操作系统概念大纲

1. 操作系统基础知识

1.1 操作系统的定义与作用

• 通过资源管理，提高计算机系统的效率。

• 改善人机界面，向用户提供友好的工作环境。

1.2 操作系统的特征和功能

1.2.1 特征

• 并发性

• 共享性

• 虚拟性

• 不确定性

1.2.2 功能

• 进程管理：进程控制，进程同步，进程通信，进程调度。

• 文件管理：文件存储空间管理，目录管理，文件的读写管理和存储控制，软件管理。

• 存储管理（主存储器）：存储分配与回收，存储保护，地址映射，主存扩充。

• 设备管理：对硬件设备的管理，对输入输出设备的分配、启动、完成和回收。

• 作业管理：包括任务、界面管理、人机交互、图形界面、语音控制和虚拟现实等。

1.3 操作系统的类型

• 批处理操作系统：单道批处理，多道批处理。

• 分时操作系统：多路性，独立性，交互性，及时性。

• 实时系统：实时控制系统，实时信息处理系统。快速的响应能力，有限的交互能力，高可靠性。

• 网络操作系统

• 分布式操作系统

• 微机操作系统

• 嵌入式操作系统

1.4 研究操作系统的观点

• 资源管理的观点

• 虚拟机的观点

2. 处理机管理

2.1 基本概念

2.1.1 进程的组成

• 进程通常由程序、数据和进程控制块组成。

• 进程控制块：进程标识符，状态，位置信息，控制信息，队列指针，优先级，现场保护区，其它

2.1.2 进程的状态

• 三态模型：就绪，运行，阻塞

• 五态模型：新建，就绪，运行，阻塞，终止

2.2 进程的控制

进程的控制是由操作系统内核实现的。大多数操作系统内核均包含支撑功能和资源管理功能。

• 支撑功能

  • ① 中断处理

  • ② 时钟管理

  • ③ 原语操作

• 资源管理功能

  • ① 进程管理

  • ② 存储器管理

  • ③ 设备管理

• 进程控制原语

  • ① 创建与撤销原语

  • ② 挂起与激活原语

  • ③ 阻塞与唤醒原语

2.3 进程间的通信

2.3.1 同步与互斥

• 进程间的同步

  相互合作的进程需要在某些确定点上协调它们的工作。

• 进程间的互斥

  有些资源只能供一个进程使用，称为临界资源（critical resource，CR）。

• 临界区管理的原则

  • ① 有空则进

  • ② 无空则等

  • ③ 有限等待

  • ④ 让权等待

2.3.2 信号量机制

• 整型信号量与PV操作

  • 1> 信号量

    • ① 公用信号量：实现进程间的互斥，初值=1或资源的数目

    • ② 私用信号量：实现进程间的同步，初值=0或某个正整数

  • 2> PV操作

  PV操作是低级通信原语，在执行期间不可分割。P表示申请一个资源，V表示释放一个资源。

• 利用PV操作实现进程的互斥

  令信号量mutex的初值为1，当进程进入临界区时执行P操作，退出临界区时执行V操作。则进入临界区的代码如下所示。

  P(mutex)
  临界区
  V(mutex)
  

