操作系统期末复习

以为会狠狠考概念，没想到没考啥概念，计算也比较简单！

introduction

操作系统是一组控制和管理计算机系统中的各种软硬件资源，合理地组织计算机系统的工作流程，方便用户使用的程序的集合

操作系统的目标和作用

• convenience方便性:方便用户使用计算机系统;
• efficiency有效性:提高系统资源的利用率;
• 可扩充性、开放性;

操作系统功能

• 从资源管理的角度
  • 处理机管理
  • 存储器管理
  • 设备管理
  • 文件管理
  • 用户接口
• 从用户接口的角度

操作系统的分类

• 批处理操作系统，单道，多道。
• 分时操作系统
• 实时操作系统，两个基本特征：及时性、可靠性
• 通用操作系统，兼有批处理、分时处理、实时处理OS三者中的两者

如果操作系统具有很强的交互性，可同时供多个用户使用，但时间响应不太及时，则属于 分时系统 类型；如果操作系统可靠，时间响应及时但仅有简单的交互能力则属于 实时系统 类型；如果操作系统在用户提交作业后，不提供交互能力，它所追求的是计算机资源的高利用率，大吞吐量和作业流程的自动化，则属于 批处理系统 类型。

并发和并行的区别

• 并发是指一个处理器同时处理多个任务，并行是指多个处理器或者是多核的处理器同时处理多个不同的任务。
• 并发是逻辑上的同时发生（simultaneous），而并行是物理上的同时发生。

操作系统的特征

• 并发性
• 共享性，资源互斥使用（临界资源）、同时使用
• 虚拟性，一个物理实体映射为多个逻辑实体
• 异步性，在多道程序环境下，每道程序的推进时间与顺序受运行环境的影响，是不确定的；程序执行结果不确定

多道程序设计：在内存中同时存放多道用户作业，使它们都处于执行的开始点和结束点之间

操作系统接口

• 作业级接口
  • 命令行
  • GUI
  • 批处理
• 程序级接口
  • 系统调用

操作系统结构

• 简单结构
• 分层结构
• 微内核结构

CPU管理

• 进程，进程是程序的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的一个基本单位
• 进程特征
  • 动态性：有生命周期
  • 并发性：并发执行
  • 独立性：独立获得资源、独立运行单位
  • 异步性：推进速度不可预知道、执行结果不确定
  • 结构性：由程序段、数据段和PCB组成
• 进程与程序
  • 进程是程序的一次执行，是一个动态的概念；而程序是一组有序的指令，是一种静态的概念。即进程是程序执行的动态过程，而程序则是进程运行的静态文本。
  • 一个进程可以执行一个或几个程序，同一个程序也可能由几个进程同时执行。
  • 程序可长期保存，而进程是有生命周期的。
  • 进程是并发实体, 而程序则不是
• 进程与线程：
  • 调度方面：线程作为调度分派的基本单位，而进程则是资源分配和调度的一个基本单位；
  • 并发性方面：进程之间可以并发，一个进程的多线程之间也可并发执行；
  • 拥有资源方面：进程作为拥有资源的基本单位，而线程只拥有少量必不可少的资源，但它可以访问所属进程的资源
  • 系统开销方面：进程切换要涉及到进程环境的切换，开销较大，而线程间切换只需保存和设置少量的寄存器内容，开销远小于进程切换开销。
• 进程的组成：程序、数据、PCB
  • PCB：记录OS所需的、用于描述进程的当前情况以及控制进程运行的全部信息，是进程存在的唯一标志，常驻内存。
    • 进程标识符
    • 处理机状态（CPU现场）
    • 进程调度信息：状态、优先级、时间、事件
    • 进程控制信息：地址、通信信息、资源
• 进程状态和控制
  
  • 就绪态：进程已经获得除处理机以外的所有资源，只要获得处理机即可执行
  • 执行态：进程已经获得处理机，正在处理机上执行
  • 等待态：进程正在等待某一事件的发生，如等待I/O完成、等待信号量等
  • 创建态：进程正在被创建
  • 终止态：进程已经完成执行，但PCB仍然保留，以便父进程得到该进程的有关信息

