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计算机操作系统

gecimao 发表于 2019-04-18 20:52 | 查看: | 回复:

  OS引论进程描述与控制处理机调度与死锁存储器管理虚拟存储器输入输出系统文件系统

  2、脱机输入/输出方式:事先将装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机,外围机控制,把纸带内容输入到磁带上(类似于磁盘),CPU需要时,从磁带高速调入内存。反之类同。

  3、单道批处理:首先监督程序将磁带第一个作业装入内存,运行控制权在该作业,处理完改作业后,控制权回到监督程序,然后进行重复过程,系统自动对作业成批处理。(内存始终只保持一道作业---单道批处理)

  4、多道批处理:所提交的作业先存入外存,排成“后备队列”,再由作业调度程序按算法从队列调若干作业入内存。

  5、分时系统:作业直接进入内存,采用轮转运行方式,系统配置一个多路卡(实现分时多路复用),及时接收用户终端命令(数据)。

  6、实时系统:系统能及时响应外部事件的请求,在规定的时间内完成对该事件的处理,并控制所有实时任务的协调一致的运行。

  特征:多路性(周期性信息采集,多个对象或执行机构进行控制)、独立性、及时性、交互性、可靠性(多级容错措施)

  1、并发:引入进程,并行并发,系统程序独立并发执行,提高资源利用率,增加系统吞吐量。

  3、虚拟:提高通信信道的利用率--“虚拟”技术,通过“空分复用”或“时分复用”,将一条物理信道(实)变为若干条逻辑信道(虚)。

  ①进程控制:创建和撤销进程,分配资源、资源回收,控制进程运行过程中的状态转换。

  2、存储器管理功能:为多道程序的运行提供良好的环境,提高存储器的利用率,方便用户使用,并能从逻辑上扩充内存。

  3、设备管理功能:完成用户进程提出的I/O请求,为其分配所需I/O设备,完成指定I/O操作;提高CPU和I/O设备的利用率,提高I/O速度,方便用户使用I/O设备。

  4、文件管理功能:对用户文件和系统文件进行管理以方便用户使用,并保证文件的安全性。

  1、前趋图:用于描述程序执行先后顺序 P1-P2,是指一个有向无循环图。

  程序的顺序执行:按照某种先后次序顺序执行,仅当前一程序执行完后,才运行后一段程序。

  程序的一次执行,顺序执行时所发生的活动,是具有独立功能的程序在一个数据集合上的运行过程,系统资源调配的独立单位。

  即进程,由程序段、相关的数据段和PCB组成,所谓创建和撤销进程实际是对其中的PCB的创建和撤销。(PCB:进程控制块Process Control Block)

  3、进程的三种基本状态:就绪、执行、阻塞状态(阻塞原因:I/O请求、申请缓冲区失败等)

  2、进程的挂起suspend:进程处于静止状态,暂停执行(执行状态下挂起),暂不接受调度(就绪状态下挂起)。是基于系统和用户的需求。

  3、进程的激活active:先将进程从外存调入内存,检查进程现行状态,静止--活动

  1、记录系统所需,用于描述进程的当前情况以及管理进程运行的全部信息,是操作系统中记录型数据结构。

  2、作用:一个在多道程序环境下不能独立运行的程序成为一个能独立执行的基本单位,一个能与其他进程并发执行的进程。

  ②链接方式:把具有相同状态进程的PCB分别通过PCB中的链接字链接成一个队列

  ①间接相互制约关系:进程间对类临界资源的间接相互制约关系,为保证进程有序运行,此类资源必须由系统实施统一分配(即用户使用前,应先提出申请)。

  ②直接相互制约关系:源于某些进程(隶属于同一应用程序)之间为完成同一项任务而相互合作(相互间唤醒激活--制约)。

  一次仅允许一个进程使用的资源(如打印机、磁带机等),进程间互斥来实现对临界资源的共享。

  临界区:每个进程中访问临界资源的那段代码,进程互斥地进入自己的临界区,对临界资源访问

  ②若未被访问,进入临界区对该资源访问,并设置“正被访问”的标志---临界区

  ③临界区后面代码,将临界区“正被访问”的标志恢复为“未被访问”的标志---退出区

  ④除进入区(entry)、临界区(critical)、退出区(exit)代码,其余代码---剩余区

  ①整型信号量:表示资源数目的整型量(S),仅原子操作wait(S)和signal(S)可访问,执行时不可中断。(分别被称为P、V操作)

