操作系统概论 提纲全面的.doc

操作系统复习提纲第1章 引论1. 计算机系统组成硬件：中央处理器，存储器（主存和辅存），输入输出控制系统和各种输入输出设备构成软件：系统软件，支撑软件和应用软件。2. 操作系统的功能/本质从资源管理的观点出发，操作系统功能可分为：处理器管理、存储管理、文件管理、设备管理。此外，操作系统还为用户提供了两类使用接口：程序员接口-“系统功能调用”和操作员接口-“操作控制命令”。 3. 按照操作系统提供的服务，大致可以把操作系统分为以下几类：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、微机操作系统、嵌入式操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。其中批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统是基本的操作系统。批处理操作系统按照用户预先规定好的步骤控制作业的执行，实现计算机操作的自动化。又可分为批处理单道系统和批处理多道系统。单道系统每次只有一个作业装入计算机系统的主存储器运行，多个作业可自动、顺序地被装入运行。批处理多道系统则允许多个作业同时装入主存储器，中央处理器轮流地执行各个作业，各个作业可以同时使用各自所需的外围设备，这样可以充分利用计算机系统的资源，缩短作业时间，提高系统的吞吐率。 分时操作系统，这种系统中，一个计算机系统与许多终端设备连接，分时系统支持多个终端用户，同时以交互方式使用计算机系统，为用户在测试、修改和控制程序执行方面提供了灵活性。分时系统的主要特点是同时性、独立性、及时性和交互性。实时操作系统能使计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并在严格的规定时间内完成处理，且给出反馈信号。它是较少有人为干预的监督和控制系统。实时系统对可靠性和安全性要求极高，不强求系统资源的利用率。4. Unix，Linux特点Unix：通用的交互式分时操作系统。特点：短小精悍。具有可装卸的多层次文件系统。可移植性好。网络通信功能强。Unix是目前惟一可以安装和运行在从微机、工作站、大型机到巨型机上的操作系统。Linux：网络时代的产品。继承了Unix的特点，多任务多用户的通用操作系统。特点：支持TCP/IP协议，并能与其他网络集成，使异地机能方便的入网；支持并行和实时处理，能充分发挥硬件性能；支持多种文件系统，方便用户使用。5. 特权指令：不允许用户程序中直接使用的指令。6. 目态，管态中央处理器的两种工作方式：管态和目态。在管态下，中央处理器可执行包含特权指令在内的一切指令；目态次于管态，在目态下，中央处理器不准执行特权指令。操作系统在管态下工作，用户程序在目态下工作。作用：防止用户程序破坏操作系统及其关键数据。7. 程序状态字：用来控制指令执行顺序并且保留和指示与程序有关的系统状态。（图见课本）8. 操作系统为什么要提供系统调用？（简答）为了使用户能方便使用计算机系统，操作系统提供了两类使用接口。分别是：程序员接口和操作员接口。程序员接口就是指一组系统功能调用。操作系统编制了许多不同功能的子程序，供用户程序执行中调用。这些由操作系统提供的子程序称为系统功能调用程序，简称系统调用。系统调用是操作系统为用户程序提供的一种服务界面，或者说，是操作系统保证程序设计语言能正常工作的一种支持。在源程序一级，用户用程序设计语言描述算题任务的逻辑要求，这些要求的实现只有通过操作系统的系统调用才能完成，其中有些要求还必须执行硬件的特权指令才能达到目的。第2章 处理器管理1.多道程序设计：让多个计算题同时进入一个计算机系统的主存储器并行执行。宏观上并发执行（并行），微观上顺序执行（串行）。2.进程：把一个程序在一个数据集合上的一次执行称作一个进程。进程的属性：进程是动态的，它包含了数据和运行在数据集上的程序多个进程可以含有相同的程序多个进程可以并发执行进程有三种基本状态：就绪态，等待态，运行态。进程是由程序，数据集，进程控制块三部分构成的。3.进程和程序的区别：（简答）进程是动态的，程序是静态的。进程是暂时的，程序是永久的。进程与程序的组成不同：进程包括程序、数据和进程控制块。进程与程序是密切相关的。