操作系统小结

第一章 计算机系统由硬件和软件两大部分组成 操作系统是计算机系统中的 一种系统软件 它 管理计算机系统的资源 控制程序的执行 改善人机界面和为其他软 件提供支持 操作系统管理计算机系统的硬件资源和软件资源 保证计算机系统的 优异性能 为程序 的开发和执行提供良好的环境 它的设计目标是使用户方便地使用计 算机系统和使得计算机 系统能高效地工作 操作系统的形成和发展与计算机硬件和其他软件的发展密切相关 随 着计算机软件技术的 发展和计算机应用的日益广泛 操作系统的功能也日趋完善 根据计 算机系统的功能和应用 操作系统的基本类型可分成以下几类 批处理操作系统 分时操作系 统和实时操作系统 以后又逐步发展了网络操作系统 分布式操作系 统 多机操作系统和嵌入式操作系统等 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 批处理多道系统还可以充分利用计算机系统资源 缩短作业执行 时间 提高系统的吞 吐率 分时操作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 实时操作系统是实现实时控制的系统 它由外部信号触发而工作 应 在规定的时间内完成 处理 并给出反馈信号 实时系统对可靠性和安全性的要求极高 不 强求系统资源的利用率 个人计算机系统都是使用微型计算机 比起大型机来 微型机既小又 便宜 但是 个人 计算机系统的资源和功能相对有限 为了满足较大规模的应用 可把 若干台个人计算机系统 构成计算机网络 根据计算机网络的结构 通信方式和资源管理方法 分别配置网络操作系 统或分布式操作系统 多机操作系统是为多处理器系统配置的操作系 统 嵌入式操作系统配置在嵌入式计算机系统之中 它的主要特点是微型 化和实时性 操作系统的资源管理功能可以分成处理器管理 存储管理 文 件管理和设备管理 第二章 计算机系统由硬件和软件两大部分组成 硬件是软件执行的基 础 软件可以分为系统 软件 支撑软件和应用软件 操作系统是一种系统软件 是任 何计算机系统必不可少的软件 计算机系统被启动后 操作系统总是等待某个中断事件的发生 每当发生一个中断事件就会触发操作系统工作 操作系统的一次工作 结束后 又主动让出处理器 让其他程宇执行 硬件具有中央处理器 与外围设备并行工作的能力 各个外围设备也可同时工作 利用硬件 的这种并行工作能力 操作系统允许多个程序同时执行 在同一时刻 各程序可分别使用不同的资源 计算机系统采用多级存储体系 它们是寄存器 主存储器 高 速缓冲存储器和辅助存储器 中央处理器不能直接存取辅助存储器中 的信息 大多数计算机系统把辅助存储器作为主存储器的扩展 用来 保存大量的程序和数据 对任何一个要执行的程序必须先将它的程序 和数据装入主存储器 那么中央处理器是如何存取信息的呢 若信息已经在寄存器或 主存储器中 则中央处理器可直接访问寄存器或主存储器 进行信息 的存取 若信息在辅助存储器中 则读取信息的过程是 首先启动指 定的外围设备 读出辅助存储器中的信息 把它传送到主存储器中 然后 中央处理器从主存储嚣中读出信息进行处理 或把信息传送到 寄存器中 类似地 若要把信息存入辅助存储器 则也应启动外围设 备来完成把主存储区中信息传送到辅助存储器中的任务 如果要把寄 存器中的信息保存到辅助存储器中 则先要把它从寄存器传搜哦那个 到主存储器 为了减少对主存储器的访问时间 加快程序的执行速度 在计 算机系统中往往配置一个高速缓冲存储器 用来存放当前经常要使用 的信息 为了保证计算机系统能正确工作 硬件采用了若干保护措施 操作系统进行配合来提高系统的安全性 例如 硬件对中央处理器设 置两种工作状态 管态和目态 规定目态时拒绝执行特权指令 因而 操作系统应把用户程序限定在目态执行 又如 硬件设置了基址寄存 器和限长寄存器 操作系统则把当前程序执行时访问的主存起始地址 和长度存入这两个寄存器中 便可限定程序的活动空间 以避免相互 干扰而造成错误 由于操作系统十分庞大 所以清晰的结构有利于开发和调试 层次结构是一种重要的设计技术 它不仅使正确性容易得到保证 而 且也能提高可维护性和可一致性 UNIX 把用户的程序设计环境也作为系统的组成部分 它把系统 