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1、操作系统复习背完90分系列可圈重点综述第一章 操作系统引论1.1、操作系统的目标和作用 一、目标 1.有效性 a.提高系统资源利用率 b提高系统的吞吐量 2.方便性 a.提供良好的、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别 3.可扩充性 a. 硬件的类型和规模、操作系统本身的功能和管理策略、多个系统之间的资源共享和互操作 4.开放性： a. 遵循开放系统互连（OSI）国际标准，实现兼容、互连二、作用 1. OS是用户使用系统硬件、软件的接口。a系统命令（命令行、菜单式、命令脚本式）；b系统调用（形式上类似于过程调用，在应用编程中使用）。c图形用户接口GUI 2. OS是计算机硬件、软件资源

2、的管理者 a管理对象包括：CPU、存储器、外部设备、信息（数据和软件）；b管理的内容：资源的当前状态（数量和使用情况）、资源的分配、回收和访问操作，相应管理策略（包括用户权限）3.OS是扩展机/虚拟机a. 在裸机上添加：设备管理、文件管理、存储管理（针对内存和外存）、处理机管理（针对CPU）；b另外，为合理组织工作流程：作业管理、进程管理。操作系统的非形式化定义：系统软件，程序模块的集合，资源管理和用户接口功能三、推动操作系统发展的主要动力【需求推动发展】1. 提高资源的利用率和系统性能2. 方便用户：3. 器件的发展：4. 计算机体系结构的不断发展：1.2、操作系统的发展过程 一、发展过程

3、1 无操作系统的计算机系统2 单道批处理系统3 多道批处理系统4 分时系统5 实时系统 二.手工操作1、工作方式用户：用户既是程序员，又是操作员； 编程语言：为机器语言；输入输出：纸带或卡片；2、计算机的工作特点用户独占全机3、CPU等待用户 CPU利用率低 4、主要矛盾 a、计算机处理能力的提高，手工操作的低效率（造成浪费）； b、用户独占全机的所有资源； 三. 单道批处理系统 1自动性。 2 顺序性。 3 单道性定义：系统对作业的处理都是成批的进行四.多道批处理系统 1、引入多道技术带来的好处 a、提高CPU的利用率。b、可提高内存和I/O设备利用率。c、增加系统吞吐量。 定义：将作业存入

4、队列，按照算法处理。2、多道技术的优缺点 优点：a资源利用率高：CPU和内存利用率较高；b作业吞吐量大：单位时间内完成的工作总量大；缺点：a用户交互性差：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；b作业平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；3、主要特征 a 多道：内存中同时存放几个作业；b 无序性：都处于运行状态，完成无先后顺序；c 调度性：1、作业调度；2、进程调度4、多道批处理系统需要解决的问题 处理机管理问题。内存管理问题。I/O设备管理问题。文件管理问题。作业管理问题。5、单道和多道程序运行情况6、单道和多道的对比单道多道内存使用每次一个作业每次多个作业作业次序顺

5、序，先进先出无确定次序操作系统 是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。五、分时系统 1、分时：指多个用户分享使用同一台计算机。多个程序分时共享硬件和软件资源。 2、分时系统的特点 多路性：多个用户同时使用。独立性：对每个用户而言好象独占主机。及时性：用户的请求能在其所能接受的等待时间间隔内（时间片）获得响应。交互性：在调试和运行程序时由用户自己操作。3.关键问题 a及时接受 b及时处理六、实时系统 1. 要求：响应时间短，在一定范围之内；系统可靠性高2.任务的类型：a周期性实时任务：外设周期性地发出激励信号给计算机b非周期性实时任务：截止

