操作系统基础知识

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1章
什么是操作系统？
从资源管理的角度：控制和管理计算机系统内的各种硬件和软件资源
有效的组织多道程序运行的系统软件。是用户与计算机的唯一接口
系统软件：一对下：控制和管理计算机系统内的各种硬件和软件资源
                  有效的组织多道程序运行
          一对上：扩充硬件功能，提供众多服务，方便用户使用
理解操作系统：1。是裸机之上的第一层软件 计算机硬件->操作系统->系统软件->应用软件
                                  
操作系统的功能？
1、存储器管理：内存分配 地址映射 内存保护 内存扩充 
2、处理器管理：作业调度 进程调度 进程控制 进程通信
3、设备管理 ： 缓冲区管理：原因cpu处理的速度和设备不同步 设备的分配 设备驱动 设备无关性
4、文件管理 ：文件存储空间管理 文件操作 目录管理 读写管理和存取控制
5、用户接口：命令界面 程序界面 图形界面
操作系统的特点？
1、并发：两个或多个活动在同一给定的时间间隔中进行 ///区别并行：随时随刻都同时在运行 cpu?串行
2、共享：计算机系统中的资源被多个任务所共用
         同时访问：宏观上同时访问磁盘，使用cpu
         互斥访问：没有固定的时间关系，程序执行的不可预计

操作系统的类型？
1、批处理系统：作业：用户定义的，由计算机完成的工作单位
               单道批处理系统：
               多道批处理系统：
2、分时系统：分时：若干并发程序对cpu时间的共享
             特点：同时性
                   交互性
                   独立性
                   及时性 
3、实时系统 ：实时-及时、立即
              对特定的事件，系统能在很短的时间内作出响应并完成事件处理工作
              典型的是1、过程控制系统 2、信息查寻系统 3、事务处理系统
           特点：专业 实时 可靠
4、个人机系统：单用户 多用户

5 、网络操作系统  计算机网络=计算机技术+通信技术
       计算机网络特征：分布性 自治性 互连性 可见性
6、 分布式操作系统  其特征：分布式处理 模块化结构 利用信息通信 实施整体控制
                    其特点：透明性 灵活性 可靠性 高性能 可扩充性

2章
1、怎样理解进程的概念
2、进程的状态及其转换
3、进程的同步与互斥
4、临界资源和临界区

程序顺序执行的特征 顺序性：the one the other 封闭性:和自身的条件相互影响
     可再现行：
多道程序设计的特点 1、多个程序共享系统资源
                   2、多个程序并发执行
程序并发执行的特征 1、失去封闭性 2、程序与计算不再一一对应 3、出现相互制约的关系
进程：程序在并发环境中的执行过程
进程与程序的比较 1、进程是动态的 程序是静态的
          2、进程具有并发性 程序本身具有顺序性 程序的并发执行是通过进程实现的
                 3、进程具有独立性 是能独立运行的单位 是系统资源分配的基本单位
                                   是运行调度的基本单位
                 4、二者无一一对应的关系  一个程序可由多个进程共用 一个进程可顺序执行多个程序：输入数据计算
                 5、进程是异步运行的，会相互制约，程序不具备此特性  
                 程序和进程是二个完全不同的概念，二者间又存在密切的联系   
进程的特征       1、动态性
                 2、并发性
                 3、调度性：分配资源，调度运行
                 4、异步性
                 5、结构性：反映进程的状态，反映进程的分配情况 

进程的组成       进程控制块（pcb)： 系统通过其进行进程的管理
                 程序：又定义，离不开程序
                 数据集合
进程与进程块的关系：1、每一个进程有唯一的pcb
                    2、os依据pcb管理进程
                    3、利用pcb实现进程的动态和并发
                    4、pcb是进程存在的唯一标志     

进程的状态及其转换： 1、进程的动态性是由进程的状态及其转换体现出来的  
                     2、进程的状态信息存在pcb中
                     3、状态转换在一定的条件下实现  
进程的基本状态：     1、运行态---正在cpu上执行 
                     2、就绪态--万事具备，就差cpu
                     3、阻塞态--等待事件，无法运行
说明：1、进程之间的状态转换并非都是可逆的  如阻塞--》运行
      2、进程之间的状态转换并非都是主动的  如运行-》阻塞
      3、进程在运行态才是真正的运行
进程的同步与互斥
      1、进程的活动中会相互制约（由系统的资源相制约：缓冲区、供者、用者） 所有的进程均相互独立
                                以异步方式并发执行
进程的同步：是进程间共同完成一项任务时直接发生相互作用的关系
            同步进程间具有合作关系
            在执行时间上须按照一定顺序协调进行
进程的互斥：并发执行的多个进程由于竞争同一个资源而产生的相互排斥的关系（例：多用户和打印机）
            互斥进程彼此在逻辑上是完全无关的，他们的运行不具有时间次序的特征

