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2014/1/3
一、操作系统基本概念 3
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二、进程管理 6
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三、处理机调度与死锁 12
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(进程)优先调度算法 13
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(处理) 15
四、存储器管理 15
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(LRU)置换算法 20
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五、设备管理 21
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(DMA)I/O控制方式 22
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六、文件管理 26
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、记录和数据项 26
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一、操作系统基本概念
(1)提高系统资源利用率。(2)提高系统的吞吐量。
方便性和有效性是设计操作系统时最重要的两个目标。
命令方式。
系统调用方式。
(3)图形、窗口方式。这是当前使用最为方便、最为广泛的接口
这种人工操作方式有以下两方面的缺点:
(1)用户独占全机。此时,计算机及其全部资源只能由上机用户独占。
(2)CPU等待人工操作。当用户进行装带(卡)、卸带(卡)等人工操作时,CPU及内存等
资源是空闲的。
为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾
这种脱机I/O方式的主要优点如下:
(1)减少了CPU的空闲时间。
(2)提高了I/O速度。
内存中始终只保持一道作业,故称此系统为单道批处理系统(SimpleBatchProcessingSystem)。
单道批处理系统是在解决人机矛盾以及CPU与I/O设备速度不匹配问题的过程中形成的。
换言之,批处理系统旨在提高系统资源的利用率和系统吞吐量。
该系统的主要特征如下:
(1)自动性(2)顺序性(3)单道性
在单道批处理系统中,内存中仅有一道作业,它无法充分利用系统中的所有资源,致
使系统性能较差。为了进一步提高资源的利用率和系统吞吐量,在20世纪60年代中期又
引入了多道程序设计技术,由此而形成了多道批处理系统(MultiprogrammedBatchProcessing
System)。旨在:
(1)提高CPU的利用率。
(2)可提高内存和I/O设备利用率。
(3)增加系统吞吐量。
优点:(1)资源利用率高(2)系统吞吐量大
缺点:(1)平均周转时间长(2)无交互能力
用户的需求具体表现在以下几个方面:
(1)人-机交互。(2)共享主机。(3)便于用户上机。
(1)及时接收。(2)及时处理。
(1)多路性。允许在一台主机上同时联接多台联机终端,系统按分时原则为每个用户服务。宏观上,是多个用户同时工作,共享系统资源;而微观上,则是每个用户作业轮流运行一个时间片。多路性即同时性,它提高了资源利用率,降低了使用费用,从而促进了计算机更广泛的应用。
(2)独立性。每个用户各占一个终端,彼此独立操作,互不干扰。因此,用户所感觉到的,就像是他一人独占主机。
(3)及时性。用户的请求能在很短的时间内获得响应。此时间间隔是以人们所能接受的等待时间来确定的,通常仅为1~3秒钟。
(4)交互性。用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。其广泛性表现在:用户可以请求系统提供多方面的服务,如文件编辑、数据处理和资源共享等。
(1)实时控制。(2)实时信息处理。
1)按任务执行时是否呈现周期性来划分
(1)周期性实时任务。(2)非周期性实时任务。
2)根据对截止时间的要求来划分
(1)硬实时任务(Hardreal-timeTask)。
(2)软实时任务(Softreal-timeTask)。
(1)多路性。实时信息处理系统也按分时原则为多个终端用户服务。实时控制系统的多
路性则主要表现在系统周期性地对多路现场信息进行采集,以及对多个对象或多个执行机
构进行控制。而分时系统中的多路性则与用户情况有关,时多时少。
(2)独立性。实时信息处理系统中的每个终端用户在向实时系统提出服务请求时,是彼
此独立地操作,互不干扰;而实时控制系统中,对信息的采集和对对象的控制也都是彼此
互不干扰。
(3)及时性。实时信息处理系统对实时性的要求与分时系统类似,都是以人所能接受的
等待时间来确定的;而实时控制系统的及时性,则是以控制对象所要求的开始截止时间或
完成截止时间来确定的,一般为秒级到毫秒级,甚至有的要低于100微秒。
(4)交互性。实时信息处理系统虽然也具有交互性,但这里人与系统的交互仅限于访问
系统中某些特定的专用服务程序。它不像分时系统那样能向终端用户提供数据处理和资源
共享等服务。
(5)可靠性。分时系统虽然也要求系统可靠,但相比之下,实时系统则要求系统具有高
度的可靠性。因为任何差错都可能带来巨大的经济损失,甚至是无法预料的灾难性后果,
所以在实时系统中,往往都采取了多级容错措施来保障系统的安全性及数据的安全性。
将它按运行方式分为如下几类:
并发特征是操作系统最重要的特征,其它三个特征都是以并发特征为前提。
并行性和并发性(Concurrence)是既相似又有区别的两个概念,并行性是指两个或多个
事件在同一时刻发生;而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
简单说来,进程是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位,它是由一组机器指令、数据和堆
栈等组成的,是一个能独立运行的活动实体。
通常都是把进程作为分配资源的基本单位,而把线程作为独立运行和独立调度
的基本单位。进一步提高系统的并发性.
