操作系统提纲

1、第一讲计算机系统概述1. I/O控制方式的发展：轮询方式（程序直接控制）：耗费大量的CPU时间，无法检测设备错误， 只能串行工作。中断驱动方式：并行操作的设备数受到中断处理时间的限制。CPU仍需花费较多时间处理中断。中断次数增多时易导致数据丢失。DMA方式（直接内存存取方式）：要求CPU执行设备驱动程序启动设备， 给出存放数据的内存地址及操作方式和传送长度等。通道方式：给CPU发出I/O启动命令后，由通道指令完成启动设备等工作。 又被称为I/O处理器，用于实现主存与外设之间的信息传输。通常把通道程序的 执行情况记录在CSW中。2. Dosdir和dosls命令的功能分别以dos和unix目录格

2、式列出DOS盘上的目录。第二讲操作系统概述批处理操作系统：成批处理作业；作业控制语言与作业说明书；脱机工作方式；追求系统效率与吞吐量分时操作系统：用户通过终端直接控制程序执行交互式工作方式交互型、友善性、快速响应 今天最常见的计算机操作方式实时操作系统：事件驱动，有较高时间要求1. 什么是操作系统？操作系统是计算机系统最基础的系统软件，它管理软硬件资源、控制程 序执行，改善人机界面，合理组织计算机工作流程，为用户使用计算机提供 良好运行环境。2. 操作系统的主要特征是并发性、共享性、异步性和虚拟性。3. 构成操作系统的基本单位有：内核、讲程、线程、管程、类程。4. UNIX是多用户分时操作系统

3、。5. UNIX文件系统中采用流式文件6. 实时与分时：实时强调在一定时间要求下作出响应，分时强调同时多用户交 互。7. 分时操作系统：支持多用户共享使用系统的操作系统。交互性、同时性、及 时性、独立性、多路性。8. 分时系统中进程调度算法通常采用 时间片轮转法。9. 批处理系统的主要缺点是失去了交互性。10. 操作系统的用户接口：操作系统提供两种用户接口 ：操作（命令）接口和程 序（系统调用）接口。11. 操作系统体系结构分类及其主要特点：单体式结构：高效但不便于维护层次式结构：便于维护但效率低虚拟机结构：方便资源管理使用微内核结构、客户/服务器结构：便于扩充但通信开销大12. 操作系统虚拟

4、性的意义：屏蔽、隔离具体环境，提高使用接口友好性，以便以抽象统一的方式使用资源。例子：设备假脱机、屏幕多窗口、虚拟存储等。13. 原语：操作系统中常称为特殊系统调用的程序，不能被系统中断。第三讲中断处理1. 处理器状态：管理状态（特权状态、系统模式、特态或管态）:处理器可以执行全部指令， 使用所有资源，并具有改变处理器状态的能力。用户状态（目标状态、用户模式、常态或目态）：处理器只能执行非特权指 令。2. 模式切换：CPU从核心态到用户态，或从用户态到核心态。3. 中断是指程序执行过程中，遇到急需处理的事件时，暂时中止CPU上现行程序的运行，转去执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回原程序

5、被中 断处或调度其他程序执行的过程4. 按照中断信号的来源，中断可分为外中断和内中断。5. 系统调用：操作系统提供程序使用的系统服务函数或过程。只能通过用户程 序间接使用。6. 中断处理的主要工作：现场保护，中断分析与处理，返回。第四讲进程管理1. 进程：是一个可并发执行的具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次执 行过程，也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。2. 进程的异步性：各进程向前推进的速度是不可预知的，体现出走走停停的特 征。3. 进程与程序：进程是程序关于数据的执行。程序是静态的，进程是动态的。4. 三状态模型5. PSW（程序状态字）：PSW表示不同的处理器工作状态，控制指

6、令执行顺序, 保留和指示与程序有关的系统状态，主要作用是实现程序状态的保护和恢复 内容包括：程序指针、程序状态、中断状态等。6. 进程间的基本关系：互斥与同步。第五讲多线程技术1. 线程引入的原因：单线程结构进程给并发程序设计效率带来问题：进程切换 开销大；进程通信开销大；限制了进程并发的粒度；不适合并行计算的要求。2. 引入线程的目的：通过把分配资源与调度执行分离开来，使进程作为系统资 源分配和保护的单位，线程作为系统调度和分派的单位，能被频繁地调度和 切换。操作系统中引入进程的目的是为了使多个程序并发执行，以改善资源 使用率和提高系统效率，操作系统中再引入线程，则是为了减少程序并发执 行时

