，设备与设备之间、CPU与设备之间均可并行工作。其主要缺点是延长作业的周转时间。1.2.4操作系统的发展与分类1、批处理操作系统2、分时操作系统3、实时操作系统：有三种典型的（1）、过程控制系统（2）、信息查询系统（3）、事物处理系统1.3.2程序接口与系统调用1、系统调用的分类P30页（1）、进程管理（2）、文件操作（3）、设备管理（4）、主存管理（5）、进程通信（6）、信息维护2、系统调用与函数调用之间的区别（1）、调用形式和实现方式不同（2）、被调用代码的位置不同（3）、提供方式不同1.4.1操作系统的构件和结构通常把组成操作系统的基本单位称作构件。剖析现代操作系统，其基本单位除了内核之外，还有进程、线程、管程和类程。内核：是一组程序模块，作为可信软件来提供支持进程并发执行的基本功能和基本操作，通常驻留在内核空间，运行于核心态，具有访问硬件设备和所有主存空间的权限，是仅有的能够执行特权指令的程序。内核的功能:（1）、资源抽象（2）、资源分配（3）、资源共享内核的属性：（1）、内核是由中断驱动的。（2）、内核是不可抢占的。（3）、内核部分程序在屏蔽中断状态下执行。（4）、内核可使用特权指令。1.6本章小结P55页习题一思考题1、什么是操作系统？计算机系统配置操作系统的主要目标是什么？定义：管理系统资源、控制程序执行、改善人机界面、提供各种服务，并合理组织计算机工作流程和为用户方便而有效地使用计算机提供良好运行环境的最基本的系统软件。主要目标：（1）、方便用户使用（2）、扩充机器功能（3）、管理各类资源（4）、提高系统效率、构筑开放环境2、什么是系统调用？可分为哪些类型？系统调用是一种中介角色，把用户和硬件隔离开来，应用程序只有通过系统调用才能请求系统服务并使用系统资源。分类：（1）、进程管理（2）、文件操作（3）、设备管理（4）、主存管理（5）、进程通信（6）、信息维护3、什么是多道程序设计？多道程序设计技术有什么特点？多道程序设计：是指允许多个作业（程序）同时进入计算机系统的主存并启动交替计算的方法。操作系统中引入多道程序设计的优点：一是提高CPU、主存和设备的利用率；二是提高系统的吞吐率，使单位时间内完成的作业数增加；三是充分发挥系统的并行性，设备与设备之间、CPU与设备之间均可并行工作。其主要缺点是延长作业的周转时间。4、简述实现多道程序设计锁必须解决的基本问题。5、什么是虚拟计算机？分析其组成。虚拟计算机是一台抽象计算机，它在硬件的基础上由软件来实现，并且与物理机器一样，具有指令集及可用的存储空间。基本组成部分：虚处理器、虚主存（又称虚拟主存）、虚辅存（又称虚拟辅存）和虚设备应用题P59页处理器管理2.1.1处理器1、寄存器P63页不同类型的处理器由不同种类和数目的寄存器组成，在此以Intelx86为例，介绍各种寄存器。（1）、通用寄存器（2）、指针及变址寄存器（3）、段选择符寄存器（4）、指令指针寄存器和标志寄存器（5）、控制寄存器（6）、外部设备使用的寄存器2、指令分类：（1）、数据处理类（2）、转移类（3）、数据传送类（4）、移位与字符串类型（5）、I/O类2、处理器状态：核心态和用户态3、有两类情况会导致处理器从用户态向核心态转换。一是程序请求操作系统服务，执行系统调用；二是在程序运行时，产生中断或异常事件，运行程序被中断，转向中断处理程序或异常处理程序工作。从用户模式转向内核模式，不存在类似指令或其他方法如何实现核心态到用户态的转换呢？计算机通常提供一条称作加载程序状态字的特权指令（IBM370为LOADPSW指令，Intelx86为IRET指令），用来实现从系统（核心态）返回用户态，将控制权转交给应用进程。