操作系统概论学习笔记14章+5章部分 详细版.docx
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操作系统概论学习笔记14章+5章部分详细版
操作系统概论学习笔记(1—4章+5章部分详细版)
第一章引论
1.1计算机系统
计算机系统包括:
计算机硬件、计算机软件
1.1.1计算机硬件
是计算机系统的最内层
计算机硬件的组成:
1.中央处理器(运算器、控制器):
对信息进行高速运算和处理。
2.存储器(主存储器、辅助存储器):
存放各种程序和数据。
3.输入和输出控制系统:
管理外围设备与主存储器之间的信息传递。
4.各种输入输出设备:
是计算机与用户间的交互接口部件。
1.1.2计算机软件
是计算机系统的最外层
计算机软件定义:
人与计算机硬件之间的接口界面
计算机软件分类:
1.系统软件:
是计算机系统中最靠近硬件层次的软件,是不可缺少的软件。
(例:
操作系统(计算机系统软件的核心)、编译程序、监控管理程序)
2.支撑软件:
是支撑其他软件的开发与维护的软件。
(例:
接口软件、软件开发工具、环境)
3.应用软件:
是特定应用领域的专用软件。
是解决用户实际问题的软件。
(例:
订票软件、办公软件等)
1.2操作系统
1.2.1什么是操作系统
操作系统概念:
是管理计算机系统资源、控制程序的执行、改善人机界面和为应用软件提供支持的一种系统软件。
1.2.2操作系统的作用
1.管理计算机系统的资源
2.为用户提供方便的使用接口
3.具有扩充硬件的功能,为用户提供良好的运行环境
☆计算机配置了操作系统后可提高效率,且便于使用。
1.2.3操作系统的功能
1.处理器管理:
多道程序环境下的处理器调度
2.内存管理:
内存的分配回收、地址重定位、内存共享与保护、内存扩充
3.文件管理:
文件的“按名存取”;文件的存储、检索、共享、保护等问题
4.设备管理
1.3操作系统的形成与基本类型
1.3.1批处理操作系统
1.单道批处理系统:
每次只允许一个作业执行
2.多到批处理系统:
内存中同时有多个作业,它们共享计算机系统中的资源
优点:
提高了处理器的利用率;系统吞吐量大
缺点:
一旦将作业提交给系统,用户无法控制作业的执行
1.3.2分时操作系统
分时操作系统概念:
1.若干个用户分享处理器的时间
如何分享:
轮流占用处理器,规定每个用户占用处理器的时间,称为时间片。
2.多个用户排成循环队列,当一个用户的时间片用完,就重新排到队尾
3.由于时间片很小,每一个用户都没有感觉到其他用户的存在
☆特点:
及时性:
系统对用户的请求及时响应
“独占”性:
用户感觉不到计算机为其他人服务,就像整个系统为他所独占
交互性:
用户根据系统响应结果进一步提出新请求(用户直接干预每一步)
多路性:
同时有多个用户使用一台计算机
1.3.3实时操作系统
首先强调:
实时性、可靠性——其次考虑:
系统效率
分两类:
实时控制系统;实时信息处理系统
☆特点:
及时性、独立性、交互性、多路性
1.4操作系统的发展
1.4.1微机操作系统
☆特点:
每次只允许一个用户使用
功能:
文件管理、输入输出控制、命令语言的解释
单用户微机操作系统
1.4.2网络操作系统
将分布在不同地理位置上的计算机通过通信线路和通信设备连接起来,
(功能:
)以实现信息通信、资源共享、均衡负载,提高系统可靠性安全性的操作系统
△用户必须知道所用资源的物理位置,IE的地址栏的内容
1.4.3分布式操作系统
物理架构与网络操作系统一样
由统一操作系统控制,资源深度共享(健壮性,多机合作),采用客户机/服务器结构
特点:
1.统一性:
用户使用该系统时就像使用一个“单一的计算机系统”,感觉不到该系统由多台计算机构成
2.透明性:
用户不知道系统资源所在,更不知道是否还有其他用户在与其竞争资源
1.4.4嵌入式操作系统
家电,手机中的操作系统
嵌入式操作系统定义:
运行在嵌入式系统中对各种部件、装置等资源进行统一协调、处理和控制的系统软件
需要嵌入式软件的支持
特点:
微型化、实时性
1.4.5当前流行的操作系统
Windows:
图形界面,单用户多任务
Unix:
特点:
