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操作系统复习笔记王慧娇老师 操作系统教程第四版 1300310129 赵生平 记操作系统复习笔记Read Me第一章 概论1.1 操作系统概观1.1.2 操作系统的资源管理技术1.1.3 操作系统定义和作用1.1.4 操作系统功能和特性1.2 操作系统的发展和形成1.2.1 人工操作阶段1.2.2管理程序阶段1.2.3多道程序设计与操作系统形成1.2.4操作系统的发展与分类1.3操作系统提供的服务和用户接口1.3.2 程序接口与系统调用1.3.3 作业接口与操作命令4 主要结构第二章 处理机管理2.1中央处理器2.2中断2.3 进程2.4 线程2.5处理器调度及调度算法第三章 同步、通信与死锁3.1 并发进程3.1.1 顺序程序设计3.1.2 并发程序设计3.1.2 并发程序设计3.1.3进程的交往：竞争与协作3.2 临界区管理3.2.1 互斥与临界区3.2.2临界区管理的尝试3.2.3实现临界区的软件方法3.2.4实现临界区管理的硬件设施3.3 信号量与PV操作3.3.1同步和同步机制3.3.2 信号量与PV操作经典的进程同步问题哲学家进餐问题生产者消费者问题读者写者问题独木桥问题理发师问题死锁第四章 存储管理4.1 存储器工作原理4.2 连续存储管理4.3 离散存储管理技术4.4 虚拟存储器请求分页式虚拟存储器第五章 设备管理5.1 I/O硬件5.2 I/O软件5.3 缓冲技术5.4 磁盘I/O5.5虚拟设备第六章 文件管理Read Me第一章和第三章部分为个人学习总结，注意看小标题的规律，1.1.1 … 3.2.3这种是根据老师ppt复习，相对细致，但是重点性不强，请根据个人情况参考学习。第一章 概论1.1 操作系统概观计算机系统的层次结构硬件层 –程序运行的物理实体 操作系统层–提供程序运行所需要的各类资源及控制程序运行 系统程序层–支撑软件层 应用层– 应用程序的开发（编辑器、调试器等）1.1.2 操作系统的资源管理技术操作系统是软件系统的核心，是各种软件的基础运行平台通用操作系统提供共性功能支持，与硬件相关但和应用领域无关；支撑软件及应用软件不能直接而只能通过操作系统来使用计算机系统的物理资源。操作系统 目标？资源？1.1.3 操作系统定义和作用什么是操作系统？ 操作系统（本书定义）： 是管理系统资源、控制程序执行，改善人机界面、提供各种服务，合理组织计算机工作流程和为用户有效使用计算机提供良好运行环境的昀基本的一种系统软件。1.1.4 操作系统功能和特性操作系统的功能处理机管理 存储管理 设备管理 文件管理 网络与通信管理特性并发 共享 虚拟 异步 并发性是对有限物理资源强制行使多用户共享以提高效率。 共享：操作系统中的资源可被多个并发执行的进程所使用 虚拟性：操作系统中一类资源管理技术 异步：随机事件1.2 操作系统的发展和形成1.2.1 人工操作阶段手工操作多，浪费处理机时间，也极易发生差错，效率低，上下机时间拉长1.2.2管理程序阶段自动控制和处理作业流 提供一套操作命令 提供设备驱动和I/O控制功能 提供库程序和程序装配功能 提供简单的文件管理功能1.2.3多道程序设计与操作系统形成多道程序设计是指允许多个程序同时进入一个计算机系统的主存储器并启动进行计算的方法采用多道程序设计提高了效率，即提高了单位时间的算题量，但对每道程序来说，却延长了计算时间。多道程序设计技术提高资源利用率和系统吞吐率是以牺牲用户的响应时间为代价的。设程序等待I/O操作的时间占其运行时间的比例为p，当主存中有n道程序时，所有程序都等待I/O的概率是pn， 缺点: 作业周转时间延长,无交互能力 实现多道程序设计必须解决三个问题：存储保护与程序浮动；处理器的管理和调度；系统资源的管理和调度1.2.4操作系统的发展与分类1 批处理操作系统 用户脱机工作 ，成批处理作业 ，多道程序运行2 分时操作系统 同时性 独立性 及时性 交互性3 实时操作系统 利用率数据采集 加工处理 操作控制 反馈处理通用操作系统若某个操作系统兼具有批处理、分时和实时处理的全部或两种功能，则此操作系统为通用操作系统。