2.2.1中断概念：是指在程序执行过程中，遇到急需处理的事件时，暂时中止现行程序在CPU上的运行，转而执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返会断点或调度其他程序执行。2.2.2中断源分类1、按中断事件的性质和激活方式划分两类：强迫性中断和自愿性中断强迫性中断事件有以下几种：（1）、机器故障中断（2）、程序性中断（3）、外部中断（4）、输入输出中断2、按中断事件的来源和实现手段划分（1）、硬中断：外中断和内中断（2）、软中断：信号和软件中断2.2.3中断和异常的响应及服务一般来说，中断/异常的响应需要顺序做4件事：（1）、发现中断源（2）、保护现场（3）、转向中断/异常事件的处理程序（4）、恢复现场2.2.5中断优先级和多重中断1、多重中断事件的处理：（1）、串行处理（2）、嵌套处理（3）、即时处理2.3.1进程的定义和属性1、定义：进程是既能描述程序的并发执行状态、又能共享资源的一个基本单位，当然操作系统也要为引入进程而付出（进程占用的）空间和（调度进程的）时间代价。2、属性：（1）、结构性（2）、共享性（3）、动态性（4）、独立性（5）、制约性（6）、并发性2.3.2进程的状态和转换1、三态模型（1）、运行态：进程占用处理器运行的状态。（2）、就绪态：进程具备运行条件，等待系统分配处理器以便其运行的状态。（3）、等待态：又称阻塞态或睡眠态，是指进程不具备运行条件，正在等待某个事件完成的状态。挂起进程等同于不在主存的进程，因此，挂起进程不会参与第几调度知道它们被对换进主存。挂起进程具有以下特征：此进程不能立即执行；此进程可能会等待某事件发生，所等待的事件独立于挂起条件，事件结束并不能导致进程具备可执行条件；此进程进入挂起状态是由于操作系统、父进程或进程自身阻止其运行；进程挂起状态的结束命令只能通过操作系统或父进程出发。2.3.3进程的描述和组成1、进程映像（1）、进程控制块（2）、进程程序块（3）、进程核心块（4）、进程数据块2、进程上下文由以下三部分组成：（1）、用户级上下文（2）、寄存器上下文（3）、系统级上下文2.4.3线程的实现多线程的实现分为三类：用户级线程，内核级线程，某些系统童工混合方式，同时支持ULT和KLT两种线程。2.7.1处理器调度的层次处理器调度按照层次可分为三级：高级调度、中级调度和低级调度2.7.2选择调度算法的原则1、面向系统的性能指标：（1）、资源利用率（2）、吞吐率（3）、公平性2、面向用户的性能指标：（1）、响应时间（2）、周转时间2.8.1低级调度的功能和类型1、低级调度的主要功能：操作系统的调度程序担负两项任务：调度和分派2、调度机制由3个逻辑功能程序模块组成：（1）、队列管理程序（2）、上下文切换程序（3）、分派程序3、低级调度的基本类型：（1）、剥夺式又称抢先式（2）、非剥夺式又称非抢先式2.8.2作业调度和低级调度算法1、先来先服务算法2、最短作业优先算法3、最短剩余时间优先算法4、响应比最高者优先算法习题二1、进程最基本的状态有哪些？哪些事件可能引起不同状态之间的转换？运行态：进程占用处理器运行的状态。就绪态：进程具备运行条件，等待系统分配处理器以便其运行的状态。等待态：又称阻塞态或睡眠态，是指进程不具备运行条件，正在等待某个事件完成的状态。2、五态模型的进程中，新建态和终止态的主要作用是什么？3、什么是进程的挂起状态？列出挂起进程的主要特征。挂起进程等同于不在主存的进程，因此，挂起进程不会参与第几调度知道它们被对换进主存。