操作系统基础

这周在看操作系统原理的视频，主要包括进程管理、存储管理、外部设备管理和文件管理。

整理如下：

一、什么是操作系统？操作系统可以从三个方面理解，虚拟机的观点、资源管理者（监视资源使用情况，分配回收资源、保护资源的使用）、作业组织观点（协调应用软件的执行次序）。总之，操作系统计算机中的系统软件，管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源，合理的组织计算机的工作流程，以便有效利用这些资源为用户提供一个功能强，使用方便的工作环境，从而在计算机和用户之间起到接口作用。

二、进程管理

1、进程：程序的一次执行（动态的概念），包括可执行程序、程序所需的数据、相关状态信息。进程是拥有资源的最小单位。

  进程的结构：程序、数据集合、进程控制块PCB（进城存在的唯一标识）。PCB组织方式可以是链表、表格结构、多级队列等。

进程的状态：执行、就绪、阻塞、新建、终止、就绪/挂起、阻塞/挂起。

交换技术是将内存中暂时不能运行的进程或暂时不用的数据和程序，换出到外存（通常PCB不换出内存），腾出内存空间，把已经具备运行条件的进程或进程所需数据和程序换入内存。进程被交换到外存，此时进程为挂起状态。

2、操作系统的内核：基于硬件的第一层软件扩充，提供操作系统功能，是操作系统工作的基础。将与硬件紧密相关的（如中断处理、设备驱动程序）、基本的、公共的、运行频率较高的模块（如时钟管理、进程调度等）以及关键性数据结构独立开来，使之常驻内存，并对他们进行特殊保护，着一些部分成为操作系统内核。

3、进程的互斥与同步

     实现并发控制，各个进程互相竞争资源，某一时刻只允许一个进程使用的资源叫做临界资源，访问临界资源的那段代码为临界区，任何时刻只允许一个进程进入临界区。各个进程之间也要共同协作，这就要求必须保证数据的一致性。并发控制还要求各个进程之间通信协作，进程通信的方式主要有：消息传递、管道、共享存储区等。

互斥与同步的解决策略：①软件方法，很难控制进程间的同步于互斥，太过于复杂，并且效率很低。

②硬件方法，通过屏蔽中断或采用专门的机器指令控制互斥与同步，但是会造成进程的忙等待。

③信号量方法，已经成为控制进程同步与互斥的通用方法。

       两个或多个进程通过信号量进行合作，可以迫使进程在某个位置阻塞等待，直到他收到一个可以向前推进的信号（被唤醒），实现信号灯作用的变量称为信号量，定义为记录型变量s，其中一个域为整形，另一域为队列，队列的元素为等待信号量的阻塞进程。对信号量的两个原子操作为wait(s)、signal(s)。信号量有互斥信号量（用于申请或释放资源的使用权，s.count初始化为1）和资源信号量（用于申请或归还资源，s.count初始化为可用资源的数量）。

      进入临界区之前，先执行wait(s)原语，若s.count<0，则进成调用阻塞原语将自己阻塞，并插入到s.queue队列中。一旦其他某个进程执行了signal(s)原语中的s.count+1，发现s.count小于等于0（即阻塞队列中又被阻塞的进程），调用唤醒原语，将阻塞队列中的第一个进程唤醒。

计算机系统中的两个经典问题，生产者和消费者问题，读者和写者问题都可以用信号量方法实现。

④管程方法，管程是管理进程间同步的机制，他保证进程互斥的访问共享变量，提供了一个方便的阻塞和唤醒进程的机构，更容易使用和控制。

管程是由局部于管程的数据和一个或多个内部过程所组成的模块（有点像对象），局部于管程的数据只能被局部于管程内的过程所访问，管程外的过程不能对其进行操作；相反地，局部于管程内的过程只能访问管程内的数据结构。管程本身被作为一种临界区，进程可以在任何需要的地方调用管程中的过程，任何时刻管程中只有一个活跃的进程，其他进程必须等待。管程是一个语言成分，对他的互斥访问通常由编译程序在编译时自动添加，不需要编程者关心。

