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1、操作系統(tǒng)復(fù)習(xí)指導(dǎo),操作系統(tǒng)基本概念,操作系統(tǒng)是控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程及方便用戶使用的程序和數(shù)據(jù)的集合。,操作系統(tǒng)的功能和主要特征,,主要功能: 處理機(jī)管理 存儲管理 設(shè)備管理 文件管理 用戶接口,主要特征 并發(fā)性 共享性 虛擬性 不確定性 （隨機(jī)性）,操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),兩部分：內(nèi)核、核外部分。 內(nèi)核有兩種組織形式： 強(qiáng)內(nèi)核 微內(nèi)核,單用戶操作系統(tǒng) 批處理操作系統(tǒng) 分時(shí)操作系統(tǒng) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 分布式操作系統(tǒng) 多處理操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)的分類,五大類型(批處理、實(shí)時(shí)、分時(shí)、網(wǎng)絡(luò)、分布),用戶與操作系統(tǒng)的接口,用戶與操作系統(tǒng)的三級接口 作業(yè)（命令）控

2、制級接口 程序級接口 圖形級接口,四個(gè)概念: 系統(tǒng)態(tài)、用戶態(tài)、特權(quán)指令、訪管制令,作業(yè)的概念、組成以及作業(yè)控制塊的內(nèi)容,作業(yè)：由不同的順序相連的作業(yè)步組成。 作業(yè)步：在一個(gè)作業(yè)的處理過程中，計(jì)算機(jī)所做的相對獨(dú)立的工作。 作業(yè)流：一次有一批作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)，并在操作系統(tǒng)控制下，一個(gè)接一個(gè)地順序進(jìn)行處理。,作業(yè)由程序、數(shù)據(jù)和作業(yè)說明書三部分組成。,系統(tǒng)調(diào)用的概念 實(shí)現(xiàn)過程 與普通過程調(diào)用的區(qū)別,系統(tǒng)調(diào)用,定義：指系統(tǒng)為用戶程序調(diào)用操作系統(tǒng)核心中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的過程（子程序）。,系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)過程,實(shí)際上系統(tǒng)調(diào)用語句本身是硬件提供的（機(jī)器指令），但其所調(diào)用的功能是操作系統(tǒng)提供的。每種機(jī)器的機(jī)器指令集中都有

3、一條系統(tǒng)調(diào)用指令。,作業(yè)調(diào)度,作業(yè)調(diào)度性能衡量指標(biāo),(1)作業(yè)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間T (Ti為每個(gè)作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間；tc作業(yè)完成時(shí)刻；ts作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)刻),(2)平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間W （Ti為每個(gè)作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間；tr為作業(yè)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間）,作業(yè)調(diào)度算法,先來先服務(wù)（FCFS）：按照作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)的先后次序進(jìn)行調(diào)度，先進(jìn)入系統(tǒng)者先調(diào)度；即啟動等待時(shí)間最長的作業(yè)。 短作業(yè)優(yōu)先（SJF）：以要求運(yùn)行時(shí)間長短進(jìn)行調(diào)度，即啟動要求運(yùn)行時(shí)間最短的作業(yè)。,高響應(yīng)比優(yōu)先（HRF: Highest Response Ratio Next ）：響應(yīng)比最高的作業(yè)優(yōu)先啟動。 響應(yīng)比= 周轉(zhuǎn)時(shí)間 / 估計(jì)運(yùn)行時(shí)間 =（

4、等待時(shí)間+估計(jì)運(yùn)行時(shí)間）/ 估計(jì)運(yùn)行時(shí)間 = 1 + 等待時(shí)間 / 估計(jì)運(yùn)行時(shí)間 高優(yōu)先級優(yōu)先（HPF：Highest Priority First）：由用戶指定作業(yè)優(yōu)先級，優(yōu)先級高的作業(yè)啟動。,假設(shè)在單道批處理環(huán)境下有四個(gè)作業(yè)，已知它們進(jìn)入系統(tǒng)的時(shí)間、估計(jì)運(yùn)行時(shí)間，應(yīng)用先來先服務(wù)、最短作業(yè)優(yōu)先和最高響應(yīng)比優(yōu)先作業(yè)調(diào)度算法，分別計(jì)算出作業(yè)的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間和帶權(quán)的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間。,最短作業(yè)優(yōu)先算法結(jié)果,最高響應(yīng)比優(yōu)先算法結(jié)果,先來先服務(wù)調(diào)度算法計(jì)算結(jié)果,順序程序特征： 程序執(zhí)行的順序性 程序執(zhí)行的封閉性 程序執(zhí)行結(jié)果的確定性（可再現(xiàn)性）,多道程序設(shè)計(jì)的特征 并發(fā)性 獨(dú)立性 動態(tài)隨機(jī)性 相互制

