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《操作系统教程》(第4版)复习大纲多道程序设计程序的动态概念内存管理提高性能和利用率—提高CPU与I/O，I/O之间的并行度固定/动态分区、分页/分段处理器管理/进程抽象I/O设备管理,外部资源管理设备抽象,I/O软件的分层虚存抽象处理器调度虚拟分页虚拟段页式文件抽象单/多线程结构进程中断技术虚拟分段同步与互斥(PV,管程,进程通信)磁盘管理/调度死锁问题,必要条件,预防,避免,检测和解除文件逻辑结构文件物理结构文件目录,共享与保护虚拟文件系统I/O控制方式,缓冲技术设备分配,虚拟设备Spooling文件抽象计算题型分析•多道程序设计•CPU调度算法•死锁避免银行家算法，死锁检测•连续分配，分区分配：适配算法，伙伴系统•地址转换计算：分页管理方式；分段管理方式。•页面置换算法:•抖动现象，工作集•磁盘调度算法•文件系统的计算•PV操作、管程计算机系统的层次结构财务系统航空订票上网浏览电子商务科学计算(应用软件)编译程序汇编程序数据库(支撑软件)操作系统(系统软件)操作系统(系统软件)计算机硬件………用户n用户4用户3用户2用户1实用程序操作系统的定义、目标、作用、功能操作系统目标作用功能定义操作系统的资源管理技术资源复用资源虚化资源抽象资源管理技术空分复用共享时分复用共享对资源进行转化、模拟或整合，把物理上的一个资源变成逻辑上的多个对应物。创建软件来屏蔽硬件资源物理特性和接口细节，简化对其的操作、控制和使用。分时系统操作系统三个最基础抽象文件抽象虚存抽象进程抽象处理器主存设备虚拟计算机操作系统资源管理(复用、虚化、抽象)处II主辅理//器OO设设存存备备物理计算机虚虚虚虚处主辅设理存存备器虚拟机n进程Pn时分复用共享空分复用共享…虚虚虚虚处主辅设理存存备器虚拟机1进程P1从两个角度、两种方法、四种观点、围绕六个问题、细化为十个知识单元研究和观察操作系统研究和观察操作系统的不同角度、方法和观点OS是虚拟机系统实现的观点研究和观察操作系统用户角度系统角度OS是服务提供者OS是资源管理者OS是程序执行的控制者服务用户的观点管理资源的观点进程交互的观点静态观察方法动态观察方法四种观点(操作系统的作用)(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)操作系统作为资源管理者和控制者围绕六个问题研究操作系统•什么是操作系统?•为什么要操作系统?•操作系统是做什么的?•操作系统是如何做的?•操作系统是如何使用的?•操作系统是如何构造的?细化为十个知识单元1)概念与原理2)进程和线程3)处理器管理和调度4)同步、通信和死锁5)存储管理与虚拟存储器6)设备管理7)文件管理与虚拟文件系统8)安全与保护9)结构与设计、典型操作系统实例10)网络与分布式操作系统管理资源的观点管理资源的观点(1)•资源管理的观点是一种对操作系统功能由底到上的观察的观点。在底层，操作系统对软、硬件资源进行资源抽象、复用和虚化，实现资源分配、控制资源共享。•操作系统资源管理模块：处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理、网络管理功能等模块。管理资源的观点(2)•操作系统对资源进行抽象研究，找出资源的共性和个性，有序地管理各种软硬件资源。•记录资源使用情况，确定资源分配策略，实施资源分配和回收，满足用户对资源的需求。•提供机制来协调对资源的使用冲突，研究使用资源的统一方法，为用户提供资源使用手段，最大限度地实现资源共享，提高资源利用率。