临界资源：一次仅允许一个进程使用的共享资源（例，打印机、表格）
临界区：   在每个进程中访问临界资源的那段程序。
进入临界区的准则： 1、单一进入
                   2、独自占用临界资源
                   3、尽快退出（使用完临界资源，尽快释放）
                   4、等则让权（让cpu的资源）
3章
信号量：是一种数据结构
        信号量的值与相应资源的使用情况有关  
        信号量的初值与资源有关
        信号量的值由p,v操作改变          
wait操作p(s):对信号量s做p操作:while(s<=0)do no_op s:=s-1     申请一个单位资源
signal操作v(s):对信号量s做v操作: s:=s+1    (s>0表示没有进程等待资源）                                        
 若s<0释放s队列上的第一个pcb，本进程继续                    释放一个单位资源
同步机制的应用

信号量mutex用于实现互斥，其初值设为1
说明：1、在同一个进程中，p,v必须成对出现 先 p 后v  才能使多个进程互斥使用临界资源
      2、 mutex用于实现互斥，其初值设为1

用p,v操作可以实现简单的同步
s1--缓冲区是否为空 初值为1
s2--缓冲区是否为满 初值为0
用于同步
说明：1、确定彼此关系和信号量的种类
      2、设定信号量的初值
      3、同一信号量的p,v操作要成对出现，但分别在不同进程的代码中
4章
处理机的管理
1、调度的类型和功能
2、调度的性能评价
3、常用的调度算法

调度：就是选出待分派的作业或进程
调度的分类：高级调度（作业调度）
            中级调度（存储调度）
            低级调度（进程调度）
作业调度和进程调度的区别：
   1、作业调度是宏观调度
        进程调度是微观调度
   2、前者为进程的活动做准备
                           后者为进程真正活动起来
   3、前者执行的次数交少
                           后者活动频繁
                        4、前者可以不设
                           后者必不可少
调度的性能和评价：1、cpu的利用率 2、吞吐量 3、周转时间 4、响应时间（从提交第一个请求到产生第一个响应所用的时间）
                  5、就绪队列的等待时间
常用的调度算法：1、先来先服务法 特征：较利于长作业或进程 交利于占用cpu时间多的作业
                                      易实现但效率低
                2、时间片轮转法       主要用于分时系统中的进程调度
                3、优先级法      ：非抢占式和抢占式
                   确定进程优先级的方式：  静态方式：创建进程是就确定不变 易实现，出现进程饿死
                                           动态方式：随进程的推进而不断改变 可实现负反馈作用

五章 存储器管理
内存的分配：主要任务：为每个进程分配一定的内存空间
            基本工作：记录内存情况、处理用户申请、实施策略分配、回收释放空间
地址映射：  把程序中所用的相对地址转换成内存的物理地址
用户程序的主要处理阶段
    1、原程序   编辑->编译(成目标代码01码）->连接->装入->运行
相对地址：用户经编译之后的每个目标模块都以0为基地址顺序编址
绝对地址：内存中各物理存储单元的地址是从统一的基地址顺序编址
逻辑地址空间：由程序中逻辑地址组成的地址范围
内存空间：由内存中一系列存储单元所限定的地址范围 

虚拟存储器的引入：1、内存的不够用的矛盾
                  2、作业全部装人造成的内存浪费
                  3、程序执行具有局部规律
实现虚拟存储器技术的物质基础  ： 1、二级存储结构 内存+外存
                                 2、动态地址转换机构
虚存的特点：1、虚拟扩充  不是从物理上而是从逻辑上扩充了内存的容量
            2、部分装人  每个作业不是全部一次性的装入内存，而是只装人他的一部分
            3、离散分配  每个作业装入内存的那部分不必占用连续的内存空间，而是见缝插针
            4、多次对换   在一个进程的运行期间，它所需的全部程序和数据要分成多次调入内存
虚存受到的限制：1、指令中表示地址的字长
                2、外存的容量                               