⑤消息传递的方法

进程之间通信方式有三种：基于共享存储区（不需数据移动，适用本地通信）、消息传递、邮箱机制。

消息传递方式，消息中包含的信息有：消息类型、目的地址、源地址、消息长度、控制信息和消息内容

实现进程间的通信，需要send（目的地址，消息）和receive（源地址，消息）两个通信原语。只有当一个发送进程发送出消息厚，接收进程才能接收。

消息传递的三种同步方式：①阻塞发送，阻塞接收（使进程间紧密同步）

②不阻塞发送，阻塞接收（通常用于服务进程为其他进程提供服务）

③不阻塞发送，不阻塞接收（常用于分布式系统）

若发送进程与接收进程共享一个数据结构，在其中进行中转，该数据结构通常称为邮箱。多个并发执行的发送进程和接收进程共享一个邮箱mutex，邮箱中消息可以为一条（对应互斥信号量），也可以为多条（对应资源信号量）。如果进程希望进入临界区，必须先从邮箱中接收一条消息，若邮箱为空，则该进程被阻塞；若进程收到邮箱中的一条消息，则进入临界区，执行完毕退出临界区后，将该消息发送回邮箱。

4、死锁问题

多个进程因为竞争资源，或执行时推进的顺序不当，或相互通信而永久阻塞的现象称为死锁。如果没有外力作用，死锁将永远保持下去。

死锁产生的条件有：互斥、占有且等待、非剥夺、循环等待。

解决死锁问题的方法：①预防死锁，破坏死锁产生的条件。

②避免死锁，在资源分配之前预测是否会导致死锁，决定是否进行资源分配。但是这个方法有很多限制条件，必须预先声明每个进程所需资源总量；进程之间相互独立，他们的执行顺序取决于系统安全而不是进程间的同步要求；系统必提供固定数量资源供进程使用；若进程占有系统资源，则不能让其退出系统。

③检测并解决死锁

死锁定理：当且仅当系统某状态s所对应的资源分配图是不可完全简化的，称s是死锁状态。

解除死锁：①撤销所有死锁进程。

②把死锁进程恢复到前一个检查点。

③按某个原则逐个选择死锁进程进行撤销，直到解除死锁。

④按某原则逐个剥夺进程资源。

三、存储管理

1、存储管理的任务

     ①存储分配，内存空间的分配与回收。

     ②地址映射，逻辑地址到物理地址的映射，有静态映射和动态映射。

     ③存储保护，防止地址越界，防止操作越权。

     ④存储共享，代码共享（为了节省存储空间）和数据共享（为了进程间通信）

     ⑤存储扩充，

       虚拟存储技术，将部分外存虚拟为内存，并将内外存有机结合，得到一个容量相当于外存，速度接近内存，价格便宜的虚拟存储系统。

2、内存划分与分配技术

        1)、 内存划分可以分为静态划分（预先划分）和动态划分。

         静态划分包括分页（一个进程可以分到多个页）和分区（有固定分区和异长分区，一个进程分入一个区）。对于页的控制有位示图、空闲页框表、空闲页框链表。

         动态划分，不用考虑存在内零头问题。系统必须维护一张空闲分区表。

         动态划分的算法有①首次适应算法；从低地址段开始查找一个满足要求的的内存区域。

                                      ②下次适应算法；该算法记录上次分配分区的位置，从上次分配分区处开始查找。

                                      ③最佳适应算法；选择满足要求并且长度最小的分区。

                                      ④最差适应算法；选择满足要求并且长度最大的分区。

        2)、简单存储管理技术   （有连续存储和非连续存储）

非连续存储包括分页存储技术，分段存储技术，段页式存储技术。

①简单分页存储管理

         将内存分成相同大小的存储块，称为页框。将用户的逻辑地址空间划分成若干与页框大小相等的部分，每部分称为页。系统以页框为单位将内存分给进程，分给一个进程的页框不一定是连续的，进程的一个页对应内存的一个页框。