5、約性,進(jìn)程定義：Process 進(jìn)程是一個(gè)具有一定獨(dú)立功能的程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上的一次動態(tài)執(zhí)行過程，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的獨(dú)立單位,進(jìn)程,進(jìn)程的組成要素： 用戶程序 用戶數(shù)據(jù) 進(jìn)程控制塊PCB,進(jìn)程的特征 動態(tài)性 獨(dú)立性 并發(fā)性、異步性 結(jié)構(gòu)化,進(jìn)程與程序的區(qū)別 進(jìn)程是動態(tài)的，程序是靜態(tài)的; 進(jìn)程是暫時(shí)的，程序的永久的; 進(jìn)程與程序的組成不同; 進(jìn)程可以創(chuàng)建其它進(jìn)程，而程序不能； 進(jìn)程與程序的對應(yīng)關(guān)系：通過多次執(zhí)行，一個(gè)程序可對應(yīng)多個(gè)進(jìn)程；通過調(diào)用關(guān)系，一個(gè)進(jìn)程可包括多個(gè)程序。,系統(tǒng)為了管理進(jìn)程設(shè)置的一個(gè)專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存放了用于描述該進(jìn)程情況和控制進(jìn)程運(yùn)行所需的全部信

6、息。 系統(tǒng)利用PCB來控制和管理進(jìn)程，所以PCB是系統(tǒng)感知進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志。 進(jìn)程與PCB是一一對應(yīng)的。,進(jìn)程控制塊 (PCB, process control block),進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,中斷、 內(nèi)核、 原語,基本概念,處理機(jī)調(diào)度的層次,引進(jìn)進(jìn)程調(diào)度的時(shí)機(jī),當(dāng)一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行完畢，或由于某種錯(cuò)誤而終止運(yùn)行 當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行中處于阻塞狀態(tài)（等待I/O） 當(dāng)有一個(gè)優(yōu)先級更高的進(jìn)程就緒（可搶占式） 例如：新創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，一個(gè)等待進(jìn)程變成就緒 在進(jìn)程通信中，執(zhí)行中的進(jìn)程執(zhí)行了某種原語操作（P操作，阻塞原語，喚醒原語） 分時(shí)系統(tǒng)中時(shí)間片到,常用進(jìn)程調(diào)度算法,先進(jìn)先出(FIFO)算法 最短CPU運(yùn)行

7、期優(yōu)先調(diào)度算法 最高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先調(diào)度算法 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法 多級反饋隊(duì)列,線程的特點(diǎn)： 是進(jìn)程的一個(gè)實(shí)體，可作為系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位。 不擁有系統(tǒng)資源（只擁有從屬進(jìn)程的全部資源，資源是分配給進(jìn)程） 一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程可并發(fā)執(zhí)行。（進(jìn)程可創(chuàng)建線程執(zhí)行同一程序的不同部分）,線程（Thread）,定義：是進(jìn)程的一個(gè)實(shí)體，是CPU調(diào)度的基本單位。線程自己基本上不擁有系統(tǒng)資源，只留有幾個(gè)寄存器，但它可以與同屬同一個(gè)進(jìn)程的其他線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。,進(jìn)程互斥：指在多道程序環(huán)境下，每次只允許一個(gè)進(jìn)程對臨界資源進(jìn)行訪問。 進(jìn)程同步：指多個(gè)相關(guān)進(jìn)程在執(zhí)行次序上的協(xié)調(diào)。 臨界資源:一次僅供一個(gè)進(jìn)程使用

8、的資源。 在進(jìn)程中涉及到臨界資源的程序段叫臨界區(qū)。 多個(gè)進(jìn)程的臨界區(qū)稱為相關(guān)臨界區(qū)。,進(jìn)程互斥與同步機(jī)制,信號量及P.V操作,信號量的物理含義： S0表示有S個(gè)資源可用 S=0表示無資源可用 S<0則| S |表示S等待隊(duì)列中的進(jìn)程個(gè)數(shù) P(S)：表示申請一個(gè)資源。 V(S)：表示釋放一個(gè)資源，信號量的初值應(yīng)該大于等于0。,P(S)： S=S-1; 若S0，則調(diào)用P(S)的進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行； 若S<0，則調(diào)用P(S)的進(jìn)程被阻塞，并把它插入到等待信號量S的阻塞隊(duì)列中。 ,P操作的原語,V(S)： S=S+1; 若S0，則調(diào)用V(S)的進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行； 若S0，從等待信號量S的阻塞隊(duì)列中喚醒頭一個(gè)進(jìn)程

