操作系统部分笔记

     基本概念和特征

    1.操作系统基本概念

    操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是控制和管理计算机硬件和软件资源，合理组织计算机工作流程及方便用户的程序集合。操作系统有两个重要的作用：一是管理系统中的各种资源；二是给用户提供一个友好的界面，方便用户操作计算机。

    2.操作系统的基本特征

    (1)并发性。所谓并发性是指在计算机系统中同时存在多个程序，从宏观上看，这些程序是同时向前推生的。

    (2)共享性。所谓资源共享性是指操作系统程序与多个用户程序共享系统中的各种资源。这种共享是在操作系统控制下实现的。

    (3)随机性。操作系统运行在一个随机环境中。一个设备可能在任何时候向处理机发出中断请求，系统无法知道运行着的程序会在什么时候做什么事情。

    操作系统的功能

    (1)进程管理。主要是对处理机进行管理。

    (2)存储管理。主要是对内存的分配、保护和扩充。

    (3)设备管理。对所有输人、输出设备的管理。

    (4)文件管理。主要涉及文件的逻辑组织和物理组织，目录的结构和管理。

    (5)作业管理。为用户提供一个友好的环境，方便用户组织自己的工作流程。

    操作系统的类型

    随着计算机硬件技术的不断发展，出现了多种类型的操作系统：手工操作系统、批处理操作系统、分时系统、实时系统及通用操作系统。随着网络技术的发展，相应地出现了网络操作系统和分布式操作系统。

    1.批处理操作系统

    批处理操作系统最大的特征就是用户不直接操作计算机，而是将作业交给系统操作员，由操作人员将作业成批地输人计算机，然后按某种调度策略，顺序地执行作业流中的每一个作业，以节省人工操作时间和 提高机器的使用效率。批处理操作系统又可分为单道批处理系统和多道批处理系统。

    2.分时系统

    分时系统中的分时指多个用户通过终端可同时使用一台计算机。操作系统在接收用户发出的请求后，按照时间片轮转算法轮流分配给每个用户一段CPU时间，进行各自的处理。但对于每个单独的用户都仿佛自己独占了整个计算机系统分时系统主要有以下几个方面的特点：

    (1)多路性若干个用户同时使用一台计算机，从微观上看是各用户轮流使用计算机；从宏观上看是各用户在并行工作。

    (2)交互性二用户可根据系统对清求的响应结果，进一步向系统提出新的请求。

    (3)独立性用户之间可以相互独立、互不十涉；系统保证各用户程序运行的完整性，不会发生相互混淆或破坏等现象。

    (4)及时性系统对用户的输人及时做出啊应。分时系统性能的主要性能指标之一是响应时间，即从终端发出的命令到系统予以应答听需的时间。

    3.实时系统

    实时系统是指可对外部事件做出及时洞应并在一定时间内完成对事件的处理的操作系统，其特点是及时响应和高可靠性实时系统可分为实时控制系统和实时信息处理系统两大类。

    4.个人计算机操作系统

    个人计算机操作系统是指用于个人计算机上的操作系统，提供联机交互功能：这要求系统有友好的用 户接口和操作界面

    5.网络操作系统

    网络操作系统可通过通信设备将分散的具有独立功能的多个计算机系统互联起来，用于实现信息交换、资源共享、互操作和协作处理的系统各用户间都要遵守一定的网络协议来共享资源。

    6.分布式操作系统

    分布式操作系统可统•管理和调度整个系统上的资源以实现各计算机之间的资源共享和信息传输，对任务实行动态、合理的分配及并行的处理分布式系统各个计算机之间无主次之分，为用户提供一个标准的接口和统一的界面，使用户方便实现听需要的操作。

研究操作系统的方法

    1.资源管理观点

    从资源管理的观点来看，操作系统的管理对象是计算机系统的资源，操作系统则是管理系统资源的程序集合通常，把操作系统分为处理机管理、存储管理、设备管理、作业管理和文件管理等5个主要部分，由这几部分程序的协调、配合来完成用户的作业要求。