1.交互式分时操作系统;2.短小精悍;3.具有可装载的多层次文件系统;4.可移植性好;5.网络通信功能强。
Linux:
特点:
1.自由软件;2.支持TCP/IP协议;3.能与其他网络集成;4.支持并行处理和实时处理
1.5处理器的工作状态
1.5.1特权指令
特权指令定义:
只允许操作系统执行的指令
例:
清内存、I/O指令(启动外围设备进行数据传输指令)、设置控制寄存器的值、设置中断屏蔽等
1.5.2管态和目态
处理器的工作状态:
(定义)
管态:
处理器正在执行操作系统的程序
目态:
处理器正在执行用户程序
△如果在目态下遇到一条特权指令,操作系统就认为出错,发生中断
1.5.3程序状态字(PSW)
PSW定义:
是用来控制指令执行顺序并且保留和指示程序有关的系统状态
用来指示处理器的状态:
(内容)
1.程序基本状态
指令地址——指出下一条指令的存放地址
条件码——指出指令执行结果的特征
目态/管态——当设置为管态时,程序执行时可使用包括特权指令在内的一切指令;
当设置为目态时,程序执行时不可使用特权指令。
等待/计算——置为计算状态时,处理器按指令地址顺序执行指令;
置为等待状态时,处理器不执行任何指令。
2.中断码:
保存程序执行时当前发生的中断事件
3.中断屏蔽位:
指出程序执行中发生中断事件时,要不要响应出现的中断事件
△在单处理器的计算机系统中,整个系统设置一个用来存放当前运行程序的PSW的寄存器,该寄存器称为程序状态字寄存器(PSW寄存器)
1.6操作系统与用户的接口
为了使用户能方便的使用计算机系统,操作系统提供了两类使用接口:
1.程序员接口:
指一组系统功能调用
2.操作员接口:
指一组操作控制命令
1.6.1系统调用
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,简称系统调用
访管指令:
是一条可以在目态下执行的指令,用户程序中要调用操作系统的功能时,就安排一条访管指令并设置一些参数。
当处理器执行到访管指令时,就产生一个访管中断,实现用户程序与系统调用程序之间的转换。
1.6.2操作控制命令
交互式应用下:
操作控制命令(终端命令、图形用户界面:
菜单)
批处理系统下:
作业控制语言(书写作业控制说明)
第二章处理器管理
2.1多道程序设计
2.1.1程序的顺序执行
程序依照编制的程序的顺序执行
特点:
1.封闭性:
程序的结果,运行速度只和程序本身有关,与环境无关
2.可再现性
2.1.2程序的并行执行
处理器和设备之间,设备和设备之间并行工作的能力
程序并行执行的缺点:
并发进程相互制约;程序和计算不再是一一对应;不可再现。
2.1.3多道程序设计
多道程序设计定义:
允许多个程序同时进入一个计算机系统的主存储器并启动进行计算的方法(内存中同时有多个作业,它们共享计算机系统中的资源,轮流使用处理机)
优点:
1.提高了处理器的利用率
2.充分利用系统中的资源
3.系统吞吐量大(吞吐量:
单位时间内完成作业的数量)
缺点:
一旦将作业提交给系统,用户无法控制作业的执行
2.2进程的概念
2.2.1进程的定义
把一个程序在一个数据集上的一次执行称为一个进程
△△进程是动态的,程序是静态的
一个程序可以对应多个进程
2.2.2为什么要引入进程
1.提高资源利用率
2.正确描述程序的执行情况
2.2.3进程的属性
1.进程是动态的,它包含了数据和运行在数据集上的程序
2.多个进程可以含有相同的程序
3.多个进程可以并发执行
4.进程有三种基本状态:
(重点)
等待态——等待某事件发生。
如:
读磁盘,等待输入信息等
就绪态——等待系统分配处理器运行(最多有n-1个进程为该状态,n为内存中的进程数)
运行态——正在占有处理器运行(最多只有一个进程为该状态)
进程状态的转换:
运行态→等待态:
进程运行中等待分配资源,等待排除干预状态
等待态→就绪态:
外围设备工作结束(一个结束等待的进程必须先转换成就绪态,当分配到处理器后才能运行)
运行态→就绪态:
分配给进程占用处理器的时间用完;或有更高优先级的进程要运行迫使其让出处理器
就绪态→运行态:
等待分配处理器的进程占用处理器
等待态→运行态————这个转换是不可能有的!