6、时间(deadline)，开始截止时间（最晚开始时间）和完成截止时间（最晚完成时间） 3. 实时系统与分时系统特征的比较:多路性 独立性 及时性 交互性 可靠性1.3 操作系统的基本特征 一、基本特征 1.并发 2共享3虚拟 4异步性 二、并发1.并行性：指两个或多个事件在同一时刻发生2.并发性：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 三、共享 1. 互斥共享（如音频设备）：资源分配后到释放前，不能被其他进程所用。2. 同时访问（如可重入代码，磁盘文件） 四、虚拟1.虚拟：指通过某种技术（分时或分空间）把一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体。2.实现：时分复用和空分复用3.时分复用： 虚拟

7、处理机技术 虚拟设备技术4.空分复用： 虚拟磁盘技术 虚拟储存器技术五、异步性 1.、进程的执行顺序和执行时间的不确定性六、操作系统的各特征之间的关系 1.并发和共享是操作系统最基本的特征 2.并发和共享互为存在的条件1.4 操作系统的主要功能一、处理机管理1.管理目标：完成处理机资源的分配调度等功能，处理机调度的单位可为进程或线程。2进程控制：创建、撤销、挂起、改变运行优先级等主动改变进程的状态3.进程同步：协调并发进程之间的推进步骤，以协调资源共享；交换信息能力弱4.进程通信：进程之间传送数据，以协调进程间的协作；交换信息能力强5.调度：作业和进程的运行切换，以充分利用处理机资源和提高系统

8、性能；未必是进程控制操作所引起二、存储管理 1.管理目标：提高利用率、方便用户使用、提供足够的存储空间、方便进程并发运行。 2.内存分配与回收:3.内存保护：保证进程间互不干扰、相互保密； 4.地址映射：进程逻辑地址到内存物理地址的映射；5.内存扩充：提高内存利用率、扩大进程的内存空间；三、设备管理1.管理目标：方便的设备使用、提高CPU与I/O设备利用率；提高I/O速度； 2.设备处理：利用设备驱动程序完成对设备的操作。3.设备独立性：提供统一的I/O设备接口 4.设备分配与回收：在多用户间共享5.虚拟设备：设备由多个进程共享，每个进程如同独占。6.缓冲区管理：匹配CPU和外设的速度，提高两

9、者的利用率四、文件管理 1. 管理目标：解决软件资源的存储、共享、保密和保护。2.文件存储空间管理：解决如何存放信息，以提高空间利用率和读写性能。3.目录管理：解决信息快速检索问题。4.文件的读写管理和存取控制：解决信息安全问题。文件保护：a 防止未经核准的用户存取文件b 防止冒名顶替存取文件c 防止以不正确的方式使用文件5.软件管理：软件的版本、相互依赖关系、安装和拆除等五、用户接口 1.管理目标：提供一个用户访问操作系统的接口。 2.用户接口： a联机用户接口 b脱机用户接口 c. 图形用户接口 3.程序接口1.5 操作系统的结构设计1、操作系统的设计原则1.可维护性 a.改错性维护 b.

10、适应性维护 c.完善性维护2.可靠性 a.正确性 b 稳定性3.可理解性4.性能二、整体或模块结构 1.整个系统按功能(服务)进行设计和模块划分。 2.模块结构的特点：模块由众多服务过程（模块接口）组成，可以随意调用其他模块中的服务过程. 3.优点：具有一定灵活性，运行效率高 缺点：功能划分和模块接口难保正确和合理；模块之间的依赖关系复杂,降低了模块之间的相对独立性,不利于修改4.模块的独立性 模块独立性有以下标准： （1）、内聚性 （2）、耦合度5、模块接口法的优缺点 优点： （1）提高OS设计的正确性、可理解性、可维护性 （2）增强OS的适应性 （3）加速OS的开发过程。 缺点： （1）很

11、难满足实际需求 （2）在设计阶段，设计者的不能完美设计。三、分层结构或虚拟机 1.从资源管理观点出发，划分层次。在某一层次上代码只能调用低层次上的代码，使模块间的调用变为有序性。系统每加一层，就构成一个比原来功能更强的虚拟机。有利于系统的维护性和可靠性。2.分层结构的特点 a.优点： 功能明确，调用关系清晰 有利于保证设计和实现的正确性 低层和高层可分别实现（便于扩充）； 高层错误不会影响到低层； 避免递归调用 b缺点： 系统层次间通信开销大,降低了运行效率 3.分层原则 a.被调用功能在低层: 文件系统管理、设备管理、设备驱动程序 便于利用虚拟存储功能 b活跃功能在低层： 提高运行效率 c资