1.3操作系统提供的服务和用户接口1.3.2 程序接口与系统调用系统调用内核提供的一系列具备特定功能的服务例程；通过一组称为系统调用的接口呈现给用户系统调用的作用内核可以基于权限和规则对资源访问进行裁决，以保证系统的安全性对系统调用进行抽象，提供一致接口，避免用户在使用资源时发生错误，提高编程效率。系统调用的实现要点访管指令：由于系统调用而引起处理器中断的机器指令。（自陷指令、中断指令）访管指令为非特权指令，在目态下执行将CPU切换到核心态。1.3.3 作业接口与操作命令接口类型： 操作接口： 操作接口又称作业级接口，是操作系统为用户操作控制计算机工作和提供服务的手段集合4 主要结构内核?内核(kernel或者nucleus) 是一组程序模块，包含操作系统中昀常用的功能，如进程管理、存储器管理、进程间通信、 低级I/O功能。中断处理、时钟管理、短程调度、原语管理核的属性：内核是由中断驱动的内核是不可抢占的内核部分程序在屏蔽中断状态下执行内核可以使用特权指令第二章 处理机管理2.1中央处理器非特权指令应用程序可以使用的指令 特权指令特权指令是指只能提供给操作系统的核心程序使用的指令，如启动I/O设备、设置时钟、控制中断屏蔽位、清主存、建立存储键，加载PSW程序状态字PSW程序运行时的一组动态信息的汇集，用来控制指令执行顺序并保留和指示与程序有关的系统状态，主要作用是实现程序状态的保护和恢复每个程序都有一个与其执行相关的PSW，每个处理器都设置一个PSW寄存器。程序占有处理器执行，它的PSW将占有PSW寄存器psw 内容：程序基本状态： (1) 程序计数器；(2) 条件码；(3）处理器状态位。中断码 ( 保存程序执行时当前发生的中断事件。)中断屏蔽位 ( 指明程序执行中发生中断事件时，是否响应出现的中断事件。)2.2中断中断的概念指程序执行过程中，遇到急需处理的事件时，暂时中止CPU上现行程序的运行，转去执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回原程序被中断处或调度其他程序执行的过程。分类外中断：又称为中断或异步中断，是指来自于处理器之外的中断信号，包括时钟中断、键盘中断、它机中断和外部设备中断等内中断：又称为异常或同步中断，是指来自于处理器内部的中断信号，通常是由于在程序执行过程中，发现与当前指令相关联的、不正常的或错误的事件 访管中断：执行系统调用硬件故障中断：电源失效、奇偶校验错误等程序性异常：非法操作、地址越界、页面故障、除数为零等响应过程在执行完当前指令后，或在执行当前指令的中途，根据中断源所提供的中断向量，在主存中找到相应服务程序的入口地址并调用此服务程序。发现中断源保护现场转向处理中断/异常事件的处理程序恢复现场2.3 进程为什么要引入进程？刻画系统的动态性，发挥系统的并发性，提高资源利用率它能解决系统的“共享性”，正确描述程序的执行状态进程？进程是可并发执行的程序在某个数据集合上的一次计算活动，也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位进程是一个既能用来共享资源，又能描述程序并发执行过程的一个基本单位。特性结构性：由程序段、数据段和进程控制块（PCB)组成共享性：多个不同的进程可以共享相同的程序动态性：进程的实质是进程实体的一次执行过程独立性：进程实体是一个能独立运行、独立分配资源和独立接受调度的基本单位异步性(制约性)：进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进并发性：多个进程同存于内存中，能在一段时间内同时运行。