计算机应用基础第三章操作系统

计算机应用基础第三章操作系统操作系统概述操作系统的基本特性进程管理内存管理文件系统设备管理操作系统概述01是一组主管并控制计算机操作、运用和运行硬件、软件资源和提供公共服务来组织用户交互的相互关联的系统软件程序。是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。是用户和计算机之间的接口，是计算机硬件和其他软件的应用程序。操作系统的定义处理机管理功能创建和撤销进程（线程），对诸进程（线程）的运行进行协调，实现进程（线程）之间的信息交换，以及按照一定的算法把处理机分配给进程（线程）。多道程序环境下，存储器的分配、保护和扩充。完成用户的I/O请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率。实现文件的存取、共享和保护。存储器管理功能设备管理功能文件管理功能操作系统的功能批处理操作系统将用户群的程序按一定的顺序排列，统一交给计算机的输入设备，计算机自动地、成批地处理这些作业，然后进行结果输出。分时操作系统一台主机连接了若干个终端，每个终端有一个用户在使用。用户交互式地向系统提出命令请求，系统接受每个用户的命令，采用时间片轮转方式处理服务请求，并通过交互方式在终端上向用户显示结果。实时操作系统系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理。操作系统的分类基于计算机网络的，是在各种计算机操作系统上按网络体系结构协议标准开发的软件，包括网络管理、通信、安全、资源共享和各种网络应用。大量的计算机通过网络被连结在一起，可以获得极高的运算能力及广泛的数据共享。操作系统的分类分布式操作系统网络操作系统操作系统的基本特性02010204并发性并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。操作系统的并发性是指计算机系统中同时存在多个运行着的程序。宏观上在一段时间内有多道程序在同时执行，而微观上这些程序是在交替执行的。操作系统通过引入进程和线程，使得程序能够并发执行。03共享性是指操作系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。互斥共享的资源称为临界资源，例如打印机等，在同一时间只允许一个进程访问，需要用同步机制来实现互斥访问。共享可分为以下两种资源共享方式：互斥共享方式和同时访问方式。同时访问的资源允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。共享性

虚拟性虚拟性是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑上对应物是用户感受到的。虚拟技术可应用于不同级别，如虚拟处理器、虚拟内存和虚拟外部设备等，操作系统的虚拟技术能大大方便用户的使用和提高系统性能。0102异步性这意味着我们必须考虑在操作系统中可能出现与时间有关的错误，通过进程同步机制来解决这些问题。异步性是指操作系统允许多个并发活动进程的存在，进程的执行不是一贯到底的，而是走走停停，以不可预知的速度向前推进。进程管理03进程是操作系统中进行资源分配和调度的基本单位，是程序的执行过程。进程具有动态性、并发性、独立性、异步性等基本特征。进程的状态信息存储在进程控制块PCB中，操作系统通过PCB对进程实施控制和管理。进程的概念进程状态之间的转换包括就绪→执行、执行→就绪、执行→阻塞、阻塞→就绪。引起进程状态转换的典型事件包括进程创建、进程调度、时间片到、I/O请求等。进程的状态与转换PCB是进程存在的唯一标识，包含进程的标识符、处理机状态、进程调度信息和进程控制信息等内容。PCB的组织方式有线性方式、链接方式和索引方式三种。PCB的作用是实现进程的同步与通信、实现进程调度以及实现进程的控制与管理。进程控制块PCB010405060302常见的进程调度算法有先来先服务FCFS、短作业优先SJF、优先级调度算法PSA、时间片轮转RR和多级反馈队列调度算法MLFQ等。FCFS算法按照进程到达的先后顺序进行服务，简单易实现，但可能导致长作业等待时间过长。SJF算法以作业长短作为选择依据，追求最少的平均等待时间，但对长作业不利。PSA算法根据进程的优先级进行调度，可以灵活调整以满足不同需求，但需要合理设置优先级。RR算法按照时间片轮转方式调度进程，兼顾长短作业，但需要合理设置时间片大小。MLFQ算法根据进程的历史信息和当前状态进行动态优先级调整，实现较好的综合性能，但实现相对复杂。进程调度算法内存管理04动态分配在程序装入或运行时动态地为其分配内存空间，包括页式分配、段式分配和段页式分配三种方式。