• 利用PV操作实现进程的同步

  当信号量的值为0时表示希望的消息未产生，当信号量的值为非0时表示希望的消息已经存在。

2.3.3 高级通信原语

• 进程高级通信的类型

  • ① 共享存储系统

  • ② 消息传递系统

  • ③ 管道通信

• 进程通信

  • ① 直接通信

  • ② 间接通信

2.4 管程

• 管程的基本思路是采用资源集中管理的方法，将系统中的资源用某种数据结构抽象的表示出来，可建立一个管程管理进程提出的访问请求。

• 管程是由一些共享数据、一组能为并发进程执行的作用在共享数据上的操作的集合、初始代码以及存取权组成的。

2.5 进程调度

2.5.1 作业3级调度

• 高级调度

  又称“长调度”或者“作业调度”、“接纳调度”。它决定处于输入池的哪个后备作业可以调入主系统做好运行准备。一个作业只需一次高级调度。

• 中级调度

  又称“中程调度”或者“对换调度”。它决定处于交换区中的就绪进程哪个可以调入主存参与CPU竞争。

• 低级调度

  又称“短程调度”或者“进程调度”。它决定处于主存中的就绪进程哪个可以占用CPU。

• 调度方式

  • 可剥夺

  • 不可剥夺。

2.5.2 常用的调度算法

• 先来先服务（FCFS）；

• 时间片轮换；

• 优先级调度，静态优先级，动态优先级。

2.6 死锁

2.6.1 定义

死锁是指两个以上的进程互相都因要求对方已经占有的资源，导致无法继续运行下去的现象。

2.6.2 死锁产生的原因

• 进程竞争资源；

• 进程推进顺序非法。

2.6.3 产生死锁的四个必要条件

• 互斥条件

• 请求保持条件

• 不可剥夺条件

• 环路条件

2.6.4 死锁的处理

• 鸵鸟策略：不理睬策略。

• 预防策略：破坏死锁的四个必要条件之一。

• 避免策略：精心分配资源，动态回避死锁。

• 检测与解除策略：能检测死锁并解除。

2.7 线程

线程与进程的比较：

• 调度：线程作为调度和分配的基本单位，进程作为拥有资源的基本单位。

• 并发性：进程之间可以并发，同一个进程中的多个线程叶可并发。

• 拥有资源：进程是拥有资源的一个独立单位，线程不拥有系统资源，但可访问进程的资源。

• 系统开销：在创建或撤销进程时，系统都要为之分配和回收资源，导致系统的开销明显大于创建或撤销线程时的开销。

3.存储管理

3.1 基本概念

存储管理的对象是主存储器（主存或内存）。

• 存储器的结构

  • ① 虚拟地址：符号名地址，逻辑地址

  • ② 地址空间：逻辑地址空间

  • ③ 存储空间：物理地址空间

• 地址重定位

  • ① 重定位：逻辑地址转换称物理地址的过程。

  • ② 静态重定位：程序装入主存时已经完成地址转换

  • ③ 动态重定位：在程序运行期间完成地址转换。

• 存储管理的功能

  • ① 主存储器的分配和回收

  • ② 提高主存储器的利用率

  • ③ 存储保护

  • ④ 主存扩充

3.2 分区存储管理

3.2.1 固定分区

系统生成时已将主存划分为若干个分区，系统通过主存分配情况表管理主存。

3.2.2 可变分区

存储空间的划分是在作业装入时进行的，分区的大小刚好等于作业的大小。请求和释放分区有如下4种算法。

• ① 最佳适应算法

• ② 最差适应算法

• ③ 首次适应算法

• ④ 循环首次适应算法

3.2.3 可重定位分区

基本思想是移动所有已分配好的分区，使之成为连续区域。

3.3 分页存储管理

3.3.1 纯分页存储管理

• 分页原理：将一个进程的地址空间划分成若干大小相等的区域成为页。相应地，将主存空间划分成与页相同大小的若干物理块，成为块或者页框。在为进程分配主存时，将进程中若干页分别装入多个不相邻接的块中。

• 地址结构：分页系统的地址结构由两部分组成：前一部分为页号，后一部分会便宜量，即页内地址。

• 页表：实现从页号到物理块号的地址映射。

3.3.2 快表

一组告诉寄存器，用来保存当前访问频率高的少数活动页的页号及相关信息。

3.3.3 两级页表机制

3.4 分段存储管理

3.4.1 引入分段存储管理的原因

• 便于编程

• 分段共享

• 分段保护

• 动态连接

• 动态增长

3.4.2 分段的基本原理

作业的地址空间被划分为若干段，每个段都是一组完整的逻辑信息，如有主程序段、子程序段、数据段及堆栈段等，每个段都有自己的名字，都是从零开始编址的一段连续的地址空间，各段长度不等。在分段式存储管理系统中，为每个段分配一个连续的分区，而进程中的各个段可以分散到主存的不同分区中。

3.5 段页式存储管理

段页式系统的基本原理是先将整个主存划分成大小相等的存储块（页架），将用户程序按程序的逻辑关系分成若干段，并为每个段赋予一个段名，再将每个段划分成若干页，以页架为单位离散分配。

