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內(nèi)容簡介：從程序的角度數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法從資源管理的角度處理機（進程）管理存儲器管理文件管理設(shè)備管理用戶接口,第3部分操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)的概念、作用、功能,操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的一個最基本的系統(tǒng)軟件，它由一系列程序模塊組成。從資源的角度看，操作系統(tǒng)管理和控制計算機系統(tǒng)中的硬件及軟件資源，合理地組織計算機的工作流程，從而提高系統(tǒng)資源的利用率。操作系統(tǒng)的作用管理系統(tǒng)資源提供良好用戶界面操作系統(tǒng)的功能處理機（進程）管理存儲器管理文件管理設(shè)備管理用戶接口,操作系統(tǒng)的特征、分類,操作系統(tǒng)的特征并發(fā)性共享性隨機性操作系統(tǒng)的分類批處理系統(tǒng)：(1)成批，(2)多道。目標(biāo)：提高機器的使用效率，增加作業(yè)吞吐量。分時系統(tǒng)：多路性，獨立性，交互性，及時性。目標(biāo)：用戶響應(yīng)的及時性實時系統(tǒng)：實時性，高可靠性個人操作系統(tǒng)：方便友好的用戶接口，豐富功能的文件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)管理、通信、資源共享、系統(tǒng)安全等分布式系統(tǒng)：統(tǒng)一操作系統(tǒng)，多機合作，系統(tǒng)重構(gòu)，健壯，容錯能力嵌入式系統(tǒng)：高可靠性，實時性，低功耗，智能化管理,操作系統(tǒng)的接口、結(jié)構(gòu),操作系統(tǒng)的接口操作員：操作命令程序員：系統(tǒng)調(diào)用操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)客戶/服務(wù)器（微內(nèi)核）結(jié)構(gòu),操作系統(tǒng)的硬件環(huán)境,特權(quán)指令只允許操作系統(tǒng)使用設(shè)置程序狀態(tài)字、設(shè)置中斷屏蔽，啟動I/O、設(shè)置時鐘、清內(nèi)存、置中斷向量等CPU的狀態(tài)：管態(tài)、目態(tài)程序狀態(tài)字PSW存儲體系：高速緩存，內(nèi)存，外存中斷技術(shù)強迫中斷：非有意識安排的中斷，如I／O中斷、硬件故障中斷、時鐘中斷等自愿性中斷：正在運行的程序有意識安排的中斷，如編程中設(shè)置的中斷。中斷優(yōu)先級：系統(tǒng)根據(jù)引起中斷事件的重要性和緊迫程度，由硬件將中斷源分為不同的級別，稱為中斷優(yōu)先級。中斷屏蔽：中斷的處理過程：保護被中斷的程序的現(xiàn)場；分析中斷原因；轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序；恢復(fù)現(xiàn)場繼續(xù)執(zhí)行原來被中斷的程序。,I/O控制方式,循環(huán)測試方式中斷處理方式DMA方式通道方式,進程的概念,為了描述程序執(zhí)行過程的“走走停停”，引入了進程。一個程序在一個數(shù)據(jù)集上的一次執(zhí)行。進程是動態(tài)的。進程和程序的聯(lián)系和區(qū)別：一個程序可以對應(yīng)多個進程。程序是靜態(tài)的，進程是動態(tài)的?？芍厝氤绦颍兇a）：執(zhí)行過程中不變的代碼。,進程的特性,并發(fā)性：系統(tǒng)中同時存在著若干進程。動態(tài)性：進程狀態(tài)不斷變化。獨立性：進程是分配資源的獨立單位。交往性：與其它進程交換信息。異步性：以不可預(yù)知的速度向前推進。結(jié)構(gòu)性：一個進程包括三個部分：程序，數(shù)據(jù)，進程控制塊。,進程控制塊（PCB）,定義：描述進程外部特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。內(nèi)容：標(biāo)識信息：進程標(biāo)識符；特征；當(dāng)前狀態(tài)。說明信息：擁有資源和等待資源。內(nèi)存地址、I/O設(shè)備、外存、數(shù)據(jù)區(qū)等。