通过多次执行，一个程序可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可包括多个程序。4.进程的基本状态及状态转化（选择，填空，简答）就绪状态（ready）：进程等待分配CPU。 系统中同时处于就绪状态的进程会排成一个或多个就绪队列。 执行状态（running）：进程正占用CPU执行其程序中的指令。 在单处理机系统中，任何时刻至多只有一个进程处于执行状态。阻塞状态（blocked）：进程在等待某个事件的发生，故也称为等待状态（waiting）。 系统按等待原因的不同将阻塞状态的进程排成多个阻塞队列。新状态（new）：进程正被创建。终止状态（terminated）：进程已经结束执行。执行状态就绪状态阻塞状态新状态终止状态接收进程调度退出中断等待I/O或事件I/O或事件发生5.进程控制块的作用和基本内容。在计算机系统中，进程控制块就是对进程进行管理和调度的信息集合。它包含四类信息：（1）标示信息。用于表示一个进程。（2）说明信息。用于说明进程情况。（3）现场信息。用于保留当前运行进程暂时让出处理器时存放在处理器中的各种信息，以便能在继续运行时得以恢复。（4）管理信息。用于管理进程。6.中断定义，类型，过程。（简答）由于某些事件的出现，中止现行进程的运行，而由操作系统去处理出现的事件，待适当的时候让被中止的进程继续运行，这个过程称为中断。引起中断的事件称为中断源。对出现的事件进行处理的程序称为中断处理程序。（1）硬件故障中断。（2）程序中断。（3）外部中断。（4）输入/输出中断。（5）访管中断。前面四类中断不是正在运行的进程所期待的，而是由于外界的原因迫使正在运行的进程被打断，因此称为强迫性中断事件。第五类中断是正在运行的进程所期待的，它表示正在运行的进程对操作系统有某种需求，故称为自愿性中断事件，在小型和微型计算机中称为系统调用。中断处理过程，涉及到三类PSW（1）存放在程序状态字寄存器中的PSW是当前正在占用处理器进程的PSW称作当前PSW。（2）出现中断事件后把中断处理程序的PSW称为新PSW。（3）中断处理程序在占用处理器前必须保存中断进程的PSW，把保护好的被中断进程的PSW称作旧PSW。当发现中断事件后，中断装置应首先把出现的中断事件保存到psw寄存器中的中断码位置，然后把psw寄存器中的当前psw作为旧psw存放到预先约定好的主存固定单元中保护起来，再把已经确定好的操作系统处理程序的新psw送到程序状态字寄存器中，成为当前psw。这一过程称为交换psw。中断装置通过交换psw完成中断响应，使被中断进程让出处理器，且使处理器按照中断处理程序的新psw控制执行。保护被中断进程的现场信息；分析中断原因；处理发生的中断事件（硬件故障中断事件的处理、程序性中断事件的处理、外部中断事件的处理、输入输出中断事件的处理、自愿中断事件的处理）7.处理器调度（计算）处理器调度分为两级调度：进程调度和作业调度。（P27图2-11）作业调度：先来先服务算法，计算时间短作业优先算法，响应比高者优先算法；优先级调度算法；均衡调度算法。进程调度：先来先服务算法，最高优先级调度算法，时间片轮转调度算法。8.线程概念在现代操作系统中把用户的一个计算问题或一个应用问题称作一个进程，把该进程可以并发执行的各部分分别称作线程。线程是进程中可独立进行的子任务，线程描述表用来记录线程执行时的现场信息及状态等。第3章 存储器管理1. 计算机系统的三级存储寄存器；主存储器和高速缓冲存储器；辅助存储器。2. 逻辑地址、物理地址、重定位用户程序中使用的地址称为逻辑地址；主存空间中的地址编号称作主存储器的绝对地址（物理地址）。把逻辑地址转换为绝对地址的工作称为重定位或地址转换。3. 重定位的方式：静态重定位、动态重定位静态重定位： 当用户程序被装入内存时，一次性实现逻辑地址到物理地址的转换，以后不再转换（一般在装入内存时由软件完成）。不允许程序运行时在内存中移动。动态重定位： 地址变换过程是在程序执行期间，随着对每条指令和数据的访问而自动进行的。须获得硬件地址变换机构的支持。允许程序在运行期间在内存中移动。4. 单用户连续存储管理最简单的存储管理方式在这种方式下操作系统占了一部分主存空间，其他剩余的主存空间都分配给一个作业使用，即在任何时刻主存储器中最多只有一个作业适用于单道计算机系统。存储保护：界限寄存器，寄存器的内容为当前可供用户使用的主存区域的起始地址。地址转换：静态重定位。