状态和转换就绪态：进程已经获得除CPU之外的所有资源运行态：进程已获得CPU，正在CPU上运行等待态（阻塞态）：由于发生某事件而暂时无法继续执行时处于的暂停状态5态模型进程映象(process image)进程控制块：（后面讲解）进程程序块:进程一次执行完成的功能进程核心栈：进程在内核态工作时，用来保存的中断/异常现场，过程调用或系统调用中的信息存储和参数传递进程数据块:私有地址空间，用户栈也在数据块中PCB进程控制块PCB，是操作系统用于记录和刻划进程状态及有关信息的数据结构PCB中记录了操作系统所需的、用于描述进程的当前情况以及控制进程运行的全部信息PCB的作用：使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序，成为一个能独立运行的基本单位。OS是根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理的。PCB是进程存在的唯一标识。进程上下文切换保存老进程的上下文，装入新进程的上下文，以便新进程运行。进程切换发生在内核态处理器模式切换（处理器状态转换）当中断发生时，暂时中断正在执行的用户进程，把处理器的状态从用户状态切换到内核状态，去执行操作系统例行程序以获得服务，这就是一次模式切换2.4 线程线程引入？操作系统中再引入线程，则是为了减少程序并发执行时所付出的时空开销，使得并发粒度更细、并发性更好线程？进程中能够并发的实体，是进程的组成部分，也是处理器调度和分配的基本单位。允许进程中包含多个线程，这些线程共享进程的主存空间和资源，可以为完成某一项任务而协同工作线程调度内核级线程：通常操作系统会选择一个优先级高的线程，而不管它属于哪个进程用户级线程：内核并不知道线程的存在，所以操作系统调度的是进程。由进程的的线程调度程序决定哪个线程运行线程与进程的比较 ？2.5处理器调度及调度算法高级调度：选择外存上处于后备队列的一个或几个作业调入内存、分配必要资源 ，并将新创建的进程排在就绪队列中中级调度 ：负责进程在内存和外存对换区之间换进换出，是内存对换功能的一部分低级调度 ：从就绪队列中选择一个进程，分配处理机，执行进程周转时间 作业从提交到完成（得到结果）所经历的时间等待时间带权周转时间 周转时间执行时间平均周转时间 平均带权周转时间 调度算法 必考先来先服务(First Come First Served,FCFS) : 昀简单的调度算法，按先后顺序进行调度昀短进程优先 (SJF) 进入系统的作业所要求的CPU时间为标准，总选取估计计算时间昀短的作业投入运行。昀短剩余时间优先（Shortest Remaining Time First, SRTF） 新作业进入就绪状态，如果新作业需要的CPU时间比当前正在执行的作业的剩余CPU时间短，SRTF强行赶走当前正在执行作业响应比昀高者优先(Highest Response Ratio First, HRRF) 饥饿现象不会发生优先级调度算法 : 这种算法是根据确定的优先级来选取进程/线程，每次总是选择优先级昀高的进程/线程 (分剥夺式和非剥夺式)第三章 同步、通信与死锁3.1 并发进程3.1.1 顺序程序设计特点：顺序性、封闭性、确定性、可再现性响应比等待时间要求执行时间要求执行时间等待时间要求执行时间3.1.2 并发程序设计并发的实质和特点一个处理器在几个进程之间的多路复用并发是对有限的物理资源强制行使多用户共享，消除计算机部件之间的互等现象，以提高系统资源利 用率。特点：间断性、失去封闭性、不可再现性程序与计算不再一一对应在3.1.2 并发程序设计并发进程的特性并发进程分类：无关的和交互的无关的并发进程：一组并发进程分别在不同的变量集合上操作，一个进程的执行与其他并发进程的进展无关。交互的并发进程，共享某些变量，一个进程的执行可能影响其他进程的执行结果，并发的进程之间具有制约关系并发进程的无关性是进程的执行与时间无关的一个充分条件，又称为Bernstein条件。，表示程序#p_i#在执行期间引用的变量集（读集），表示程序pi在执行期间改变的变量集（写集）若两个程序的读集和写集满足以下关系: 则并发进程的执行与时间无关与时间有关的错误对于一组交往的并发进程，执行的相对速度无法相互控制，各种与时间有关的错误就可能出现与时间有关错误的表现形式： 结果不唯一 (P166) 永远等待 (P167)3.1.3进程的交往：竞争与协作竞争：系统