操作系統(tǒng)原理.doc

個人根據未來教育試卷從書上整理的重點，有問題請自己查書，不喜勿噴，非誠勿擾！操作系統(tǒng)原理第一章 操作系統(tǒng)概論1.1操作系統(tǒng)的概念操作系統(tǒng)的特征：并發(fā)性，共享性，隨機性。研究操作系統(tǒng)的觀點：軟件的觀點，資源管理的觀點，進程的觀點，虛擬機的觀點， 服務提供者的 觀點。操作系統(tǒng)的功能：1.進程管理：進程控制，進程同步，進程間通信，調度。 2.存儲管理：內存分配與回收，存儲保護，內存擴充。 3.文件管理：文件存儲空間管理，目錄管理，文件系統(tǒng)安全性。 4.設備管理 5.用戶接口UNIX是一個良好的、通用的、多用戶、多任務、分時操作系統(tǒng)。1969年AT&T公司Kenneth L.Thompson用匯編語言編寫了Unix第一個版本V1，之后Unix用C語言編寫，因此事可移植的。1.3操作系統(tǒng)分類1. 批處理操作系統(tǒng)：優(yōu)點是作業(yè)流程自動化較高，資源利用率較高，作業(yè)吞吐量大，從而提高了整個 系統(tǒng)的效率。 缺點是用戶不能直接與計算機交互，不適合調試程序。2. 分時系統(tǒng)：特點是多路性，交互性，獨占性，及時性。3. 實時操作系統(tǒng)4. 嵌入式操作系統(tǒng)5. 個人計算機操作系統(tǒng)6. 網絡操作系統(tǒng)7. 分布式操作系統(tǒng)8. 智能卡操作系統(tǒng)1.4操作系統(tǒng)結構1. 整體式結構2. 層次結構3. 微內核（客戶機/服務器）結構：可靠，靈活（便于操作系統(tǒng)增加新的服務功能）， 適宜分布式處理的計算機環(huán)境第2章 操作系統(tǒng)運行機制2.1中央處理器寄存器：用戶可見寄存器：數據寄存器（通用寄存器），地址寄存器，條件碼寄存器。 控制和狀態(tài)寄存器：程序計數器，指令寄存器，程序狀態(tài)字。目態(tài)到管態(tài)的轉換唯一途徑是通過終端和異常。管態(tài)到目態(tài)的轉換可以通過設置PSW指令（修改程序狀態(tài)字）實現。PSW包括：CPU的工作狀態(tài)代碼條件碼中斷屏蔽碼2.2存儲體系存儲器設計：容量，速度，成本存儲保護：界地址寄存器（界限寄存器）：產生程序中斷-越界中斷或存儲保護中斷 存儲鍵2.3中斷與異常機制分類：中斷：時鐘中斷，輸入輸出（I/O）中斷，控制臺中斷，硬件故障中斷 異常：程序性中斷，訪管指令異常2.4系統(tǒng)調用系統(tǒng)調用程序被看成是一個低級的過程，只能由匯編語言直接訪問。系統(tǒng)調用是操作系統(tǒng)提供給編程人員的唯一接口。分類：進程控制類，文件操作類，進程通信類，設備管理類，信息維護類。第3章 進程線程模型3.1多道程序設計模型順序執(zhí)行的特點：順序性封閉性確定性可再現性多道程序設計的特點：獨立性隨機性資源共享性3.2進程模型進程的三狀態(tài)模型：運行，就緒，等待。 七狀態(tài)模型：掛起（Suspend）：把一個進程從內存轉到外存 激活（Active）：把一個進程從外存轉到內存 事件出現（Event Occurs）： 提交（Admit）：完成一個新進程的創(chuàng)建過程，新進程進入就緒狀態(tài)或就緒掛起狀 態(tài)。PCB是進程存在的唯一標志包括：進程名，進程號，存儲信息，優(yōu)先級，當前狀態(tài)，資源清單，“家族”關系，消息隊列指針，當前打開文件夾等。進程組成：程序，數據，PCB。