5. 固定分区存储管理是把主存储器中的可分配的用户区域预先划分成若干个连续区，每个连续区称为一个分区，分区个数是固定的，分区大小可同，可不同，分区大小固定不变。每个分区可装入一个作业，所以有多个分区时可装入多个作业，但不允许多个作业同时存放在一个分区中。适用于多道程序设计系统。主存空间的分配与回收：分区分配表（分区号，起始地址，长度，占用标志）存储保护：下界寄存器、上界寄存器 下限地址=绝对地址上限地址地址转换：静态重定位。6. 可变分区存储管理可变分区存储管理不是预先把主存储器中的用户区域划分成分区，而是在作业要求装入主存储器时，根据作业需要的主存空间大小和当时主存空间使用情况来决定是否作为分配一个分区。因此分区的长度不是预先固定的，而是按作业的实际需求来划分的；分区的个数也不是预先确定的，而是由装入的作业数决定的。主存空间的分配与回收：空闲区表（始址，长度，状态）存储保护：基址寄存器、限长寄存器 基址寄存器内容=绝对地址=限长寄存器内容地址转换：动态重定位。（简答）可变分区管理常用主存分配方法：最先适应算法（找第一个能满足作业长度要求的空闲区）、最优适应算法（找一个能满足作业要求的最小空闲区，空闲区表按长度递增次序组织）、最坏适应算法（找一个最大的空闲区分割一部分给作业用，空闲区表按长度递减次序组织）。移动技术：把作业从一个存储区域移到另一个存储区域的工作叫做移动。目的：集中分散的空闲区；便于作业动态扩充。注意问题：移动会增加系统开销；移动是有条件的，例如，某个作业在执行过程中正在等待外围设备传送信息，不能移动该作业。采用两头装入作业的方式可以减少移动的作业数和信息量。7. 页式虚拟存储管理以上单用户连续、固定分区、可变分区存储管理都属于连续分配算法，以下页式虚拟存储管理属于分散分配算法。基本原理：主存分块，程序分页，页的大小与块的大小相等逻辑地址：页号P，页内地址（页内位移量）W 页号页内地址（位移量） P W在进行存储器分配时，总是以块为单位进行分配。一个作业的信息有多少页，把它装入主存时，就给它分配多少块。分配给作业的主存块可以是不连续的，即作业信息可以按页分散存放在主存的空闲块中。页式主存空间的分配与回收：“位示图”。例主存有256块，可用字长为32位的8个字的位示图来构成主存分配表。块号=字号*字长+位号字号=i/字长，位号=i mod字长页表（逻辑页号，主存块号） 页表一般是存放在主存中的，因此当按给定的逻辑地址进行读写时，必须访问两次主存。第一次按页号读出页表中对应的块号，第二次按计算出来的绝对地址进行读写。 延长了指令的执行周期，降低了执行速度。解决方案：快表利用高速缓冲存储器存放页表的一部分。（程序执行局部性原则）地址转换：动态重定位 绝对地址=块号*块长+页内地址P54图3-198.快表：快表中登记了页表中的一部分页号和主存块号的对应关系。P55图3-208.虚拟存储器定义：所谓虚拟存储器， 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。可见，虚拟存储技术是一种性能非常优越的存储器管理技术，故被广泛地应用于大、 中、 小型机器和微型机中。页式虚拟存储器是在页式存储管理的基础上实现虚拟存储器的。 首先把作业信息当作副本存放到磁盘上，作业执行时，把作业信息的部分页面装入主存，作业执行时若所访问的页面已经在主存中，则参照页式存储管理；若欲访问的页面不在主存中，则产生“缺页中断”，由操作系统把当前所需的页面装入主存。设置一个标志位指示对应页是否在主存中，0：不在；1：在。缺页中断：1) 根据当前执行指令中的逻辑地址查页表，判断该页是否在主存中。2) 该页标志为“0”，形成缺页中断。3) 操作系统处理缺页中断，处理过程：查主存分配表找一个空闲的主存块，查页表找出该页在磁盘上的位置，启动磁盘读出该信息。4) 把读出的信息装入找到的主存块中。5) 修改页表。6) 完成中断响应，继续执行指令。页面调度策略：先进先出调度算法最近最少用调度算法最近最不常用调度算法（注意思想）第4章 文件管理1. 文件的定义我们把逻辑上具有完整意义的信息的集合称为文件2. 文件系统的功能从用户角度看，文件系统主要是实现“按名存取”。（1） 实现从逻辑文件到物理文件之间的转换。（2） 有效地分配文件的存储空间。（3） 建立文件目录。（4） 提供何时的存取方式以适应各种不同的应用。