分成外壳层和内核层两大部分 UNIX 为程序设置了两种运行环境 用户态和核心态 把外壳层的程序称为用户程序 规定它在用户态运 行 把内核层的程序称为系统程序 让它在核心态运行 用户程序执 行时可请求系统程序提供服务 操作系统面向用户提供两类使用接口 操作控制命令和系统功 能调用 UNIX 提供的操作控制命令被称为 shell 命令 若干条 shell 命令可组成一个 shell 命令 编制带参数的 shell 文件可提高通用性 用户程序中使用房管指令来请求系统功能调用为其服务 UNIX 中的 房管指令是 trap 指令 由 trap 处理子程序根据 trap 指令查找 系 统调用程序入口表 确定当前应提供服务的系统调用程序 第三章 让多个计算问题同时进入一个计算机系统的主存储器并行执 行的程序设计方法称为多道程序设计 采用多道程序设计的计算机系 统必须做好存储保护 程序浮动及资源的分配与调度工作 多道程序设计系统利用并发挥了处理器与外围设备以及各 外围设备之间的并行工作能力 从而极大地提高了处理器与其他各种 资源的利用率 也增加了单位时间内的算题能力 但是 多道程序设 计可能会延长某些程序的执行时间 尤其注意 并行道数与系统效率 不是成正比的 一个程序在某个数据集上的一次执行被称为一个进程 每个 进程都包含程序 数据集和进程控制块三个组成部分 不同的进程可 以有相同的程序 但都有各自独立的数据集和进程控制块 一个被创 建的进程在它消亡之前 在任何时刻总是处于三种基本状态之一 等 待态 就绪态和运行态 若干个进程可以并发执行 由于中断事件的 发生使进程状态会发生变化 于是进程总是 走走停停 o 在单处理 器的计算机系统中 每次最多只有一个进程可以占用处理器 其余的 进程或在等待队列中 或在就绪队列中 处理器的分配需经过两级调度 首先是作业调度 它使进 程具有竞争处理器的机会 然后是进程调度 它来决定把处理器分配 给哪个进程运行 中断是激活操作系统的手段 硬件识别到中断源后 由中断装置通过交换 PSW 让操作 系统的中断处理程序占用处理器工作 中断处理程序经适当处 理后根据进程状态的变化进行队列调整 然后转向进程调度程序执行 进程调度按预定的调度策略从就绪队列中选择一个可运行的进程 把 处理器交给被选中的进程使用 其工作流程如图 3 20 所示 UNIX 为每个终端用户创建一个 shell 进程 命令的执行由 shell 进程创建的子进程去完成 子进程又可再创建进程 形戍一棵进 程树 UNIX 的进程由进程控制块 正文段和数据段三部分组成 其中进程控制块又分成基本进程控制块和扩充进程控制块 UNIX 的进程在执行中由于各种原因使其状态不断发生变化 且当主存空间不够时可把 一些进程换出到磁盘的对换区中 需要时 又可把它们换入主存 UNIX 的进程调度采用动态优先数算法 优先数越小的进程 其优先权越高 进程调度总是让优先数小的进程先占用处理器 占有 处理器的进程每次可运行一个规定的时间片 第四章 处理器只能直接访问寄存器和主存储器 因而任何程序只有 被装入主存储器之后才能执行 为了使用户编制的程序能存放在主存 储器的任意区域执行 用户使用相对地址编制程序 构成一个逻辑地 址空间 即用户在逻辑上使用主存储器 当任一用户作业要装入主存 储器时 存储管理必须为该用户作业分配一个物理的主存空间 通过 把相对地址转换成绝对地址实现从逻辑地址空间到物理地址空间的映 射 把相对地址转换成绝对地址的工作称为重定或重定位有两种方式 静态重定位和动态重定位 采用静态重定位不需要硬件的地址转换机 构 但也不允许程序在主存储器中浮动 采用动态重定位必须借助硬 件的地址 转换机构 程序执行过程中该程序可以在主存储器中被移动 存储管理必须合理分配主存储器空间 这样既方便用户又能提 高主存空间利用率 主存空间的分配与采用的管理方式有关 用单用 户连续方式 固定分区方式或可变分区方式管理时 不仅用户的逻辑 地址空间是连续的 而且分配的主存空间也是连续的 在可变分区方 式下 采用移动技术可以把主存储器中的 碎片 汇集成一个大空 闲区 用页式方式管理时用的逻辑地址空间也是连续的 而分配主存 空间时是按页分配 为每一页分配一个主存块 这些主存块可以是不 相邻的 操作系统采用建立 页表 