9、， 然后調(diào)用V(S)的進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行。,V操作的原語,利用P.V操作 實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的同步與互斥,司機(jī)與售票員問題 生產(chǎn)者與消費(fèi)者問題,管程：把分散的各同類臨界區(qū)集中起來。并為每個(gè)可共享資源設(shè)立一個(gè)專門的機(jī)構(gòu)來統(tǒng)一管理各進(jìn)程對該資源的訪問。,消息緩沖通訊技術(shù)的基本思想是：根據(jù)“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”原理，利用內(nèi)存中公用消息緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的信息交換。,死鎖,概念：如果在一個(gè)進(jìn)程集合中的每個(gè)進(jìn)程都在等待只能由該集合中的其他一個(gè)進(jìn)程才能引發(fā)的事件，則稱這一組進(jìn)程或系統(tǒng)此時(shí)發(fā)生了死鎖。,四個(gè)必要條件： 互斥控制（資源獨(dú)占） 非剝奪控制（不可剝奪） 逐次請求（部分分配，占有申請） 環(huán)路條件（循環(huán)等待）,原因：系統(tǒng)

10、資源不足； 進(jìn)程推進(jìn)順序不合適；,對死鎖的采取的對策,(1) 鴕鳥策略。 (2) 預(yù)防策略。 (3) 避免策略。 (4) 檢測和解除。,預(yù)防死鎖,破壞死鎖四個(gè)必要條件中的一個(gè)或多個(gè)，來防止死鎖。,解決方法： 靜態(tài)資源分配 資源有序分配法,系統(tǒng)中對進(jìn)程發(fā)出的每一個(gè)系統(tǒng)能夠滿足的資源申請進(jìn)行動態(tài)檢查，并根據(jù)檢查結(jié)果決定是否分配資源；如果分配后系統(tǒng)可能發(fā)生死鎖，則不予分配，否則予以分配。,避免死鎖,最具有代表性算法：銀行家算法。,例如，設(shè)系統(tǒng)中有 10 臺磁帶機(jī)，由三個(gè)進(jìn)程A、B、C共享。假定A、B、C已分別占用了 2 臺、3 臺、3 臺，它們的最大需求量分別為4 臺、 6 臺、 8 臺。（假定只

11、有當(dāng)滿足了最大需求量后才能釋放所占用的全部資源。）,單項(xiàng)資源的銀行家算法,P2: 5 3 2 P4: 7 4 3 P1: 7 5 3 P3: 10 5 5 P5: 10 5 7,P2 P4 P1 P3 P5,多項(xiàng)資源的銀行家算法,地址變換(地址再定位,地址映射),直接指定方式:程序員在編序時(shí)或編譯程序?qū)υ闯绦蜻M(jìn)行編譯時(shí)，所用的是實(shí)際存儲地址。 名空間程序 邏輯空間邏輯地址（相對地址，虛地址） 存儲空間物理地址（絕對地址，實(shí)地址）,邏輯地址（相對地址，虛地址）：用戶的程序經(jīng)過匯編或編譯后形成目標(biāo)代碼，目標(biāo)代碼通常采用相對地址的形式。 物理地址（絕對地址，實(shí)地址）：內(nèi)存中存儲單元的地址。物理地址可

12、直接尋址。 地址映射：將用戶程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為運(yùn)行時(shí)由機(jī)器直接尋址的物理地址。,分區(qū)存儲管理,原理：把內(nèi)存分為一些大小相等或不等的分區(qū)，每個(gè)應(yīng)用進(jìn)程占用一個(gè)或幾個(gè)分區(qū)。每個(gè)進(jìn)程占據(jù)一個(gè)分區(qū)。 特點(diǎn)：適用于多道程序系統(tǒng)和分時(shí)系統(tǒng) 支持多個(gè)程序并發(fā)執(zhí)行 難以進(jìn)行內(nèi)存分區(qū)的共享 問題：可能存在內(nèi)碎片和外碎片。 內(nèi)碎片：占用分區(qū)之內(nèi)未被利用的空間 外碎片：占用分區(qū)之間難以利用的空閑分區(qū)。,固定分區(qū),預(yù)先把可分配的主存儲器空間分割成若干個(gè)連續(xù)區(qū)域，稱為一個(gè)分區(qū)。每個(gè)分區(qū)的大小可以相同也可以不同，但分區(qū)大小固定不變，每個(gè)分區(qū)裝一個(gè)且只能裝一個(gè)作業(yè)。,相關(guān)技術(shù)： 覆蓋 交換,可變分區(qū),按空閑塊鏈接方式不