（5） 确保文件的安全性。（6） 提供一组文件操作。3. 文件分类对文件可按各种方式进行分类。按用途可分成：系统文件、库文件和用户文件。按保护级别可分成：只读文件、读写文件、执行文件和不保护文件。按信息流向可分成：输入文件、输出文件和输入输出文件。按存放时限可分成：临时文件、永久文件和档案文件。按设备类型可分成：磁带文件、磁盘文件等。按组织方式可分成：逻辑文件、物理文件。此外，还有其他分类方法。4. 存储介质、存储设备可用来记录信息的磁带、硬磁盘组、软磁盘片、光盘、卡片等称为存储介质。把磁带机、磁盘驱动器、卡片机等称为存储设备。存储介质的物理单位定义为卷。例一个磁盘组称为一个卷。存储介质上可连续存储信息的一个区域称为块，或称为物理记录。目前常用的存储设备是磁带机和磁盘机，磁带机是一种顺序存取的存储设备，磁盘机是一种按地址直接存取的存储设备，磁盘存储空间的位置由柱面号、磁头号、扇区号（均从0开始编号）决定。5. 文件的组织用户从使用的角度来组织文件，称作文件的逻辑结构，文件系统从文件的存储和检索的角度来组织文件称作文件的存储结构。逻辑结构：流式文件和记录式文件。流式文件基本单位是字符；记录式文件基本单位是逻辑记录，其中能用来唯一标示某个记录的数据项称为记录的主键。存储结构：顺序结构、连接结构和索引结构。6. 存储空间的分配位示图法、空闲块链接法（单块链接、成组链接）位示图法：其中的每一位与一块对应，“1”表示相应块已占用，“0”表示该块空闲。例一个磁盘组有100个柱面，每个柱面有8个磁道，每个盘面有4个扇区。因此整个磁盘空间共有4*8*100=3200个存储块。用字长为32位的字来构造位示图，共需要100个字。假定M=块号/32，N=块号 mod32,那么，由块号可计算出：柱面号=M 磁头号=N/4 扇区号=N mod4根据柱面号、磁头号和扇区号，计算对应位示图中的字号和位号：块号=柱面号*32+磁头号*4+扇区号 字号=块号/32 位号=块号 mod32成组链接：UNIX系统中的空闲块重组链接（见课本，选择/填空）7. 文件目录一级目录结构、二级目录结构、树形目录结构（多级目录结构）绝对路径、相对路径：每个用户都可把某级目录设置为当前工作目录，当要访问文件时，就可从当前目录开始设置路径，称为相对路径。用相对路径可搜索路径，提高搜索速度。8. 文件的安全性：体现在文件的保护和文件的保密两方面文件的保护指防止文件被破坏。造成文件被破坏的原因有：（1）天灾人祸（如地震、洪水、存储介质损坏、磁带或磁盘安装错误等）；-建立多个副本（2）硬件故障或软件失误；-建立副本；定时转储（3）共享文件时引起的错误；-可对每个文件规定存取权限（4）计算机病毒的侵害。-解决病毒侵害的理想办法是预防。文件的保密是指防止他人窃取文件。为文件设置口令是实现文件保密的一种可行办法，对极少数重要保密文件，可把文件信息翻译成密码形式保存，使用时再把它解密。9. 基本文件操作有：建立、打开、读、写、关闭和删除等。用户请求使用文件的操作步骤：（1）读一个文件信息时，依次调用：“打开”文件；“读”文件（可多次调用）；“关闭”文件。（2）写一个文件信息时，依次调用：“建立”文件；“写”文件（可多次调用）；“关闭”文件。第5章 设备管理1.独占设备、共享设备把在作业执行期间只允许一个作业独占使用的设备成为独占设备；可让若干个作业同时使用的设备称为共享设备。2.设备管理的功能（1）实现对外围设备的分配与回收。 （2）实现外围设备的启动。（3）实现对磁盘的驱动调度。 （4）处理外围设备的中断事件。 （5）实现虚拟设备。3.设备的绝对号和相对号计算机系统中对每一台设备都要进行登记，且为每台设备确定一个编号，以便区分和识别，这个确定的编号称为设备的绝对号。由用户对自己需要使用的若干台同类设备给出的编号称为设备的相对号。 用户申请分配设备时不能使用设备的绝对号，是使用设备类相对号来提出使用设备的要求的。系统在为用户分配具体设备时建立绝对号与设备类相对号的对应关系。4设备独立性用户编制程序时使用的设备与实际能占用的设备无关。设备的这种特性称为设备的独立性。 设备分配：设备类表和设备表。5.移臂调度（计算，简答）先来先服务；最短寻找时间优先；电梯调度算法。（会画图，会读图）一、先来先服务：按访问请求到达的先后次序服务。优点：简单，公平；缺点：效率不高，相临两次请求可能会造成最内到最外的柱面寻道，使磁头反复移动，增加了服务时间，对机械也不利。