管理信息：進程優(yōu)先數(shù)；隊列指針。現(xiàn)場信息：記錄進程釋放處理機時的現(xiàn)場信息，PSW、通用寄存器等。作用：PCB是進程存在的唯一標(biāo)志。進程的動態(tài)、并發(fā)特性通過PCB表現(xiàn)出來。,進程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換,進程基本狀態(tài)就緒：擁有了除CPU之外的所有資源。運行：進程在CPU上運行。等待：進程等待某事件發(fā)生，如：讀磁盤，打印、讀文件等等。進程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換創(chuàng)建一個進程時，進程處于就緒狀態(tài)。隨著擁有（或等待）的資源不同，進程在不同的狀態(tài)下轉(zhuǎn)換。進程的整個生命周期就是在不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)換中。,就緒,運行,等待,,,,,,,創(chuàng)建,撤消,進程調(diào)度,時間片到；更高優(yōu)先級進程,事件已發(fā)生,等待某事件,進程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換,注意：1、進程的三個基本狀態(tài)。2、什么事件可以導(dǎo)致進程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。3、一個進程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換可能引起其它進程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。例如：一個進程從運行?等待，就會有另一個進程從就緒?運行。4、哪些狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是可能的，哪些是不可能的。如：等待?運行（?）。5、一個完整的進程由程序、數(shù)據(jù)、進程控制快組成。進程的任何狀態(tài)變化都在PCB之中反映出來。,進程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換,進程隊列,處在就緒狀態(tài)和等待狀態(tài)的進程不止一個。（但在任一時刻，處在運行狀態(tài)的進程最多只有一個）。引起進程狀態(tài)變化的原因也很多。如何組織、管理這些進程？PCB中有一個連接指針，用于組織PCB。就緒隊列、等待隊列、運行隊列。根據(jù)等待的事件不同，可以組織多個等待隊列。,進程控制,1、進程控制的內(nèi)容：創(chuàng)建進程，撤消進程，掛起進程，阻塞進程，喚醒進程等等。2、原語：為完成某些特定的功能而編制的一段系統(tǒng)程序。特點：不可中斷。也稱做“原子操作”。3、用于進程控制的原語：創(chuàng)建原語撤消原語喚醒原語阻塞原語,進程調(diào)度,從就緒隊列中按一定的策略選擇一個進程，使其占有處理機。進程調(diào)度的時機正在運行的進程運行完畢。正在執(zhí)行的進程被阻塞，加入等待隊列時間片到高優(yōu)先級的進程進入就緒隊列進程調(diào)度的算法先來先服務(wù)法時間片輪轉(zhuǎn)法（RR）最高優(yōu)先級調(diào)度算法多級隊列反饋調(diào)度法,先來先服務(wù)法,根據(jù)進程到達就緒隊列的次序，總是選擇先到達的進程運行。優(yōu)點：公平性；管理簡單。由于進程到達的隨機性，可能使系統(tǒng)中的短作業(yè)等待時間長。,時間片輪轉(zhuǎn)法（RR）,時間片：系統(tǒng)允許進程一次使用處理機的最長時間?；貞洠悍謺r系統(tǒng)的工作原理。工作原理：就緒隊列中的進程，每次最多使用一個時間片。硬件支持：計時器。時間片到，發(fā)生“計時中斷”。問題：時間片的大小如何確定？就緒隊列長短：越長，時間片越短。響應(yīng)時間的要求計算機的性能進程切換的系統(tǒng)開銷：一個進程讓出處理機，另一個進程占有處理機。,最高優(yōu)先級調(diào)度算法,優(yōu)先級的概念優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先級的區(qū)別總是從就緒隊列中選擇優(yōu)先級最高的進程。問題1：優(yōu)先級如何確定？