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個(gè)人根據(jù)未來教育試卷從書上整理的重點(diǎn)，有問題請(qǐng)自己查書，不喜勿噴，非誠(chéng)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(jī)性。研究操作系統(tǒng)的觀點(diǎn)：軟件的觀點(diǎn)，資源管理的觀點(diǎn)，進(jìn)程的觀點(diǎn)，虛擬機(jī)的觀點(diǎn)， 服務(wù)提供者的 觀點(diǎn)。操作系統(tǒng)的功能：1.進(jìn)程管理：進(jìn)程控制，進(jìn)程同步，進(jìn)程間通信，調(diào)度。 2.存儲(chǔ)管理：內(nèi)存分配與回收，存儲(chǔ)保護(hù)，內(nèi)存擴(kuò)充。 3.文件管理：文件存儲(chǔ)空間管理，目錄管理，文件系統(tǒng)安全性。 4.設(shè)備管理 5.用戶接口UNIX是一個(gè)良好的、通用的、多用戶、多任務(wù)、分時(shí)操作系統(tǒng)。1969年AT&T公司Kenneth L.Thompson用匯編語(yǔ)言編寫了Unix第一個(gè)版本V1，之后Unix用C語(yǔ)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(diǎn)是作業(yè)流程自動(dòng)化較高，資源利用率較高，作業(yè)吞吐量大，從而提高了整個(gè) 系統(tǒng)的效率。 缺點(diǎn)是用戶不能直接與計(jì)算機(jī)交互，不適合調(diào)試程序。2. 分時(shí)系統(tǒng)：特點(diǎn)是多路性，交互性，獨(dú)占性，及時(shí)性。3. 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)4. 嵌入式操作系統(tǒng)5. 個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)6. 網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)1. 整體式結(jié)構(gòu)2. 層次結(jié)構(gòu)3. 微內(nèi)核（客戶機(jī)/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)：可靠，靈活（便于操作系統(tǒng)增加新的服務(wù)功能）， 適宜分布式處理的計(jì)算機(jī)環(huán)境第2章 操作系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制2.1中央處理器寄存器：用戶可見寄存器：數(shù)據(jù)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(jì)數(shù)器，指令寄存器，程序狀態(tài)字。目態(tài)到管態(tài)的轉(zhuǎn)換唯一途徑是通過終端和異常。管態(tài)到目態(tài)的轉(zhuǎn)換可以通過設(shè)置PSW指令（修改程序狀態(tài)字）實(shí)現(xiàn)。PSW包括：CPU的工作狀態(tài)代碼條件碼中斷屏蔽碼2.2存儲(chǔ)體系存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)：容量，速度，成本存儲(chǔ)保護(hù)：界地址寄存器（界限寄存器）：產(chǎn)生程序中斷-越界中斷或存儲(chǔ)保護(hù)中斷 存儲(chǔ)鍵2.3中斷與異常機(jī)制分類：中斷：時(shí)鐘中斷，輸入輸出（I/O）中斷，控制臺(tái)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(diào)用系統(tǒng)調(diào)用程序被看成是一個(gè)低級(jí)的過程，只能由匯編語(yǔ)言直接訪問。系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給編程人員的唯一接口。分類：進(jìn)程控制類，文件操作類，進(jìn)程通信類，設(shè)備管理類，信息維護(hù)類。第3章 進(jìn)程線程模型3.1多道程序設(shè)計(jì)模型順序執(zhí)行的特點(diǎn)：順序性封閉性確定性可再現(xiàn)性多道程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：獨(dú)立性隨機(jī)性資源共享性3.2進(jìn)程模型進(jìn)程的三狀態(tài)模型：運(yùn)行，就緒，等待。 七狀態(tài)模型：掛起（Suspend）：把一個(gè)進(jìn)程從內(nèi)存轉(zhuǎn)到外存 激活（Active）：把一個(gè)進(jìn)程從外存轉(zhuǎn)到內(nèi)存 事件出現(xiàn)（Event Occurs）： 提交（Admit）：完成一個(gè)新進(jìn)程的創(chuàng)建過程，新進(jìn)程進(jìn)入就緒狀態(tài)或就緒掛起狀 態(tài)。PCB是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志包括：進(jìn)程名，進(jìn)程號(hào)，存儲(chǔ)信息，優(yōu)先級(jí)，當(dāng)前狀態(tài)，資源清單，“家族”關(guān)系，消息隊(duì)列指針，當(dāng)前打開文件夾等。