3.6 虚拟存储管理

3.6.1 虚拟存储器的引入

• 局部性原理：时间局部性，空间局部性

• 虚拟存储器的定义

• 虚拟存储器的实现：请求分页系统，请求分段系统，请求段页式系统。

• 虚拟存储器的特征：离散性，多次性，对换性，虚拟性

3.6.2 请求分页中的硬件支持

• 请求分页的页表机制

• 缺页中断机构

• 地址变换机构

3.6.3 页面置换算法

• 最佳置换算法

• 先进先出算法

• 最近最久未使用置换算法

• 最近未用置换算法

4.设备管理

4.1 设备管理概述

4.1.1 设备的分类

• 按数据组织分类：块设备，字符设备

• 按资源分配分类：独占设备，共享设备，虚拟设备

• 按数据传输率：低速设备，中速设备，高速设备。

4.1.2 设备管理的目标与任务

• 目标：提高设备利用率，为用户提高方便统一的界面。

• 设备管理的任务

  主要功能如下：

  • ① 动态掌握并记录设备的状态。

  • ② 设备分配和释放

  • ③ 缓冲区管理

  • ④ 实现物理I/O设备的操作

  • ⑤ 提供设备使用的用户接口

  • ⑥ 设备的访问和控制

  • ⑦ I/O缓冲和调度

4.2 I/O软件

• 中断处理程序

• 设备驱动程序

• 与设备无关的系统软件；

• 用户层I/O软件

4.3 通道、DMA与缓冲技术

4.3.1 通道

3类通道：字节多路通道，数组选择通道，数组多路通道

4.3.2 DMA技术

数据在主存与I/O设备间的直接成块传送，不需要CPU的任何干涉。

4.3.3 缓冲技术

4.4 spooling技术

spooling系统由“预输入程序”、“缓输出程序”和井管理程序以及输入和输出井组成。

4.5 磁盘调度

分为移臂调度和旋转调度，先移臂后旋转。

• 磁盘驱动调度

  常用的磁盘调度算法：

  • 先来先服务

  • 最短寻道时间优先

  • 扫描算法（电梯调度算法）

  • 单向扫描调度算法

• 旋转调度算法

5.文件管理

5.1 文件与文件系统

• 文件：具有符号名、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的集合。

• 文件系统：即文件管理系统，实现文件统一管理的一组软件和相关数据的集合。

• 文件的类型

5.2 文件的结构和组织

文件的结构是指文件的组织形式。

• 文件的逻辑结构：有结构的记录式文件，无结构的流式文件（UNIX都为流式）

• 文件的物理结构：连续结构，链接结构，索引结构，多个物理块的索引结构，UNIX文件系统的索引结构（3及索引结构）

5.3 文件目录

• 文件控制块（FCB）

  包含基本信息类，存取控制信息类和使用信息类。

• 目录结构

  一级目录，二级目录，多级目录。

5.4 存取方法和存储空间的管理

• 存取方法：顺序存储法，直接存储法，按键存储法（是直接存储法的一种）

• 存储空间管理：空闲区表，位视图，空闲链表，成组链接法

5.5 文件的使用

创建，撤销，打开，关闭，读，写

5.6 文件的共享和保护

• 文件的共享：文件的链接有硬链接和符号链接两种。

• 文件的保护：存储控制矩阵，存储控制表，用户权限表，密码

5.7 系统的安全和可靠性

5.7.1 系统的安全

• 系统级安全管理，主要措施有：注册与登录

• 用户级安全管理，不同用户对不同文件设置不同的存取权限。

• 目录级安全管理，规定只有系统核心才具有写目录的权力。

• 文件级安全管理，设置文件属性

5.7.2 文件系统的可靠性

• 转储和恢复

• 日志文件

• 文件系统的一致性

6.作业与作业管理

6.1 作业管理

6.1.1 作业控制：脱机和联机

作业由程序、数据和作业说明书3部分组成。

6.1.2 作业状态及转换

作业的状态分为4种：提交，后备，执行，完成。

6.1.3 作业控制块和作业后备队列

作业控制块JCB是记录与该作业相关的各种信息的登记表，是作业存在的惟一标志，包括用户名、作业名、状态标志等信息。

作业后备队列由若干JCB组成。

6.2 作业调度

6.2.1 作业调度算法

• 先来先服务算法

• 短作业优先算法

• 响应比高优先算法

• 优先级调度算法

• 均衡调度算法

6.2.2 作业调度算法性能的衡量指标

通常用平均周转时间或者平均带权周转时间来衡量调度性能的优劣。

6.3 用户界面

控制面板式，字符界面式，图形用户界面，新一代用户界面

网络操作系统和嵌入式操作系统基础知识

7.1 网络操作系统

7.1.1 典型操作系统的特征

• 硬件独立性

• 多用户支持

• 支持网络实用程序及其管理功能

• 提供目录服务