    2.进程观点

    这种观点把操作系统看作由若干个可以同时独立进行的程序和一个对这些程序进行协调的核心所组成，这些同时运行的程序称为进程，每个进程都可完成某一特定的任务。

    3.虚机器观点

    从服务用户和机器功能扩充的观点来看，操作系统为用户使用计算机提供了许多服务功能和良好的工作环境。

操作系统的硬件环境

    硬件是构造操作系统的基础，硬件对操作系统的构造提供必要的支持。通常，操作系统所涉及的硬件环境主要包括以下几个方面。

    1.特权指今与处理机状态

    (1)特权指令。只允许操作系统使用，而不允许一般用户使用的指令。

    (2)非特权指令。特权指令之外的指令称做非特权指令，非特权指令的执行不影响其他用户及系统。

    (3)CPU状态。CPU交替执行操作系统程序和用户程序。在执行不同程序时，根据运行程序为机器指是，的使用权限而将CPU置为不同的状态CPU的状态属于程序状态字PSW中的一位。

    2.中断机制

    中断机制是现代计算机系统中的基本设施之一，它在系统中起着通信联络的作用，以协调系统对各种外部事件的响应和处理。

    3.定时装置

    为了实现系统管理和维护，硬件必须提供时钟，即定时装置硬件时钟通常分为两类：即绝对时钟和相讨时钟。

多道程序设计

    1.程序的顺序执行

    (1)顺序性。程序所规定的动作在机器上严格地按顺序执行，每个动作的执行都以前一个动作的结束为前提条件。

    (2)封闭性。程序执行得到的最终结果由给定的初始条件决定，不受外界因素的影响，即只有程序本身的动作才能改变程序的运行环境。

    (3)可再现性。顺序执行的最终结果与程序运行的速度无关。

    2.多道程序系统中程序执行环境的变化

    (1)独立性。在多道环境下执行的每道程序都是逻辑上独立的，且执行速度与其他程序无关，执行的起止时间也是独立的。

    (2)随机性。在多道程序环境下，程序和数据的输入与执行的开始时间都是随机的。

    (3)资源共享性。一般来说，多道环境下执行程序的道数总是多于计算机系统中CPU的个数，单CPU也是如此。

    3.程序的并发执行

    程序的并发执行是指为了充分利用系统资源，提高计算机的处理能力，在计算机系统中有两个或两个以上的程序同时执行的状态。参与并发执行的程序称为并发程序，并发程序执行时的特点如下：

    (1)各并发程序在执行期间相互制约。

    (2)程序与计算不是一一对应的关系。

    (3)不可再现性。

    4.多道程序系统

    一般情况下，计算机要同时处理多个具有独立功能的程序来增强系统的处理能力和提高机器的处理效率。常采用并行操作技术来使系统的各种硬件资源做到并行工作，即在计算机中，所运行程序的道数(吞吐量)多。程序在运行时有如下3个特点：独立性、随机性和资源共享性。

进程

    1.进程的概念

    进程是操作系统中最基本、最重要的概念。通常是指内存区域中的一组指令序列的执行过程，是程序中具有一定独立功能的关于某个数据集合的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

    2.进程的特性

    (1)并发性可以同其他进程一道向前推进，即一个进程的第一个动作可以在另一个进程的最后一个动作结束之前开始

    (2)动态性是指进程对应用程序的执行过程，体现在两方面：其一，进程动态产生，动态消亡；其二，在进程的生命周期内，其状态动态变化。

    (3)独立性。一个进程是一个相对完整的调度单位，它可以获得处理机并参与并发执行。

    (4)交往性。一个进程在运行过程中可能与其他进程发生直接的或间接的相互作用。

    (5)异步性。每个进程按照各自独立的、不可预知的速度向前推进。

    3.进程与程序的区别与联系

    (1)进程是程序的执行，是动态的；而程序是指令的集合，是静态的。

    (2)进程的存在是有限的，从运行到结束，是暂时的；而程序则是永久存在的。

    (3)进程包括程序、数据和进程控制块(PCB)。

    (4)一个程序可以有多个进程，一个进程也可以包含多个程序。

    4.进程的状态

     进程在其存在过程中，它们的状态在不断发生变化。系统中的不同事件均可以引起进程状态的变化。

    一般情况下，一个进程可分为以下3种状态：

    (1)就绪状态。是指一个进程已经具备运行条件，但由于没有获得CPU而不能运行所处的状态。一旦 把CPU分配给它，该进程就可运行二处于就绪状态的进程可以是多个。

    (2)运行状态。是指进程已获得CP1,并且在CPU上执行的状态。

    (3)等待状态。也称阻塞状态或封锁状态，是指进程因为等待某种事件发生而暂时不能运行的状态。

    在一定的条件下，进程的状态是可以相互转换的。

    5.进程控制块

    进程控制块(Process Contro1 B1ock，简称PCB)是用来记录进程状态及其他相关信息的数据结构,PCB是进程存在的唯一标志，PCB存在则进程存在。系统创建进程时会产生一个PCB，撤销进程时，PCB也自动消失。