13、同，有四種分配算法： 首次適應(yīng)法 下次適應(yīng)法（循環(huán)首次適應(yīng)法） 最佳適應(yīng)法 最壞適應(yīng)法,可再定位式分區(qū)和多重分區(qū) 概念和原理,分頁存儲管理,頁：把用戶程序按邏輯頁劃分成大小相等的部分。用戶程序分頁的劃分是由系統(tǒng)自動完成的，對用戶是透明的。一頁的大小為2的整數(shù)次冪。 內(nèi)存塊：按頁的大小劃分為大小相等的區(qū)域，稱為內(nèi)存塊（又叫物理頁面，頁框）。 內(nèi)存分配：以頁為單位進(jìn)行分配，并按作業(yè)的頁數(shù)多少來分配。邏輯上相鄰的頁，物理上不一定相鄰，通過頁表把作業(yè)的各個(gè)頁面與內(nèi)存塊對應(yīng)起來。,頁面變換表,列出了作業(yè)的邏輯地址與主存中的物理地址間的對應(yīng)關(guān)系。 頁面大小: 頁面的大小應(yīng)適中，且頁面大小應(yīng)是2的冪 一個(gè)頁

14、表中包含若干個(gè)表目，自然序號對應(yīng)于用戶程序中的頁號，塊號是該頁對應(yīng)的物理塊號。 頁面變換表的每一個(gè)表目除了包含指向頁框的指針外，還包括一個(gè)存取控制字段。,請求式分頁存儲管理,與純分頁存儲管理不同，請求式分頁管理系統(tǒng)在進(jìn)程開始運(yùn)行之前，不是裝入全部頁面，而是裝入一個(gè)或零個(gè)頁面，之后根據(jù)進(jìn)程運(yùn)行的需要，動態(tài)裝入其它頁面；當(dāng)內(nèi)存空間已滿，而又需要裝入新的頁面時(shí)，則根據(jù)某種算法淘汰某個(gè)頁面，以便裝入新的頁面。,缺頁中斷 當(dāng)要訪問的頁面不在內(nèi)存時(shí)，便產(chǎn)生一缺頁中斷，請求OS將所缺的頁面調(diào)入內(nèi)存。,頁面置換算法 ,先進(jìn)先出置換算法 最近最久未用置換算法(LRU) 近似的LRU算法（NRU算法）,先進(jìn)先出(

15、FIFO)頁面置換算法,基本思想：置換時(shí) 首先淘汰在內(nèi)存中駐留時(shí)間最長的頁面，即最早進(jìn)入主存的頁面。,FIFO M=3 缺頁中斷次數(shù)：F=9 缺頁率：f=9/12=75%,最近最久未用(LRU)置換算法,基本思想：當(dāng)需要置換一頁時(shí)， 選擇在最近一段時(shí)間最久未用的頁予以淘汰。,LRU M=3 缺頁中斷次數(shù)：F=10 缺頁率：f=10/12=83%,分段存儲管理,原理：按程序自身的邏輯關(guān)系劃分為若干個(gè)程序段，每個(gè)程序段都有一個(gè)段名，且有一個(gè)段號。段號從0開始，每一段也從0開始編址，段內(nèi)地址是連續(xù)的。,內(nèi)存劃分 內(nèi)存空間被動態(tài)的劃分為若干個(gè)長度不相同的區(qū)域，稱為物理段，每個(gè)物理段由起始

