操作系统

1、操作系统引论

操作系统发展与分类

批处理

• 主要缺点：缺少交互性

多道程序设计技术

• 提高系统利用率和吞吐量

分时系统

• 交互功能

实时系统

• 及时响应

操作系统接口

• 命令接口
  • 图形接口
  • 键盘、鼠标命令等
  • 命令行解释程序、shell文件
• 程序接口
  • 提供系统调用
  • 给运行应用程序访问操作系统资源

系统调用

• 应用程序同系统之间的接口
• 由内核提供，运行在核心态
• 用系统调用进入核心态，Linux对硬件操作只能在核心态，通过写驱动程序来控制，在用户态操作硬件会造成core dump
• 如
  • read()、write()、open()、fopen()
  • 主意区别一般函数(运行在用户态)：sin()、cos()

内核态

• 又称为管态
• 此时处理器处于特权级别最高的（0级）内核代码中执行
• 执行的代码会使用当前进程的内核栈
• 访管指令与访管中断
  • 用户在用户态下访问管态（内核态）的指令叫访管指令，
  • 产生的中断叫做：访管中断，
  • 可以将操作系统转换为核心态

用户态

• 又称目态

• 此时处理器处于特权级别最低的（3级）用户代码中执行

• 执行用户程序时引起的中断属于CPU中断

• 执行的指令

  • trap指令(负责由用户态转换到内核态)
  • 跳转指令
  • 压栈指令

中断处理

• 系统发生中断转入中断处理程序，处理完之后返回到发生中断时的指令处继续执行

• 处理时CPU有可能切换状态（如果是核心态发生中断，则始终为核心态，无需切换）

• 因此中断返回需要还原现场（当时的程序状态，包括处理器信息）——>利用程序状态字寄存器

• 程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）：

  • 用于记录当前处理器的状态和控制指令的执行顺序，
  • 并且保留指示与运行程序有关的各种信息
  • 主要作用是实现程序状态的保护和恢复

• 故中断处理时需要将PSW压栈保存

• 相对的，子程序调用也需压栈保护现场，主要更新寄存器、保存局部参数信息，并不需要将PSW压栈

• 外部中断处理，PSW由中断隐指令自动保存

• 另外通用寄存器的内容由操作系统保存

• 必须在核心态下执行
• 操作系统程序：进入了中断处理并在核心态运行的程序
• 如
  • 输入/输出指令
  • 内核态和用户态切换
  • 缺页处理
  • 时钟中断
  • 进程调度、进程切换

特权指令

• 必须在核心态下执行，也可以说成只允许管态下运行的指令
• 在目态下对特权指令的使用会实现从目态到管态的改变，即产生访管中断
• 如
  • I/O设备
  • 访问程序状态的指令，如对程序状态字（PSW)的指令
  • 存取特殊寄存器指令，如存取中断寄存器、时钟寄存器等指令
  • 清内存、
  • 置时钟、
  • 分配系统资源、
  • 修改虚存的段表或页表、
  • 修改用户的访问权限

异常

• 也称为内中断、例外或陷入(trap)
  • 地址非法
  • 校验错
  • 页面失效
  • 非法指令
  • 用户程序执行特权指令自行中断（INT)
  • 除数为零
• 内中断不能被屏蔽
• 源自CPU执行指令内部的事件
  • 程序的非法操作码、
  • 地址越界、
  • 算术溢出、
  • 虚存系统的缺页
  • 以及专门的陷入指令引起的事件。

微内核结构

• 不能提高操作系统的运行效率

开机启动

• 首先启动存于主板上ROM中的BIOS程序
• 其次由BIOS调用硬盘中的操作系统
• 将操作系统的程序加载到内存的系统区RAM

进程

状态

• 响应比

  响应比 = （ 等待时间 + 执行时间 ) / 执行时间

• 周转时间

  作业周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间

• 带权周转时间

  $\frac{作业周转时间}{作业实际运行时间}$

  

文件

读取一个文件

• open 打开文件
• 参数
  • 文件的路径名
  • 文件名
• read 读取文件
• 参数
  • 文件描述符 fd (由open操作返回的文件描述符)
  • buf 缓冲区首址
  • 传送的字节数 n

文件目录项——FCB

包含

• 文件基本信息
• 存取控制信息
• 使用信息

硬链接

符号链接

逻辑结构

无结构文件

---

流式文件：文件内部数据是一系列二进制流或字符流

• txt文件

有结构文件

---

记录式文件 ：一组相似记录，每条记录包含若干数据项

• 定长记录
• 可变长记录

1. 顺序文件

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• 逻辑上：文件记录顺序排列
• 物理上：顺序存储或链式存储