进程控制

    进程控制也称进程管理，对进程实施有效的管理，包括进程的建立、撤销、进程阻塞及进程的唤醒等。

    进程控制是通过原语来实现的，用于进程控制的原语一般有：创建进程、撤销进程、挂起进程、激活进程、阻塞进程、唤醒进程及改变进程优先级等。

    1.创建原语

    创建原语用于建立一个新的进程，其主要操作过程是先向系统申请一个空闲的PCB，然后根据父进程提供的参数，将相关信息填入，最后返回一个进程的内部名。

    2.撤稍原语

    撤销原语是用于撤销一个已完成任务的进程，以释放它所占用的所有的内部和外部资源。实质上是撤销PCB，有两种撤销策略，一种是只撤销1个具有特定标识符的进程，另一种是撤销该进程及其所有子孙进程。

    3.阻塞原语

    阻塞原语的作用是将进程由运行状态变回阻塞状态。具体过程是先中断CPU，将CPU的当前状态保存在PCB现场信息中，将进程的当前状态置为等待，插人到等待队列中去。

    4.唤醒原语

    唤醒原语的作用是将进程由阻塞状态变为就绪状态，其操作过程是在等待队列中找出某进程，将它的当前状态置为就绪，然后将其从等待队列中撤出并插人到就绪队列中去。
 

进程的同步与互斥

    1.临界资源和临界区

    临界资源是指一次只允许一个进程使用的资源：一个进程中访问临界资源的那段程序代码称为临界区。它们不允许两个及以上的进程同时访问或修改。

    2.进程的同步

    进程的同步运行是指进程之间的一种直接的协同工作关系，这些进程通过相互合作来完成一项任务。

    3.进程的互斤

    进程间一种间接的相互作用构成进程互斥。进程互斥的目的就是使某一进程可以在某一时间内独占一些资源•

进程通信

    1.信号量和P, V操作

    解决进程的同步与互斥，既可用硬件实现，也可用软件实现。

    (1)在系统中信号量(S)是一个整数。当S＞ 0时，表示可供并发进程使用的资源实体数；当S＜0时，代表等待使用临界区的进程数。

    (2)只能通过P、V操作原语来改变P,V操作信号量的数值。P操作表示在当前进程申请的各种资源，V操作代表当前进程释放所占用的资源。P操作和V操作都是低级进程通信原语。

    (3)利用P、V操作可以解决并发进程间的互斥问题。

    (4)利用P、V操作也可以解决并发进程间的同步问题。

    2.高级通信机构

    对进程间大量信息的交换常采用消息通信的方法，高级通信原语不仅可保证相互制约的进程的正确关系，同时还实现了进程之间的信息交换。该方法不仅能实现进程间的通信，而且能实现进程间数据的传送。下面分别介绍3种高级进程通信。

    (1)消息缓冲通信。消息缓冲通信的基本思想：系统管理一组消息缓冲区，在每一个缓冲区可以存放一个信息。发送进程在发送消息前，在内存中设置一个发送区，装人欲发送的消息，在申请到一个消息缓冲区以后，将发送区里的消息发送到缓冲区中。