!
进程的特性:
并发性:
系统中同时存在若干进程
动态性:
进程状态不断变化
异步性:
以不可预知的速度向前推进
独立性:
进程是分配资源的独立单位
交往性:
与其他进程交换信息
结构性:
一个进程包括三个部分:
程序、数据、进程控制块
2.3进程控制块(PCB)
定义:
对进程进行管理和调度的信息集合(描述进程外部特性的数据结构)。
它包含四类信息:
(内容)
1.标识信息:
用于标识一个进程(进程标识符)特征:
当前状态
2.说明信息:
用于说明进程情况(进程状态、等待原因、进程程序存放位置、进程数据存放位置)
3.现场信息:
记录进程释放出处理器时的现场信息(通用寄存器内容、控制寄存器内容、PSW寄存器内容)
4.管理信息:
用于管理进程(进程优先数,队列指针)
作用:
PCB是进程存在的唯一标志。
进程的动态、并发特性通过PCB表现出来
每一个进程都有生命周期:
从创建到消亡
原语的定义:
操作系统中设计的能完成特定功能且不可中断的过程。
特点:
不可中断
用于控制进程的原语有:
1.创建原语:
创建一个进程
流程:
申请一个PCB——确定有运行内存——为新进程分配资源——加入就绪队列
2.撤消原语:
回收进程占有的资源
流程:
找到要撤销的进程——收回进程占有的资源——将PCB加入空PCB队列——终止其所有子进程
3.阻塞原语:
进程的运行态→就绪态
流程:
保存现场信息在PCB中——将进程状态改变为等待状态——将进程PCB加入相应的等待队列——转进程调度(将就绪队列中的一个进程变为运行态)
4.唤醒原语:
实现进程等待态→就绪态转换
流程:
从等待队列中找到该进程——将其状态改为“就绪”——将其加入就绪队列——若进程具有较高优先级,则设置重新调度标志
导致进程被撤销的情况:
进程正常终止;某种错误导致非正常终止;祖先进程要求撤销某个子进程。
2.4进程队列
为方便管理,经常把处于相同状态的进程链接在一起,称“进程队列”
进程的基本队列:
就绪队列、等待队列
出队:
一个进程从所在的队列退出的操作
入队:
一个进程排入到一个指定的队列的操作
系统中负责进程入队和出队的工作称为进程管理
2.5中断和中断处理
2.5.1中断
定义:
一个进程占用处理器运行时,由于自身或者外界的原因(出现了事件)使运行被打断,让操作系统处理所出现的事件,到适当的时候再让被打断的进程继续运行,这个过程被称为中断。
中断源:
引起中断的事件
中断处理程序:
对出现的事件进行处理的程序
2.5.2中断类型
从中断事件的性质分类:
1.强迫性中断事件:
1)硬件故障中断:
由机器故障造成
2)程序中断:
程序本身原因导致的中断
3)外部中断:
由外部事件引起的中断
4)输入/输出中断:
输入输出控制系统发现外围设备完成了操作而引起的中断
2.自愿性中断事件:
访管中断:
执行访管指令引起的中断
2.5.3中断响应
硬件即中断装置操作
中断响应定义:
处理器每执行一条指令后,硬件的中断装置立即检查有误中断事件发生,若有中断事件发生,则暂停现行进程的执行,而让操作系统的中断处理程序占用处理器,这一过程称为“中断响应”。
当中断装置发现中断事件后:
(交换PSW寄存器中的值)
1.首先把出现的中断事件保存到程序状态字寄存器中的中断码位置;
2.然后把程序状态字寄存器中的“当前PSW”作为“旧PSW”存放到于先约定好的主存固定单元保存起来
3.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,成为“当前PSW”
当前PSW:
当前正在占用处理器的进程的PSW
新PSW:
中断处理程序的PSW
旧PSW:
保护好的被中断进程的PSW
中断响应的过程就是“交换PSW”的过程
△△PSW寄存器只有一个!