2. 索引文件

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索引表 ：是定长记录的顺序文件

假定每个记录前用一个字节指明该记录长度，则有

• 对于定长记录文件

  • 查找第 i 个记录

  • 第一个记录的地址：$A_i = i \times L$

• 对于可变长记录文件

  • 查找第 i 个记录
  • 必须顺序查找前 i - 1个记录，从而获得相应记录的长度
  • 第 i 个记录的首址：$A_i = \Sigma_{i=0}^{i-1} L_i+i$

3. 索引顺序文件

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• 顺序 + 索引
• 将顺序文件分组
• 为顺序文件建立一张索引表
• 索引表中为每组中第一个记录建立一个索引项
• 索引项包含该记录的关键字值和指向该记录的指针

• 对于含有N个记录的顺序文件

  • 查找某关键字值的记录时
  • 平均查找N/2次

• 对于索引顺序文件

  • N个记录分为$\sqrt N$组
  • 索引表中$\sqrt N$个表项
  • 每组$\sqrt N$个记录
  • 查找时
    1. 先顺序查找索引表，$\sqrt N/2$ 次
    2. 再在对应组中顺序查找，$\sqrt N/2$ 次
    3. 总共查找：$\sqrt N/2$ + $\sqrt N/2$ = $\sqrt N$ 次

• 多级索引组织方式计算题

物理结构（文件分配方式）

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连续分配

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• 连续分配即每个文件在磁盘上占有一组连续的块
• 逻辑块号
• 物理块号 = 起始块号 + 逻辑块号
• 优点
  1. 支持顺序访问和直接访问（随机访问）
  2. 连续分配的文件在顺序读/写时速度最快
• 缺点

  1. 不方便拓展

  2. 存储利用率低

  3. 会产生磁盘碎片

链接分配

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离散分配方式

• 隐式链接

  • 只支持顺序访问，不支持直接访问（随机访问）
  • 方便拓展、外存利用率高、没有碎片问题

• 显式链接

  显式放在表中FAT, File Allocation Table

  • 逻辑块号转换成物理块号过程不需要读磁盘操作，访问效率高
  • 支持顺序访问和直接访问（随机访问）
  • 但文件分配表占用一定存储空间

索引分配

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• 离散分配
• 为每个文件建立一张索引表
• 索引表记录文件逻辑块对应的物理块
• 索引块：索引表存放的磁盘块
• 数据块：文件数据存放的磁盘块

• 支持随机访问

• 容易实现拓展

• 但索引表占用存储空间

• 文件太大，索引表太多解决方案：

  1. 链接方案

  2. 多层索引

     k层索引，顶级索引表未调入内存，访问一个数据块需要k+1次读磁盘操作

  3. 混合索引

     直接地址索引+一级间接索引+两级间接索引

  

文件的磁盘管理

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存储空间管理

1. 空闲表法

• 适用于连续分配方式

• 分配连续的存储空间

• 可采用首次适应、最佳适应、最坏适应等算法

• 回收时需要注意表项的合并问题

第一个空闲盘块号	空闲盘块数
0	2
4	6
12	1

2. 空闲链表法

• 空闲盘块链

  • 系统保存链头 、 链尾指针
  • 适用于离散分配的物理结构

  

• 空闲盘区链

  • 系统保存链头 、 链尾指针
  • 离散分配、连续分配都适用
  • 为一个文件分配多个盘块时效率更高

  

3. 位视图法

• 要注意题目条件：盘块号、字号、位号到底是从0开始还是从1开始

• 当盘块号、字号、位号从0开始， n表示字长的时候有：

  盘块号与字号、位号相互转换的公式

  • (字号，位号) = ( i , j ) 的二进制位对应的 盘块号 b = ni + j

  • b 号盘块对应的字号 i = b / n

  • b 号盘块对应的位号 j = b % n

4. 成组链接法

• 文件目录区一个超级块
• UNIX系统中采用的是成组链接法
• 大型文件系统

磁盘

默认内容

磁盘容量单位

• 1B = 8bit (1 byte =8 bits)

• 1MB = $2^{10}$KB

• 1GB = $2^{20}$KB

• 1GB = $2^{30}$ B

  1GB=1024MB = $2^{10}$MB
  1MB=1024KB = $2^{10}$KB
  1KB=1024Byte = $2^{10}$B

  注：Byte就是B也就是字节
  KB是千字节
  MB是兆
  GB是吉字节 即千兆
  TB是太字节