12、源管理的公用模块放在最低层： 缓冲区队列、堆栈操作四、客户/服务器模型或微内核结构 1.客户、服务器、网络系统组成客户/服务器模型 2.客户/服务器模型交互： a.客户发送请求信息 b.服务器接收信息 c.服务器回送信息 d.客户机接收信息 3.优点 a数据分布处理和储存 b便于集中管理 c 灵活性和可扩充性 d 易于改编应用程序4.微内核：将更多操作系统功能放在核心之外，基于服务器客户模型为基础，作为独立的服务进程运行；5.微内核基本功能： A进程管理 B 低级存储器管理 C 中断和陷入处理6.微内核优点 提高了系统可扩展性 增强了系统的可靠性 可移植性 提供了对分布式系统的支持7.微内核缺

13、点消息传递比直接调用效率要低一些 第一章课后习题：P331、13、18教学重点： 操作系统的基本特征和功能、系统功能调用教学难点： 系统功能调用第二章 进程管理2.1 进程的基本概念一：程序的顺序执行及其特征 1.特征 (1)顺序性： (2)封闭性： (3)可再现性： 二：前驱图1. 前趋图：是一个有向无循环图，用于描述进程之间执行的前后关系。每个结点可用于描述一个程序段或进程，乃至一条语句三.程序的并发执行及其特征 1.程序的并发执行： 2.特征： 1）间断性 2) 失去封闭性 3) 不可再现性 3.PCB:进程控制块四、进程的特征与状态1.进程的特征 1）结构特征：进程实体：PCB、程序段

14、和相关数据段 2) 动态性:由创建而产生，由调度而执行， 由撤销而消亡 3) 并发性 4) 独立性 5) 异步性 2.进程的定义： 进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位 (1) 进程是程序的一次执行。 (2) 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。 (3) 进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。 3. 进程的三种基本状态 1）就绪(Ready)状态 2) 执行状态 3) 阻塞状态 4.挂起状态 1）原因 (1) 终端用户的请求。 (2) 父进程请求。 (3) 负荷调节的需要。 (4) 操作系统的需要。 2)

15、 转换 (1)活动就绪静止就绪。 (2) 活动阻塞静止阻塞。 (3) 静止就绪活动就绪。 (4) 静止阻塞活动阻塞。3）创建状态和终止状态(1)创建状态： 新进程创建PCB，填写必要管理信息 把该进程转入就绪状态 （2）终止状态： 等待操作系统进行善后处理 将PCB清零，并返还系统五、进程控制块 1. 进程控制块的作用 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志！2.进程控制块中的信息 1) 进程标识符 进程标识符用于惟一地标识一个进程。 (1) 内部标识符。在所有的操作系统中，为程序设定一个进程的序号。 使用对象：系统 (2) 外部标识符。它由创建者提供往往是

16、由用户(进程)在访问该进程时使用。 2) 处理机状态 处理机状态信息主要是由处理机的各种寄存器中的内容组成的。 （1）通用寄存器（2）指令计数器（3）程序状态字PSW（4）用户栈指针 3) 进程调度信息 进程状态 进程优先级 进程调度所需的其它信息 事件 4) 进程控制信息 程序和数据的地址 进程同步和通信机制 资源清单 链接指针2.2进程控制 进程控制是进程管理中最基本的功能一：进程的创建 1. 进程图2. 引起创建进程的事件 (1) 用户登录。 (2) 作业调度。 (3) 提供服务。 (4) 应用请求。 3. 进程的创建 (1) 申请空白PCB。 (2) 为新进程分配资源。 (3) 初始化