原語是操作系統(tǒng)核心的一個組成部分，它必須在管態(tài)下執(zhí)行，并且必須常駐內存。原語有不可中斷性。3.3線程模型線程是進程中的一個實體，是CPU調度和分派的基本單位。線程的好處：創(chuàng)建或者結束一個線程花費時間少 兩個線程切換花費時間少 由于同一進程內的線程共享內存和文件，線程之間相互通信無需調用內核，故不需要 額外的通信機制，使通信更便捷，信息傳送速度也快。 線程能獨立執(zhí)行，能充分利用和發(fā)揮處理器與外圍設備并行工作能力。線程調用描述pthread_creat創(chuàng)建一個新線程pthread_exit結束調用的線程pthread_join等待一個特定的線程退出pthread_yield釋放CPU來運行另一個線程pthread_attr_init創(chuàng)建并初始化一個線程的屬性結構pthread_attr_destroy刪除一個線程的屬性結構3.4進程（線程）調度先來先服務最短作業(yè)優(yōu)先最短剩余時間優(yōu)先輪轉法最高優(yōu)先級算法多級反饋隊列算法最短進程優(yōu)先實時系統(tǒng)中的調度算法第4章 并發(fā)與同步4.2進程互斥互相感知的程度：相互不感知，間接感知，直接感知。臨界資源訪問過程：進入區(qū)臨界區(qū)退出區(qū)剩余區(qū)進程同步機制準則：空閑則入忙則等待有限等待讓權等待4.4經典的進程同步問題10讀者進程：While(true)P(mutex);read_count:=read_count+1;If(read_count=1) P(write);V(mutex); 讀文件；P(mutex);read_count:=read_count-1;If(read_count=0) V(write);V(mutex);寫者進程：While(true)P(write); 寫文件；V(write);4.5管程管程是一種高級同步原語組成：管程名稱，共享數據的說明，對數據進行操作的一組過程和對共享數據賦初值 的語句。線程調用描述pthread_mutex_init創(chuàng)建一個互斥量pthread_mutex_destroy撤銷一個已存在的互斥量pthread_mutex_lock獲得一個鎖或阻塞pthread_mutex_trylock獲得一個鎖或失敗pthread_mutex_unlock釋放一個鎖4.6進程通信共享內存，消息機制，管道通信。第5章 內存管理5.1基本概念內存分配表：位示圖表示法，空閑頁面表，空閑塊表。地址轉換：靜態(tài)重定位：裝入一個程序時，把程序中的指令地址和數據地址全部轉換成絕對地址。 動態(tài)重定位：裝入程序時，不進行地址轉換，而是直接把程序裝入到分配的內存區(qū)域中。 在程序執(zhí)行過程中，每當執(zhí)行一條指令時都由硬件的地址轉換機構將指令中 的邏輯地址轉換為絕對地址主要內存管理方案：單一用戶（連續(xù)區(qū)）管理，分區(qū)管理，頁式管理，段式管理，段頁式管理。5.2分區(qū)存儲管理方案（1） 固定分區(qū)：系統(tǒng)先把內存劃分為若干個大小固定的分區(qū)，一旦劃分好，在系統(tǒng)運行期間便不再 重新劃分。（2） 可變分區(qū)：移動技術又稱為緊湊技術或緊縮技術。 空閑分區(qū)分配策略：最先適應算法， 最優(yōu)適應算法， 最壞適應算法， 下次適應算法。分區(qū)管理是實現多道程序設計的一種簡單易行的存儲管理技術。分區(qū)管理的主要缺點是內存使用仍然不充分，并且存在較為嚴重的碎片問題。