    (2)管道通信。管道通信实质上是利用外存来进行数据通信，传输数据量大，但速度较慢。发送进程从管道的一端写人数据，接收进程在需要的时候从管道的另一端读出数据。

    (3)信箱通信。信箱通信指进程并不把消息直接发送给对方，而是将通信的消息以信件的方式放在信箱内。

进程调度

    进程调度即处理机调度在多道程序系统中，进程数目往往大于处理机数目，这会使进程相互争夺处理机，必须按照一定的策略将C 1't分配给这些进程中的某一进程

    1.进程调度的功能

    记录系统中所有进程的状态、优先数及资源使用情况，CPU空闲时按一定算法确定将CPU分配给哪个进程和分配多长时价。

    2.进程调度方式

    进程调度方式是指有优先数更高的进程进人就绪队列时，如何分配CPU，一般包括剥夺方式和非剥夺方式两种调度方式

    3.进程调度算法

    (1)先来先服务算法FCFS。该算法按照进程进入就绪队列的先后顺序来选择二即每当进行进程调度时．总是把就绪队列的队首进程投人运行二

    (2)时间片轮转算法。这主要是分时系统中使用的一种调度算法。其基本思想是：将CPU的处理时间划分成一个个时间片，就绪队列中的诸进程轮流运行一个时间片。当时间片结束时，就强迫运行进程让出CPU，该进程进人就绪队列，等待下一次调度。同时，进程调度又去选择就绪队列中的另一个进程，分配给它一个时间片，以投人运行。

    影响时间片大小设置的主要因素有：系统响应时间、就绪进程数目(终端数目)和一计一算机处理能力。

    (3)最高优先级算法进程调度每次将处理机分配给具有最高优先级的就绪进程，进程的优先级由进程优先数决定

     进程优先数的设置可以是静态的，也可以是动态的。

     最高优先数算法又可与不同的C1'U方式结合起来，形成可剥夺式最高优先数算法和不可剥夺式最高优先数算法。

死锁

    1.死锁的概念

    死锁是指在多道程序系统中，两个或两个以上的进程无限期地等待永远不会发生的事件，得不到所需资源因而不能运行的状态处于死锁状态的进程称为死锁进程。

    死锁产生的原因：一是系统资源不足；二是多道程序运行时，进程的推进顺序不合理。

    2.产生死锁的必要条件

    (1)互斥条件。进程互斥使用资源，任一时刻一个资源只为一个进程独占，其他进程若请求一个已被占用的资源，只能等占用者释放后才能使用

    (2)不可剥夺条件(不可抢)。进程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他进程强行剥夺，而只能由获得该资源的进程自己释放

    (3)部分分配(占有等待)。进程每次申请它所需要的一部分资源，在申请新的资源的同时，继续占用已分配到的资源。

    (4)循环等待：存在一个进程环路，环路中每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求。

     3.资源分配图

    死锁问题可用一个有向图来表示。资源分配图就是描述进程、资源及它们之间关系的有向图。当进程请求资源时，系统检查并发进程组是否构成资源的请求环路。存在环路，可能存在死锁；不存在环路，一定没有死锁。

    4.死锁预防

    只要破坏死锁产生的4个必要条件之一，就可有效避免死锁的产生，主要有以下几种方法：

    (1)破坏互斥条件

    (2)破坏不可剥夺条件。

    (3)破坏部分分配条件二

    (4)破坏循环等待条件

     5.死锁解除

     当发现死锁后，可采用以下两种方法来解除死锁：

    (1)资源剥夺法。从一些进程那里强行剥夺足够数量的资源分配给死锁进程，以解除死锁状态

    (2)撤销进程法。按照某种策略逐个地撤销死锁进程，直到获得为解除死锁所需要的足够使用的资源为按照什么原则撤销进程，实用而又简便的方法就是撤销那些代价最小的进程，或者撤销进程的数量最少。

线程

    1.线程的概念

    线程是进程中的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位

    2.线程的属性

    (1)每个线程有一个唯一的标识符和一张线程描述表。

    (2)不同的线程可以执行相同的程序。

    (3)同一级的进程中的各个线程共享该进程的地址空间。

    (4)线程是处理器的独立调度单位，多个线程是可以并发执行的。

    (5)一个线程被创建以后便开始了它的生命周期，直到终止。

     3.线程与进程的比较

     线程与进程的主要区别表现在以下几个方面：

    (1)调度。在传统的操作系统中，拥有资源的基本单位和独立调度、分派的基本单位只有进程，而在引线程的操作系统中，则把线程作为调度和分派的基本单位，把进程作为资源拥有的基本单位，使传统进程两个属性分开，从而使线程能轻装运行，这样可以显著地提高系统的并发程度。在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换，在由一个进程中的线程切换到另一进程中的线程时，将会引起进程切换。