挂起进程具有以下特征：此进程不能立即执行；此进程可能会等待某事件发生，所等待的事件独立于挂起条件，事件结束并不能导致进程具备可执行条件；此进程进入挂起状态是由于操作系统、父进程或进程自身阻止其运行；进程挂起状态的结束命令只能通过操作系统或父进程出发。同步、通信与死锁3.1.2进程的并发性1、采用并发程序设计的好处是：（1）、若为单处理器系统，可以有效的利用资源，让处理器和设备、设备和设备同时工作，充分发挥硬部件的并行工作能力；（2）、若为多处理器系统，可让进程在不同的处理器上物理地并行工作，加快计算速度；（3）、简化程序设计任务，一般来说，编制并发执行的小程序进度快，容易保证正确性。3.1.3进程的交互：协作和竞争两种基本关系：竞争和协作竞争关系：又称互斥关系自愿竞争会引发两个控制问题：一是死锁，一组进程如果都获得部分资源，还想要得到其他进程所占有的资源，最终所有进程将陷入永远等待的状态：二是饥饿，一个可运行进程由于其他进程总是优先于它，而被调度程序无限期的拖延而不能被执行。进程互斥：是指若干进程因相互争夺独占型资源而产生的竞争制约关系。进程同步：是指为完成共同任务的并发进程基于某个条件来协调其活动，因为需要在某些位置上排定执行的先后次序而等待、传递信号或消息所产生的协作制约关系。3.2.1互斥和临界区1、临界区：是指并发进程中与共享变量有关的程序段2、临界资源：共享变量所代表的资源3、共享变量的并发进程应遵守临界区调度的三个原则：（1）、一次之多有一个进程进入临界区内执行；（2）、如果已有进程在临界区中，试图进入此临界区的其他进程应等待；（3）、进入临界区内的进程应在有限时间内退出，以便让等待队列中的一个进程进入。3.2.4实现临界区管理的硬件设施1、关中断2、测试并建立指令3.6.2死锁防止1、死锁产生的条件（1）、互斥条件：系统中存在临界资源，进程应互斥地使用这些资源。（2）、占有和等待条件：进程在请求资源得不到满足而等待时。不释放已占有的资源（3）不剥夺条件：已被占用的资源只能由属主释放，不允许被其他进程剥夺（4）循环等待条件：存在循环等待链，其中，每个进程都在链中等待下一个进程所持有的资源，造成这组进程处于永远等待状态2、死锁防止策略（1）、破坏条件1（互斥条件）3、死锁的检测和解除方法资源剥夺法、进程回退法、进程撤销法和系统重启法。习题三解释并发性与并行性2、什么是临界区和临界资源？临界区管理的基本原则是什么？临界区：是指并发进程中与共享变量有关的程序段临界资源：共享变量所代表的资源共享变量的并发进程应遵守临界区调度的三个原则：（1）、一次之多有一个进程进入临界区内执行；（2）、如果已有进程在临界区中，试图进入此临界区的其他进程应等待；、进入临界区内的进程应在有限时间内退出，以便让等待队列中的一个进程进入。3、试述产生死锁的必要条件。（1）、互斥条件：系统中存在临界资源，进程应互斥地使用这些资源。（2）、占有和等待条件：进程在请求资源得不到满足而等待时。不释放已占有的资源（3）不剥夺条件：已被占用的资源只能由属主释放，不允许被其他进程剥夺（4）循环等待条件：存在循环等待链，其中，每个进程都在链中等待下一个进程所持有的资源，造成这组进程处于永远等待状态存储管理储存管理包含以下一些功能：（1）、分配和去配（2）、抽象和映射（3）、隔离和共享（4）、存储扩充4.2.1固定分区存储管理固定分区存储管理的基本思想是：主存空间被划分成数目固定不变的分区，各分区的大小不等，每个分区只装入一个作业，若多个分区中都装有作业，则它们可以并发执行，这是支持多道程序设计的最简单的存储管理技术。