操作系统知识

操作系统的基本特征

4个，并发，共享，虚拟，异步，全部以并发为前提，共享和并发是最基本的。

操作系统的类型

模块，分层，微内核，目前大部分是微内核

中断处理具体过程：保存现场；分析原因，转中断处理程序；恢复现场。

进程管理

并行是同时发生，并发是看上去同时发生

并行性（parallelism）是指两个或两个以上事件或活动在同一时刻发生。
并发性指两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生。
进程属性

结构性：一个进程由四要素组成：程序块、数据块、进程控制块和系统堆栈。

动态性，独立性，并发，共享

进程的三个状态，就绪，执行，阻塞

图

进程的五个状态，执行，阻塞，就绪，新加两个，新建，终止

新建状态，刚被创建，未加载进入内存，系统需要分配其各种资源

终止，结束运行

进程的4个部分，进程控制块，用户栈，数据块，程序块

进程控制块的两个组织方式

链接方式

索引方式

进程创建步骤：
1、申请空白PCB
2、为新进程分配资源。为新进程的程序和数据以及用户栈分配必要的内存空间。
3、初始化进程控制块
       初始化标识信息，并在基本进程表中增加一项。
       初始化处理机状态信息。使程序计数器指向程序的入口地址，使栈指针指向栈顶；
       初始化处理机控制信息：进程的状态、优先级。
4、将新进程插入就绪队列或就绪挂起队列。
同步机制应该遵循的规则

空闲让进
忙则等待
有限等待
让权等待
信号量机制

整型，wait，signal

wait（S）： while S＜0 do no-op
S：=S-1；
signal（S）：S：=S+1；
记录型

procedure wait（ S ）
var S： semaphore；
begin
S.value:＝S.value-1;
if S.value＜0 then block（S,L）;
end

procedure signal（S）
var S: semaphore；
begin
S.value:＝S.value+1；
if S.value≤0 then wakeup(S,L)；
end

利用信号量实现前驱关系

设有两个并发执行的进程P1和P2，P1中有语句S1，P2中有语句S2，我们希望在S1执行后再执行S2。
使进程P1和P2共享一个公用信号量S，赋予初值为0；
在进程P1中，用S1；signal（S）；
在进程P2中，用wait(S), S2;

其实信号量这里，wait可以理解为加锁，将值置为false，其他则不可以访问，signal是解锁，将值置为true，可以访问

3 读者-写者问题
有两组并发进程：读者和写者，共享一个文件F，要求：
（1）允许多个读者可同时对文件执行读操作；（2）只允许一个写者往文件中写信息；
（3）任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作；
（4）写者执行写操作前，应让已有的写者和读者全部退出。
var rmutex, wmutex:semaphore :=1,1;
Readcount: integer:=0;
begin
parbegin
reader begin
repeat
wait (rmutex);
if Readcount=0 then wait(wmutex);
Readcount :=Readcount+1;
signal(rmutex);
┇
perform read operation;
┇
wait( rmutex); // 读完后还需要修改Readcount的值
Readcount :=Readcount-1;
if Readcount:=0 then signal(wmutex);//没有读进程在读，此时把信号量释放掉，以便写进程来写文件
signal(rmutex);
until false
end

进程通信方式

1.低级通信，比如信号量就是一种

2.高级通信，利用操作系统的通信命令

高级通信的种类

共享存储区通信机制，变相的信号量

消息传递通信机制 ，windows的postmessage

管道（Pipe）通信（unix系统的传统通信方式），共享文件管道pipe文件

线程

在操作系统中再引入线程，则是为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销和通信代价，使OS具有更好的并发性。

线程是操作系统进程中能够独立执行的实体，是处理器调度和分派的基本单位。
线程是进程的组成部分，每个进程内允许包含多个线程。
同一个进程中的所有线程共享进程获得的主存空间和资源。

进程调度的三个方式

高级调度：用于决定把外存上处于后备队列中的哪些作业调入内存，并为它们创建进程、分配必要的资源，然后，再将新创建的进程排在就绪队列上，准备执行 。
低级调度：用来决定就绪队列中的哪个进程应获得处理机，然后再由分派程序把处理机分配给该进程的具体操作。抢占和非抢占
中级调度：它决定主存储器中所能容纳的进程数，引入中级调度的主要目的，是为了平滑和调整系统负荷，提高内存利用率和系统吞吐量。
调度算法：

先来先服务，FCFS，既可以作业调度，也可以进程调度

短作业优先，SJF,既可以作业调度，也可以进程调度

高优先权优先调度算法，抢占时和非抢占式，

高响应比优先调度算法：由于该算法既考虑了作业（进程）的等待时间又考虑作业（进程）的运行时间，是FCFS和SJ(P)F的折中。

优先权=（等待时间+估计要求服务时间）/估计要求服务时间
最短剩余时间优先算法：根据运行剩余最短时间，强行将正在运行剩余时间长的进程移走

时间片轮转调度算法：系统耗费在进程切换上的开销比较大，这个开销与时间片的大小很有关系。时间片大小的确定要从进程个数、切换开销、系统效率和响应时间等多方面考虑。
多级反馈队列调度算法：设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。 各队列中进程执行时间片大小也各不相同。