    (2)并发性在引人线程的操作系统中，不仅进程之间可以并发执行，而且在一个进程中的多个线程之也可以并发执行，因而使操作系统具有更好的并发性，从而能更有效地使用系统资源和提高系统的吞吐。在引入了线程的操作系统中，可以在一个文件服务进程中设置多个服务线程。当第一个线程等待时，件服务进程中的第二个线程可以继续运行；当第二个线程封锁时，第3个线程可以继续执行，从而显著地高了文件服务的质量及系统的吞吐量C

    (3)拥有资源不论是传统的操作系统，还是设有线程的操作系统，进程都是拥有资源的一个独立单位。一般地说，线程自己不拥有系统资源(也有一点儿必不可少的资源)，但它可以访问其隶属进程的资源，即一个进程的代码段、数据段及系统资源(如已打开的文件、1/0设备等)，可供同一个进程的其他所有线共享

    (4)系统开销。由于在创建或撤销进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、1/0设备等。因此操作系统所付出的开销将显著地大于在创建或撤销线程时的开销。类似地，在进行进程切换时，涉及到整个当前进程CPU环境的保存及新近被调度运行的进程的CPU环境的设置。而线程切换只需保存和设置少量寄存器的内容，并不涉及存储器管理方面的操作。可见，进程切换的开销也远大于线程切换的开销。

    操作系统与用户之间的接口

    操作系统向用户提供了两类接口：一类是程序级接口，另一类是作业级接口。

    1.程序级接口

    程序级接口是由一组系统调用命令组成的。系统调用命令可以看成是机器指令的扩充，用户通过在程序中使用这些系统调用命令来请求操作系统提供服务。

    2.作业级接口

    作业级接日是为用户在作业一级请求操作系统为其服务而设置的，用户可通过这类接口组织控制作业的工作流程。作业级接1-1可分为联机接口和脱机接口两类。

    作业管理

    作业就是用户在一次事务处理过程中，要求计算机系统所做工作的总称。一个作业分为几个步骤，每个步骤称为作业步。在批处理系统中将作业安排在输人设备上，然后依次读人系统进行处理，从而形成了 作业流作业管理分为作业调度和作业控制两部分。

    1.作业调度

    作业调度的主要任务是：按照各种调度算法，从后备作业队列中挑选一批合理搭配的作业。进人运行状态，同时，为选中的作业分配内存和外部设备等资源，为其建立有关的进程，当作业执行结束进人完成状态时，做好释放资源等善后处理工作。

    (1)作业的状态：一个作业进入系统到运行结束，要经过4种状态的变迁，即提交状态、后备状态、执行状态和完成状态

    (2)作业调度算法：常用的作业调度算法有以下几种

•     先来先服务算法
•     短作业优先算法
•     最高响应比作业优先算法
•     优先数算法

    2.作业控制

    作业控制是指用户或系统操作员对作业运行的全过程控制。作业控制可以分为联机作业控制和脱机作业控制两种方式。

    存储管理

    1.存储器   

    存储器是计算机系统中的重要资源，必须重点管理的资源。存储器可分为3类：主存储器、外存储器和高速缓存

    2.存储管理的主要目的和功能

    (1)内存空间的分配和回收。操作系统为每个进程分配一定的内存空间，进程结束时要收回内存空间。

    (2)内存空间的共享。内存共享是指两个或多个进程共用内存中相同的区域，其目的是节省内存空间，实现进程间通信，提高内存空间的利用效率。存储共享的内容可以是程序的代码，也可以是数据。

    (3)存储保护。在多道程序并发运行的环境下，内存中系统程序和数据段可供不同的用户进程共享。为了保护存储区内各类程序和信息不被破坏和干扰，保证系统正常运行，需要对内存中的程序和数据段采取保护措施。内存保护一般有防止地址越界和防止操作越权两种方式。

    (4)地址映射。地址映射又称为地址的重定位。地址有物理地址和逻辑地址(又称相对地址)两个概念。

    程序被调入主存时，首先要将程序的逻辑地址变换为物理地址，包括相应地调整程序中有关地址的指令，这个过程称为地址重定位。重定位的方法有两种：静态地址重定位和动态地址重定位

    (5)内存扩充。系统中内存容量是有限的，操作系统为了满足用户的作业对内存空间的需要，以某种方式将内、外存联合起来，向用户提供一个虚拟存储器，其容量比实际内存要大得多。

    3.碎片管理

    碎片是指内存中出现的一些零散的小空闲区域＿解决碎片的方法是紧凑(拼接)技术.