4.2.2可变分区存储管理1、可变分区存储管理又称动态分区模式2、常用的可变分区分配算法有以下5种：（1）、最先适应分配算法（2）、下次适应分配算法（3）、最优适应分配算法（4）、最坏适应分配算法（5）、快速适应分配算法4.2.4主存不足的存储管理技术1、移动技术2、对换技术3、覆盖技术4.4.4分段和分页的比较分段是信息的逻辑单位由源程序的逻辑结构及含义所决定，是用户可见的，段长由用户根据需要来确定，段起始地址可从任何主存地址开始。在分段方式中，源程序（段号、段内位移）经连接装配后仍能保持二维（地址）结构，引入目的是满足用户模块化程序设计的需要。分页是信息的物理单位与源程序的逻辑结构无关，是用户不可见的，页长由系统（硬件）确定，页面只能从页大小的整数倍地址开始。在分页方式中，源程序（页号、页内位移）经链接装配后变成一维（地址）结构，引入目的是实现离散分配并题号主存利用率。习题四1、试述存储管理的基本功能。、分配和去配（2）、抽象和映射（3）、隔离和共享（4）、存储扩充试述计算机系统中的存储器层次。为什么要配置层次式存储器？计算机系统的存储器层次结构分为寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘、磁带等5层。计算机系统均采用层次结构的存储子系统，以便在容量大小、速度快慢、价格高低等诸多因素中取得平衡点，获得较好的性能/价格比。3、什么是移动技术？在什么情况下采用这种技术？当在未分配区表中中啊不到足够大的空闲区来装入新进程时，可采用移动技术把已在主存中的进程分区连接在一起，使分散的空闲区汇集成片，这就是移动技术。试述实现虚拟存储器的基本原理。不必装入进程的全部信息，仅将当前使用部分先装入主存，其余部分存放在磁盘中，待使用时由系统自动将其装进来，这就是虚拟存储管理技术的基本思想。设备管理5.1.1I/O系统可按照不通方式对设备进行分类：按I/O操作特性，分为输入型设备、输出型设备和存储型设备，按I/O信息交换单位，分为字符设备和块设备。5.1.2I/O控制方式1、轮询方式2.、中断方式3、DMA方式4、通道方式5.1.3设备控制器设备控制器的主要功能：（1）、接收和识别CPU或通道所发来的命令（2）实现数据交换，包括设备和控制器之间的数据传输，且通过数据总线或通道，控制器和主存储器之间传输数据；（3）发现和记录设备及自身的状态信息，供CPU处理使用；（4）设备地址识别5.2.1I/O软件的设计目标和原则I/O软件的总体设计目标是：高效率和通用性I/O软件设计需要考虑的问题有：（1）、设备无关性：程序员编写访问文件数据的程序时，与具体的物理设备无关；

（2）、出错处理：数据传输过程中产生的错误应该在尽可能靠近硬件的地方处理，低层软件能够解决的错误不让高层然间感知；（3）同步/异步传输：CPU在启动I/O操作后既可继续执行其他工作，直至中断到达，称此为异步传输；又可采用阻塞方式，让启动I/O操作的进程挂起等待，直至数据传输完成，称此为同步传输，I/O软件应支持这两种工作方式；（4）、缓冲技术：建立数据缓冲区，让数据的到达率与离去率相匹配，以提高系统吞吐率。5.3.3通道启动和I/O操作过程通道方式的I/O操作过程可分为：（1）、I/O启动阶段（2）、I/O操作阶段（3）、I/O结束阶段5.4缓冲技术为了解决CPU与设备之间速度不匹配的矛盾，及协调逻辑记录大小与物理记录大小不一致的问题，提高CPU和设备的并行性，减少I/O操作对CPU的中断次数，方宽对CPU中断响应时间的要求，操作系统普遍采用缓冲技术。常用的缓冲技术有单缓冲、双缓冲和多缓冲。5.7.1问题的提出SPOOLing技术是用一类物理设备模拟另一类物理设备的技术，是使独占型设备变成共享设备的一种技术。习题五1、试述各种I/O控制方式及其主要优、缺点。