2.5.4中断处理
软件即操作系统操作
各类中断事件的处理原则:
1.硬件故障中断事件的处理:
必须人工干预,系统知识输出出错信息
2.程序中断事件的处理:
交给用户自己处理
3.外部中断事件的处理:
执行特定的例行程序
4.输入/输出中断事件的处理:
分正常结束和异常结束
5.访管中断事件的处理:
根据系统调用类型号,查“系统调用程序入口表”,找到程序入口地址把处理转交给实现调用功能的程序执行
2.6处理器调度
2.6.1处理器的两级调度
在操作系统中,把磁盘上用来存放作业信息的专用区域称为输入井。
把在输入井中等待处理的作业称为后备作业。
△处理器调度流程:
2.6.2作业调度算法
作业:
用户让计算机完成的一次算题
作业步:
算题的步骤。
编译、连接、运行
作业控制方式:
交互式和批处理方式
后备作业:
成批进入输入井的作业
作业调度定义:
从输入井中选取后备作业装入主存储器的工作(从后备作业中选取若干个作业让他们进入主存,使他们有机会去获得处理器运行,作业调度的过程就是创建进程的过程)
△作业调度的必要条件:
系统现有的尚未分配的资源可以满足被选作业的资源要求
调度算法的设计原则:
1.公平性:
不能无故或无限制拖延一个作业的执行
2.平衡资源使用:
尽可能的使系统资源都处于忙碌(均衡利用资源)
3.极大的流量:
在单位时间内尽可能多的作业服务,保证计算机系统的吞吐能力(吞吐量)
常用算法:
(综合题出题点)
1.先来先服务算法
△注:
不是先进入的一定先被选中,只有满足资源需求的作业才可能被选中
2.计算时间短的作业优先算法
该算法以用户估计的计算时间为标准(超过估计时间加价)
3.响应比高者优先算法
响应比=等待时间/运行时间
4.优先级调度算法:
优先级高者先被选取
5.均衡调度算法:
根据作业对资源的要求进行分类,作业调度轮流从不同类的作业中去挑选作业运行
☆计算题解题思路:
1.作业调度的时机:
一个作业到达后备队列;一个作业执行完毕
2.先决条件:
必须先满足作业的资源需求
3.考虑调度的算法
2.6.3进程调度算法
进程调度定义:
从就绪进程中选取一个进程,让它占用处理器的工作
进程切换:
一个进程让出处理器由另一个进程占用处理器的过程。
通常,进程的切换是由进程状态的变化引起的。
进程的切换与中断事件有关(交换进程的PSW来实现)
进程调度的时机:
1.正在运行的进程运行完毕;
2.正在执行的进程被阻塞,加入等待队列;
3.时间片到时;
4.高优先级的进程进入就绪队列。
进程调度的评价指标:
1.进程的等待时间
2.CPU的利用率
3.系统资源的利用率
4.响应时间
5.周转时间
6.一般用平均周转时间来衡量一个调度算法的好坏
进程调度算法:
1.先来先服务调度算法:
根据进程到达就绪队列的次序。
总是选择先到达的进程运行。
优点:
公平性;管理简单(队列)。
缺点:
由于进程到达的随机性,可能使系统中的短作业等待时间长。
2.最高优先级调度算法:
对每个进程给出一个优先级(给出优先数),进程调度总是让当时具有最高优先级的进程先使用处理器。
△如何确定优先级:
1.进程类别(高→低:
系统进程—用户进程—前台—后台);2.进程运行时间(运行时间短的优先级高);3.作业的优先级等。
△当一个更高优先级进程到达就绪队列时,如何处理:
1.抢占式(一个进程在运行时若出现一个更高优先级的就绪进程,则这个正在运行的进程要让出处理器给更高的那个进程)实时系统采用;2.非抢占式(一旦分配CPU,就一直占用直到主动放弃)
△如果一个低优先级进程在就绪队列中等待时间太长怎么办:
动态优先数(进程的优先级随等待时间而调整高优先级)