把在一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。
一些用重入码编写的文件也可以被“同时”共享,即若干个用户同时访问该文件。并发和共享是操作系统的两个最基本的特征,它们又是互为存在的条件。
时分复用,亦即分时使用方式,它最早用于电信业中。
1)虚拟处理机技术2)虚拟设备技术
在计算机中也使用了空分复用技术来提高存储空间的利用率。
1)虚拟磁盘技术2)虚拟存储器技术
进程是以人们不可预知的速度向前推进,此即进程的异步性(Asynchronism)。
(一种比较简单的内存保护机制是设置两个界限寄存器)
以实现方便的按名存取。
(1)联机用户接口。(2)脱机用户接口。(3)图形用户接口。
是用户程序取得操作系统服务的惟一途径。它是由一组系统调用组成。
模块接口法的优缺点
利用模块―接口法开发的OS,较之无结构OS具有以下明显的优点:
(1)提高OS设计的正确性、可理解性和可维护性;
(2)增强OS的适应性;
(3)加速OS的开发过程。
模块化结构设计仍存在下述问题:
(1)在OS设计时,对各模块间的接口规定很难满足在模块完成后对接口的实际需求。
(2)在OS设计阶段,设计者必须做出一系列的决定(决策),每一个决定必须建立在上一个决定的基础上。因此模块―接口法又被称为“无序模块法”。
1)分层结构的优缺点
分层结构的主要优点有:
(1)易保证系统的正确性。
(2)易扩充和易维护性。
分层结构的主要缺点是:系统效率降低了。
客户/服务器系统主要由客户机、服务器和网络系统三个部分组成。
(1)客户发送请求消息。(2)服务器接收消息。(3)服务器回送消息。(4)客户机接收消息。
(1)数据的分布处理和存储。
(2)便于集中管理。
(3)灵活性和可扩充性。
(4)易于改编应用软件。
(1)通过“重用”提高产品质量和生产率。
(2)使系统具有更好的易修改性和易扩展性。
(3)更易于保证系统的“正确性”和“可靠性”。
它能有效地支持多处理机运行,故非常适用于分布式系统环境。当前广泛使用的Windows2000/XP操作系统,也采用了微内核结构。
1)足够小的内核 2)基于客户/服务器模式3)应用“机制与策略分离”原理4)采用面向对象技术
1)提高了系统的可扩展性
2)增强了系统的可靠性
3)可移植性
4)提供了对分布式系统的支持
5)融入了面向对象技术
二、进程管理
程序顺序执行时的特征
(1)顺序性(2)封闭性(3)可再现性
前趋图(PrecedenceGraph)是一个有向无循环图,记为DAG(DirectedAcyclicGraph),用
于描述进程之间执行的前后关系。
程序并发执行时的特征
1)间断性2)失去封闭性3)不可再现性
1)结构特征
通常的程序是不能并发执行的。为使程序(含数据)能独立运行,应为之配置一进程控制
块,即PCB(ProcessControlBlock);而由程序段、相关的数据段和PCB三部分便构成了进
程实体。
2)动态性3)并发性4)独立性5)异步性
1)引入挂起状态的原因
(1)终端用户的请求。
(2)父进程请求。
(3)负荷调节的需要。
(4)操作系统的需要。
2)进程状态的转换
(1)活动就绪→静止就绪。
(2)活动阻塞→静止阻塞。
(3)静止就绪→活动就绪。
(4)静止阻塞→活动阻塞。
PCB(ProcessControlBlock),它是进程实体的一部分。进程控制块的作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序(含数据),成为一个能独立运行的基本单位PCB是进程存在的惟一标志。PCB应常驻内存。
在进程控制块中,主要包括下述四方面的信息。
1)进程标识符2)处理机状态3)进程调度信息4)进程控制信息
1)链接方式2)索引方式
原语(Primitive)是由若干条指令组成的,用于完成一定功能的一个过程。
引起创建进程的事件
(1)用户登录。(2)作业调度。(3)提供服务。(4)应用请求。
进程的创建(CreationofProcess)
(1)申请空白PCB(2)为新进程分配资源(3)初始化进程控制块(4)将新进程插入就绪队列
引起进程终止的事件
1)正常结束
2)异常结束
越界错误,保护错,非法指令,特权指令错,运行超时,等待超时,算术运算错,I/O故障。
3)外界干预
(1)操作员或操作系统干预(2)父进程请求(3)父进程终止
进程的终止过程
1)根据被终止进程的标识符,从PCB集合中检索出该进程的PCB,从中读出该进程状态。
2)若被终止进程正处于执行状态,应立即终止该进程的执行,并置调度标志为真。用于指示该进程被终止后应重新进行调度。
3)若该进程还有子孙进程,还应将其所有子孙进程予以终止,以防他们成为不可控的进程。