    分区存储管理

    分区式存储管理是满足多道程序运行的一种存储管理技术，其基本思想是将内存划分为若十连续区域，称为分区，每个分区装入一个运行作业。按分区的方式，又可分为同定分区和可变分区。

    1.固定介区

    固定分区是指在处理作业前将内存划分为若十个固定大小的存储区，每个分区装人一个作业，到该作业完成后收回该区。固定分区会浪费一些存储空间。

    2.可变介区

    可变分区是指在作业装人内存时进行分区，分区的大小正好与作业要求的存储空间相等，分区的个数与大小都是不确定的。这种分区方式的缺点就是会引起碎片的产生。

    系统利用空闲区表来管理内存中的空闲分区，常用的分配策略有：最先适应算法、最佳适应算法和最坏适应算法。系统为正在运行的进程提供一对硬件寄存器，可采用两种方式：

    (1)基址寄存器和限长寄存器。

    (2)上界寄存器和下界寄存器。

    页式存储管理

    1.基本概念

    (1)内存分配。页式存储管理把内存空间分为相同大小的存储区称为“块”，用户的作业地址空间也分成与“块”同样大小的若干个片段，称之为“页”。页和块从零开始按顺序编号，分别称为“页号”和“块号”。

    分配内存时，每一个页对应一个块，这些块在物理上可以是连续的，也可以是不连续的；

    (2)页表。在内存中的固定区域，系统为每个作业建立了一个页面映像表，简称“页表”。页表的作用是实现从页号到物理块号的地址映射，页表中有页号、块号和状态。页表状态是表示该页是否已经调人内存，1为已经调入，0为尚未调入。

    (3)快表。快表是存放在一个具有并行查询能力的特殊高速缓存中的活动页。

    (4)页面大小。页面大小直接影响到地址转换和页式存储管理的性能，一般取2的整数次幂。页面太大则与分区存储相差不大，页面太小则会增加系统的开销。

    2.实现方法

    系统为用户程序建立一张页表，用于记录用户程序逻辑负面与内存物理页面之间的对应关系。并且设立一张内存空闲页面表，来记录内存物理页面情况，用于内存分配和回收。为了实现页式存储，要有一对硬件寄存器，即页表始址寄存器和页表长度寄存器。

    段式存储管理

    1.基本原理

    (1)内存划分在段式管理中，作业的地址空间分成若干段，每段都是一个连续的地址空间，每个段中有一个起始地址即段首址段中所有单元从零开始依次编址，得到段内地址。

    (2)逻辑地址用户程序按逻辑上有完整意义的段来划分的存储空间称为逻辑段。用户程序的逻辑地址由段号和段内地址两部分组成。

    (3)内存分配系统为每个逻辑段分配一个连续的内存区域，但逻辑上连续的段在内存中不一定连续存放

    2.实现方法

    系统为每个用户程序建立一张段表，用于记录用户程序的逻辑段与内存物理段之间的对应关系。一个段表包括逻辑段号、物理段首址和物理段长度。同时系统还产生一张内存空闲区表，记录内存中空闲区域情况，便于分配和回收内存实现段式存储的硬件是需要段表始址寄存器和段表长度寄存器。

    3.段的保护

    为保证段的共享并使程序顺利运行，一般对段采取的保护措施有：利用段表及段长来保护段，防止程序运行时地址越界；存取权限保护；存储保护键保护。

    段页式存储管理

    1.基本思想

    用页式存储管理方法来分配和管理内存，用段式方法对用户程序按照其内存的逻辑关系分成若干段，每一段划分成若干个大小相等的页面．

    2.实现方法

    (1)系统为用户建立一张段表来记录页表始址和页表长度。

    (2)建立一张页表来记录该段中的逻辑页号与物理页号之间的对应关系。

    (3)建立张内存空闲页面表来记录内存空闲页面。

    (4)硬件支持

    (5)地址映射过程

    虚拟存储管理

    虚拟存储得以实现是由程序的局部性原理来决定的。程序的局部性原理包括时间局部性和空间局部性。虚拟存储管理技术是指在一个进程运行时，进程的程序不是一次全部装入内存，而是可多次分别装入，暂时不用的部分可退出内存，将需要用到的部分装人。