P311轮询方式、中断方式、DMA方式、通道方式为什么要引入缓冲技术？其基本思想是什么？为了解决CPU与设备之间速度不匹配的矛盾，及协调逻辑记录大小与物理记录大小不一致的问题，提高CPU和设备的并行性，减少I/O操作对CPU的中断次数，方宽对CPU中断响应时间的要求，操作系统普遍采用缓冲技术。基本思想是：当进程执行操作输出数据时，先向系统申请一个输出缓冲区，然后，将数据送至缓冲区，若是顺序写请求，则不断地把数据填入缓冲区，直到装满为止，此后，进程可以继续计算，同时，系统将缓冲区的内容写到设备上。当进程执行读操作输入数据时，先向系统申请一个输入缓冲区，系统讲设备上的一条物理记录读至缓冲区，然后根据要求，把当前所需要的逻辑记录从缓冲区中选出并传送给进程。试述常用的缓冲技术。常用的缓冲技术有单缓冲、双缓冲和多缓冲。文件管理6.1.5文件存取方法1、顺序存取2、直接存取3、索引存取6.2文件目录文件系统通常采用分层结构实现，大致分为三层，文件管理、目录管理和磁盘主存映射管理。6.3.2文件的逻辑结构1、文件的逻辑结构分为两种基本形式：流式文件和记录式文件。6.3.3文件的物理结构1、常用的文件物理结构和组织方法。（1）、顺序文件（2）、连接文件（3）、直接文件6.4.2文件共享1、文件共享有多种形式：静态共享、动态共享和符号链接共享。6.4.5虚拟文件系统设计思想涉及以下三点：应用层、虚拟层、实现层。习题一1、什么是操作系统？计算机系统配置操作系统的主要目标是什么？定义：管理系统资源、控制程序执行、改善人机界面、提供各种服务，并合理组织计算机工作流程和为用户方便而有效地使用计算机提供良好运行环境的最基本的系统软件。主要目标：（1）方便用户使用（2）扩充机器功能（3）管理各类资源（4）提高系统效率（5）构筑开放环境2、什么是系统调用？可分为哪些类型？系统调用是一种中介角色，把用户和硬件隔离开来，应用程序只有通过系统调用才能请求系统服务并使用系统资源。分类：（1）进程管理（2）文件操作（3）设备管理（4）主存管理（5）进程通信（6）信息维护3、什么是多道程序设计？多道程序设计技术有什么特点？多道程序设计：是指允许多个作业（程序）同时进入计算机系统的主存并启动交替计算的方法。操作系统中引入多道程序设计的优点：一是提高CPU、主存和设备的利用率；二是提高系统的吞吐率，使单位时间内完成的作业数增加；三是充分发挥系统的并行性，设备与设备之间、CPU与设备之间均可并行工作。其主要缺点是延长作业的周转时间。4、简述实现多道程序设计锁必须解决的基本问题。（1）存储保护和程序浮动：解决各道程序只能访问自己的主存区域，并且要求程序从一个主存区移动到另一个区且不影响其正确执行（2）处理器的管理与分配：解决多道程序的切换和有效运行（3）资源的管理与调度：解决多道程序共享软硬件资源时的竞争，协作，安全问题和资源利用率。5、什么是虚拟计算机？分析其组成。虚拟计算机是一台抽象计算机，它在硬件的基础上由软件来实现，并且与物理机器一样，具有指令集及可用的存储空间。基本组成部分：虚处理器、虚主存（又称虚拟主存）、虚辅存（又称虚拟辅存）和虚设备6、应用题。在CPU和两台I/O(I1、I2)设备多道程序环境下。。。。(1)110ms90ms110ms(2)72.7%(3)72.7%81.8%习题二1、进程最基本的状态有哪些？哪些事件可能引起不同状态之间的转换？运行态：进程占用处理器运行的状态。就绪态：进程具备运行条件，等待系统分配处理器以便其运行的状态。等待态：又称阻塞态或睡眠态，是指进程不具备运行条件，正在等待某个事件完成的状态。进城状态转换的具体原因：运行态→等待态等待使用资源或某事件发生，如等待外设传输、等待人工干预。