管理资源的观点(3)操作系统功能处理器管理存储管理文件管理设备管理网络管理处理器管理(1)中断中断处理程序中断响应中断屏蔽中断优先级中断分类中断定义多重中断处理按中断事件性质和激活手段来分类按中断信号来源来分类中断作用请求系统服务实现并行工作满足实时要求处理突发事件处理器管理(2)中断分类中断按事件的性质和激活方式分类程序运行中断处理程序中断装置机器故障中断事件程序性中断事件外部中断事件输入输出中断事件中断处理程序中断装置程序运行访管指令中断按事件的来源和实现手段分类硬中断软中断外中断(中断、异步中断)内中断(异常、同步中断)信号软件中断按事件来源和实现手段分类处理器管理(3)中断用法“中断”(硬中断)用于外部设备对CPU的中断(中断的是正在运行的任何程序)，转向中断处理程序上半部分执行；“异常”(硬中断)因指令执行不正常而中断CPU(中断的是正在执行这条指令的程序)，转向异常处理程序；“软件中断”(软中断)用于硬中断服务程序对内核的中断，在上半部分中发出软件中断(即标记下半部分)，使得中断下半部分在适当时刻获得处理；“信号”(软中断)用于内核或进程对某个进程的中断，通知进程某个特定事件发生或迫使进程执行信号处理程序。中断用法处理器管理(8)多道程序设计技术为什么要引入多道程序设计技术?多道的特征多道独立运行宏观上并行微观上串行引入多道程序设计技术的优点中断+通道---多道程序设计技术的基础处理机管理(9)进程进程的定义进程的属性进程的状态进程的组成进程上下文结构性共享性动态性独立性制约性并发性单线程进程定义多线程进程定义三态模型五态模型模型挂起状态模型程序块控制块数据块运行就绪阻塞标识信息现场信息控制信息用户级上下文系统级上下文寄存器上下文进程的控制创建撤销阻塞唤醒挂起激活为何引入进程处理机管理(11)核心态运行(2)系统调用或中断(隐含模式切换用户态运行(1)等待状态(4)就绪状态(3)唤醒调度进程中断、中断返回等待模式切换允许进程切换进程上下文切换和模式切换处理器管理(12)线程的实现用户级线程系统级线程混型式线程线程并发多线程优点并发多线程应用快速线程切换减少管理开销通信易于实现并发程度提高节省内存空间C/S应用模式前台后台工作加快计算速度设计用户接口异步方式处理为什么要引入线程线程的定义、结构、特性处理器管理(13)进程进程PCB资源多线程结构进程线程控制块用户栈核心栈线程控制块用户栈核心栈…线程n控制块用户栈核心栈存储区存储空间全局数据程序代码线程1线程1线程控制块…线程2线程1线程控制块用户栈核心栈线程i线程n处理器管理(14)作业(任务实体)线程(执行实体)进程(资源分配、保护实体)程序(求解问题指令集)作业、进程、线程、程序间的关系处理器管理(15)进程调度运行就绪等待输入状态后备状态完成状态预输入完成作业调度与进程调度关系及作业和进程状态转换作业控制作业调度(选中并创建进程)作业调度(作业终止并撤离)SPOOLing作业预输入SPOOLing作业缓输出处理器管理(16)处理器调度类型高级调度(作业调度)中级调度(内外对换)低级调度(进程/线程调度)剥夺式非剥夺式优先级剥夺时间片剥夺短进程优先处理器管理(17)作业/进程/线程调度算法单CPU调度多CPU调度实时调度先来先服务短作业(进程)优先最短剩余时间优先算法响应比最高优先算法优先数法时间片轮转法多级反馈队列彩票调度单比率调度限期调度最少裕度法负载共享调度群调度处理器专派调度动态调度存储管理(1)存储管理功能存储分配和回收地址转换存储共享存储扩充静态重定位静态重定位动态重定位存储保护界地址保护存储键保护页/段表特征保护覆盖技术虚存技求存储管理(2)地址转换与存储保护程序的编译、链接、装入和执行链接动态重定位静态重定位…源程序模块1源程序模块2源程序模块n…目标代码1目标代码2目标代码n可重定位目标代码(装载代码)(辅存)编译装入执行程序名字空间逻辑地址空间物理地址空间可执行二进代码(主存)库代码可执行二进代码(主存)存储管理(3)逻辑空间地址转换机构(MMU)静态转换动态转换物理空间相对地址(编写程序)绝对地址(访问内存)存储管理(4)存储管理方案单用户连续存储管理请求分页式固定分区存储管理可变分区存储管理分页存储管理分段存储管理firstfitnextfitbestfitworstfitquickfit虚拟存储管理实存管理请求分段式请求段页式存储管理(5)虚拟存储器的原理虚存的应用需求是虚存可行性的基础是虚存实现的主要技术是虚存实现支撑硬件是原理上讲，虚存空间大小等于小内存中运行大程序的要求程序的局部性原理部分装入和部分对换。