         逻辑地址为页号+页内偏移量，地址转换过程为：将逻辑地址中的页号取出作为索引查找页表，找到对应页框号，根据页框号和页内偏移量得到物理地址。

②简单分段存储管理

         程序由若干逻辑段组成，分段存储是动态划分技术，将物理内存动态的划分成许多尺寸不等的分区，进程的每一段独立分配一个分区。一个进程的各个段分到的分区不一定是连续的分区。

           逻辑地址为段号+段内地址，地址转换：逻辑地址中的段号取出作为索引，查找进程的段表，将段内地址与段的长度比较，如果大与段的长度，为越界访问，引起中断。若是合法访问，将段的起始地址与段内地址相加，得到物理地址。

          分页与分段存储技术比较：1、都是非连续存储，由地址映射实现地址变换。

                                                     2、页是信息的物理单位，大小固定；段是信息的逻辑单位，各段长度不定，每一段都有一定的逻辑含义。                                          3、分页的地址空间是一维的，逻辑地址的划分由机器硬件实现，对用户透明；分段的地址空间是二维或多维的，编程者知道段名和段内偏移量。

                                                     4、分页源于系统管理物理内存的需要，在系统内部进行，由系统实现。分段源于用户进行模块化程序设计的需要，在系统外部进行，由用户实施。

③段页式存储管理

            内存空间分成大小相等的页框；进程的地址空间采用分段方式，按照程序的逻辑关系分成若干段；进程的每一段采用分页方法，按照页框大小把每一段分成若干页。

          逻辑地址为：段号+段内页号+页内偏移量。地址转换：逻辑地址中的段号取出作为索引查找段表，找到对应页表首地址，根据页表首地址和段内页号得到对应页框号，页框号和页内偏移量得到对应物理地址。

3、虚拟存储技术

            简单存储要求将一个进程所需的程序和数据全部装入内存方可执行。虚拟存储可以实现只装入一部分程序的进程到内存也能执行，当访问到不在内存的指令和数据时，系统要将该页或段装入内存，这需要消耗磁盘的I/O操作时间。   

         虚拟存储依赖的技术：缺页/段中断、交换技术。

         虚拟存储可能会有抖动问题，如果系统花费大量时间把程序和数据频繁的装入和移出内存，而不是执行用户指令，那么称系统出现抖动。抖动的出现是因为分页或者分段的不恰当。

      虚拟存储管理技术有虚拟存储分页技术、虚拟存储分段技术、虚拟存储段页式技术。逻辑地址到物理地址的转换同简单存储管理一样，只是在访问页表、段表时增加判断所访问的页、段是否在内存中，若不在内存则先将其装入内存再执行下去。           

          虚拟存储系统的软件策略：1、驻留集管理。驻留集是进程分到的物理页框的集合。他解决系统为每个活跃进程分配多少页框的问题。2、页面放置策略。系统应该在内存什么位置为活跃进程分配页框。3、页面获取策略。何时把一个页面装入内存。4、页面置换策略。解决当系统欲把一个页面装入内存时，应在什么范围判断有没有空闲页框供分配；当指定范围没有空闲页框时，应从指定范围选择哪个页面移出内存。5、页面清除策略。将由页面置换算法选择的被修改的置换页面保存到外存。6、负载控制。解决系统应当保持多少个活跃进程驻留在内存的问题。

四、设备管理

1、设备管理的主要功能：设备分配：操作系统统一调度和控制，设备分配程序按照一定策略为申请设备的用户进程分配设备，记录设备的使用情况。                设备映射：逻辑设备到物理设备的映射。