16、地址和長度確定。 內(nèi)存分配 以段為單位分配內(nèi)存，每一個(gè)段在內(nèi)存中占據(jù)連續(xù)空間（內(nèi)存隨機(jī)分割，需要多少分配多少），但各段之間可以不連續(xù)存放。,段表,記錄了段號，段的首（地）址和長度之間的關(guān)系。每一個(gè)程序設(shè)置一個(gè)段表，放在內(nèi)存， 屬于進(jìn)程的現(xiàn)場信息。,分頁與分段的主要區(qū)別,段是信息的邏輯單位，它是根據(jù)用戶的需要?jiǎng)澐值?，因此段對用戶是可見的；頁是信息的物理單位，是為了管理主存的方便而劃分的，對用戶是透明的?頁的大小固定不變，由系統(tǒng)決定。段的大小是不固定的，它由其完成的功能決定。 段式向用戶提供的是二維地址空間，頁式向用戶提供的是一維地址空間，其頁號和頁內(nèi)偏移是機(jī)器硬件的功能。 由于段是信息的邏輯

17、單位，因此便于存貯保護(hù)和信息的共享，頁的保護(hù)和共享受到限制。,段頁式存儲管理,段頁式管理吸收了分段的地址空間按邏輯意義分段的優(yōu)點(diǎn)和分頁在存儲空間管理上的優(yōu)點(diǎn)，不把段看成一個(gè)單一的連續(xù)整體來實(shí)現(xiàn)，而是將每個(gè)段分成若干頁面來管理。 進(jìn)程的邏輯地址由三個(gè)部分組成：即段號s，頁號p，和頁內(nèi)相對地址w。,段表長度,段表控制寄存器,段表,,,內(nèi)存,起始地址,,第0段頁表,第2段頁表,,5,6,,12,,19,20,,,,,,,,段頁式地址映像,段表長度指某個(gè)作業(yè)進(jìn)程所含段的數(shù)量； 頁表長度指一個(gè)段所占用的頁的數(shù)量。,設(shè)備管理,設(shè)備的分類:按照功能、數(shù)據(jù)組織、資源分配和數(shù)據(jù)傳輸速率 設(shè)備的獨(dú)立性 設(shè)備的統(tǒng)一

18、性,設(shè)備控制器的組成,程序直接控制方式。 (2) 程序中斷I/O方式。 (3) DMA方式。 (4) 通道方式。,I/O控制方式,DMA方式下的數(shù)據(jù)傳輸,通道分類: 字節(jié)多路通道 選擇通道 數(shù)組多路通道,通道,通道工作原理：CPU、通道,IO軟件的層次,中斷處理程序 設(shè)備驅(qū)動程序 與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件 用戶層的輸入/輸出軟件,設(shè)備管理中的四種控制塊,I/O系統(tǒng)的設(shè)備分配 按如下步驟實(shí)施設(shè)備分配： 分配設(shè)備。 (2) 分配控制器。 (3) 分配通道。,I/O控制,單緩沖 雙緩沖 多緩沖 緩沖池,緩沖區(qū)管理,文件：是指具有符號名的數(shù)據(jù)信息的集合。 邏輯記錄：構(gòu)成文件內(nèi)容和對文件進(jìn)行存取控制的基本

19、單位。 文件系統(tǒng)：操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理和存取文件信息的軟件機(jī)構(gòu)，是對文件存儲器的存儲空間進(jìn)行組織和分配，負(fù)責(zé)文件的存儲并對存入的文件進(jìn)行保護(hù)和檢索的系統(tǒng)。,文件與文件系統(tǒng),文件的分類與邏輯結(jié)構(gòu),1）連續(xù)文件（順序結(jié)構(gòu)） 文件的信息存放在若干連續(xù)的物理塊中 2）串聯(lián)文件（鏈接結(jié)構(gòu)） 一個(gè)文件的信息存放在若干不連續(xù)的物理塊中，各塊之間通過指針連接，前一個(gè)物理塊指向下一個(gè)物理塊 3）隨機(jī)文件（索引結(jié)構(gòu)） 一個(gè)文件的信息存放在若干不連續(xù)物理塊中，系統(tǒng)為每個(gè)文件建立一個(gè)專用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)--索引表，并將這些塊的塊號存放在一個(gè)索引表中,文件的物理結(jié)構(gòu),文件控制塊（FCB）：文件控制塊是操作系統(tǒng)為管理文件而設(shè)置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存放了為管理文件所需的所有有關(guān)信息，是文件存在的標(biāo)志。 文件目錄：把所有的FCB組織在一起，就構(gòu)成了文件目錄，即文件控制塊的有序集合 目錄項(xiàng)：構(gòu)成文件目錄的項(xiàng)目（目錄項(xiàng)就是FCB） 目錄文件：為了實(shí)現(xiàn)對文件目錄的管理，通常將文件目錄以文件的形式保存在外存，這個(gè)文件就叫目錄文件,概念,文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),END!,