的办法指出页与块之间的对应关 系 在逻辑空间连续而物理空间不连续的情况下 硬件的地址转换机 构通过查找页表能正确 地进行地址转换 为避免主存储器中各作业相互干扰 必须进行存储 保护 限制各作业只能访问属于它自二的那些区域 对于共享区限制 各作业只能读或执行 但不准写 实现存储保护必须由软件和硬件相 互配合 实现虚拟存储器后 从系统角度看 提高了主存空间利用率 从用户角度看 用户可以在超过主存实际容量的存储空间 逻辑地址 空间或称虚存空间 中编制程序 大大方便了用户 虚存的实现是借 助大容量辅助存储器 如磁盘 存放虚存中的实际信息 操作系统利 用程序执行时在时间上和空间上的局部性特点 把当前需要用的程序 段和数据装入主存储器 且利用表格 如页表 为用户构造一个虚拟 空间 对不在主存的信息 指出存放在辅助存储器中的位置 o 硬件 根据操作系统建立的表格进行地址转换 当发现所要访问的信息不在 主存储器中时 发出需要调度的中断信号 如缺页中断 o 操作系统 处理这个中断事件时 选择一种好的调度算法对主存储器和辅助存储 器中的信息进行高效调度 尽可能避免 抖动 对单用户连续方式 固定分区方式和可变分区方式都不能 实现虚拟存储器 因单用户连续方式和固定分区方式都没有硬件的地 址转换机构支撑 可变分区方式为作业分配的主存区域是连续的 且 硬件的地址转换机构把不在限定范围的绝对地址作地址错误处理 对 页式存储结构则可采用虚拟存储管理技术为用户提供虚拟存储器 UNIX 系统对主存采用页式虚拟存储管理技术 页面调度使 用二次机会替换算法 尽量减少输入 输出的传送次数以提高系统的效 率 第五章第五章 用户是从使用的角度来组织文件的 用户组织的文件称为逻辑 文件 逻辑文件有两种类型 流式和记录式 流式文件是依次的一串 信息集合 记录式文件是由若干个逻辑记录组 成的 文件系统是从存储介质的特性 用户的使用要求 怎样有效地 存储和检索的角度来组织文件的 由系统确定的文件结构称为存储结 构 存储结构的文件称为物理文件 物理文件的类型有顺序文件 链 接文件 索引文件等 文件系统必须实现把逻辑文件转换成物理文件的功能 为 了能把逻辑文件映射成物理文件 必须考虑文件存储空间的分配 当 用户需要文件信息时 文件系统又要把物理文件转换成逻辑文件 为 此必须考虑一种有效的目录结构 在多道程序设计系统中 为解决重 名问题可采用二级或多级目录结构 以保证从物理文件到逻辑文件的 正确转换 用户使用文件时可采用顺序存取或随机存取的方式 系统 在组织物理文件时 根据存储介质的特性和用户选择的存取方式来决 定存储结构 对顺序存取的文件在磁盘上可组织成顺序文件 链接文 件或索引文件 但文件若存放在磁带上 则只能组织成顺序文件 对 随机存储的文件只能在磁盘上组织成索引文件 文件系统实现按名存取使用户不必考虑存储空间的使用情 况 也不必去了解存储设备的物理特性 更不用顾及如何去完成文件 的读 写 这一切都由系统去做 但为了正确实现文件的存储和检索 保证用户文件的安全 用户必须使用文件系统提供的文件操作和规定 的调用次序来请求使用文件 基本的文件操作有打开文件 建立文件 关闭文件 读 写文件删除文件等 文件的成组和分解操作不仅可提高文件存储空间的利用率 而 且能减少启动存储设备的次数 是有利于提高系统效率的 但记录成 组和分解操作必须使用主存储器中的缓冲区 增加了系统的开销 在 UNIX 中 用户把文件组织成流式文件 而系统把它组织成 索引文件放到磁盘上 引表是多级索引的结构 既可快速检索短小文件 又能适应大 型文件 UNIX 采用树形目录结构 把目录项中的管理和控制信息集中 在索引节点中 每个文件一个索引节点和索引节点号 每个目录项把 文件的外部标识 文件名 和内部标识 索引 点号 联系起来 使系统能快速检索文件 UNIX 巧妙地设计了进程打开文件表 系统打开文件表 活动 索引节点表 使用户能方地使用文件和共享文件 UNIX 既允许多个进程同时打开一个文件 也允许一个进程同 时打开多个文件 最多 个 还允许一个进程以不同的方式同时多次打开同一个文件 UNIX 对文件存储空间采用成组链接方式管理 提高了系统的 效率 第六章 文件管理实现按名存取 要把用户文件保存到存储介质上 或从存储介质上取文件信息传送给用户时 