等待态→就绪态资源得到满足或某事件已经发生，如外设传输结束；人工敢于完成运行态→就绪态运行时间片到，或出现有更高优先权进程。就绪态→运行态CPU空闲时被调度选中一个就绪进程执行。2、五态模型的进程中，新建态和终止态的主要作用是什么？新状态的引入对于进程管理有用，新建态是对应于进程创建时的状态，进程尚未进入就绪队列。终止态的进程不再被调度执行，下一步将被系统撤销最终从系统消失。3、什么是进程的挂起状态？列出挂起进程的主要特征。挂起进程等同于不在主存的进程，因此，挂起进程不会参与第几调度知道它们被对换进主存。挂起进程具有以下特征：此进程不能立即执行；此进程可能会等待某事件发生，所等待的事件独立于挂起条件，事件结束并不能导致进程具备可执行条件；此进程进入挂起状态是由于操作系统、父进程或进程自身阻止其运行；进程挂起状态的结束命令只能通过操作系统或父进程出发。习题三1、解释并发性与并行性并发性的实质是一个物理CPU(也可以多个物理CPU)在若干程序之间多路復用，并发性是对有限物理资源强制行驶多用户共享以提高效率。并行性指的是两个或者两个以上的事件或活动在同一时刻发生。在多道程序环境下，并行性使多个程序同一时刻可在不同CPU上同时执行。2、什么是临界区和临界资源？临界区管理的基本原则是什么？临界区：是指并发进程中与共享变量有关的程序段临界资源：共享变量所代表的资源共享变量的并发进程应遵守临界区调度的三个原则：（1）一次之多有一个进程进入临界区内执行；（2）如果已有进程在临界区中，试图进入此临界区的其他进程应等待；（3）进入临界区内的进程应在有限时间内退出，以便让等待队列中的一个进程进入。3、试述产生死锁的必要条件。（1）互斥条件：系统中存在临界资源，进程应互斥地使用这些资源。（2）占有和等待条件：进程在请求资源得不到满足而等待时。不释放已占有的资源（3）不剥夺条件：已被占用的资源只能由属主释放，不允许被其他进程剥夺（4）循环等待条件：存在循环等待链，其中，每个进程都在链中等待下一个进程所持有的资源，造成这组进程处于永远等待状态习题四1、试述存储管理的基本功能。（1） 、分配和去配（2）、抽象和映射（3）、隔离和共享（4）、存储扩充2、试述计算机系统中的存储器层次。为什么要配置层次式存储器？计算机系统的存储器层次结构分为寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘、磁带等5层。计算机系统均采用层次结构的存储子系统，以便在容量大小、速度快慢、价格高低等诸多因素中取得平衡点，获得较好的性能/价格比。3、什么是移动技术？在什么情况下采用这种技术？当在未分配区表中中啊不到足够大的空闲区来装入新进程时，可采用移动技术把已在主存中的进程分区连接在一起，使分散的空闲区汇集成片，这就是移动技术。3、 试述实现虚拟存储器的基本原理。不必装入进程的全部信息，仅将当前使用部分先装入主存，其余部分存放在磁盘中，待使用时由系统自动将其装进来，这就是虚拟存储管理技术的基本思想。习题五1、试述各种I/O控制方式及其主要优、缺点。轮询方式：对I/O设备的程序轮询的方式，是早期的计算机系统对I/O设备的一种管理方式。它定时对各种设备轮流询问一遍有无处理要求。轮流询问之后，有要求的，则加以处理。在处理I/O设备的要求之后，处理机返回继续工作。尽管轮询需要时间，但轮询不比I/O设备的速度要快得多，所以一般不会发生不能及时处理的问题。当然，再快的处理机，能处理的输入输出设备的数量也是有一定限度的。而且，程序轮询毕竟占据了CPU相当一部分处理时间，因此程序轮询是一种效率较低的方式，