進程類別：系統(tǒng)進程，用戶進程，前臺，后臺等進程運行時間作業(yè)的優(yōu)先級等問題2：當(dāng)一個更高優(yōu)先級的進程到達就緒隊列時，如何處理？搶占式非搶占式：一旦分配CPU，就一直占用，直到主動放棄為止。問題3：如果一個低優(yōu)先級的進程在就緒隊列中等待太長時間？動態(tài)優(yōu)先數(shù)：進程的優(yōu)先級隨系統(tǒng)情況不斷變化,多級隊列反饋算法,先來先服務(wù)、時間片輪轉(zhuǎn)與優(yōu)先數(shù)結(jié)合。按優(yōu)先級將作業(yè)排成不同的隊列，有不同時間片。先按優(yōu)先級調(diào)度，優(yōu)先級相同的第n級按時間片輪轉(zhuǎn)，其它按先來先服務(wù)調(diào)度。優(yōu)先級的調(diào)整時間片到：降低等待進程被喚醒：加入相同優(yōu)先級隊列,進程同步與互斥,臨界資源：同一時間只能被一個進程使用。臨界區(qū)：并發(fā)進程中與臨界資源有關(guān)的程序段。相關(guān)臨界區(qū)：并發(fā)進程中涉及相同變量的那些臨界區(qū)相關(guān)臨界區(qū)的三個管理要求某一時刻最多只有一個進程進入臨界區(qū)。如果一個進程請求進入臨界區(qū)，必須在有限的時間內(nèi)進入。一個進入臨界區(qū)的進程，要在有限的時間內(nèi)退出。進程互斥當(dāng)若干進程都要使用某個共享資源時，任何時刻只允許一個進程去使用該資源，其他要使用的進程必須等待，直到該資源的占用者釋放了資源。進程同步進程之間一種直接的協(xié)同工作關(guān)系，它們之間互為條件，通過相互發(fā)送消息來實現(xiàn)合作。同步機制：把其他進程需要的消息發(fā)出去，也能測試自己需要的消息是否到達。,信號量與PV原語,信號量：一個整數(shù)值，其值表示資源數(shù)目。>0：可用資源的數(shù)量=0繼續(xù)；若信號量<0進程阻塞。V原語：物理含義：釋放一份資源。定義：（1）信號量減1（2）如果信號量<=0，喚醒等待進程，否則，繼續(xù)運行。,進程通信,進程通信：進程之間的信息交換。也稱“高級通信”。低級通信：進程之間傳遞控制信息。同步與互斥。進程通信的方案共享內(nèi)存消息機制消息緩沖機制信箱通信管道基礎(chǔ)：文件系統(tǒng)FIFO高級通信原語Send()Receive(),進程死鎖,死鎖的概念死鎖產(chǎn)生的原因資源分配不合理進程推進速度不合理死鎖的必要條件資源的互斥使用資源的不可搶占占有并等待（資源的部分分配）資源的循環(huán)等待死鎖預(yù)防打破死鎖的必要條件之一靜態(tài)分配，剝奪資源，按序分配死鎖避免安全狀態(tài)銀行家算法死鎖檢測與解除資源分配圖繪制方法檢測是否存在死鎖,存儲器管理,存儲器管理的功能內(nèi)存的分配和回收地址變換內(nèi)存共享與保護內(nèi)存擴充地址映射靜態(tài)地址映射動態(tài)地址映射內(nèi)存擴充技術(shù)覆蓋技術(shù)交換技術(shù),可變分區(qū)存儲管理,基本原理在作業(yè)要求裝入主存時，根據(jù)作業(yè)的大小從空閑內(nèi)存區(qū)中“切出”一片連續(xù)的區(qū)域．分區(qū)的大小和個數(shù)是不確定的．初始時，系統(tǒng)中只有一個連續(xù)的用戶區(qū)域，隨著作業(yè)的到達和撤消，用戶區(qū)就被劃分為若干個大小不等的區(qū)域。內(nèi)存分配算法最先適應(yīng)最優(yōu)適應(yīng)最壞適應(yīng)內(nèi)存回收上空閑區(qū)和下空閑區(qū)四種情況，空閑區(qū)的變化內(nèi)存保護策略基址寄存器、限長寄存器碎片問題移動技術(shù),頁式存儲管理,基本原理“等分”內(nèi)存。把內(nèi)存劃分為大小相同的“塊”。把用戶作業(yè)空間劃分為大小相同的“頁”。頁和塊的大小相同。在把作業(yè)加載到內(nèi)存時，頁和頁之間不再連續(xù)。但頁內(nèi)連續(xù)。也不必把所有的頁都一次性加載內(nèi)存，只需要加載那些馬上要用到的頁。其余的頁在需要時再加載。地址變換邏輯地址：頁號+頁內(nèi)地址頁表，兩次訪問內(nèi)存快表多級頁表內(nèi)存分配位示圖空閑頁面表空閑頁面鏈表,虛擬頁式存儲管理,虛擬存儲技術(shù)的理論基礎(chǔ)原理局部性原理：進程往往會不均勻地高度局部化地訪問內(nèi)存。時間局部性：剛剛被訪問的頁，很可能在不久的將來還要訪問。