    系统分配给每个程序的页面数是有限的，若缺页而内存中又无空白区时，就要对内存中的页面及时更换，称为“页面淘汰”。若页面淘汰处理不当，则会出现被淘汰的页面又需要访问而再次调人的现象，出现反反复复的频繁调度，降低系统的效率。常用的页面淘汰算法有：先进先出法(F1FO)、最近最久未使用淘汰算法(1RU)、最佳淘汰算法(OPT)及最近最少使用淘汰算法(1FU)。

文件管理

    1.文件的概念

    文件是具有符号名(文件名)的、在逻辑上具有完整意义的一组相关元素的有序集合文件是操作系统进行信息管理的基本单位。文件可由若干个记录组成，记录是一些相关的信息项的集合，是用户存取文件的基本单位。

    2.文件的分类

    从不同的角度对文件进行分类，主要有以下几种：

    (1)按文件的性质和用途可分为系统文件、库文件及用户文件。

    (2)按文件的物理结构可分为连续文件、索引文件、链接文件、索引顺序文件和Hash文件。

    (3)按文件的逻辑结构可分为记录文件和流式文件。

    (4)按文件的存取方式可分为顺序存取文件和随机存取文件

    (5)按文件的保护级别可分为只读文件、读写文件、可执行文件和无保护文件。

    (6)UN1X系统中的文件可分为普通文件、目录文件和特殊文件：

    3.文件系统

    所谓文件系统，就是操作系统中实现文件统一管理的一组软件、被管理的文件及为实施文件管理所需要的一些数据结构的总称

    文件系统的优点包括以下几个方面：

    (1)按名存取文件以对用户透明的方式实现对名字空间的管理和信息浮动，使用方便灵活。

    (2)采取保护、保密措施，安全可靠。

    (3)实现文件共享，节省空间和时间开销。

    文件结构和存取方式

    一个文件的结构有逻辑结构和物理结构之分逻辑结构是从用户角度所看到的文件组织形式；物理结 构又称为文件的存储结构，是文件在外存上的存储组织形式。

    1.文件的逻辑结构

    有记录式的结构文件和流式的结构文件。在记录式的文件中，有着相同的数据项，文件的长度用记录数口表示。流式文件的长度是以字节为单位的，对它的访问是利用读写指针来完成的。

    2.文件的杨理结构

    文件的物理结构是指文件的内部组织形式，即文件在物理存储设备上的存放方法它一般分为连续结钩、链接结构、索引结构及Hash结构等。

    3.文件的存取方式

    文件的存取方式是由文件的性质和用户使用文件的情况而定的，一般可以采用顺序存取和随机存取两种形式。顺序存取是按照文件的逻辑地址顺序存取；随机存取可以允许以任意次序直接存取文件中的某一个记录。

    文件目录

    文件系统的最大特点就是“按名”存取。

    1.一文件控制块FCB

    系统为所有存人的文件建立一个从文件名到文件存储地址的映射，即设置一个文件控制块FCB(系统为管理文件而设置的一个数据结构)，对文件进行管理，并存放映射信息和其他管理信息。