进程的互斥与同步

• 临界区和临界资源：每个进程中访问临界资源的那段程序称为临界区，临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源。
• 进程的互斥：进程在运行中争用系统资源，对于独占型资源，只能一个进程使用完，另一个进程才能使用。
• 临界区问题要求：
  • 互斥
  • 进步，没有进程在临界区时，若有其他进程需要进入，则一定有一个进程能进入
  • 有限等待，要求从申请进入临界区到进入临界区之间，其他进程进入临界区的次数有上界
• 进程的同步：在异步环境下，互相合作的进程按各自独立的速度向前推进，但在某些确定点上必须协调工作。即当某个进程到达这些点后，等待另一进程发来信息，否则就只能停下来等待其操作的完成，进程间的这种协同关系称为进程同步。
• 进程互斥的实现：
  • peterson
  • 硬件同步：原子指令test_and_set
  • 互斥锁封装
• 进程同步和互斥实现
  • 信号量PV，可以通过计数量和等待进程列表实现一个非自旋的信号量，减弱了忙等待的影响
  • 条件变量
  • 管程
• IPC问题
  • 生产者消费者问题
  • 读者写者问题
  • 哲学家进餐问题

线程

• 引入线程目的：提高系统效率、提高系统资源利用率、减少进程并发执行时所付出的时空开销，使OS具有更好的并发性。
• 进程内一个可调度的实体，CPU调度的基本单位，包括ID，程序计数器寄存器组和堆栈。
• 内核和用户线程
  • 用户线程：存在于用户空间中，其创建、撤消和切换都不需系统支持。
  • 内核支持线程：是依赖于内核的，其创建、撤消和切换都是由内核实现的。
• 模型
  • 一对一，映射一个用户线程到一个内核线程，一个线程阻塞，其他线程可以正常继续执行。
  • 多对一，映射多个用户线程到一个内核线程，线程管理由用户程序库完成，效率高；当一个线程阻塞时，整个进程都会阻塞。无法用于多处理器核系统，因为内核一次只能调度一个线程。
  • 多对多，映射多个用户线程到数量更少或相等的内核线程，一个线程阻塞，内核可以调度另一个线程。

CPU调度

三级调度

• 长期调度从缓存池中选择进程加载到内存，负责控制多道程序程度(内存中进程数量)；执行频率低，间隔时间长
• 中期调度选择进程从内存中取出，降低多道程序程度，之后进程可被重新调入内存并从中断处执行；
• 短期调度从就绪队列中选择进程，分配给cpu执行；执行频率高，速度快

调度方式

• 抢占式
• 非抢占式

调度时机

• 现运行进程任务完成或出现异常
• 现运行进程因某种原因由执行变成阻塞状态
• 时间片用完
• 采用可剥夺调度方式时，有更高优先级进程进入就绪队列

调度算法(调度的都是就绪队列不是等待队列)

• 先来先服务FCFS
• 短作业优先SJF。如何获得下一个CPU执行时间？指数平均预测。
• 基于优先级的调度算法。存在饥饿问题，解决方法，增加就绪队列中等待时间过长的进程的优先级。
• 时间片轮转RR。
• 多级队列调度算法，根据进程属性，如优先级，将就绪队列分成多个单独队列，每个队列使用自己的调度算法。
• 多级反馈队列调度算法，允许进程在队列之间移动。比如进程使用了过多CPU时间，将其放入下一级队列，当进程在一个队列中等待时间过长，则将其放入上一级队列。

多处理器调度

• 非对称多处理器ASMP：主处理器负责进程调度和IO处理，其他处理器负责执行代码
• 对称多处理器SMP：所有进程有一个共同的就绪队列或者每个处理器有自己的就绪队列
• 处理器亲和性
  • 软亲和性：操作系统试图保持进程运行在同一处理器上，但不保证
  • 强亲和性：允许进程运行在处理器子集上
• 多核处理器调度
  • 设计了多线程处理器核，每个核分配2或多个硬件线程
  • 两个级别的调度：操作系统选择软件线程运行在哪个硬件线程；每个核选择运行哪个硬件线程
    实时CPU调度，应该支持抢占
• 单调速率调度，优先级和周期成反比，即更频繁的事件有更高的优先级
• 最早截止期限，不要求是周期或者CPU长度固定
• 比例分享调度

死锁

• 产生死锁的原因:

  • 系统资源不足；
  • 进程推进顺序不合适;