  ②记录型信号量:在代表资源数目的整型变量value基础,增加一个进程链表指针list,用于链接所有等待进程。不存在“忙等”的进程同步机制。

  ③AND型信号量:将进程运行所需所有资源,一次性全部分配给进程,待进程使用完后再一起释放。

  ④信号量集:AND型信号量基础上,对进程所申请的所有资源以及每类资源不同的资源需求量,在一次P、V原语操作中完成申请或释放。

  ②对该共享数据结构实施操作的一组过程所组成的资源管理程序,共同构成的一个操作系统的资源管理模块。

  “一个管程定义了一个数据结构和能为并发进程所执行的一组操作,这组操作能同步进程和改变管程中的数据。”

  ②管道通信系统:“管道”(pipe)是指用于连接一个读进程和一个写进程以实现彼此间通信的一个共享文件。借花献佛-管道通信。

  ③消息传递系统:将通信上网数据封装在消息中,通过一组通信命令在进程间传递消息,完成进程间的数据交换。直接通信方式和间接(邮箱)通信方式。

  12、线程:“轻级进程”,作为调度和分派的基本单位,是程序执行流的最小单位。

  ①调度性:线程是作为调度和分派的基本单位,进程只作为资源拥有的基本单位。

  ④拥有资源:进程拥有系统资源,线程仅有一点必不可少、保证独立运行的资源。多个线程可共享本进程所拥有的资源。

  ⑥系统消耗:进程的创建或撤销的系统消耗“明显大于”线程的创建或撤销的系统消耗。

  ①高级调度:(长程调度或作业调度),调度对象是作业,主要功能是根据算法决定将外存后备队列中的某些作业调入内存,创建进程、分配必要资源,并将入就绪队列。

  ②低级调度:(短程调度或进程调度),调度对象是进程,主要功能是根据算法决定内存就绪队列中的某个进程应获得处理机,并由分派程序给选中的进程分派处理机。

  ③中级调度:(内存调度),内存中暂不能运行的进程调至外存(挂起状态),待条件齐全且内存空闲,中级调度,就绪进程重回内存(就绪状态)入就绪队列。

  1、作业控制块:作业标识+用户名称+用户账号+作业类型+作业状态+调度信息+资源需求+资源使用情况+。管理和调度作业。

  2、作业运行的三个阶段(三种状态):收容阶段(后备状态)、运行阶段(运行状态)、完成阶段(完成状态)。

  ②短作业优先(SJF):作业(或进程)越短(估计运行时间短),优先级越高。

  ③高响应比优先级调度算法:既考虑作业的等待时间,有考虑作业的运行时间,既照顾短作业,又不致使长作业的等待时间过长,从而改善处理机调度的性能。

  R p优先级=(等待时间+要求服务时间)/要求服务时间=响应时间/要求服务时间

  根据FCFS,使用轮转法处理,让每一个就绪队列上的进程每次运行一个时间片(若就绪队列上有n个进程,每个进程每次大约获得1/n的处理机时间)。

  8、最早截止时间优先EDF(earliest deadline first)调度算法:根据任务的截止时间确定优先级,截止时间愈早的优先级愈高,具有最早截止时间的任务排队列首,优先分配处理机。

  最低松弛度优先LLF(least laxity first)调度算法:根据任务的紧急(松弛)程度,紧急程度愈高的优先级愈高,优先执行处理。

  1、死锁的定义:如果一组进程中的每一个进程都在等待仅由该组进程中的其它进程才能引发的事件,那么该组进程是死锁的(Deadlock)。

  ①互斥条件:进程分配到的资源互斥性使用,资源只能被一个进程占用,其他请求该资源的进程只能等到被用完释放。

  ②请求和保持条件:进程已占有某资源,又提出新资源请求,而该资源被占,则进程请求被阻塞,已得资源保持。

  ④解除死锁:撤销某些进程,回收它们的资源分配给处于阻塞状态的进程,使其能继续运行。

  ①破坏“请求和保持”条件:第一种协议,所有进程运行前申请过程所需的全部资源;第二种协议,允许一个进程获得初期所需资源便开始运行,过程中逐步释放分配给自己的且用毕的资源,再请求新的所需资源。