常用的几种实时调度算法
最早截止时间优先算法EDF( earliest deadline first)

最低松弛度优先LLF(least laxity first)算法
产生死锁的原因和必要条件

死锁的定义：所谓死锁（Deadlock），是指多个进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局（Deadly- Embrace），当进程处于这种僵持状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进，也无法释放占用的资源。

死锁的发生必须具备下列四个必要条件：
（1）互斥条件：指进程对所分配到的资源进行排它性使用 。
（2）请求和保持条件：指进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求
（3）不剥夺条件：指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
（4）环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链。
系统状态：安全状态，不安全状态

银行家算法

设Requesti是进程Pi的当前请求向量，当Pi发出资源请求后，系统按下述步骤进行检查：
（1）如果Requesti[j]≤Need[i,j],便转向步骤（2）；否则认为出错，因为它请求的资源数已超过它所宣布的需求量。
（2）如果Requesti[j]≤Available[j]，便转向步骤（3）；否则，表示尚无足够资源，Pi须等待
（3）系统试探着把资源分配给进程Pi，并修改下面数据结构中的数值：
Available[j]：＝Available[j]一Requesti[j]；
Allocation[i,j]：＝Allocation[i,j]＋Requesti[j];
Need[i,j]: =Need[i,j]一Requesti[j]；
（4）系统执行安全性算法，检查此次资源分配后，系统是否处于安全状态。若安全，才正式将资源分配给进程Pi，以完成本次分配；否则，将本次的试探分配作废，恢复原来的资源分配状态，让进程Pi阻塞等待。
安全算法

尝试找到一个安全序列

存储器管理

程序装入

绝对装入方式，可重定位装入方式（需要做地址转换，静态重定位，动态重定位）

程序连接

静态链接方式，装入时动态链接，运行时动态链接

连续分配方式

单一连续分配，固定分区分配，动态分区分配（首次适应算法，循环首次适应算法，最佳适应算法）

重定位技术

活动进程通常会被换入或换出内存，一旦进程被换出主存，下一次被换入时，如果必须放在和以前相同的存储器区域，会带来许多限制，相反，可以把进程放入存储器的不同区域中。因此程序员不可能事先知道自己程序执行期间在内存中的位置。

基本分页存储管理方式（重点）

为了能将用户地址空间中的逻辑地址，变换为内存空间中的物理地址，在系统中必须设置地址变换机构。在分页中，逻辑地址到物理地址的转换仍然由处理器硬件完成。

地址变换借助于页表来完成。

页表大多驻留在内存中。在系统中只设置一个页表寄存器PTR，在其中存放正在执行进程的页表在内存的始址和页表的长度。
两级页表

将页表再进行分页，并离散地将各个页面分别存放在不同的物理块中 ，为离散分配的页面再建立一张页表，称为外层页表 ，在外层页表的每个页表项中记录了页表页面（页表分页）在内存中的首址。

两级页表的总结

两级页表虽解决了可分散存放页表的问题，但并未解决页表占用内存空间的问题。
对于进程运行涉及页面的页表分页应放在内存，而其他页表页使用时再行调入。
二级页表分页机制中，CPU每存取一个数据需三次访问内存，一次访问外层页表、一次访问页表、一次访问指令或数据。
基本分段存储管理方式
引入分段存储管理方式，主要是为了满足用户和程序员编程和使用上的要求。
现代高级语言常常采用模块化程序设计，一个程序由若干模块组成。每个段都具有完成的逻辑意义，都是从0开始编址，每个段都有模块名。

在分段存储管理方式中，作业的地址空间被划分为若干个段，每个段定义了一组逻辑信息，主程序段、子程序段、数据段等；
用段号代替段名，各个段的长度不等；
每个段都从0开始编址，为作业的每一段分配一个连续的主存空间，而各段之间在内存中不一定连续。
区别

分段和分页的目的不同。分页是为实现离散分配方式，以消减内存的外零头，提高内存的利用率。段则是信息的逻辑单位，它含有一组其意义相对完整的信息。分段的目的是为了能更好地满足用户的需要。
页的大小固定且由系统决定，由系统把逻辑地址划分为页号和页内地址两部分；而段的长度却不固定，由其完成的功能决定。

段页式存储管理方式

在段页式系统中，每个段被分成若干个固定大小的页面，那么每个段必须建立一张页表，把逻辑地址变成内存中的实际页面
为每个段建立一张段表，段表中应有专项指出该段对应页表的页表始址和页表长度（大小）。
虚拟存储器的基本概念

当一个进程被调用时，系统将保证该进程当前要引用的程序和数据在内存中，其余部分存在磁盘上。
所谓虚拟存储器：是采用虚拟存储技术实现的，是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统，其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定，其运行速度接近于内存速度，而每位的成本却又接近于外存。
实现方法：