    2.文件目录与目录文件

    文件目录是文件控制块的有序集合，提供了用户与文件系统之间的接口。口录文件是将文件目录以文件的形式保存在外存空间。日录文件是长度固定的记录式文件。

    3.文件目录结构

    文件口录的结构形式按系统的大小分为一级目录、二级目录和多级目录。口前大多数操作系统如11nux ,DOS等都采用多级目录结构，又称树型目录结构。

    4.当前目录

    当前目录是系统为用户提供一个目前正在使用的工作目录。引入这概念，可以提高检索速度。

    5.文件目录的改进

    把目录项(文件控制块)分为名号目录项和基本目录项，这种文件叫做目录项分解法，它可以提高文件检索速度。

    文件存储空间的管理

    1.位示图法

    系统为文件存储空间建立一张位示图，用一串二进制数值来反映磁盘空间的分配和使用情况。

    2.空闲块表法

    空闲块表法是将所有的空闲块按照一定的方式链接在一起，当申请者需要空闲块时，分配程序从链表上选取合适的空闲块分配给它。

    3.空闲块镬表法

    系统将所有空闲物理块组成一个链，外存空间的申请和释放以块为单位，申请时从链首取一块，释放时将其链人链尾。

    文件的存取控制及安全性

    1.文件的存取控制

    文件的存取控制体现为文件的共享、保护和保密3个方面。

    2.文件的操作和使用

    在通常情况下，文件系统应该提供一些有关文件操作的系统调用，以便用户方便、灵活、有效地使用文件。最基本的命令有：建立文件、打开文件、读文件、写文件、关闭文件和撤销文件。

    3.文件的系统安全

    文件系统的安全性是指抵抗和预防各种物理性破坏及人为性破坏的能力。常用的措施是备份，通过转储操作来完成，包括海量转储和增量转储。

    设备管理

    没备管理是指操作系统对除CPU和主存储器以外的其他一切硬件部分的管理

    1.设备的分类

    (1)按设备的卜作特性可以分为存储设备和输人／输出设备两种。

    (2)按设备的从属关系可以分为系统设备和用户设备两种。

    (3)按照设备分配方式可以分为独享设备、共享设备和虚拟设备3种。

    2.设备管理的目的和功能

    管理的口的就是要提供一个方便的巨独＿、达于设备的接口，它将用户和硬件特性分开，提高CPU与输人／输设备之间、设备与设备之问的并行1一作程度，从而提高外部设备资源的使用效率，并可以解决CPU与设备之的瓶颈问题设备管理程序提供的功能有设备分配和回收、管理输人／输出缓冲区、设备驱动、外部设备中断理、虚拟设备及其实现和1/0操作

    CPU对设备的控制主要有4种方式：循环测试1/0方式、中断处理方式、直接内存存取(DMA)方式和通道控制方式。

    缓冲技术

    缓冲技术是系统在内存中开辟一个区域作为缓冲区，用于暂时存放内存和外没之间的传输数据，改善外没备与CPU速度不匹配的问题，减少中断次数和CPU中断的处理时间、缓冲区分为硬件缓冲区和软件缓冲区。根据系统设置缓冲器个数的多少，叮以分为单缓冲、双缓冲和多缓冲。

    设备分配

    设备分配就是按照一定的策略给需要设备的进程分配合适的设备，设备类型不同，分配策略不同。从分配的角度来看，可将系统的设备分为独占、共享和虚拟3种

    1.独占设备的介配

    独占分配方式又分为静态分配方式和动态分配方式独：’；方式的设备分配算法通常有两个：一是先来先服务，二是优先级高者先服务。

    2.共享设备的分配

    付共享设备的使用，用户常通过文件系统进行。用户以文件的形式将自己的信息存放在共享设备上，需要使用时再进行存取

    3.虚拟设备的分配

    虚拟设备最常用的是SPOO11ng( S1mu1taneous Per1phera1 Operat1on On-11ne)技术，又称假脱机技术。SPOO11ng系统由输入SPOO11ng和输出SPOO11ng两部分组成SPOO11ng系统将一个作业从进入系统到完成退出系统的过程划分成输人、处理和输出3个并发执行的过程。

    设备管理程序

    1.设备介配程序

    在进行设备分配时，通常借助一些表格，如设备控制表、系统设备表、控制器表和通道表等，在这些表格中录了相关设备或控制器的状态及对设备或控制器进行控制所需的信息。

    2.设备处理程序

    设备驱动程序和设备中断处理程序统称为设备处理程序。设备驱动是控制设备实现1/0操作，完成相应的硬件任务；中断处理是恢复CPU对设备的控制。

    31通道技术

    1.通道分类

    按照信息交换的方式和连接的设备种类，通道可以分为以下3种类型：字节多路通道、选择通道和成组多路通道。

    2.工作原理

    通道具有自己的指令系统，包括读、写、控制、转移、结束及空操作等，就像一个功能简单的处理器。通道的运算控制部件包括：通道地址字(CAW)、通道命令字(CCW)、通道状态字(CSW)。通道与CPU共享一个内存，其访问内存的形式是“周期窃用”方式。