  ②破坏“不可抢占”条件:新的资源请求得不到满足时,释放已经保持的所有资源,待需之时再申请。

  ③破坏“循环等待”条件:对系统所有资源类型进行线性排序,并赋予不同的序号。

  安全状态:系统能按某种进程推进顺序(P1,P2,,P n)为每个进程Pi分配其所需资源,直至满足每个进程对资源的最大需求,使每个进程都可以顺利的完成。

  可执行存储器:寄存器、主存(掉电信息丢失)---属于操作系统存储管理负责分配、回收,以及提供存储层次间数据移动的管理机制。

  ②链接:由链接程序将一组目标模块及其所需库函数链接,形成一个完整的装入模块。

  ①绝对装入方式:(系统小,单道程序)编译时知道程序将驻留在内存的位置,将产生绝对地址(即物理地址)的目标代码。绝对装入程序按照已知地址将装入模块装入内存,不需对地址修改。

  ②可重定位装入方式:装入时,对目标程序中指令和数据的各地址重定位(虚拟地址到内存地址映射)。(静态重定位)

  ③动态运行时的装入方式:装入程序将装入模块装入内存后,不对装入模块进行地址变换(逻辑地址转换为物理地址),而是推迟到程序真正要执行时才进行。(动态地址重定位)

  ①静态链接方式:程序运行前,先将各目标模块及其所需库函数链接成一个完整的装配模块,以后不再拆开。

  ①单一连续分配:(单道程序环境下)将内存分为系统区和用户区,系统区仅供OS使用,用户区仅装用户程序(独占)。

  ②固定分区分配:(多道程序环境下)将整个用户空间划分为若干个固定大小的区域。被划分几个分区便允许几个程序并发运行而不会互相干扰。

  ③动态分区分配:根据进程的实际需要,动态地为之分配内存空间。(数据结构:空闲分区表、空闲分区链;算法:顺序式搜索算法;操作:分配内存、回收内存)

  ④动态可重定位分配:系统对内存进行“紧凑”使若干程序移位,用该程序在内存的新起始地址去置换原来的起始地址。(获得新起始地址--动态重定位:系统中增设一个重定位寄存器存放程序和数据在内存的起始地址,程序执行时,真正访问的内存地址是相对地址与重定位寄存器中的地址相加而形成的)

  紧凑:通过移动内存中作业的位置,把原来多个分散的小分区拼接成一个大分区的方法。

  ①首次适应(FF)算法:要求空间分区链以地址递增的次序链接。分配内存时,从链首开始顺序查找,直至大小满足要求,按照作业大小从该空闲分区划分内存空间给请求者,余下的留在空闲链中。

  ②循环首次适应(NF)算法:从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区开始查找。设置起始查寻指针,用于指示下一次起始查寻的空闲分区,采用循环查找方式。

  ③最佳适应(BF)算法:要求将所有的空闲分区按其容量以从小到大的顺序形成一空闲分区链。(容易形成许多难以利用的碎片)

  ④最坏适应(WF)算法:扫描整个空闲分区表或链表,挑选一个最大的空闲区,分割一部分存储空间给作业使用。

  连续分配方式形成的许多“碎片”,不进行“紧凑”,利用离散的方式,将一个进程直接分散地装入到许多不相邻接的分区中。

  ①分页:将用户程序的地址空间分为若干个固定大小的区域(称“页”),相应地,内存空间也分为若干个物理块(页框),页和块的大小相同。离散分配。

  ②分段:将用户程序的地址空间分为若干个大小不同的段,每段可定义一组相对完整的信息,以段为单位离散分配。

  ①页面:将进程的逻辑地址空间分成若干个页,并为各页加以编号,从0开始,如第0页、第1页等。

  ②物理块:将内存的物理地址空间分成若干个块,并为各块加以编号,从0开始,如0#块、#1块等。

  ④页表:记录相应页在内存中对应的物理块号,实现从页号到物理块号的地址映射。

  7、进程在运行期间,需要对程序和数据的地址进行变换,即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。