例如：循環(huán)；子程序；棧；用戶記數(shù)和總計的變量等?？臻g局部性：某個頁面被訪問，很可能它相臨的頁也要被訪問。例如：數(shù)組遍歷；代碼程序的執(zhí)行；等等。頁表擴充駐留位（中斷位），訪問位，修改位，保護位，禁止緩存位缺頁中斷,虛擬頁式存儲管理,頁面淘汰算法OPT（最優(yōu)）FIFO（先進先出）LRU（最近最久未使用）LFU（最近最少使用）缺頁中斷率頁面數(shù)頁的大小編程方法頁面淘汰算法顛簸（抖動）問題,虛擬頁式存儲管理,例1：引入虛擬存儲技術(shù)的前提是：A）存儲共享目的B）存儲保護目的C）存儲訪問的局部性原理D）多道程序設(shè)計思想【分析】虛擬技術(shù)的理論基礎(chǔ)是程序執(zhí)行的局部性【答案】C例2：下列哪一個不是引起系統(tǒng)發(fā)生抖動的原因？A）頁面尺寸過大B）頁面尺寸過小C）程序編制不合理D）頁面淘汰算法不合理【分析】引起系統(tǒng)發(fā)生抖動的原因：頁面數(shù)，頁的大小，編程方法，頁面淘汰算法【答案】A,文件管理,文件概念命名了的數(shù)據(jù)項的集合。每一個文件都有一個唯一的文件名。對文件實現(xiàn)“按名存取”。文件的分類文件的結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)：流式文件，記錄式文件物理結(jié)構(gòu)：順序，索引，鏈接，Hash結(jié)構(gòu)，索引順序UNIX的三級索引結(jié)構(gòu)文件的存儲介質(zhì)“塊”的概念順序存取設(shè)備：磁帶隨機存取設(shè)備：磁盤物理地址：柱面號，磁頭號，扇區(qū)號按柱面存放塊號與物理地址的轉(zhuǎn)換,文件目錄,實現(xiàn)“按名存取”的手段文件控制塊（FCB）樹型目錄結(jié)構(gòu)路徑當(dāng)前目錄目錄的改進名號目錄項：文件名，文件內(nèi)部號基本目錄項減少訪問磁盤的次數(shù)，提高文件目錄檢索速度例題：下列哪一項與文件的物理結(jié)構(gòu)有關(guān)？A）文件長度B）用戶對文件的存取方式C）文件中的記錄個數(shù)D）文件目錄的結(jié)構(gòu)【分析】文件的物理結(jié)構(gòu)由存儲介質(zhì)的性質(zhì)和用戶的使用方式?jīng)Q定【答案】B,文件的操作,用系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)建立文件：create(文件名，參數(shù)表)打開文件：open(文件名，參數(shù)表)讀文件：read(文件名，記錄鍵，內(nèi)存位置)寫文件：write(文件名，記錄鍵，內(nèi)存位置)關(guān)閉文件：close(文件名)撤消文件：delete(文件名)指針定位：seek（fd，新指針位置）,文件系統(tǒng)的實現(xiàn),存儲空間的管理位示圖塊號與字號、位號之間的關(guān)系空閑塊表空閑塊鏈單鏈成組鏈實現(xiàn)文件系統(tǒng)的表目系統(tǒng)打開文件表用戶打開文件表PCB指向用戶打開文件表記錄的成組與分解硬件支持：內(nèi)存緩沖區(qū)塊因子記錄分解的過程,文件系統(tǒng)的安全與性能,文件系統(tǒng)的安全備份存取控制表UNIX的存取控制表：三類用戶，三種權(quán)限用ls-l命令列目錄的結(jié)果的含義drwxr-xr-4userwheel512……chmod命令口令密碼文件系統(tǒng)的性能文件系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)：磁盤設(shè)備塊高速緩存合理分配磁盤空間：按柱面存放磁盤的驅(qū)動調(diào)度信息的優(yōu)化分布磁盤讀/寫的過程：讀時間、處理時間在處理記錄時，磁盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn),設(shè)備管理,設(shè)備分類存儲設(shè)備，輸入輸出設(shè)備塊設(shè)備，字符設(shè)備獨占設(shè)備，共享設(shè)備，虛擬設(shè)備設(shè)備管理的目標(biāo)為用戶提供一個透明的接口，把用戶和硬件的物理特性分開（設(shè)備無關(guān)性）。提高設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與CPU之間的并行程度設(shè)備的分配和回收設(shè)備管理的功能進行設(shè)備的分配和回收。緩沖區(qū)管理。