存储器的基本任务
1、分页和分段的概念
分页管理是解决内存碎片的一种有效方式
分页存储管理的基本方式： 逻辑地址->页表->物理地址
逻辑空间分页：  1、页面：是逻辑空间按照固定大小分的，由硬件确定
内存空间分块：内存块的大小与页面相同
页表：作用实现从页号到物理块号的地址映射
页面和内存块一般选为2的若干次幂
逻辑地址表示：（p,d)页号p 页内地址d
分页概念：逻辑空间分页  物理空间分块 页与块同样大 页连续块离散 用页号查页表 由硬件做转换
简单的分页系统并没提供虚存

分段的概念：
分段：段是一组逻辑信息的集合
程序的地址结构：       段号(s)+段内地址(d)
内存的分配：1、以段为单位分配
            2、每段各占用一块内存区
            3、各段可离散的放入内存
2、请求分页的实现
基本思想：1、地址空间分页，内存分块，页与块的大小相同
          2、作业部分装人内存
          3、作业所占的各块不连续
          4、硬件通过页表生成访问地址
          5、若缺页，进行缺页中断处理，换入内存
          6、利用快表可加速地址转换
特点：
请求分页=分页+请求
请求分页提供了虚拟存储器
页表项中的状态位指示该页面是否在内存。若不在，则产生一个缺页中断
整个系统有一个存储分块表，记录整个内存的使用情况

3、常用页面置换算法
页面置换：把一个页面从内存调换到磁盘的对换区中
1、先进先出 2、最佳方法 3、LRU最近最久未使用   2、3比较 1234123  2：124 3：423

6章 文件系统
1、什么是文件、文件系统
文件：被命名的数据的集合体  特点：通常存放在外存上
                                  可作为一个独立的单位被操作
                                  有自己的属性
文件的类型：ms=dos unix系统分为   普通文件：由表示程序、数据或正文的字符串构成
                                  目录文件：由下属文件的目录项构成的文件
                                  特别文件：特指各种外部设备
文件系统：操作系统中负责操纵和管理文件的一整套设施，
          他实现文件的共享和保护，方便用户“按名存取”。
文件系统的功能：     1、文件管理
                     2、目录管理
                     3、文件存储空间管理
                     4、文件的共享和保护
                     5、提供方便的接口
看待文件系统的观点：
                     1、用户观点
                     2、系统观点

2、文件的存储结构
涉及一个文件在存储设备上如何放置
取决于存储设备的物理特性，又与文件的存取方法密切相关
从逻辑上看所有文件都是连续的，但在存储介质上却不一定连续
基本文件的存储结构：连续文件：优点：顺序存取时速度较快，简单   适合存放系统文件
                              缺点：不便于文件的动态扩充
                                    建立文件时就须确定其长度   
                                    可能出现外部碎片              
                    串连文件：优点：克服了连续文件的缺点，磁盘利用率教高
                              缺点：不利于对文件随机存取
        连接字带来的麻烦
                    索引文件：克服了 串连文件缺点，文件读取快
                              缺点：索引表会占用很多内存空间
                    多重索引文件：具备索引文件的优点，又克服了其缺点
                                  用于unix
                              缺点：间接索引会影响存取的速度

3、文件目录及目录结构
文件控制块：   对文件进行控制、管理的数据结构
               每个文件有唯一的文件控制块
文件目录：是文件控制块的有序的集合
          其中的文件控制块是目录项
          完全由目录项构成的文件称为目录文件，简称目录
文件目录实现文件名与其存储盘块之间的映射