例：假设磁盘访问序列：98，183，37，122，14，124，65，67读写头起始位置：5353：98，183，37，122，14，124，65，67 总=640二、最短寻道时间优先： 优先选择距当前磁头最近的访问请求进行服务，主要考虑寻道优先。优点：改善了磁盘平均服务时间；缺点：造成某些访问请求长期等待得不到服务。53：98，183，37，122，14，124，65，67 总=236三、电梯算法（扫描（SCAN）算法） 克服了最短寻道优先的缺点，既考虑了距离，同时又考虑了方向具体做法： 当设备无访问请求时，磁头不动；当有访问请求时，磁头按一个方向移动，在移动过程中对遇到的访问请求进行服务，然后判断该方向上是否还有访问请求，如果有则继续扫描；否则改变移动方向，并为经过的访问请求服务，如此反复。53：98，183，37，122，14，124，65，67 总=2086.旋转调度（1）若干请求者要访问同一磁头下的不同扇区；(2)若干请求者要访问不同磁头下的不同编号的扇区；(3)若干请求者要访问不同磁头下具有相同编号的扇区。（1）(2)旋转调度总是对先到达读写磁头位置下的扇区进行信息传送； (3)从中任选一个磁头进行读写，其余请求等下次扇区旋转到磁头位置再被选中。7.通道（了解概念：通道，通道程序，通道状态字，外围设备的启动过程） 图（课件）通道是独立于CPU的专门负责数据输入/输出传输工作的处理机，对外部设备实现统一管理，代替CPU对输入/输出操作进行控制，从而使输入，输出操作可与CPU并行操作。通道执行通道程序来控制I/O操作。通道也称作输入输出处理机。通道特点：通道程序指令类型单一；通道没有自己的内存，通道程序在主机的内存中，即通道与CPU共享内存。8.缓冲（领会概念，防备出简答）单缓冲；双缓冲；缓冲池（略，见课本）9SPOOLING系统（简答）第6章 并发进程1. 进程的并发执行会破坏封闭性和可再现性。2. 临界区、相关临界区临界区的定义：并发进程中与共享变量有关的程序段称为“临界区”。 相关临界区是指并发进程中涉及到相同变量的那些程序段。 对相关临界区的管理要求。 1）一次最多让一个进程在临界区执行，当有进程在临界区时其他想进入临界区执行的进程必须等待。 2）任何一个进入临界区执行的进程必须在有限的时间内退出临界区，即任何一个进程都不应该无限地逗留在自己的临界区。 3）不能强迫一个进程无限地等待进入它的临界区，即有进程退出时应让一个等待进入临界区的进程进入它的临界区。 3. p、v操作Procedue P(Var S: Semaphore); begin S:=S-1; if S0 then W(S) end; P Procedue V(Var S: Semaphore); begin S:=S+1;if S=0 then R(S) end; V 4. 进程的同步与互斥进程的互斥是指当有若干进程都要使用某一共享资源时，任何时刻最多只允许一个进程去使用，其他要使用该资源的进程必须等待，直到占用资源者释放了该资源。 用PV操作管理相关临界区的一般形式 :一个信号量与一组涉及共享变量的相关临界区联系起来，信号量的初值定为“1”。任何一个进程要进入临界区前先调用P操作，执行临界区的操作后，退出临界区时调用V操作。PV操作中间只执行相关临界区内容，不能把临界区外的程序段放到PV操作中间，否则会降低系统并发执行能力或引起系统瘫痪。 进程的同步是指并发进程之间存在一种制约关系，一个进程的执行依赖另一个进程的消息，当一个进程没有得到另一个进程的消息时应等待，直到消息到达才被唤醒。 使用PV操作实现进程同步： (1)用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时表示期望的消息尚未产生，当信号量值为非0时表示期望的消息已经存在。 (2)在用PV操作实现同步时，一个信号量与一个消息量联系在一起，当有多个消息时必须定义多个信号量；测试不同的消息是否到达或发送不同消息时，应对不同的信号调用P操作或V操作。 进程的互斥实际上是进程同步的一种特殊情况。也把进程的互斥与进程的同步称为进程的同步。5. 进程通信PV操作是进程间的一种低级通信方式。我们把通过专门的通信机制实现进程间相互交换大量信息的通信方式叫做进程通信。是一种高级通信方式。目前常用的有