解決設(shè)備和CPU速度不匹配的問題。設(shè)備驅(qū)動，實現(xiàn)I/O操作。外部設(shè)備中斷處理。虛擬設(shè)備及其實現(xiàn),通道技術(shù),通道：是一個獨立于CPU的、專門管理I/O的處理機。它控制設(shè)備直接與內(nèi)存進行數(shù)據(jù)交換。通道有自己的通道指令，這些通道指令組成通道程序。通道通過執(zhí)行通道程序來控制設(shè)備的操作。通道分類：字節(jié)多路通道：連接慢速設(shè)備；輪轉(zhuǎn)方式同時控制多臺設(shè)備工作。成組多路通道：連接中速設(shè)備（磁帶）。選擇通道：連接高速設(shè)備。通道的連接通道、控制器、設(shè)備交叉連接通道的工作原理通道命令字（CCW）通道地址字（CAW）通道狀態(tài)字（CSW）,通道的工作過程,CPU通道,,根據(jù)用戶的請求和設(shè)備特點準(zhǔn)備通道程序,,向通道發(fā)“啟動I/O”命令,,調(diào)度進程運行,,有中斷嗎？,,Y,,,,N,,接收啟動命令,,執(zhí)行通道程序,,執(zhí)行完？,,置通道狀態(tài)字（CSW）,,發(fā)中斷信號,,Y,,,,N,緩沖技術(shù),設(shè)備管理中的問題CPU速度與設(shè)備速度不匹配的問題。傳輸大量數(shù)據(jù)時中斷次數(shù)太多。DMA或通道的“瓶頸”問題。緩沖的實現(xiàn)方法專用硬件緩沖器。軟件緩沖：在內(nèi)存中劃出若干專用區(qū)域。專用緩沖區(qū)。共享緩沖區(qū)。緩沖的種類單緩沖：匹配了速度，但不能并行。雙緩沖：既解決了速度匹配，又可以并行。當(dāng)設(shè)備很多時，實現(xiàn)起來很困難。多緩沖：系統(tǒng)中有多個緩沖區(qū)，一些專門用于輸入，另一些專門用于輸出。緩沖池：多個進程共享，既可以做輸入，又可以做輸出。,虛擬設(shè)備—spooling技術(shù),同時外圍設(shè)備聯(lián)機操作（SimultaneousPeripheralOperationOnLine）提高獨占設(shè)備的利用率。把一臺獨占設(shè)備模擬成共享設(shè)備的技術(shù)。硬件支持：大容量、高速度的存儲設(shè)備的支持。為用戶進程分配的是外存上的固定區(qū)域，而不是設(shè)備本身。Spooling系統(tǒng)的組成預(yù)輸入程序：負(fù)責(zé)從輸入設(shè)備上讀取數(shù)據(jù)，并存放在輸入井中。需要時，再將數(shù)據(jù)從輸入井讀到進程的內(nèi)存區(qū)域中。緩輸出程序：接收來自進程的輸出數(shù)據(jù)，存入輸出井中。輸出設(shè)備空閑時，再把數(shù)據(jù)讀到輸出設(shè)備上。井管理程序：負(fù)責(zé)分配輸入井和輸出井的存儲空間。,設(shè)備分配,獨占設(shè)備分配設(shè)備絕對號與相對號用“設(shè)備類、相對號”申請設(shè)備設(shè)備分配：建立絕對號與“設(shè)備類、相對號”之間對應(yīng)關(guān)系采用動態(tài)分配方式分配策略：先請求先服務(wù)，最高優(yōu)先級者先服務(wù)可能發(fā)生死鎖，考慮系統(tǒng)的安全性共享設(shè)備分配磁盤驅(qū)動調(diào)度策略移臂調(diào)度先來先服務(wù)最短尋道時間優(yōu)先電梯法（掃描算法）旋轉(zhuǎn)調(diào)度同一磁道上的不同扇區(qū)。不同磁道上的不同扇區(qū)。不同磁道上的具有相同編號的扇區(qū)。設(shè)備獨立性,例題,例：某系統(tǒng)對磁盤初始化時把每個盤面分成8個扇區(qū)，今有8個邏輯記錄被存放在同一個磁道上供處理程序使用，處理程序要求順序處理這8個記錄，每次請求從磁盤上讀一個記錄，然后對讀出的記錄要花5毫秒的時間處理，以后再讀下一個記錄進行處理，直到8個記錄都處理結(jié)束。假定磁盤轉(zhuǎn)速為20毫秒/周，則處理這8個記錄所花費的時間是多少？【分析】讀一個記錄需要2.5毫秒。處理一個記錄的時間為5毫秒。當(dāng)處理完一個記錄（5毫秒）后，讀寫磁頭已旋轉(zhuǎn)到第4個記錄位置。為了處理第2個記錄，必須等待磁盤把第2個記錄旋轉(zhuǎn)到讀寫磁頭位置下面。需要15毫秒的延遲時間。因此，總時間為：8（2.5+5）+715=165MS優(yōu)化分布：,,,,,,1,4,7,2,5,8,3,6,所需時間：8（2.5+5）,操作系統(tǒng)結(jié)束,