17、进程控制块。 (4) 将新进程插入就绪队列。二、进程的终止1).引起进程终止的事件 (1) 正常结束 (2) 异常结束 越界错误 保护错 非法指令 特权指令错 运行超时 等待超时 算术运算错 I/O故障。 (3）外界干预 2).进程终止的而过程 (1) 从PCB集读出该进程的状态。 (2) 对进程状态进行调度。 (3) 将其所有子孙进程终止 (4) 归还资源 (5) 将进程从所在队列中移出三、进程的阻塞和唤醒 1.引起进程阻塞和唤醒的事件 1)请求系统服务，不能满足 2) 启动某种操作，等待完成 3) 新数据尚未到达 4) 无新工作可做 2. 进程阻塞过程和唤醒过程3.进程的挂起和激活 挂起：

18、 活动就绪状态-静止就绪 活动阻塞状态-静止阻塞 进程正在执行-调度程序重新调度 激活： 将进程从外存调入内存 静止就绪-活动就绪 静止阻塞-活动阻塞 抢占调度策略2.3进程同步一、进程同步概念1. 两种形式的制约关系 (1)间接相互制约关系。（资源共享）(2) 直接相互制约关系。（进程合作）2. 临界资源 诸进程采取互斥方式访问的资源即为临界资源。 生产者和消费者的问题，理解代码。P48-49 由于执行顺序的问题，会发生结果错乱，导致失去再现性。3.临界区进程中访问临界资源的代码称为临界区4. 同步机制应遵循的规则（进入临界区）(1) 空闲让进。(2) 忙则等待。 (3) 有限等待。 (4)

19、 让权等待。 二、信号量机制 1. 整型信号量 整型信号量定义为一个用于表示资源数目的整型量 使用原子操作：wait(S)、signal(S) wait(S): while S0 do no-op S=S-1; 申请一个资源P操作 signal(S): S=S+1; 释放一个资源V操作 2. 记录型信号量 整型信号量机制未遵循“让权等待”的准则 增加一个进程链表L，用于链接上述的所有等待进程。 采用了记录型的数据结构 type semaphore=record value:integer; L:list of process; end procedure wait(S) var S: sema

20、phore; begin S.value = S.value-1; if S.value0 then block(S,L) end /请求一个单位的该类资源，S.value0时资源已分完，进程调用block，自我阻塞放弃处理机，并插入到信号量链表S.L中。 procedure signal(S) var S: semaphore; begin S.value = S.value+1; if S.value0 then wakeup(S,L); end /释放一个单位资源，S.value0，该信号量链表中，有进程被阻塞，调用wakeup将S.L链表中的第一个等待进程唤醒此时S.value的绝对值

21、表示在该信号量链表中已阻塞进程的数目。3. AND型信号量 一个进程要多个共享资源方能执行的情况 （1）AND同步机制的基本思想 对若干个临界资源的分配，采取原子操作方式：要么全部分配到进程，要么一个也不分配。 （2）同时wait操作 同时signal操作4. 信号量集 一个进程需N个资源，S为信号量，d为需求之,t下限值 Swait(S,t,d) (1) Swait(S, d, d) (2) Swait(S, 1, 1) (3) Swait(S, 1, 0)三、信号量的应用 1. 利用信号量实现进程互斥 Wait()和signal()必须成对出现2. 利用信号量实现前趋关系 （1） 执行完S

22、1，使资源S+1（2） S2才能执行（3） 同理.课后习题：P82：题223：信号量以及P、V意义： 例：P、V解决消费者和生产者问题 S1：进程不能向“满“的缓冲区放产品 P（S1）意思，申请向缓冲区放入一个产品 V（S2）意思，可以向缓冲区中取一个产品 S2：进程不能向“空“的缓冲区取产品 P（S2）意思，申请向缓冲区中取一个产品 V（S1）意思，可以向缓冲区放入一个产品例：司机和售票员之间的同步关系 司机只有在售票员关车门后，才能启动汽车。售票员只有在司机到站停车后，才能开车门。Semaphore close=0，stop=0；2.4、经典进程的同步问题 一、生产者消费者问题 1.生产者