必须把存储介质装到相应 的设备上且启动设备工作后才能完成信息传送 所以文件管理要实现 按名存取必须要有设备管理协助 设备管理负担了设备的分配与启动 任务 在多道程序设计系统中 有时几道作业对外围设备的需求量会 超过系统实际的拥有量 因此必须对设备进行合理分配 尽可能提高 设备利用率 提醒注意 文件管理实现对存储介质存储空间的分配 而设备管理实现外围设备的分配 从使用的角度 可把外围设备分 成占使用的设备和可共享的设备 对独占使用的设备一般只能采用静 态分配策略 根据用 户指定的设备类和台数在作业开始执行之前就把设备分配给作业 供 它使用 直到作业执行 结束才收回设备 这种分配策略使设备的利用率很低 为了提高独占 设备的利用率 可采用 斯普林操作技术为用户提供虚拟设备 对可共享设备 若干访问者可 交替使用它 但每一时 多 只允许一个访问者启动它 因此 当有若干等待访问者时 必须 按一定的策略决定当前可使用设备者 对磁盘来说 这种选择工作被 称为驱动调度 采用的调度策略被称为驱动调度算法 驱动调度分为 移臂调度和旋转调度两部分 一次移臂调度定位后 可能要进行多次 旋转调度 实现虚拟设备必须要有硬件与软件的配合 首先要有硬件 的中断装置和通道技术作支撑 使中央处理器与各种外围设备之间可以 并行工作 然后操作系统采用多道程序设计技术 合理分配处理器 实现联机的外围设备同时操作 实现虚拟设备时 操作系统必须设计 好预输入程序 井管理程序和缓输出程序 实现虚拟设备不仅提高了 独占设备的利用率 创造了多道并行工作的环境 而且加快了作业的 执行速度 但是可能延长作业的周转时间 主存储器与外围设备之间的信息传送操作称为输入 输出 操作 完成输入 输出操作的过程是 按系统规定的通命令格式 根据输入 输出的要求组织通道程序 并把通道程序首地址存人通道 地址字 CAW 中 利用硬件提供的 启动 1 0 指令启动通道工作 启 动成功后由通道执行通道程序 按通道命令的要求完成一次输入 输出操作 并把通道程序的执行情况记录在通道状态字 CSW 中 通道完成一次输入 输出操作后形成 I O 中断 由操作系统作出相应 处理 在执行输入 输出操作时采用缓冲技术可以缓解处理器与 外围设备之间速度不匹配的矛盾 UNIX 息的传送速度 常用的缓冲技 术有单缓冲技术 双缓冲技术和缓冲池技术 UNIx 把设备分成块设备和字符设备两大类 且把设备作为 一种特别文件 每个设备都有一个文件名 并对设备就像文件那样进 行操作 UNlX 中的输入 输出操作是通过缓冲区来传送信息的 在 采用的磁盘缓冲技术中 利用缓冲区保存已从磁盘上读出的信息或欲 写入磁盘的信息 这样 当再次需要使用这些信息时就不必启动磁盘 而可真接从缓冲区中得到 减少了输入 输出操作所花费的时间 第七章 在顺序执行指令的处理器上 进程的执行是按程序中规定 的操作顺序进行的 即进程具有顺序性 但是在计算机系统中 尤其 在采用多道程序设计的系统中 往往会有若干个进程请求执行 若在 一个进程的执行没有结束之前就允许其他进程开始执行 则说这些进 程是可同时执行的 可同时执行的进程交替地占用处理器 如果系统 中存在一组可同时执行的进程 则说该组进程具有并发性 我们把这 些进程称为并发进程 并发进程相互间可以是无关的 也可以是有交互的 有交 互的并发进程间一定共享某些资源 由于并发进程执行的相对速度受 自身或外界的因素影响 也受进程调度策略的限制 因此 并发进程 在访问共享资源时可能会出现与时间有关的错误 并发进程在访问共享资源时可以有两种关系 一种是竞争 关系 另一种是协作关系 当并发进程存在竞争关系时 必须互斥地 使用共享资源 当并发进程存在协作关系时 必须互通消息 我们把 这两种关系分别称为进程的互斥和进程的同步 进程间正确的互斥和 同步能避免出现与时间有关的错误 把并发进程中与共享变量有关的程序段称为临界区 与某 共享变量有关的每个进程都有各自的的临界区 如果若干个进程的临 界区都涉及同一个变量 则把这些临界区称为相关临界区 这进程互 斥时 每次只允许一个进程进入自己的临界区 当有一个进程在它的 临界区执行时 就不允许其他任何进程进入各自的临界区 直到该进 程退出临界区为止 进程的同步是指 进程 用共享资源时必须互通消息 