7、所付出的时空开销，使得并发粒度更细、并发性更好。3. 线程的实现方法：用户级实现：优点： 线程切换不需要内核特权方式， 所有线程管理数据结构均 在进程的用户空间中，管理线程切换的线程库也在用户地址空间 运行，能节省模式切换的开销和内核的宝贵资源 允许进程按应用特定需要选择调度算法，且线程库的线程 调度算法与操作系统的低级调度算法无关 用户级线程（ULT能运行在任何OS上。内核在支持ULT方面不需要做任何改变，线程库是可以被所有应用共享的应用级实 用程序，许多当代操作系统和语言均提供了线程库，传统UNIX并不支持多线程，但已有了多个基于 UNIX的用户线程库。缺点： 由于大多数系统调用是阻塞型的

8、，因此，一个ULT的阻塞， 将引起整个进程的阻塞 ULT不能利用多处理器的优点，内核分配进程到CPU 上,仅有一个ULT能执行，因此，不可能得益于多线程的并发执行 内核级实现：优点： 多处理器上，内核能同时调度同一进程中多个线程并 行执行 进程中的一个线程被阻塞了，内核能调度同一进程的 其它线程占有处理器运行 内核线程数据结构和堆栈很小，KLT切换快，内核自身 也可用多线程技术实现，能提高系统的执行速度和效率缺点：应用程序线程在用户态运行，而线程调度和管理在 内核实现，在同一进程中，控制权从一个线程传送到另一个 线程时需要用户态-内核态-用户态的模式切换，系统开销较 大混合式实现：该方法将会结

9、合纯粹用户级线程方法和内核级线程方法的 优点，同时减少它们的缺点第六讲处理器调度1. 处理器调度的层次：长程调度（高级调度）：决定加入到执行的进程池中中程调度（中级调度）:决定加入到部分或者全部在主存中的进程集合中 进程在主存和辅存间调度，以调节系统负载。短程调度（低级调度）：决定哪个可用进程将占用处理器执行I/O调度：决定哪个进程挂起的I/O请求将被可用的I/O设备处理2. 最高响应比优先：响应比=1+作业等待时间/作业执行时间第七讲存储器管理1. 固定分区存储管理：又称静态分区模式，基本思想是：内存空间被划分成数 目固定不变的分区，各分区大小不等， 每个分区只装入一个作业，若多个分 区中都

10、装有作业，则它们可以并发执行。第八讲虚拟存储管理、分段1. 分段使用大小不等的段，每段是一个连续存储区。2. 逻辑地址由两部分组成：段号和偏移量。3. 与动态分区不同，通过段表实现不连续存储的重定位。4. 段表：段的长度、段的起始地址、其他控制位与标志位5. 不会产生内部碎片二、分页1. 主存被划分成 大小固定相等 的块，且块相对比较小，每个进程也被分成同样 大小的小块，进程中称为页（page）的块可以指定到内存中称为页框（frame）的可用 块。仅有一个简单的基址寄存器是不够的， 操作系统需要为每个进程维护一个页表（page table）,页表给出了该进程的每一页对应的页框的位置，每个逻辑地

11、址包 括一个页号和在页中的偏移量。2. 多级页表：在大地址空间的情况下，为了节省页表内存占用空间，可设计成 两级（或多级）页表，即页表也分成一张张页表页（大小等于页面） ，并不全 部装入内存，虚地址分为三部分：页目录表、页表页、位移，通过页目录索 引找页表页，通过页表页索引找到对应页框号， 并与位移一起形成物理地址。3. 反置页表：反置页表为内存中的物理块建立了一个页表并按照块号排序，该 表的每个表项包含正在访问该页框的进程标识、页号及特征位，和哈希链指 针等，用来完成内存页框到访问进程的页号，即物理地址到逻辑地址的对应 转换。三、段页式1. 用分段方法来分配和管理用户地址空间，用分页方法来管

12、理物理存储空间。2. 段页式管理每取一次数据，至少需要访问三次以上的内存：第一次是由段表地址寄存器得段表始址后访问段表， 由此取出对应段的页表 在内存中的地址。第二次则是访问页表得到所要访问的物理地址。 第三次才能访问真正需要访问的物理单元。四、分段和分页的比较分段是信息的逻辑单位，由源程序的逻辑结构所决定，用户可见，段长可根 据用户需要来规定， 段起始地址可从任何主存地址开始。 分段方式中， 源程序（段 号，段内位移 ）经连结装配后地址仍保持 二维结构。分页是信息的物理单位，与源程序的逻辑结构无关，用户不可见，页长由系 统确定，页面只能以页大小的整倍数地址开始。分页方式中，源程序（页号，页内