目录结构：单级目录结构：所有文件在一个目录下，造成重命名，和文件共享问题
          二级目录结构：一个主文件目录加上多个用户文件目录
          树形目录结构
          非循环图目录结构：链接：允许一个文件或目录登记在多个父目录中
                            即带连接的树形目录结构
常用的磁盘空闲管理技术：   1、空闲空间表法：所有连续的空闲盘块在空闲空间表中占据一项
                           2、空闲块链接法：所有的空闲盘块链接在一个队列中
                           3、位示图法
                           4、成组链接法：所有的空闲盘按固定的数量分组，组与组之间形成链接
4、文件共享和安全保护
文件的共享：系统允许多个用户（进程）共同使用某个或某些文件
共享方式：                 文件链结：给文件起别名，增加共享途径
                           文件的保护：指文件免遭由于文件或其他用户的错误操作而造成破坏
                           文件保密：未经文件主授权的用户不得访问该文件
保护机制通过限制文件存取的类型来实现受控共享
常用的保护机制：1、命名：用户只能存取自己建立的文件
                2、口令
                3、存取控制：根据用户身份，为他们规定不同的文件存取权限
文件系统的安全措施： 文件的后备和恢复
                         后备：把硬盘上的文件在其他外存介质上做一个副本
                               分为：全量转储，增量转储
7章  设备管理
1、设备管理的功能
监视设备状态：记住所有设备、控制器和通道的状态
进行设备分配：按照设备类型（独占、共享、虚拟）和系统所用分配算法，实施设备分配。由
              设备分配程序（或I/O调度程序）完成。
完成I/O操作：系统调用设备驱动程序
             后者启动设备，进行I/O操作
             处理来自设备的中断
缓冲管理与地址转换：系统对缓冲区进行管理
                    将程序中的逻辑设备转换成物理设备的地址，实现设备的无关性
2、缓冲技术
引入缓冲的目的：缓冲cpu与外设间的速度不匹配的矛盾
                提高cpu与外设之间的并行性
                减少对cpu的中断次数
缓冲区的设置： 1、单缓冲：数据到达率与离去率相差很大
               2、双缓冲：信息的输入和输出速率相同
               3、多缓冲：数据的输入和输出具有阵发性
           组成公用缓冲池
3、设备分配技术
其因素： I/O设备的固有属性（打印机只能输出）
         系统采用的分配算法
         应防止死锁的发生
         设备的无关性
其性能分：独占设备   打印机、磁带机
          共享设备：可由若干个进程同时共享的设备 如：硬盘
          虚拟设备：把独占设备改造成“感觉上”可共享的设备
分配技术：1、独占分配
          2、共享设备  系统调度各进程的访问次序
          3、 虚拟设备；利用共享设备去模拟独占设备，从而由多个进程公用 例如：硬盘虚拟打印机
              最有名的技术：spooling技术
          spooling技术将独占设备改造为共享设备，实现虚拟设备的功能。
                      由专门负责I/O的常驻内存的进程以及输入井、输出井（即硬盘）组成
                      由存输入，取输入
                        存输出，取输出构成             
4、I/O处理过程
1、用户I/O调用 2、转去执行操作系统的核心程序 文件操作=》设备的驱动程序
3、设备驱动程序工作     4、启动该设备的工作
5、I/O完成后，产生中断信号
相应的中断处理程序调用设备驱动程序处理下面的I/O请求 

8章 中断处理
1、一般中断处理过程
中断的概念：cpu对某个事件发出的反映 cpu以外的事件 区别于异常cpu本身故障
中断源：    引起发生中断的事件
中断请求：中断源请求
断点：发生中断而程序停止的地方
一般处理过程：1、中断响应-----硬件实施
                   中止当前程序的执行
                   保存断点信息pc ps寄存器的内容
                   转到相应的处理程序
              2、中断处理-----软件实施
                    保存现场：通用寄存器的内容
                    分析原因：根据中断源判定
                    处理中断
                    中断返回
2、系统调用简要实现过程  
系统调用：操作系统内核与用户程序，应用程序之间的接口
所有内核之外的程序都必须经由系统调用才能获得操作系统的服务 
不能作为命令使用     
9章 死锁
1、死锁的概念
问题的引出：日常生活中
            计算机系统中
多个进程循环等待它方占有的资源而无限期的僵持下去的局面
2、死锁的产生
产生的根本原因：1、资源有限且操作不当
产生死锁的必要条件：1、互斥的条件 ：资源独占
                    2、不可抢占条件：不能强行的抢夺对方资源
                    3、占有且申请条件：资源分配并非一次到位
                    4、循环等待条件：构成环路
3、处理死锁的对策  
  1、预防：打破产生死锁的四个必要条件中的一个或几个
                         是排除死锁的静态策略 
                         1、资源预先分配策略 ：打破了占有且申请条件
                                               运行前一次性分配资源 
                            造成资源浪费，降低了进程的并发性
                         2、资源有序分配策略： 打破了循环等待条件
                                               资源事先分类编号，按序分配
                            限制了进程对资源的请求 ，增加了系统的开销，资源的利用率下降        
                2、避免：排除死锁的动态策略
           在资源分配过程中，若预测有发生死锁的可能性，则加以避免
                         1、安全序列
                            系统是安全的，是指系统中的所有进程能够按照某种次序分配资源，并且依次的运行完毕。这样的进程序列
                3、检测，与恢复
   
4、进程资源分配图及示例      
10章
1、微内核的概念及其结构
是操作系统的小核心，它将各种操作系统共同需要的核心功能提炼出来，
形成微内核的基本功能
服务器：除内核以外操作系统的其他部分都被分成若干相对独立的进程
        每个进程完成一组服务，称为服务器进程
2、线程
3、网络操作系统
4、系统管理员的职责