23、消费者问题是相互合作的进程关系的一种抽象 （1）互斥信号量mutex实现诸进程对缓冲池的互斥使用；（2）利用信号量empty和full分别表示缓冲池中空缓冲区和满缓冲区的数量 （3）必须注意的问题：A、wait()和signal()必须成对地出现B、资源信号empty和full必须成对地出现 C、多个wait操作顺序不能颠倒。否则引起死锁2. 利用AND信号量解决生产者消费者问题 例：假定系统有3个并发进程get 、copy 和put共享缓冲器B1和B2。进程get负责从输入设备上读信息，每读出一条记录后放到B1中。进程copy从缓冲器B1中取出一条记录拷贝后存入B2。进程put取出B2中的记

24、录打印输出。B1和B2每次只能存放一条记录。要求3个进程协调完成任务，使打印出来的与读入的记录个数、次序完全一样。请用记录型信号量写出并发程序。 答：设置4个信号量，其中empty1对应空闲的缓冲区B1 ，其初值为1；full1对应缓冲区B1 中的记录，其初值为0； empty2对应空闲的缓冲区B2，其初值为1；full2对应缓冲区B2中的记录，其初值为0。相应进程描述为：get( ) while(1) 从输入设备读入一条记录; P(empty1); 将记录存入缓冲区B1； V(full1); copy( ) while(1) P(full1); 从缓冲区B1中取出一条记录; V(empty1

25、); P(empty2); 将取出的记录存入缓冲区B2 ； V(full2); put( ) while(1) P(full2); 从缓冲区B2中取出一条记录; V(empty2); 将取出的记录打印出来； Main( ) parbegin(get,copy,put);二、哲学家进餐问题 1. 利用记录型信号量解决哲学家进餐问题临界资源 semaphore chopstick5;每个信号量表示一只筷子，都初始化为 1 然后不停等待空置的筷子2. 利用AND信号量机制解决哲学家进餐问题 PPT，第二章122Sswait(chopstick(i+1) mod 5, chopstick i); 3.

26、读者写者问题 PPT，第二章123Var rmutex, wmutex:semaphore=1,1;Readcount:integer=0; begin parbegin Reader:begin repeat wait(rmutex); /申请读取 if readcount=0 then wait(wmutex); /因为readcount=0/所以wait(wmutex)让其写 Readcount=Readcount+1; signal(rmutex);/此时是增加操作 perform read operation; wait(rmutex); readcount=readcount-1;

27、 /此时是退出-1操作 if readcount=0 then signal(wmutex); /最后一个退出临界区的读 signal(rmutex); /进程才须执行signal操作 until false; end writer:begin repeat wait(wmutex); perform write operation; signal(wmutex); until false; end parend end 习题P82 22 (b) 23 24 252.5 进程通信 一、低级通信和高级通信 1.低级通信：只能传递状态和整数值（控制信息）优点：速度快缺点：（1）效率低 （2）通信对

28、用户不透明 2.高级通信：能够传送任意数量的数据（1） 共享存储区 （2）管道 （3）消息。二、进程通信的类型 1. 共享存储器系统 （1）基于共享数据结构的通信方式。 （2）基于共享存储区的通信方式。 2. 共享存储区的建立与操纵 1） 共享存储区的建立 A、进程要利用共享存储区通信时 B、调用shmget( )建立一块共享存储区 C、提供名字和字节长度等参数 D、若已建立，则返回共享区描述符shmid； E、若未建立，便为建立共享存储区。 2) 共享存储区的操作 用shmctl( )系统调用对共享存储区的状态信息进行查询 3）.共享存储区的附接与断开 A系统调用shmat( )将该共享存储区进程的虚地址shmaddr上B系统调用shmdt( )把该区与进程断开。 3.管道通信