4)将被终止的进程所拥有的全部资源,或者归还给其父进程,或者归还给系统。
5)将被终止进程(它的PCB)从所在队列(或链表)中移出,等待其它程序来搜集信息。
引起进程阻塞和唤醒的事件
1)请求系统服务2)启动某种操作3)新数据尚未到达4)无新工作可做
(1)间接相互制约关系。(2)直接相互制约关系。
人们把在每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区(criticalsection)。(进入区,退出区)
(1)空闲让进。(2)忙则等待。(3)有限等待。(4)让权等待。
(PV)
wait(S):whileS<=0dono-op;
S:=S-1;
signal(S):
S:=S+1;
procedurewait(S)
varS:semaphore;
begin
:=-1;
<0thenblock();
end
proceduresignal(S)
varS:semaphore;
begin
:=+1;
<=0thenwakeup();
end
对若干个临界资源的分配,采取原子操作方式:要么把它所请求的资源全部分配到进程,要么一个也不分配。
一个管程定义了一个数据结构和能为并发进程所执行(在该数据结构上)的一组操作,这组操作能同步进程和改变管程中的数据。
管程由四部分组成:
管程的名称;
局部于管程内部的共享数据结构说明;
对该数据结构进行操作的一组过程;
④对局部于管程内部的共享数据
需要指出的是,局部于管程内部的数据结构,仅能被局部于管程内部的过程所访问,
任何管程外的过程都不能访问它;
管程主要有以下特性:
(1)模块化。(2)抽象数据类型。(3)信息掩蔽。
进程之间的互斥和同步,由于其所交换的信息量少而被归结为低级通信。
主要表现在下述两方面:
(1)效率低(2)通信对用户不透明。
高级通信机制:
(1)基于共享数据结构的通信方式。增加了程序员的负担,而操作系统却只须提供共享存储器。因此,这种通信方式是低效的,只适于传递相对少量的数据。
(2)基于共享存储区的通信方式。这种通信方式属于高级通信。
进程间的数据交换是以格式化的消息(message)为单位的;程序员直接利用操作系统提供的一组通信命令(原语),不仅能实现大量数据的传递,而且还隐藏了通信的实现细节,使通信过程对用户是透明的,从而大大减化了通信程序编制的复杂性消息传递系统的通信方式属于高级通信方式。又因其实现方式的不同而进一步分成直接通信方式和间接通信方式两种。
所谓“管道”,是指用于连接一个读进程和一个写进程以实现它们之间通信的一个共享
文件,又名pipe文件。以字符流形式
为了协调双方的通信,管道机制必须提供以下三方面的协调能力:
(1)互斥(2)同步(3)确定对方是否存在
间接通信方式指进程之间的通信需要通过作为共享数据结构的实体。通常把这种中间实体称为信箱。利用信箱通信方式,既可实现实时通信,又可实现非实时通信。
信箱分为以下三类。
1)私用信箱这种私用信箱可采用单向通信链路的信箱来实现。
2)公用信箱它由操作系统创建,公用信箱应采用双向通信链路的信箱来实现
3)共享信箱它由某进程创建。
在利用信箱通信时,在发送进程和接收进程之间存在以下四种关系:
(1)一对一关系。
(2)多对一关系。允许提供服务的进程与多个用户进程之间进行交互,也称为客户/服
务器交互(client/serverinteraction)。
(3)一对多关系。允许一个发送进程与多个接收进程进行交互,使发送进程可用广播方
式向接收者(多个)发送消息。
(4)多对多关系。
在单机和计算机网络环境下,高级进程通信广泛采用消息传递系统。
有两种方式建立通信链路。第一种方式是由发送进程在通信之前用显式的“建立连接”命令(原语)请求系统为之建立一条通信链路;在链路使用完后,也用显式方式拆除链路。这种方式主要用于计算机网络中。第二种方式是发送进程无须明确提出建立链路的请求,只须利用系统提供的发送命令(原语),系统会自动地为之建立一条链路。这种方式主要用于单机系统中。
根据通信链路的连接方法,又可把通信链路分为两类:
(1)点—点连接通信链路,这时的一条链路只连接两个结点(进程);
(2)多点连接链路,指用一条链路连接多个(n>2)结点(进程)。
而根据通信方式的不同,则又可把链路分成两种:
(1)单向通信链路,只允许发送进程向接收进程发送消息,或者相反;
(2)双向链路,既允许由进程A向进程B发送消息,也允许进程B同时向进程A发送
消息。
还可根据通信链路容量的不同而把链路分成两类:一是无容量通信链路,在这种通信
链路上没有缓冲区,因而不能暂存任何消息;再者就是有容量通信链路,指在通信链路中
设置了缓冲区,因而能暂存消息。缓冲区数目愈多,通信链路的容量愈大。