  地址变换方式:设置地址变化机构---利用页面映射表(页表),将逻辑地址中的页号转换为内存中的物理块号,实现从逻辑地址到物理地址的转换。

  ④若STL,未越界,根据段表始址和该段段号,计算出该段对应段表项的位置,从中读出该段在内存的起始地址。

  分段的用户程序地址空间是二维的。(分段是用户的行为,程序员标示一个地址时,既需给出段名,也需给出段内地址。)

  分页系统能有效地提高内存的利用率;分段系统能反映程序的逻辑结构,便于段的共享与保护。将分页与分段两种存储方式结合,形成段页式存储管理方式。

  段页式存储管理系统,作业的地址空间首先被分成若干个逻辑分段,每段都有自己的段号,然后再将每段分成若干个大小相等的页。对于内存空间也分成大小相等的页,内存的分配以页为单位。

  1、程序运行时的局部性原理:一较短时间内,程序执行仅局限于某个部分,所访问的存储空间也仅局限于某个区域。

  1、定义: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。(逻辑容量由内存容量和外存容量之和决定,运行速度接近于内存速度。)

  ①多次性:作业无须一次性地全部装入内存运行,允许被分多次调入内存运行,即只需将当前要运行的那部分程序和数据装入内存即可开始运行。(基础:离散分配存储管理方式)

  ②对换性:作业运行时程序和数据无须一直常驻内存,允许作业运行时进行换进、换出,即进程运行期间允许那些暂不使用的代码数据从内存调至外存的对换区(换出),待需要时再将其调回至内存(换进)。有效提高内存利用率。

  ③虚拟性:能够从逻辑上扩充内存容量,虚拟内存容量(实际内存容量小),实现小内存运行大作业,改善内存利用率,提高并发程度,增加系统吞吐量。

  ①请求页表机制:请求页表增加四个字段作为请求分页的数据结构。(请求分页系统中页表诸项:页号 物理块号 状态位P 访问字段A 修改位M 外存地址)

  ②缺页中断机构:每当用户程序要访问的页面尚未调入内存时,产生缺页中断,以请求OS将所缺的页调入内存。

  ③地址变换机构:分页系统地址变换机构基础上为实现虚拟存储器,增加功能(如产生和处理缺页中断、从内存换出一页)。

  1、何时调入:预调页策略(一次调入若干相邻页)、请求调页策略(需要时提出请求)

  2、从何处(外存)调入:对换区(存放对换页面)、文件区(存放文件--未运行过的页面)、UNIX方式(该系统允许页面共享--进程请求页面可能被其他进程调入内存,直接共享)

  ①最佳置换:淘汰的页面是以后永不使用的或在未来很长时间里不再被访问的。(保证获得最低的缺页率,但目前无法预知未来,难以实现,作为标准用来评价其他算法)

  ③最近最久未使用:根据页面调入内存后的使用情况,记录一个页面自上次被访问以来所经历的时间t,淘汰现有页面中t值大的。

  ⑤页面缓冲算法:采用可变分配和局部置换方式的内存分配策略,系统为每个进程分配一定数目的物理块的同时自己保留一部分空闲物理块。在内存中设置一个空闲物理块链表(用于分配给频繁发生缺页的进程)、设置一个修改页面链表(已修改的页面不立即换出至外存,而是将其所在物理块挂在修改页面链表的末尾)

  6、“抖动”的含义:进程的大部分时间用于页面的换进/换出,几乎无法去做任何有效的工作。

  原因:系统运行的进程过多,分配给每个进程的物理块少,不能满足进程正常运行的基本要求,运行过程中,频繁缺页。

  ①隐藏物理设备的细节:对设备加以适当的抽象,以隐藏掉物理设备的实现细节。

  ③提高处理机和I/O设备的利用率:尽可能地让处理机和I/O设备并行操作。

  ④对I/O设备进行控制:驱动程序的功能。(控制方式:轮询的可编程I/O方式、中断的可编程I/O方式、直接存储器访问方式、I/O通道方式)

  ②设备独立性软件:用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命令、设备保护、以及设备分配与释放等。(设备无关的I/O软件)