对具有相同优先级的进程可使用先来先服务算法。
3.时间片轮转调度算法(在分时系统中使用)
时间片:
系统允许进程一次使用处理器的最长时间。
工作原理:
就绪队列中的进程,每次最多使用一个时间片。
硬件支持:
计时器。
时间片到,发生“计时中断”
时间片的长短如何确定:
1.就绪队列长短:
越长,时间片越短
2.响应时间的要求:
越高,时间片越短
3.计算机的性能:
越强,时间片越短
4.进程切换的系统开销:
开销越大,时间片越短
2.7线程的概念
2.7.1什么是线程
进程的角色:
分配资源的基本单位;进程调度的基本单位
出现问题:
进程切换的系统开销很大;进程数目不能太多
线程定义:
把用户的一个计算问题或一个应用问题作为一个进程,把该进程中可以并发执行的各部分分别作为线程。
线程是进程中可独立执行的子任务
线程是进程中的一个实体,是系统调度的基本单位。
线程几乎不拥有资源(除了少数的寄存器内容外)。
进程汇总的所有线程共享进程的资源。
同一进程中的不同线程也可以并发执行。
2.7.2为什么要引入线程
进程可以提高CPU的利用率,进程之间的切换是非常耗费资源和时间的,为了能更进一步的提高操作系统的并发性,从而引进线程。
2.7.3线程的属性
1.同一进程中的各线程驻留在分配给进程的主存地址空间中,且共享该进程的所有资源。
2.一个线程被创建后便开始了它的生命周期,直到执行结束而终止。
线程在生命周期内也会经历等待态,就绪态和运行态。
3.线程是处理器的独立调度单位,多个线程可以并发执行。
4.不同线程可以执行相同的程序,即同一个服务程序被不同用户调用时,操作系统为它们创建不同的线程。
第3章存储管理
3.1计算机系统中的存储器
1.寄存器:
只用来存放临时的工作数据和控制信息。
(价格最贵,存取速度最快,容量小)
常用寄存器:
指令寄存器、通用寄存器、控制寄存器
2.高速缓存存储器:
用于存放经常被访问的单元信息(从主存中复制而来),以提高主存的速度。
3.主存储器(内存):
用于存放用户当前需执行的程序和数据,以及操作系统进行控制和管理的信息。
4.辅助存储器(外存):
用于存放当前暂不参与运行的程序和数据以及一些需要永久保存的信息。
(存取速度较慢)
存储器管理的功能:
1.内存空间的分配和回收
2.地址变换
3.内存共享与保护
4.虚拟存储器
3.2重定位
3.2.1绝对地址和逻辑地址
绝对地址(物理地址):
内存中的地址编号。
逻辑地址:
用户程序中使用的从“0”地址开始的连续空间。
3.2.2重定位
地址重定位:
把逻辑地址转换成物理地址的过程
地址重定位方式:
根据定位的时机不同,分为静态地址重定位和动态地址重定位:
1.静态地址重定位:
在作业装入内存时,进行的重定位(在作业开始前集中完成转换工作)。
程序中的地址都是物理地址
优点:
简单,无需增加硬件地址转换机构
缺点:
一旦装入,就不能在内存中移动位置;无法实现内存共享
2.动态地址重定位:
在程序运行时进行的地址重定位(由硬件地址转换机构转换成绝对地址)
硬件支持:
重定位寄存器(基址寄存器)
程序中的地址是逻辑地址
物理地址=基址寄存器+逻辑地址
优点:
程序占用的内存空间动态可变;容易实现内存共享
缺点:
需要硬件支持(基址寄存器),增加成本;管理软件比较复杂
现代计算机中普遍采用动态地址重定位。
3.3单用户连续存储管理
1.基本原理
内存分为两部分:
用户区、系统区
△任何时刻,内存中最多只有一个用户作业(适合单道运行的计算机系统)
2.内存分配算法
3.存储保护:
保护系统程序不会遭到用户程序的破坏。
措施:
设置一个界限寄存器存放当前可供用户使用的主存区域的起始地址。
