操作系统知识点总结
2021-02-04 16:55:35 0 举报AI智能生成
操作系统的知识点复习，详细全面
作者其他创作
大纲/内容
第一章
三种基本类型
批处理操作系统
用户将一批作业提交给操作系统后，就不再干预，由操作系统控制它们自动运行
分类：
单道批处理系统
多道批处理系统
优点：系统资源利用率高，作业吞吐量达
缺点：作业周转时间长，不具备交互能力，不利于程序的开发和调试
分时操作系统
多个联机用户同时使用一个计算机系统，在各自终端上进行交互式会话，分享处理器的时间，采用时间片轮流分配给各个终端
特点
同时性
独立性
及时性
交互性
eg：Unix，Linux
实时操作系统
系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致的运行
eg：实例
过程控制系统
信息查询系统
事务处理系统
计算机系统的层次结构
硬件层：程序运行的物理实体
操作系统层：提供程序运行所需要的各类资源及控制程序运行
系统程序层：支撑软件层
应用层：应用程序的开发
操作系统的资源管理技术
资源复用
空分复用共享
该资源可进一步分割成更多和更小的单位供进程使用
时分复用共享
并不把资源进一步分割成更小的单位，进程可以是一个时间片内独占使用整个物理资源
资源虚化
通过对资源进行转化、模拟或整合，把物理上的一个资源变成逻辑上的多个对应物的一类技术
eg：虚拟设备、虚拟存储器、虚拟屏幕、虚拟信道
资源抽象
用于处理系统的复杂性，重点解决资源的易用性
指通过创建软件来屏蔽硬件资源物理特性和接口细节，简化对硬件资源的操作、控制和使用的一类技术
分类
单级资源抽象
多级资源抽象
操作系统
功能
处理器管理
存储管理
设备管理
文件管理
网络与通信管理
特性
并发性
是两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生
实质：是一个物理cpu在若干道程序之间多路复用，并发性是对有限物理资源强制行驶多用户共享以提高效率
优势：
能够消除系统中部件和部件之间的相互等待
有效的改善系统资源的利用率
改进系统的吞吐率
提高系统效率
扩展：采用并发技术的系统称为多任务系统
结论：实现并发技术的关键是如何对系统的多个活动进行切换的技术
共享性
操作系统资源可被多个并发执行的进程所使用
透明资源共享：资源隔离与授权访问
显示资源共享：临界资源与独占访问
虚拟性
操作系统种一类资源管理技术
虚拟设备
虚拟存储器
异步性
基本服务和用户接口
基本服务
创建程序
执行程序
数据I/O
信息存取
通信服务
错误检测和处理
用户接口
系统调用
什么是系统调用
内核提供的一系列具备特定动能的服务历程，通过一组称为系统调用的接口呈现给用户
系统调用把应用程序的请求传送至内核，调用相应的服务例程完成所需处理，将处理结果返回给应用程序
内核的主题就是系统调用的集合，内核可以看成特殊的公共子程序
系统调用设置的根本原因是对系统进行保护
内核空间和用户空间
作用
内核可以基于权限和规则对资源访问进行裁决，以保证系统的安全性
对系统的调用进行抽象，提供一致接口，避免用户在使用资源时发生错误，提高编程效率
分类
进程和作业管理
文件操作
设备管理
主存管理
信息维护
进程通信
命令管理
操作系统的内核
一组程序模块，包含操作系统中的最常用的功能
基本功能
中断处理
时钟管理
短程调度
原语管理
第二章 处理器管理
中央处理器
处理器
处理器状态
用户态
用户程序
非特权指令
当前的程序地址空间
被控制者
核心态
系统程序
全部指令
全部资源
控制者
状态转换
用户态->系统态
程序请求操作系统服务
程序运行时产生中断
程序运行时产生异常
系统态->用户态
加载程序状态字
访管指令
寄存器
通用寄存器
变址寄存器
段选择符寄存器
指令指针寄存器和标志寄存器
控制寄存器
程序计数器
外部设备使用寄存器
指令系统
数据处理类指令
转移类指令
数据传送类指令
移位与字符串指令
I/O类指令
特权指令
只能提供给操作系统的核心程序使用的指令
非特权指令
应用程序可以使用的指令
用户栈和核心栈
用户栈
用户进程空间中开辟的一块区域，用以保存应用程序的子程序调用时的参数、返回值、返回点、局部变量等
核心栈
属于操作系统的一块区域
保存中断现场
操作系统程序间相互调用的参数、返回值、返回点、局部变量等
程序状态字
PSW
程序运行时的一组动态信息的汇集，用来控制指令执行顺序并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