5.3覆蓋技術和交換技術覆蓋技術: 作業(yè)1作業(yè)1的常駐區(qū)A（20K）覆蓋區(qū)0（50K）覆蓋區(qū)1（40K）.A20KB50KC30KD20KF30KE40K交換技術：進程從內存移到磁盤并再移回內存稱為交換。5.4頁式存儲管理方案頁號頁內地址頁表起始地址寄存器：用于保存正在運行進程的頁表在內存的首地址頁表長度寄存器：用于保護正在運行進程的頁表長度。頁表：多級頁表，散列頁表，反置頁表。快表：按給定邏輯地址進行讀寫時，必須訪問兩次內存，第一次按頁號讀出頁表中對應的塊號，第二 次按計算出來的絕對地址進行讀寫。查找快表和查找內存頁表是并行進行的。5.5虛擬存儲技術和虛擬頁式存儲管理方案的實現虛擬頁式存儲管理時需要在頁表中增加以下的表項：（1） 頁號頁面編號（2） 有效位又稱駐留位、存在位或中斷位，表示該頁是在內存還是外存。（3） 頁框號頁面在內存中時對應的頁框號。（4） 訪問位又稱引用位和參考位，表示該頁在內存期間是否被訪問過。（5） 修改位表示該頁在內存中是否被修改過。（6） 保護位是否能/讀/寫/執(zhí)行。（7） 禁止緩存位采用內存映射I/O的機器中需要的位。訪問位和修改位可以用來決定置換哪個頁面。調入頁面來源：（1）進程裝入時，將全部頁面復制到交換區(qū)，以后總是從交換區(qū)調入。 （2）凡是未被修改的頁面，都直接從文件區(qū)讀入，而被置換時不需調出；已被修改的 頁面被置換時需要調出到交換區(qū)，以后從交換區(qū)調入。頁面置換算法：（1） 先進先出FIFO（2） 最近最少使用LRU（3） 最近最不常使用LFU（4） 理想頁面置換算法OPT（5） 最近未使用（6） 第二次機會（7） 時鐘缺頁中斷率：f=F/A影響因素：分配給程序的內存塊數頁面大小程序編制方法頁面置換算法工作集模式可以解決顛簸問題。操作系統(tǒng)為每一個進程保持一個工作集并為該進程提供與工作集大小相等的物理頁面數，這一過程可動態(tài)調整統(tǒng)計工作集大小一般由硬件完成，系統(tǒng)開銷較大。段頁式存儲管理方案：用頁面方法來分配和管理內存空間，即把內存劃分為若干大小相等的頁面；用 段式方法對用戶程序按照其內在的邏輯關系劃分成若干段；再按照劃分內存頁 面的大小，把每一段劃分成若干大小相等的頁面。第6章 文件管理文件分類：按用途：系統(tǒng)文件庫函數文件用戶文件 按組織形式：普通文件目錄文件特殊文件 按保護方式：只讀文件讀寫文件可執(zhí)行文件無保護文件6.2文件的結構邏輯結構：流式文件紀錄式文件物理結構：順序結構 鏈接結構：存取速度慢不適于隨機存取文件，Windows的FAT文件系統(tǒng)采用的是鏈接結 構但是將所有指針集中存放。 索引結構：既適于順序存取又適于隨機存取，沒有存儲碎片。存儲介質磁帶磁盤物理結構連接結構連續(xù)鏈接索引存取方式順序存取順序順序順序隨機隨機磁盤的存?。褐嫣?物理塊號/（磁頭數*扇區(qū)數） 磁頭號=(物理塊號mod（磁頭數*扇區(qū)數）/扇區(qū)數 扇區(qū)號=（物理塊號mod（磁頭數*扇區(qū)數）mod扇區(qū)數 注：mod求余，磁頭即盤面6.3文件目錄文件控制塊FCB：文件名，文件號，用戶名 文件物理位置，文件長度，記錄大小，文件類型，文件屬性，共享說明 文件邏輯結構，文件物理結構 建立日期和時間，最后訪問日期和時間，最后修改日期和時間 口令，保存期限6.4文件系統(tǒng)的實現（1） 位示圖：0表示空閑，1表示該物理塊已分配。從0開始編。（2） 空閑塊表：（3） 空閑塊鏈表：效率低（4） 成組鏈接：有些版本的UNIX操作系統(tǒng)采用。