  ③设备驱动程序:与硬件直接相关,用来具体实现系统对设备发出的操作指令,驱动I/O设备工作。

  ④中断处理程序:用于保护被中断进程的CPU环境,转入相应的中断处理程序进行处理,处理完后恢复现场,并返回到被中断的进程。

  ⑤数据缓冲区:主机速率高,I/O设备速率低,暂存数据匹配速率再进行数据传送。

  ⑥差错控制:I/O设备传来的数据,设备控制器进行差错检测,若错,将差错检测码置位,并向CPU报告,CPU处理,数据作废,重新传送。

  4、I/O通道:特殊处理机,处于CPU和设备控制器之间,具有执行I/O指令的能力,并通过执行通道程序来控制I/O操作。(指令类型单一、与CPU共享内存)

  ②数组选择通道:按数组方式进行数据传送的数组选择通道,可连高速设备。(易出现独占通道现象,利用率低)

  5、中断:I/O设备向CPU发来中断信号,CPU暂停正执行的程序,保护现场,转而执行该I/O设备的中断处理程序,执行完后,返回断点,继续执行原程序。(外中断)

  中断向量表:存放中断处理程序的入口地址于中断向量表中的表项中。每种设备配以相应的中断处理程序,一个设备的中断请求规定一个中断号,一个中断号直接对应中断向量表中的一个表项。(I/O设备发中断请求信号,中断控制器确定中断号,查找中断向量表,取其中断处理程序的入口地址,转入执行该程序)

  ①接收软件发来的命令和参数,将其中的抽象要求转换为与设备相关的低层操作系列。

  ②检查用户I/O请求的合法性,了解I/O设备工作状态,传递与I/O设备操作有关的参数,设置设备的工作方式。

  ③发出I/O命令,若设备空闲,启动I/O设备,完成指定操作;若设备忙碌,将请求块挂在设备队列上等待。

  ④及时响应设备控制器发来的中断请求,根据其中断类型,调用相应的中断处理程序进行处理。

  ①使用轮询的可编程I/O方式:不断循环测试状态寄存器中的忙/闲标志busy。

  ②使用中断的可编程I/O方式:CPU中断处理,I/O设备可与CPU并行工作。

  ④I/O通道控制方式:DMA方式的发展,进一步减少CPU的干预,实现CPU、通道、I/O设备三者的并行操作。

  9、设备无关软件:应用程序中所用的设备,不局限于使用某个具体的物理设备。

  利用一道程序模拟脱机输入时的外围控制机功能,把低速I/O设备的数据传送到高速磁盘上(脱机输入),再利用另一道程序脱机输出时的外围控制机功能,把高速磁盘的数据传送到低速输出设备上(脱机输出)。

  ①单缓冲区:每当用户进程发出一I/O请求时,OS在内存中为其分配一缓冲区。

  1、文件系统:OS存储和管理文件信息,方便用户对文件的存取、共享和保护等,有效提高系统资源的利用率。

  3、文件系统的层次结构:文件系统接口对对象进行操纵和管理的软件集合对象及其属性

  ③索引顺序:为每一个文件建立一张索引表,为一组记录中的第一个记录建立一个索引表项。

  1、文件目录:数据结构,用于标识系统中的文件及其物理地址,供检索时使用。

  3、索引节点:每一个索引节点保存文件系统中的一个文件系统对象的元信息数据,但不包括数据内容或者文件名。

  1、简单目录:单级文件目录,在整个文件系统中只建立一张目录表,每个文件占一个目录项---按名存取(目录项:文件名、文件扩展名、文件长度、文件类型、文件物理地址、文件说明、状态位)

  2、两级目录:主文件目录(一级,用户名、指向子目录指针),用户文件目录(二级,文件控制块)。

  3、树形目录:树形结构目录,主目录被称为根目录(唯一),每个文件和每个目录只能有一个父目录,子目录被称为树节点,数据文件被称为树叶。

  8、路径名:从主目录开始,把全部目录文件名与数据文件名依次用“/”连接起来,构成数据文件唯一的路径名。

  ②索引节点:文件的物理地址及其他的文件属性等信息放在索引节点中,文件目录中只设置文件名及指向相应索引节点的指针。

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