主辅存独立编址统—使用技术地址动态重定位设施和快速磁盘计算机寻址范围存储管理(6)虚拟存储器的概念图逻辑地址空间处理器虚拟地址存储管理部件物理地址主存辅存物理地址空间存储管理(7)请求分页虚存原理页面页框页表逻辑地址快表地址转换页号+页内位移特征位、页框号、中断位、其他存储管理(8)请求分页虚存地址转换过程逻辑空间地址主存(用户区)CPU逻辑地址快表主存(系统区)运行进程页表辅存缺页中断处理①分解地址③⑤访问MMU②查快表③命中④不命中⑤页表命中⑦发缺页中断⑧调页⑨装入、改表④查页表运行进程页表基址⑥装入快表运行进程映象进程切换时装入物理地址页框页内地址页号页内地址存储管理(9)请求分页虚存页面替换算法(全局)OPT/Belady算法FCFSLRU二次机会时钟算法近访问位法NRU似多位计数器法实多位计时器法现访问位法、访问位+修改位法随机法Belady异常存储管理(10)请求分页虚存页面替换算法(局部)局部最佳页面替换算法工作集置换算法模拟工作集替换算法缺页频率替换算法存储管理(11)请求分段虚存原理段表逻辑地址地址转换段号+段内位移特征位、中断位、主存起址、其他段的二维地址结构存储管理(12)请求段页式虚存原理段表逻辑地址地址转换段号+段内页号+页内位移中断位、页表起址、其他页表中断位、页框号、特征位、其他存储管理(13)页框号页内位移目录位移页表页位移页内位移页框号页表页地址进程一级页表(页目录表)进程二级页表(页表页)物理地址逻辑地址页目录表控制寄存器二级页表地址转换过程存储管理(14)页框号位移进程标识页号位移进程标识页号特征位链指针索引物理地址逻辑地址··哈希函数哈希表反置页表及其地址转换设备管理(1)I/O控制方式中断驱动方式通道控制方式程序询问方式DMA控制方式I/O软件组成I/O设备驱动程序用户层I/O软件I/O中断处理程序与设备无关的OS软件设备管理功能设备中断处理设备驱动调度实现虚拟设备设备分配去配缓冲管理设备管理(2)具有通道的I/O工作原理I/O指令I/O程序CPU和CH的通信通道命令通道程序CAWCSW设备管理(3)I/O设备分类按共享属性按传输单位块设备字符设备独占设备共享设备虚拟设备设备分配分配技术分配算法静态分配动态分配虚拟分配先来先服务数据结构系统设备表设备控制表控制器控制表通道控制表设备类表设备表SPOOLing高优先服务设备管理(4)缓冲技术目的分类减少内外交换次数匹配CPU与设备速度提高CPU与设备并行性单缓冲双缓冲循环缓冲缓冲池设备管理(5)磁盘驱动调度目的算法缩短若干请求的总服务时间短查找优先扫描调度N步扫描调度电梯调度先来先服务循环扫描调度循环排序设备管理(7)虚拟设备SPOOLING原理SPOOLING数据结构SPOOLING组成SPOOLING应用作业表预输入表缓输出表预输入程序缓输出程序井管理程序用于打印机用于网络通信共享设备模拟独占设备设备管理(8)预输入程序作业1信息…作业n信息输入井作业1结果…作业n结果输出井缓输出程序井管理程序运行作业输入设备输出设备作业调度程序斯普林系统组成和结构文件管理(1)文件系统文件逻辑结构文件物理结构文件存取方法文件共享文件保护文件目录文件操作记录式文件流式文件连续文件、串联文件、直接文件、索引文件顺序存取、直接存取、索引存取静态共享、动态共享、链接共享访问矩阵、存取控制表、权能表打开、建立、关闭、撤销、读写、控制、定位…单级目录树型目录FCB、路径、当前目录、…记录键文件管理(2)123451234552413进程A虚存进程B虚存物理内存12345磁盘文件主存映射文件示意文件管理(3)EXTFSVFSinodecacheVFSdirectorycacheEXT2FSMSDOSFSMINIXFSVFSI/O设备驱动缓冲区缓存虚拟文件系统结构EXTFSVFSinodecache