请求分页系统：这是在基本分页系统的基础上，增加了请求调页功能和页面置换功能所形成的页式虚拟存储系统。

为了能实现请求调页和置换功能，系统必须提供必要的硬件支持和相应的软件:
①请求分页的页表机制，
②缺页中断机构
③地址变换机构;
更多看PPT

页面置换算法：

最佳置换算法
先进先出页面置换算法
最近最久未使用置换算法
Clock置换算法
IO设备：

不同设备物理特性的主要差别：
数据传输率；
数据表示方式：不同设备采用不同字符表和奇偶校验码；
传输单位；
出错条件：错误形式，报错方式等。
设备控制器：

设备控制器是一个以电路板形式出现的硬件设施。
设备控制器作用：设备控制器是CPU和I/O设备之间的接口，控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。

总线系统：

计算机系统中的各部件，如CPU、存储器以及各种I/O设备之间的联系都是通过总线实现的。
总线的职能：负责计算机个部件间的信息传输。
可把I/O设备的控制方式分成4类：
程序I/O方式；
中断驱动I/O控制方式；
直接存储器访问DMA I/O控制方式；
通道控制方式
磁盘调度：

磁盘的访问时间
1）寻道时间：指磁头移动到指定磁道上所需时间。
2）旋转延迟：指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。
3）传输时间：数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。
磁盘调度策略

先来先服务：根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度
最短寻道时间优先SSTF：下一个被访问的磁道，是与当前磁头所在的磁道距离最近的磁道，以使每次的寻道时间最短。饿死现象
扫描算法SCAN（电梯算法）：当磁头正在自里向外移动时，下一个要访问的磁道应是既在当前磁道外，又是距离最近者。直到再无更外的磁道要访问时，才调换磁头移动方向。
循环扫描算法：总是从0号柱面开始向里道扫描，按照各自所要访问的柱面位置的次序去选择访问者。在移动臂到达最后一个柱面后，立即快速返回到0号柱面，返回时不为任何的访问者等待服务。在返回到0号柱面后，再次进行扫描。

（有一个或几个进程地某一磁道有较高的访问频率，即这个(些)进程反复请求对某一磁道的I/O操作，从而垄断了整个磁盘设备。我们把这一现象称为“磁臂粘着”(Armstickiness)。）
N-step-SCAN算法：将请求分成队列，队列FCFS，队列内SCAN算法
文件系统

文件的定义：域（数据项），记录，文件，数据库
常见的有结构文件的逻辑组织形式：
堆；
顺序文件；
索引顺序文件；
索引文件；
直接文件和哈希文件

有结构的文件是由记录组成的（记录是访问文件的逻辑单元，而块是磁盘设备与CPU和内存进行I/O的单位。为了执行I/O，记录必须组织成块。
在大多数操作系统中，块的长度是固定的，固定长度的块可以简化I/O、内存中的缓冲区的分配和外存中块的组织。

看到这里的时候，记得看B-B+树的时候，B+树比B-树在IO操作上会少一些，主要是因为B+树的每个结点比较小，所以通过一次IO可以载入更多的结点，一次IO也是和这里的块相关的。

文件在外存中的分配

给文件分配空间大小，两种方式，一种是预先分配好，但是会造成空间浪费，一种是动态分配

文件分配表和文件控制块
为每个磁盘中所有的文件配置了一张文件分配表FAT，该表记录了分配给文件的所有的盘块号，在FAT的每个表项中存放该文件所在的下一个盘块号。
对于硬盘的使用非常重要。
FAT放置于内存，为此检索速度快。

具体的文件外存分配方法

连续分配方式：这是一种预分配方式，并且是一种可变大小的分区方式。
链接分配：为文件分配多个不连续的块，通过每个块上的链接指针，将同属于一个文件的多个离散的块链接成一个链表。

注：MS-DOS、windows等操作系统都采用了显示链接的方式，把用于链接文件各物理块的指针，显式地存放在内存的文件分配表FAT中。
索引分配：索引会占用很多空间，多级索引等

目录管理

文件，FCB，文件控制块，文件的各种信息，各种权限

文件目录：文件目录是文件的集合，一个文件目录也被看作是一个文件，称为目录文件，存储于磁盘上。
索引节点的引入，文件目录存放太多文件的时候，就有太多的FCB，需要多次的IO存取，
为了减少检索文件时的I/O操作次数，UNIX/Linux 采用了一种比较特殊的目录项建立方法，把FCB中的文件名和其他的文件描述信息分开存放。文件描述信息单独形成一个称为索引结点的数据结构，简称为inode结点。
文件存储空间的管理
空闲表法：为所有的空闲区建立一块空闲表，每个空闲区对应一个空闲表

空闲链表法：将所有的空闲区作为链表指针形成一个链表

位图法：位示图是利用二进制的一位来表示磁盘中一个盘块的使用情况。磁盘上的所有盘块都有一个二进制位与之对应，这样，由所有盘块所对应的位构成一个集合，称为位示图。