進(jìn)程組成：程序，數(shù)據(jù)，PCB。原語(yǔ)是操作系統(tǒng)核心的一個(gè)組成部分，它必須在管態(tài)下執(zhí)行，并且必須常駐內(nèi)存。原語(yǔ)有不可中斷性。3.3線程模型線程是進(jìn)程中的一個(gè)實(shí)體，是CPU調(diào)度和分派的基本單位。線程的好處：創(chuàng)建或者結(jié)束一個(gè)線程花費(fèi)時(shí)間少 兩個(gè)線程切換花費(fèi)時(shí)間少 由于同一進(jìn)程內(nèi)的線程共享內(nèi)存和文件，線程之間相互通信無需調(diào)用內(nèi)核，故不需要 額外的通信機(jī)制，使通信更便捷，信息傳送速度也快。 線程能獨(dú)立執(zhí)行，能充分利用和發(fā)揮處理器與外圍設(shè)備并行工作能力。線程調(diào)用描述pthread_creat創(chuàng)建一個(gè)新線程pthread_exit結(jié)束調(diào)用的線程pthread_join等待一個(gè)特定的線程退出pthread_yield釋放CPU來運(yùn)行另一個(gè)線程pthread_attr_init創(chuàng)建并初始化一個(gè)線程的屬性結(jié)構(gòu)pthread_attr_destroy刪除一個(gè)線程的屬性結(jié)構(gòu)3.4進(jìn)程（線程）調(diào)度先來先服務(wù)最短作業(yè)優(yōu)先最短剩余時(shí)間優(yōu)先輪轉(zhuǎn)法最高優(yōu)先級(jí)算法多級(jí)反饋隊(duì)列算法最短進(jìn)程優(yōu)先實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的調(diào)度算法第4章 并發(fā)與同步4.2進(jìn)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(jìn)入?yún)^(qū)臨界區(qū)退出區(qū)剩余區(qū)進(jìn)程同步機(jī)制準(zhǔn)則：空閑則入忙則等待有限等待讓權(quán)等待4.4經(jīng)典的進(jìn)程同步問題10讀者進(jìn)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(jìn)程：While(true)P(write); 寫文件；V(write);4.5管程管程是一種高級(jí)同步原語(yǔ)組成：管程名稱，共享數(shù)據(jù)的說明，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的一組過程和對(duì)共享數(shù)據(jù)賦初值 的語(yǔ)句。線程調(diào)用描述pthread_mutex_init創(chuàng)建一個(gè)互斥量pthread_mutex_destroy撤銷一個(gè)已存在的互斥量pthread_mutex_lock獲得一個(gè)鎖或阻塞pthread_mutex_trylock獲得一個(gè)鎖或失敗pthread_mutex_unlock釋放一個(gè)鎖4.6進(jìn)程通信共享內(nèi)存，消息機(jī)制，管道通信。第5章 內(nèi)存管理5.1基本概念內(nèi)存分配表：位示圖表示法，空閑頁(yè)面表，空閑塊表。地址轉(zhuǎn)換：靜態(tài)重定位：裝入一個(gè)程序時(shí)，把程序中的指令地址和數(shù)據(jù)地址全部轉(zhuǎn)換成絕對(duì)地址。 動(dòng)態(tài)重定位：裝入程序時(shí)，不進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換，而是直接把程序裝入到分配的內(nèi)存區(qū)域中。 在程序執(zhí)行過程中，每當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)都由硬件的地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將指令中 的邏輯地址轉(zhuǎn)換為絕對(duì)地址主要內(nèi)存管理方案：?jiǎn)我挥脩簦ㄟB續(xù)區(qū)）管理，分區(qū)管理，頁(yè)式管理，段式管理，段頁(yè)式管理。5.2分區(qū)存儲(chǔ)管理方案（1） 固定分區(qū)：系統(tǒng)先把內(nèi)存劃分為若干個(gè)大小固定的分區(qū)，一旦劃分好，在系統(tǒng)運(yùn)行期間便不再 重新劃分。（2） 可變分區(qū)：移動(dòng)技術(shù)又稱為緊湊技術(shù)或緊縮技術(shù)。 空閑分區(qū)分配策略：最先適應(yīng)算法， 最優(yōu)適應(yīng)算法， 最壞適應(yīng)算法， 下次適應(yīng)算法。分區(qū)管理是實(shí)現(xiàn)多道程序設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)單易行的存儲(chǔ)管理技術(shù)。分區(qū)管理的主要缺點(diǎn)是內(nèi)存使用仍然不充分，并且存在較為嚴(yán)重的碎片問題。5.3覆蓋技術(shù)和交換技術(shù)覆蓋技術(shù): 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(shù)：進(jìn)程從內(nèi)存移到磁盤并再移回內(nèi)存稱為交換。