即只有接 到了指 P 的消息后 进 程才能去使用共享资源 如果进程没有接到指定消息 即使此 时无进程在使用共享资源进程仍然不能去使用共享资源 直到消息到 达为止 实际上 进程互斥是进程同步的特例 故经常把进程互斥和进程同步的机制统称为同步机制 PV 操作是 由两个不被中断的过程 P 操作原语和 V 操作原语组成 PV 操作是 对号量实施操作 若把信号量与共享资源联系起来 则用 PV 操作可 实现进程的互斥和同步 从本章的例子分析中 可总结信号量 S 的物理含义 S O 时 S 表示可使用的资源数 或表示可使用资源的进 程数 S O 时 表示无资源可供使用 或表示不允许进程再进入 临界区 sO 时 调用 P S 的进程不会等待 调用 V S 后使得可 用的资源数加 1 或 得可用资源的进程数加 I 当 s O 时 调用 P S 的进程必须等待 调用 V s 后将释放 一个等待使用资源者 或释放一个等待进入临界区者 采用 PV 操作作为同步机制时 应注意如下几点 1 正确区分互斥与同步 如果并发进程仅仅是竞争共享资源 对共享资源的使用是各 自独立的 相互之间不存在某种必然的联系 那么对共享资源的管理 应采用 进程的互斥 方式 如果并发进程对 资源的使用必须按某种逻辑顺序来进行 它们相互之间有依赖有联系 那么对共享资源的各自的临界区 直到该进程退出临界区为止 进程的同步是指 进程 用共享资源时必须互通消息 即只有接 到了指 P 的消息后 进 程才能去使用共享资源 如果进程没有接到指定消息 即使此 时无进程在使用共享资源进程仍然不能去使用共享资源 直到消息到 达为止 实际上 进程互斥是进程同步的特例 故经常把进程互斥和进程同步的机制统称为同步机制 PV 操作是由两个不被中断的过程 P 操作原语和 V 操作原语 组成 PV 操作是对 号量实施操作 若把信号量与共享资源联系起来 则用 PV 操作可实 现进程的互斥和同步 从本章的例子分析中 可总结信号量 S 的物理含义 S O 时 S 表示可使用的资源数 或表示可使用资源的进 程数 S O 时 表示无资源可供使用 或表示不允许进程再进入 临界区 sO 时 调用 P S 的进程不会等待 调用 V S 后使得可 用的资源数加 1 或 j 得可用资源的进程数加 I 当 s O 时 调用 P S 的进程必须等待 调用 V s 后将释放 一个等待使用资源者 或释放一个等待进入临界区者 采用 PV 操作作为同步机制时 应注意如下几点 1 正确区分互斥与同步 如果并发进程仅仅是竞争共享资源 对共享资源的使用是各 自独立的 相互之间不存某种必然的联系 那么对共享资源的管理应 采用 进程的互斥 方式 如果并发进程对共 资源的使用必须按某种逻辑顺序来进行 它们相互之间有依赖有联系 那么对共享资源的 1 正确区分互斥与同步 女口果并发进程仅仅是竞争共享资源 对共享资源的使用 是各自独立的 相互之间不存在某种必然的联系 那么对共享资源的 管理应采用 进程的互斥 方式 如果并发进程对共享资源的使用必 须按某种逻辑顺序来进行 它们相互之间有依赖有联系 那么对共享 资源的管理应采用 进程的同步 方式 2 正确定义信号量 用 PV 操作管理共享资源时应确切地定义信号量 如果是互 斥使用的共享资源 则用一个信号量与共享资源联系起来 信号量的 初值一般为 1 如果对共享资源的使用是按 进程的同步 方式进行 的 则应先分析并发进程间有多少个不同的消息 每一个消息要用一 个信号量来表示 信号量的初值应随问题的要求 信号量的含义等情 况来决定 3 正确使用 PV 操作 一般 PV 操作都是在与共享变量有关的程序段前后调用 对 必须互斥使用的资源 通常是对同一信号量调用 P 操作和 V 操作 用 P 操作竞争资源使用权 用 V 操作归还资源使用权 对必须同步 的并发进程使用共享资源时 要在不同的信号量上调用 P 操作和 V 操 作 用 P 操作测试自己所需的消息是否到达 用 V 操作把其他进程需 要的消息发送出去 在解决互斥与同步混合问题时应注意 P 操作的次 序 在互斥信号量上的 P 操作应放在同步信号量的 P 操作之后 以免 引起错误 而对 V 操作的次序不作特别强调 因为它仅涉及释放等待 者的先后顺序 并不会引起错误 PV 操作是一种管理共享资