• 死锁产生的必要条件

  • 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用
  • 占有并等待：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放；一个进程应该至少占有一个资源，并等待另一个资源，而该资源为其他进程占有
  • 非抢占条件：进程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺，只能完成后主动释放
  • 循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系

• 解决死锁的策略：

  • 设计无死锁的系统：静态预防、动态避免；
  • 允许出现死锁然后排除：检测并解除

• 预防

  • 资源的静态分配方法：进程运行前一次性申请全部资源,破坏请求和保持条件.
  • 资源的顺序分配法：系统的全部资源进行编号，只允许按编号顺序递增地申请，破除环路等待。
  • 一个已占有资源的进程,若要申请新的资源，必须先放弃已占有的资源，破坏请求保持条件。

• 死锁避免

  • 安全状态：当多个进程动态申请资源时，系统按某一顺序逐次地为每个进程分配所需资源，使每个进程都可以在最终得到最大需求量后依次顺利完成；否则为不安全状态；让系统在动态分配资源的过程中，不要进入不安全状态。
  • 银行家算法

• 死锁检测

  • 每种资源只有一个实例：资源分配图和等待图
  • 多个实例：类似于银行家算法

• 死锁恢复

  • 终止进程
    • 终止所有死锁进程
    • 逐个终止死锁进程，直到死锁解除
  • 抢占资源
    • 选择牺牲进程
    • 回滚

存储器管理

逻辑地址：CPU生成的地址
物理地址：内存看到的地址，即内存地址寄存器的地址
动态加载：程序只有被需要时才会加载
动态链接时，每个库引用都会保留存根，用来指示如何定位适当的内存驻留程序，或者在程序不在内存时加载库。

swap技术
把主存中暂时不能运行的进程调出到外存（快速磁盘）,以便腾出足够的内存空间，再将具备运行条件的进程调入内存；

• 从逻辑上扩充内存空间,从而使整个系统资源利用率提高；
• 整体对换:以进程为单位，进程对换；
• 部分对换:页面对换，分段对换；
• 换出时应保证进程是空闲的；如果正在等待IO操作就会发生错误，解决方法不能换出等待IO的进程或者IO使用系统缓冲区

连续内存分配

• 固定分区：分区容量和数目固定不变，大小可不等，每个分区容纳一道作业。
• 动态分区，作业装入内存时根据作业大小建立分区
• 空闲分区的分配算法：
  • 首次适应：空闲区按地址递增顺序排列
  • 最佳适应：空闲区按容量递增顺序排列
  • 最坏适应：空闲区按容量递减顺序排列
• 可重定位分区：重定位寄存器、紧凑技术

页表

• 多级页表
• 哈希页表
• 倒置页表
  快表(TLB)：存放被频繁访问的页面的页表项，设置快表是为了提高内存访问速度，内存访问时间的计算(与快表命中率相关)；

虚拟内存

请求调页：页面在程序执行期间被请求时才加载到内存
对标记为无效的页面的访问会产生缺页错误
硬件支持

• 一定容量的内存；
• 较大容量的外存；
• 缺页（段）中断机构；
• 地址变换机构

页面置换算法

文件系统

磁盘分配

• 连续分配。优点：简单、顺序访问速度快。缺点：外部碎片、文件大小受限、难以支持动态增长，无法实现预知文件大小。
• 链接分配。优点：不需要知道文件大小，可以动态增长，无需合并磁盘空间。缺点：只能有效用于顺序访问，指针占据空间，难以实现随机访问、指针导致文件容易被破坏，可靠性低。使用FAT文件分配表，可以缓存FAT，改善随机访问时间。
• 索引方法。将所有指针放在一起构成索引块。
  • 索引块的组织：链接；多级索引；组合方法。

空闲空间管理

• 位向量
• 链表

IO

为什么要引入缓冲区？

• 缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾。
• 降低对CPU的中断频率。
• 提高CPU和I/O设备之间的并行性，从而提高系统的吞吐量和设备利用率

设备独立性：是指应用程序独立于具体使用的物理设备，它可提高设备分配的灵活性和设备的利用率。
为了实现设备独立性，用户程序不直接使用物理设备名（或设备的物理地址），而使用逻辑设备名来请求某类设备；而系统在实际执行时，将逻辑设备名转换为某个具体的物理设备名，实施I/O操作。
四种IO方式