• 支持多重增值服务

7.1.2 网络操作系统分类

• 集中模式

• 客户/服务器模式

• 对等模式

7.2 嵌入式操作系统

7.2.1 嵌入式操作系统的特点

微型化；可定制；实时性；可靠性；易移植性。

7.2.2 嵌入式操作系统的开发环境

Windows CE、VxWorks、pSOS、Palm OS、μC/OS-II

操作系统实例

8.1 UNIX操作系统

8.1.1 UNIX系统结构

8.1.2 文件系统

UNIX文件系统的结构：

引导块 超级块 索引节点区 数据存储区

调用命令：Open，Close，Write，Read，Stat（查询文件属性），Chmod（改变文件的许可权），Chown（改变文件所有者），Create（创建一个文件），Mkdir（创建一个目录），cd（改变当前目录），Link（建立连接），Unlink（删除文件连接）

8.1.3 进程与存储管理

• 进程的组成

  UNIX进程由控制块PCB、正文段和数据段组成。

• 进程控制

  进程控制子系统负责进程同步，进程间通信，存储管理及进程调度。

  • Fork：创建一个子进程；

  • exec：改变执行程序的映象；

  • exit：结束一个进程的执行；

  • wait：暂停进程的执行，用于进程间的同步。

  • signal：控制进程对特别事件的响应；

  • kill：发送软中断信号；

  • msgsnd：发送消息；

  • msgrcv：接受消息。

• 进程调度

  UNIX系统对进程的调度采用动态优先数调度算法

• 存储管理

  采用分页式虚拟存储机制，采用二次机会页面替换算法。

8.1.4 设备管理

在UNIX系统中，文件等于系统中可用的任何资源。

UNIX系统包括两类设备：块设备和字符设备。

设备处理程序分成设备驱动程序和设备中断处理程序。

8.1.5 输入输出转向

• 输入输出转向

cat命令用来将输入文件的数据显示在屏幕上。>、>>表示输出转向，<表示输入转向。

cat input.txt
cat input.txt > output.txt  input.txt输入到output.txt
cat input.txt >> output.txt  input.txt添加到output.txt末尾
cat < input.txt 

• 管道

  在UNIX中“|”表示管道。一个管道总是连接两个命令，将左边命令的标准输出与右边命令的标准输入连接，于是左边命令的输出结果就直接成了右边命令的输入。eg：ls-a | wc-1 > output.txt

8.1.6 Shell程序

• 正则表达式

  • . 能与除换行之外的行内任何字符匹配

  • * 匹配前一个字符的零次或多次出现

  • [ ]中只能匹配一个字符，若要匹配多个则要多个[ ]

  • ^ 如果方括号中的第一个字符是^，则匹配不属于[ ]中的字符

  • $如果出现在正则表达式末尾，则表示行尾，$前面的正则表达式所匹配的字符串仅出现在行尾才匹配

  • \ 转义符，用于改变特殊符号的含义，也可后跟一字符的八进制表示

  • “” 双引号内的字符在匹配时忽略其特殊含义

  • < 字首匹配

  • > 自尾匹配

• shell变量

  用户定义变量、系统定义变量和shell定义变量

• shell程序

8.2 Windows操作系统

8.2.1 Windows操作系统操作系统结构

用户进程有4种类型：

• 系统支持的进程，如登录进程WINLOGO和会话管理器SMSS。

• 环境进程，如事件日志服务

• 环境子进程，它们向应用程序提供运行环境

• 应用程序

Windows核心组件包括：

• 核心，包含了最低级的操作系统，例如线程调度、中断和异常、多处理器同步等，也提供了执行体来实现高级结构的一组例程和基本对象。

• 执行体，包含了基本的操作系统服务，例如主存管理、进程和线程管理、安全控制、I/O以及进程间的通信。

• 硬件抽象层，将内核。设备驱动程序以及执行体和硬件分隔开来。

• 设备驱动程序，包括文件系统和硬件设备驱动程序

• 图形引擎，包含了实现图形用户界面的基本函数。

8.2.2 文件系统

FAT，FAT32，NTFS

NTFS的主要特征如下：

• 可恢复性

• 安全性

• 大磁盘和大文件

• 多数据流

• 通用索引功能

8.2.3 进程

进程包括进程标识符、资源访问令牌、进程的基本优先级等。

线程的上下文包括寄存器、线程环境块、核心栈和用户栈。

线程有7种状态：就绪，备用，运行，等待，转换，终止，初始化。

8.2.4 存储管理

默认使用二级页表结构来转换物理地址和虚拟地址。

8.2.5 设备管理