静态分配在程序编译或链接时确定程序在内存中的位置，包括固定分区分配和可变分区分配两种方式。回收策略当程序运行结束或不再需要某块内存时，操作系统需要将其回收并重新分配给其他程序使用，包括直接回收和间接回收两种方式。内存的分配与回收内存保护01为了确保各道程序都在自己的内存空间内运行，互不干扰，操作系统需要提供内存保护机制，如界地址保护、访问权限保护等。内存共享02允许多个程序共享内存中同一区域的内容，以提高内存的利用率和程序的执行效率。共享的方式包括基于页面的共享、基于段的共享等。缓冲区管理03为了解决CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU和I/O设备的并行性，操作系统需要在内存中开辟缓冲区来暂存数据。缓冲区的管理策略包括单缓冲、双缓冲、循环缓冲和多缓冲等。内存的保护与共享虚拟内存技术虚拟内存的基本概念：虚拟内存是一种内存管理技术，它将程序的逻辑地址空间与物理内存分开，使得程序可以使用比物理内存更大的地址空间。请求分页存储管理：将程序的逻辑地址空间划分为大小相等的页面，当程序需要装入内存时，只将部分页面装入内存，其余页面留在外存上。当程序访问到不在内存的页面时，产生缺页中断，由操作系统将所需页面调入内存。请求分段存储管理：将程序的逻辑地址空间划分为若干个大小不等的段，每个段定义了一组逻辑信息。请求分段存储管理允许只装入部分段，其余段留在外存上，在需要时再调入内存。段页式存储管理：结合了分段和分页两种技术的优点，先将程序的逻辑地址空间划分为若干个段，每个段内再划分为大小相等的页面。这样既便于实现段的共享和保护，又能利用分页技术提高内存的利用率。文件系统05文件是计算机中存储数据的基本单位，通常是一组相关数据的集合。文件的定义文件系统是操作系统中负责管理文件和文件存储空间的软件组件，它提供了一种在计算机上组织、存储和访问文件的方式。文件系统的概念包括文件的创建、打开、读写、关闭、删除等操作，以及文件的组织和存储管理。文件系统的功能文件与文件系统123文件的逻辑结构是指从用户观点出发所观察到的文件组织形式，是用户可以直接处理的数据及其结构。逻辑结构的定义包括流式文件和记录式文件。流式文件是有序字符的集合，记录式文件是一组有结构的记录的集合。逻辑结构的类型流式文件适用于无结构的数据，如文本文件；记录式文件适用于有结构的数据，如数据库文件。逻辑结构的特点文件的逻辑结构物理结构的定义文件的物理结构是指文件在存储设备上的存放方法，是操作系统针对文件的物理存储介质进行管理和优化的结果。物理结构的类型包括连续结构、链接结构和索引结构。连续结构是将文件信息存放在一组连续的存储块中；链接结构是将文件信息存放在非连续的存储块中，并通过指针链接起来；索引结构是通过索引表来管理文件的存储位置。物理结构的特点连续结构适用于顺序访问的文件；链接结构适用于非顺序访问且不需要经常修改的文件；索引结构适用于需要随机访问且经常修改的文件。文件的物理结构要点三目录的概念目录是文件系统中用于组织和管理文件的层次化数据结构，它记录了文件的名称、位置、大小等属性信息。要点一要点二目录的结构包括一级目录结构、二级目录结构和多级目录结构。一级目录结构将所有文件都放在根目录下；二级目录结构将文件按用户分组，每个用户都有自己的目录；多级目录结构采用树形结构，可以表示复杂的层次关系。目录的管理包括目录的创建、删除、修改和遍历等操作。操作系统提供了相应的系统调用来实现这些操作，如mkdir()用于创建目录，rmdir()用于删除目录等。要点三文件目录管理设备管理06目标设备识别与配置设备访问控制设备故障处理设备管理的目标和功能01020304确保设备的高效、可靠和安全使用，同时为用户提供方便的设备使用接口。自动识别系统内的各类设备，并进行相应的配置和初始化。提供设备访问接口，对用户或应用程序的设备访问请求进行控制和管理。监测设备的运行状态，对设备故障进行诊断和处理。ABCD程序直接控制方式由用户程序直接控制I/O操作，CPU等待I/O操作完成后才继续执行后续指令。DMA控制方式在主存与设备之间开辟直接数据通路，由DMA控制器控制数据传输，减轻CPU负担。通道控制方式通道是一个独立于CPU的专管I/O操作的控制机构，它可以控制多个设备，实现I/O操作的并行处理。中断控制方式当I/O操作完成时，设备控制器通过中断请求通知CPU，CPU响应中断后处理I/O操作结果。I/O控制方式03设备回收当设备不再被使用或出现故障时，需要进行设备回收操作，包括撤销设备分配、关闭设备文件和释放相关资源等。01设备分配策略根据设备的特性、用户需求和系统性能等因素，制定合理的设备分配策略，如独占分配、共享分配和虚拟分配等。02设备分配算法常