                                        设备驱动：对物理设备进行控制，以实现真正地I/O操作。

                                        I/O缓冲区管理：处理器和外设速度不匹配。

2、I/O系统结构：总线型I/O系统、通道型I/O系统、具有控制器的I/O系统。

对设备的控制，从处理机的角度，各种外设可以看成由一组寄存器组成的。每一设备都能通过寄存器的地址唯一确定。

    I/O控制方式：程序I/O方式，忙等待或循环测试方式。

                           中断I/O方式

                           DMA方式，直接存储器访问方式。数据直接从设备送入内存，或直接从内存送入设备。

                           I/O通道方式，通道相当于一个功能单纯的处理机，专门用于处理I/O操作。

3、I/O缓冲技术

提前读：用户进程从I/O缓冲区取走一个数据后，立即发送出对下一个数据的输入请求。

延后写：操作系统很快将用户请求的输出数据从用户进程工作区写到I/O缓冲区。

4、虚拟设备

虚拟设备技术类似于缓冲区技术，可以认为是为设备提供了多个更大的，甚至在实际工作中是无限长度的缓冲区，进一步提高系统效率。在进程空间和外设之间加入共享型设备。

五、文件管理

1、文件系统的功能有：管理文件存储空间，文件目录、完成文件读/写，实现文件共享与保护；为用户提供交互式命令接口和程序调用接口。

文件是一种具有符号名的、相关联元素的有序集合。数据结构有字段和记录。

文件类型，按照逻辑结构分类分为有结构文件（文件的元素是记录，文件有若干条记录组成。按结构可分为对文件、顺序文件、索引顺序文件、索引文件和直接文件）和无结构文件（文件看成一个字节流）。按照物理组织结构可分为连续文件（文件中信息连续存储到若干相邻的存储块）和非连续文件（链接文件和索引文件）。

2、文件目录

目录的设计对文件系统性能的影响是至关重要的。目录设计包括目录内容和目录结构两方面。

文件目录中应包含的信息有基本信息（文件名、文件类型、文件组织）、地址信息（卷、起始地址、文件的大小、分配的大小）和访问控制信息（文件主、保护信息、表急位、建立日期、上一次读日期和阅读者、上一次修改日期和修改者、备份日期、当前使用计数）。

文件目录结构要考虑使用整体目录结构（目录中的每个文件有一个表目，在每个文件表目中包含该文件目录的全部内容）还是分体式目录结构（文件目录只包括文件名和一个指向另一数据块的指针，该数据块中包含了文件目录内容以外的全部内容），是否采用层次的树形目录结构（单级目录结构、两级目录结构和层次目录结构）。

3、文件的物理存储

将存储空间分成大小相等的数据块，一个分区等于一个数据块或者是一个分区为若干连续的数据块。

文件存储空间分配技术，连续分配（使用可变大小的连续分区，预分配）

                                        链接分配（将文件分区设置为若干连续的数据块，每个文件的各个分区通过指针相连）

                                        索引分配（可以是基于数据块的分区的索引分配，也可以是基于可变分区的索引分配）

空闲空间管理：空闲分区表（存储空间中各个空闲分区登记在一张表中，一个分区对应一个表项，将所有空闲分区按起始存储块号递增的顺序依次排列）；空闲分区链表（用指针将各个空闲分区连接起来，并记载各个空闲分区的大小）；索引（将空闲分区看成文件，按文件存储空间分配方法为空闲分区建立索引）；位示图（用二进制0和1表示存储空间中存储块的使用状态）

4、逻辑文件与物理数据块之间的转换

无结构字节文件，需要“流-块转换器”，一个数据块可存储若干字节。

有结构文件，需要“记录-块转换器”，记录组块方法有：①固定组块法，数据块由若干条固定长度的记录组成，一条记录完整存储在一个块中。②可变长跨快组块法，允许纪录被划分存储在不同的块，用指针链接一条跨块存储记录所在的两个数据块。③可变长非跨块组块法，不允许记录存储在两个块。

5、文件共享（同时存取、存取权限）

文件共享就是可以从不同地方打开同一个文件。可以用链接目录项、基本文件目录、索引节点、URL实现文件共享。

6、文件的保护与安全

影响文件安全的主要因素是数据丢失（系统容错技术和备份技术）和非法入侵。

安全性管理有以下几方面

       ①系统级安全，防止未核准用户进入系统。

       ②用户级管理，根据不同用户，设置不同文件访问权限。

       ③目录级安全管理，与用户权限无关，是为保护系统中的各种目录而设计的，只有系统内核才具有写目录的权利。

       ④文件及安全管理，文件的访问属性。