用于OS在用户态和系统态之间的转换
PSW寄存器
程序的基本状态
程序计数器
条件码
处理器状态位
中断码
保存程序执行时当前发生的中断事件
中断屏蔽位
指明程序执行中发生中断事件时，是否响应出现的中断事件
主存储器
是存储器或主存储器
易失性
输入/输出模块
二级存储器设备
通信设备
终端
系统总线
中断技术
中断概念
程序在执行的过程中，遇到继续处理的事件时，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，待处理完成后在返回源程序被中断处或调度其他程序执行的过程
分类
外部中断
是来源于处理器之外的中断信号
可屏蔽中断
不可屏蔽中断
内部中断
来自于处理器内部的中断信号
访管中断
执行系统调用
硬件故障中断
电源失效、奇偶校验位错误等
程序异常
非法操作、地址越界、页面故障、除数为零等
进程
定义
可并发执行的执行程序在某个数据集合上的一次计算活动
也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位
特性
结构性
由程序段、数据段和进程控制块PCB组成
共享性
多个不同的进程可以共享相同的程序
动态性
进程的实质是进程实体的一次执行过程
独立性
进程实体时一个独立运行、独立分配资源和独立接受调度的基本单位
异步性
进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进
并发性
多个进程同存于内存中，能在一段时间内同时运行
组成
进程控制块
PCB
是操作系统用于记录和刻画进程状态及有关信息的数据结构，是进程所有信息的聚集
作用使一个多道程序环境下不能独立运行的程序，称为一个能独立运行的基本单位
OS是根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理的。
PCB是进程存在的唯一标识
内容
标识信息
现场信息
进程控制信息
进程的程序块
进程一次性执行完成的功能
进程核心栈
进程在内核态工作时，用来保存的中断/异常现场，过程调用或系统调用中的信息存储和参数传递
进程数据块
私有地址空间，用户栈也在数据块当中
进程队列
处于同一状态的所有PCB链接子啊一起的数据结构称为进程队列
组织方式
链接方式
索引方式
创建
申请空白的PCB
为新进程分配资源
初始化进程控制块
将新进程插入就绪队列
撤销
从PCB集合中检索出该进程的PCB
若该进程正处在执行状态，立即终止该进程的执行，置调度标志为真
若进程有子孙进程，还应终止所有子孙进程
将被终止的进程的所有资源归还给父进程或系统
将被终止进程的PCB从队列中移除
阻塞
进程调用阻塞原语把自己阻塞。立即停止执行，把进程的现行状态由执行改为阻塞，插入阻塞队列
唤醒
首先把被阻塞的进程从等待该事件的阻塞队列中移除，再将PCB中的现行状态由阻塞改为就绪，再插入到就绪队列中
三态模型、典型事件
三态模型
就绪态
进程已经获得除cpu之外的所有资源
运行态
进程已获得cpu，正在cpu上运行
等待态
由于发生某种事件而暂时无法继续执行时处于暂停状态
五态模型
新状态
新进程刚刚建立，还未插入到就绪队列状态
就绪态
进程获得除cpu之外的所有的资源
执行态
获得cpu，正在处理器上运行
阻塞态
进程因发生某些事件（I/O请求）而暂定执行
终止态
进程正常或异常结束
处理器调度
定义
系统按某种算法，动态的把处理器分配给就绪队列中的一个进程
处理机调度的层次
高级调度
作用
选择外存上处于后被队列的一个或几个作业调入内存、分配必要资源，并将新创建的进程安排在就绪队列中
使用系统
批处理系统
作业调度决定
一次选择多少作业进行内存，取决于多道程序的道数
选择哪些作业，取决于调度算法
什么时候执行作业调度
有作业退出系统时
系统负荷不足时
执行频率
几分钟或者几秒钟一次
中级调度
作用
负责进程在内存和外存对换区间换进换出，是内存对换功能的一部分
目的
提高内存利用率和吞吐量
执行频率
介于进程调度和作业调度之间
低级调度
作用
从就绪队列中选择一个进程，分配给处理机，执行进程
使用系统
所有操作系统
进程调度决定
选择哪个就绪进程，取决于调度算法
何时执行进程调度
执行频率
几十毫秒一次
类型
抢占式
高优先级进程/线程可剥夺低优先级进程/线程
当前运行进程/线程时间片用完后被剥夺
非抢占式
一旦某个进程/线程开始运行之后，便不再让出处理器，直到进程/线程主动放弃处理器