13、位移 ）经连结装配后地址变成了 一维结构。1. 虚拟存储器的容量与物理主存大小无关，而受限于计算机的地址结构及可用 的磁盘容量，如In tel x86的地址线是32位，则程序可寻址范围是4GB,Wi ndows 便为应用进程提供一个4GB的逻辑主存2. 抖动：如果一块正好将要被用到之前扔出，操作系统又不得不很快把它取回来，太多的这类操作会导致一种称为系统抖动的情况。3. 地址转换：逻辑地址向物理地址的转换。4. 快表：以相联存储器实现的快速页表。5. 固定分区存在内部碎片，可变式分区分配会存在外部碎片；页式虚拟存储系 统存在内部碎片；段式虚拟存储系统存在外部碎片。6. 内存不足的存储管理技术：

14、移动技术、对换技术、覆盖技术。7. 对换技术：将作业不需要或暂时不需要的部分移到外存，让出内存空间以调 入其他所需数据。8. 局部页面替换算法9. 工作集置换算法第九讲 设备管理1. 设备独立性：用户作业通过设备的逻辑号使用设备，由设备管理来建立逻辑 设备与具体物理设备之间的对应关系。2. 访问磁盘上的一个物理记录，通常需要确定的三个参数是：柱面号、磁头号 和块号。3. 磁盘读写单位是扇区。4. 驱动调度：系统运行时，同时会有多个访问辅助存储器的进程请求输入、输 出操作，操作系统必须采用一种调度策略，使其能按最佳（最有效）的次序 执行各访问请求。5. Spooling系统：由预输入、缓输出、井

15、管理组成。外部设备联机并行操作，它 是关于慢速字符设备如何与计算机主机交换信息的一种技术， 通常也叫做“假 脱机技术”。能把一个物理设备虚拟成多个逻辑设备， 用共享设备模拟独享设 备。数据结构包括： 作业表、预输入表和缓输出表。 一般不适用于分时系统。第十讲 文件管理1. 文件：由文件名字标识的一组信息的集合。2. 文件系统采用多级目录结构可以节省存储空间。3. 多级目录结构采用树型结构， 是一棵倒向有根树， 树根是根目录； 从根向下， 每个树枝是一个子目录；而树叶是文件。4. 文件按其逻辑结构可分为：流式文件和记录式文件。5. 文件按物理结构可分为：顺序文件（连续文件） 、连接文件（串联文件

16、） 、直 接文件（哈希文件）和索引文件。6. 文件的共享方式：静态共享、动态共享、符号链接共享。7. 强制访问控制：安全系统通过比较主、客体的相应标记来决定是否授予一个 主体对客体的访问权限。8. 内存映射文件：将一个文件映射到一个进程的内存空间。第十一讲并发程序设计1. 并发：两个或两个以上的运行程序在同一时间间隔段内同时执行。2. 并行：若干个事件或活动在同一时刻发生。3. 并行是并发的特例，并发是并行的扩展。4. 与时间有关错误的表现形式：结果不唯一永远等待 5临界区：并发进程中与共享变量有关的程序段。6. 共享变量代表的资源叫“临界资源”。7. 管程的定义：管程是由局部于自己的若干公共

17、变量及其说明和所有访问这些 公共变量的过程所组成的软件模块。8. 简要描述Hoare方法实现的管程机制：Hoare方法让执行signal操作的进程挂起自己，直到被它释放的进程退出管 程或产生了其他的等待条件为止。引入一个互斥信号量，保证管程的互斥性；引 入一个next信号量用于阻塞发送signal操作的进程。对于一个等待条件引入一个 信号量。9. 管道：是连接读写进程的一个特殊文件，允许进程按先进先出方式传送数据， 也能使进程同步执行操作。10. 进程通信：信箱：高级通信。第十二讲死锁1. 死锁：如果在一个进程集合中的每个进程都在等待只能由该集合中的其他一 个进程才能引发的事件，则称一组进程或系统此时发生死锁。2. 系统形成死锁的四个必要条件:互斥条件、占有和等待条件、不剥夺条件、 循环等待条件