5.4頁(yè)式存儲(chǔ)管理方案頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)地址頁(yè)表起始地址寄存器：用于保存正在運(yùn)行進(jìn)程的頁(yè)表在內(nèi)存的首地址頁(yè)表長(zhǎng)度寄存器：用于保護(hù)正在運(yùn)行進(jìn)程的頁(yè)表長(zhǎng)度。頁(yè)表：多級(jí)頁(yè)表，散列頁(yè)表，反置頁(yè)表。快表：按給定邏輯地址進(jìn)行讀寫時(shí)，必須訪問兩次內(nèi)存，第一次按頁(yè)號(hào)讀出頁(yè)表中對(duì)應(yīng)的塊號(hào)，第二 次按計(jì)算出來的絕對(duì)地址進(jìn)行讀寫。查找快表和查找內(nèi)存頁(yè)表是并行進(jìn)行的。5.5虛擬存儲(chǔ)技術(shù)和虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理方案的實(shí)現(xiàn)虛擬頁(yè)式存儲(chǔ)管理時(shí)需要在頁(yè)表中增加以下的表項(xiàng)：（1） 頁(yè)號(hào)頁(yè)面編號(hào)（2） 有效位又稱駐留位、存在位或中斷位，表示該頁(yè)是在內(nèi)存還是外存。（3） 頁(yè)框號(hào)頁(yè)面在內(nèi)存中時(shí)對(duì)應(yīng)的頁(yè)框號(hào)。（4） 訪問位又稱引用位和參考位，表示該頁(yè)在內(nèi)存期間是否被訪問過。（5） 修改位表示該頁(yè)在內(nèi)存中是否被修改過。（6） 保護(hù)位是否能/讀/寫/執(zhí)行。（7） 禁止緩存位采用內(nèi)存映射I/O的機(jī)器中需要的位。訪問位和修改位可以用來決定置換哪個(gè)頁(yè)面。調(diào)入頁(yè)面來源：（1）進(jìn)程裝入時(shí)，將全部頁(yè)面復(fù)制到交換區(qū)，以后總是從交換區(qū)調(diào)入。 （2）凡是未被修改的頁(yè)面，都直接從文件區(qū)讀入，而被置換時(shí)不需調(diào)出；已被修改的 頁(yè)面被置換時(shí)需要調(diào)出到交換區(qū)，以后從交換區(qū)調(diào)入。頁(yè)面置換算法：（1） 先進(jìn)先出FIFO（2） 最近最少使用LRU（3） 最近最不常使用LFU（4） 理想頁(yè)面置換算法OPT（5） 最近未使用（6） 第二次機(jī)會(huì)（7） 時(shí)鐘缺頁(yè)中斷率：f=F/A影響因素：分配給程序的內(nèi)存塊數(shù)頁(yè)面大小程序編制方法頁(yè)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(gè)進(jìn)程保持一個(gè)工作集并為該進(jìn)程提供與工作集大小相等的物理頁(yè)面數(shù)，這一過程可動(dòng)態(tài)調(diào)整統(tǒng)計(jì)工作集大小一般由硬件完成，系統(tǒng)開銷較大。段頁(yè)式存儲(chǔ)管理方案：用頁(yè)面方法來分配和管理內(nèi)存空間，即把內(nèi)存劃分為若干大小相等的頁(yè)面；用 段式方法對(duì)用戶程序按照其內(nèi)在的邏輯關(guān)系劃分成若干段；再按照劃分內(nèi)存頁(yè) 面的大小，把每一段劃分成若干大小相等的頁(yè)面。第6章 文件管理文件分類：按用途：系統(tǒng)文件庫(kù)函數(shù)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(hù)方式：只讀文件讀寫文件可執(zhí)行文件無保護(hù)文件6.2文件的結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)：流式文件紀(jì)錄式文件物理結(jié)構(gòu)：順序結(jié)構(gòu) 鏈接結(jié)構(gòu)：存取速度慢不適于隨機(jī)存取文件，Windows的FAT文件系統(tǒng)采用的是鏈接結(jié) 構(gòu)但是將所有指針集中存放。 索引結(jié)構(gòu)：既適于順序存取又適于隨機(jī)存取，沒有存儲(chǔ)碎片。存儲(chǔ)介質(zhì)磁帶磁盤物理結(jié)構(gòu)連接結(jié)構(gòu)連續(xù)鏈接索引存取方式順序存取順序順序順序隨機(jī)隨機(jī)磁盤的存?。褐嫣?hào)=物理塊號(hào)/（磁頭數(shù)*扇區(qū)數(shù)） 磁頭號(hào)=(物理塊號(hào)mod（磁頭數(shù)*扇區(qū)數(shù)）/扇區(qū)數(shù) 扇區(qū)號(hào)=（物理塊號(hào)mod（磁頭數(shù)*扇區(qū)數(shù)）mod扇區(qū)數(shù) 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(hào)，用戶名 文件物理位置，文件長(zhǎng)度，記錄大小，文件類型，文件屬性，共享說明 文件邏輯結(jié)構(gòu)，文件物理結(jié)構(gòu) 建立日期和時(shí)間，最后訪問日期和時(shí)間，最后修改日期和時(shí)間 口令，保存期限6.4文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)（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(quán)限，最大長(zhǎng)度） 