调度算法
先来先服务
按照作业提交或进程变为就绪状态的先后次序，分派cpu
当前作业或进程占用cpu，直到执行完成或阻塞，才出让cpu
在作业或进程唤醒后，并不立即回复执行，等到当前作业或进程让出cpu
此算法不但使用作业调度也适用于进程调度
特点
比较利于长作业
有利于cpu繁忙的作业 不利于IO繁忙的作业
简单公平
最短作业优先算法
调度的原则
以进入系统的作业所要求的cpu时间为标准，总选取估计计算时间最短的作业投入运行
此算法不但适用于作业调度，同样也适用于进程的调度
优点
比FCFS改善平均周转时间和平均带权周转时间，缩短作业的等待时间
提高系统的吞吐量
缺点
对长作业非常不利，可能长时间得不到执行
存在饥饿现象等
最短剩余时间优先算法
调度的原则
一个新作业进入到就绪状态，如果新作业需要的cpu时间比当前正在执行的作业的剩余cpu时间短，则强行赶走当前的正在执行的作业
平局周转时间最短
响应比最高优先算法
响应比
1+等待时间/要求执行的时间
时间片轮转调度算法
优先权调度算法
可剥夺
非可剥夺
多级反馈队列调度算法
单级调度
多级调度
资源限制
次数限制
第三章
进程同步、死锁
进程间的关系
竞争
互斥
合作
同步
信号量
求值
编程
互斥
生产者-消费者
读-写
理发师问题
死锁的必要条件
银行家算法
汽车过桥
苹果橘子
第四章
存储方法
分区：动态分区
最先
每次都从低地址开始查找，找到第一个满足大小的空闲分区
顺序查找各个空闲区，找到第一个能曼满足要求的分配给她
调整相应的空闲时间表和已分配的分区表
下次
从上次划分的内存向后查找适合的内存
最坏
优先使用最大的连续空闲区
找到满足的最大的连续空闲区
工作一段时间后 不能满足大作业对空闲区的请求
最优
可变分区是连续的分配方式，优先使用更小的空闲区
顺序查找空闲分区表，找到满足的大小的分区
会产生很多外部碎片
快速
分页
地址格式
页号
地址
快表
为了加快虚拟地址到物理地址这个转换过程的存在
一般放在Cpu的内部的高速缓冲存储器Cache
置换算法
OPT：最佳淘汰算法
将是以后永不使用的，或许是在最长时间内不在被访问的页面
FIFO：先进先出算法
LRU：最近最久未使用算法
分段
地址转换
虚拟存储器
请求分页
转换途径
页面置换算法
第五章
设备管理技术和磁盘
磁盘优化分布
磁盘调度算法
先来先服务
根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度
优点
公平、简单、且每个进程请求都能依次的得到处理，不会出现某一进程的请求长期得不到满足的情况
但此算法由于未对寻道进行优化，导致平均寻道的时间可能比较长
最短寻道时间优先
其要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近，以使每次的寻道时间最短
SCAN扫描算法
设备控制器
软件技术
缓冲技术
单缓冲
在主存储器的系统区只设立一个缓冲器
双缓冲
利用两个缓冲区，轮流调用，可并行
引入缓冲区的原因
缓和cpu和IO设备间速度不匹配的矛盾
减少对cpu的中断频率，放宽对中断响应时间的限制
提高cpu和IO设备的并行性
虚拟设备技术
提出
怎么实现
设备的独立性
第六章
文件是一段程序或数据的集合
文件目录
文件层次块
是操作系统为每个文件建立的唯一数据结构，其中包含了全部文件属性，目的是为了方便操作系统对文件的管理、控制和存取
层次目录结构
一级目录结构
所有的FCB排列到一张线性表当中
缺点：文件名字重复和文件共享问题难以解决
树状层次结构
纯树性
多父目录
逻辑组织
流式文件
对于源程序、可执行文件、库函数等通常采用的是无结构文件形式，即流式文件，其长度以字节为单位。
记录式文件
每个记录都用于描述实体集中的一个实体，各记录有着相同或不同数目的数据项
定长记录
文件中所有记录的长度都是相同的，所有记录中的各数据项都处在记录中相同的位置，具有相同的顺序和长度
变长记录
件中个记录的长度不相同，可能由于一个记录中所包含的数据项目并不相同
物理结构
顺序文件
文件中的记录可以是任意顺序的，因此，它可以按照各种不同的顺序进行排列
串结构
个记录之间的顺序与关键字无关，通常按照时间先后排序，最先存入的记录作为第一个记录，其次，为第二个记录，以此类推。
顺序结构
子主题
链接文件
索引结构
直接文件
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