4.多用户共享(分时系统)情况下
对换技术:
让多个用户的作业轮流进入主存储器。
硬件支持:
大容量高速辅助存储器(硬盘)。
5.地址重定位方式:
静态地址重定位
绝对地址=逻辑地址+界限地址
缺点:
区域利用率低,浪费内存
3.4固定分区存储管理
基本原理:
在作业加载内存之前,将内存划分为若干个连续的区域。
一旦划分好后,主存储器的分区个数和大小就确定了,不能改变。
各个分区的大小可以不同(小作业区和大作业区)。
3.4.1主存空间的分配与回收
存储管理设置一张“分区分配表”,用来说明各分区的分配和使用情况。
表中指出各分区的起始地址和长度,并为每个分区设置一个标志位。
当标志位为“0”时,表示分区空闲,非“0”时表示分区已被占用。
如下:
分区号
起始地址
长度
占用标志(状态)
1
a
L1
0(空闲)
2
b
L2
Job1(已分配)
3
c
L3
0(空闲)
分配算法:
从分区分配表中查找一个状态是“空闲”、大小满足作业要求的分区,并将状态改为“已分配”。
回收算法:
只需要将分区分配表中的“状态”值改为“空闲”即可。
流程:
3.4.2地址转换和存储保护
地址转换:
静态重定位
存储保护:
上下限地址法
处理器设置一对寄存器:
上限寄存器和下限寄存器,作业地址应满足:
下限地址≤绝对地址<上限地址(中断事件)。
否则,发生“地址越界”中断事件。
存在问题:
内存利用率很低
3.4.3如何提高主存空间的利用率
1.按统计规律划分分区
2.按分区大小顺序排列,低地址部分是较小的分区,在分区分配表中按从小到大顺序登记。
为作业分配满足条件的最小的分区
3.按作业对主存储器的需求量排成多个队列,每个作业队列中的作业只能依次装入一个分区中
3.5可变分区存储管理
1.在作业要求装入主存时,根据作业的大小从空闲内存中“切出”一片连续的区域。
2.分区的长度(大小)和个数是不预先固定的。
(“量体裁衣”)
初始时,系统中只有一个连续的用户区域,随着作业的到达和撤销,用户区就被划分为若干个大小不等的区域。
3.5.1主存空间的分配与回收
空闲区的管理:
1.空闲分区表(包含字段:
序号、起始地址、大小、状态(空闲/已使用))
2.空闲分区链(空闲区大小:
下一空闲区起始地址)
知道一个空闲区地址就能知道下一个空闲区地址
分配算法:
1.最先适应分配算法
空闲分区表按地址从小到大排列,从第一个开始,找到第一个满足条件的分区,根据作业的大小切出一片连续的区域。
分配流程:
缺点:
碎片(不连续的空闲区)过多,使主存空间的利用率降低。
2.最优适应分配算法:
(对大作业有利)
原理:
将空闲区按长度从小到大排列,将满足需求的最小的空闲区分配给作业。
优点:
为了更好的满足大作业的需求。
缺点:
这样切下的空闲区容易变成“碎片”
算法流程与最先适配法相同。
3.最坏适配算法:
(对小作业有利)
从满足需求的最大空闲区中为作业分配空间;
空闲分区表按大小从大到小排列。
优点:
切完后的空闲区仍能满足某个作业的需求,减少碎片的数量。
缺点:
对大作业不利。
分配流程:
如何判断待回收区是否与空闲区相连?
地址+长度=下一空闲区首地址(等式成立则相连)
空闲区的管理:
为了便于空闲区的合并,采用链接结构。
按地址从大到小排序。
3.5.2地址转换和存储保护
采用动态地址重定位
硬件支持:
基址寄存器和限长寄存器;加法线路、比较线路
物理地址=基址寄存器地址+逻辑地址
内存保护:
物理地址必须满足以下条件:
1.基址寄存器内容≤物理地址(
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