檢查參數(shù)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(xiàng)內(nèi)容 返回（2） 打開文件：fd=open（文件路徑名，打開方式） 根據(jù)文件路徑名查目錄，找到FCB主部 根據(jù)打開方式，共享說明和用戶身份檢查訪問合法性 根據(jù)文件號(hào)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(xiàng)，填寫打開方式等，并指向系統(tǒng)打開文件對(duì)應(yīng)表 項(xiàng) 返回信息：文件描述符fd，這是個(gè)非負(fù)整數(shù)，用于以后讀寫文件（3） 讀文件：read（文件名，文內(nèi)位置，要讀的長(zhǎng)度，內(nèi)存目的地址）（4） 寫文件：write（文件名，記錄鍵，內(nèi)存位置）（5） 關(guān)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(hù)和安全文件保護(hù)：建立副本：用于較小且極為重要的文件。 定時(shí)轉(zhuǎn)儲(chǔ)：按照轉(zhuǎn)儲(chǔ)內(nèi)容分為增量轉(zhuǎn)儲(chǔ)和全量轉(zhuǎn)儲(chǔ) 按照轉(zhuǎn)儲(chǔ)方式分為物理轉(zhuǎn)儲(chǔ)和邏輯轉(zhuǎn)儲(chǔ) 規(guī)定文件的存取權(quán)限文件的存取權(quán)限（1） 存取控制矩陣（2） 二級(jí)存儲(chǔ)控制（3） UNIX中的文件存取權(quán)限：Unix系統(tǒng)內(nèi)部用數(shù)值表示文件屬性，每一個(gè)屬性與文件屬性中的一 個(gè)二進(jìn)制相對(duì)應(yīng)。1表示設(shè)置了該權(quán)限，0表示沒有該權(quán)限。Unix中 用8進(jìn)制表示。文件的保密：屏蔽文件目錄設(shè)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(qū)動(dòng)調(diào)度：磁盤的存取訪問時(shí)間：尋道時(shí)間旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間傳輸時(shí)間 組成：I移臂調(diào)度：先來先服務(wù)FCFS最短尋道時(shí)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(zhuǎn)調(diào)度（4） 信息的優(yōu)化分布（5） RAID技術(shù)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(jiǎn)單的目錄結(jié)構(gòu)。三個(gè)版本是FAT12，F(xiàn)AT16，F(xiàn)AT32，取決于用多少位二進(jìn)制表示磁盤地址。UNIX普通文件的物理結(jié)構(gòu)是三級(jí)索引結(jié)構(gòu)。第7章 I/O設(shè)備管理7.1設(shè)備與設(shè)備分類除CPU和內(nèi)存以外的所有設(shè)備和裝置設(shè)備管理主要任務(wù)：I/O設(shè)備性能和CPU性能不匹配反差大 實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，方便用戶使用 用戶對(duì)I/O設(shè)備的使用必須是安全的設(shè)備分類：按使用特性：I/O設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備 按信息組織方式：字符設(shè)備和塊設(shè)備 按共享屬性：獨(dú)占設(shè)備，共享設(shè)備和虛擬設(shè)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(shè)備控制器，最外層是外圍設(shè)備。I/O設(shè)備數(shù)據(jù)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(shù)組多路通道，字節(jié)多路通道7.3I/O軟件的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)（1） 中斷處理程序（2） 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（3） 與設(shè)備無關(guān)的系統(tǒng)軟件：統(tǒng)一命名設(shè)備保護(hù)提供與設(shè)備無關(guān)的邏輯塊緩 沖存儲(chǔ)設(shè)備的塊分配獨(dú)占設(shè)備的分配與釋放出 錯(cuò)處理I/O回答I/O請(qǐng)求（4） 用戶空間的I/O軟件用戶空間軟件與設(shè)備無關(guān)的系統(tǒng)軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中斷處理程序硬件7.4典型的I/O技術(shù)設(shè)備分配算法：系統(tǒng)設(shè)備表SDT 設(shè)備控制表DCT 控制器控制表COCT 通道控制表CHCT設(shè)備分配原則：考慮到設(shè)備的特性和安全性 設(shè)備分配策略7.5I/O性能問題及解決方案小結(jié)（1） 通過緩沖技術(shù)、減少或緩解不同設(shè)備之間傳輸速度的差距（2） 通過應(yīng)用異步I/O技術(shù)，使CPU計(jì)算不必等待I/O操作