文件的操作：（1） 建立文件：create（文件名，訪問權限，最大長度） 檢查參數合法性 檢查同一目錄下有無重名文件 在目錄中有無空閑位置 填寫目錄項內容 返回（2） 打開文件：fd=open（文件路徑名，打開方式） 根據文件路徑名查目錄，找到FCB主部 根據打開方式，共享說明和用戶身份檢查訪問合法性 根據文件號查系統(tǒng)打開文件表，看文件是否已被打開 在用戶打開文件表中取一空表項，填寫打開方式等，并指向系統(tǒng)打開文件對應表 項 返回信息：文件描述符fd，這是個非負整數，用于以后讀寫文件（3） 讀文件：read（文件名，文內位置，要讀的長度，內存目的地址）（4） 寫文件：write（文件名，記錄鍵，內存位置）（5） 關閉文件：close（文件名）（6） 刪除文件：delete（文件名）（7） 指針定位：seek（fd，新指針的位置）6.5文件的保護和安全文件保護：建立副本：用于較小且極為重要的文件。 定時轉儲：按照轉儲內容分為增量轉儲和全量轉儲 按照轉儲方式分為物理轉儲和邏輯轉儲 規(guī)定文件的存取權限文件的存取權限（1） 存取控制矩陣（2） 二級存儲控制（3） UNIX中的文件存取權限：Unix系統(tǒng)內部用數值表示文件屬性，每一個屬性與文件屬性中的一 個二進制相對應。1表示設置了該權限，0表示沒有該權限。Unix中 用8進制表示。文件的保密：屏蔽文件目錄設置口令使用密碼6.6文件系統(tǒng)的性能提高文件系統(tǒng)性能措施：（1）塊高速緩存（2）合理分配磁盤空間（3）磁盤的驅動調度：磁盤的存取訪問時間：尋道時間旋轉延遲時間傳輸時間 組成：I移臂調度：先來先服務FCFS最短尋道時間優(yōu)SSTF掃描算法 SCAN又稱電梯算法循環(huán)掃描算法C-SCAN II旋轉調度（4） 信息的優(yōu)化分布（5） RAID技術6.7Windows的FAT文件系統(tǒng)和UNIX文件系統(tǒng)文件分配表FAT（File Allocation Table）具有簡單的目錄結構。三個版本是FAT12，FAT16，FAT32，取決于用多少位二進制表示磁盤地址。UNIX普通文件的物理結構是三級索引結構。第7章 I/O設備管理7.1設備與設備分類除CPU和內存以外的所有設備和裝置設備管理主要任務：I/O設備性能和CPU性能不匹配反差大 實現統(tǒng)一管理，方便用戶使用 用戶對I/O設備的使用必須是安全的設備分類：按使用特性：I/O設備和存儲設備 按信息組織方式：字符設備和塊設備 按共享屬性：獨占設備，共享設備和虛擬設備7.2 I/O硬件組成中央部分是CPU和主存，通過總線與第二層的接口（適配器）部件相連，第三層是各種外圍設備控制器，最外層是外圍設備。I/O設備數據傳送控制方式：程序直接控制方式 中斷控制方式 DMA方式 通道控制方式：選擇通道，數組多路通道，字節(jié)多路通道7.3I/O軟件的結構和特點（1） 中斷處理程序（2） 設備驅動程序（3） 與設備無關的系統(tǒng)軟件：統(tǒng)一命名設備保護提供與設備無關的邏輯塊緩 沖存儲設備的塊分配獨占設備的分配與釋放出 錯處理I/O回答I/O請求（4） 用戶空間的I/O軟件用戶空間軟件與設備無關的系統(tǒng)軟件設備驅動程序中斷處理程序硬件7.4典型的I/O技術設備分配算法：系統(tǒng)設備表SDT 設備控制表DCT 控制器控制表COCT 通道控制表CHCT設備分配原則：考慮到設備的特性和安全性 設備分配策略7.5I/O性能問題及解決方案小結（1） 通過緩沖技術、減少或緩解不同設備之間傳輸速度的差距（2） 通過應用異步I/O技術，使CPU計算不必等待I/O操作