操作系统辅导讲义.docx
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操作系统辅导讲义
第一章操作系统引论
一、 基本概念
操作系统——是裸机上的第一层软件,它是对硬件系统功能的首次扩充,是填补人与机器之间的鸿沟。
设置操作系统的目的:
1 方便性
2 有效性
3 可扩展性
4 开放性
5便于远程用户上机
用户可以通过两种方式来使用计算机
1.命令方式
2.系统调用方式
操作系统的层次结构
用户接口:
命令接口、程序接口、图型接口
对对象操作和管理的软件集合
操作系统对象:
处理机、存储器、设备、文件和作业
操作系统的发展
1、 人工操作方式
一台计算机的所有资源由用户独占,降低了计算机资源利用率,人操作慢,出现了严重的人机矛盾。
2、 脱机输入输出方式
在外围计算机的控制下,实现输入输出。
主要解决了CPU与设备之间不匹配的矛盾
3、 单道批处理系统
1、在内存中仅存一道作业运行,运行结束或出错,才自动调另一道作业运行。
2、单道批处理系统主要特征:
自动性、顺序性、单道性。
3、单道批处理系统主要优点:
减少人工操作,解决了作业的自动接续。
4、单道批处理系统主要缺点:
平均周转时间长,没有交互能力。
4、多道批处理系统
1、在内存中存放多道作业运行,运行结束或出错,自动调度内存中的另一道作业运行。
2、多道批处理系统主要特征:
多道性、无序性、调度性。
3、多道批处理的主要优点:
提高了资源利用率和吞吐能力。
4、多道批处理的主要缺点:
平均周转时间长,没有交互能力。
5、分时系统
① 用户需要:
人机交互
共享主机
便于用户上机
② 交互性应包括:
及时性
及时处理
③ 分时系统实现的方法
简单分时系统
具有“前台”和“后台”的分时系统
多道分时系统
④ 分时系统的特征:
多路性:
多个用户分时使用一台计算机。
独立性:
独立运行,不混淆,不破坏。
及时性:
系统能在很短的时间得到回答。
交互性:
能实现人机对话。
⑤ 影响响应时间的若干因素:
Ti=NQ+To.s+Twap
⑥ 改善响影时间的方法
采用重入码减少信息的对换量
采用虚拟存储技术,减少信息对换量
6、 实时系统
① 实时系统分为两类
实时控制系统
实时信息处理系统
② 实时系统的特征
多路性:
能对多个对象进行控制。
独立性:
独立运行,不混淆,不破坏。
交互性:
仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。
可靠性:
高可靠性,应具有过载防护能力
及时性:
不同的系统要求不一样,控制对象必须在截止时间内完成。
7、 多处理机操作系统
① 性能主要体现:
增加系统的吞吐量
节省成本
提高系统的可靠性
② 多处理机系统可分为两种类型
紧密藕合:
通过高速的交叉开关,实现处理机互连。
松散藕合:
通过通信线路,实现计算机互连。
③ 多处理机操作系统的类型
非对称多处理机模式(主——从式)
对称多处理机模式(所有处理机都相同)
8、 网络操作系统
(1)网络的类型:
①广域网
②局域网
(2) 网络的拓扑结构
(3) 网络O.S的模式:
①客户/服务器模式
②对等网络:
各个站点是对等的,它既可作为客户去访问其它站点,又可作为服务器向其它站点提供服务。
(4)网络操作系统的功能
①网络通信
②资源管理
③网络服务
④网络管理
⑤互操作能力
9、 分布式操作系统
(1)分布式处理系统——系统的处理和控制功能,都分散在系统的各个处理单元上,所有任务具有动态任务分配功能。
(2)分布式操作系统的特征:
①分布性:
系统的处理和控制功能分散在各个处理单元上进行。
②并行性:
多个任务分配到多个处理机上并行处理,提高性能。
③透明性:
很好隐藏系统内部的细节,对用户是透明的。
④共享性:
软、硬件资源供全系统使用,并以透明的方式使用。
⑤健壮性:
由于故障等原因,系统可以重构,具有高可靠性。
三、操作系统的特征和服务
1、操作系统的特征
①并发——并行性和并发性,并发执行的过程。
②共享——软、硬件资源的共享。
互斥共享:
对临界资源的使用。
同时访问:
对共享资源访问。
③虚拟——把物理实体变为多个逻辑上的对照物。
④异步性——由于并发的原因,要确知那一个进程运行是很困难
2、操作系统的公共服务
①程序的执行
②I/O操作
③文件系统的操作
④通信
⑤差错控制
3、系统调用的作用
操作系统采用系统调用的方法为用户提供操作系统的服务。
4、系统调用的类型
①进程控制类系统调用
②文件操作系统调用
③设备管理系统调用
④通信系统调用
⑤信息维护
三、 操作系统的功能
1、处理机管理
2、存储器管理
3、设备管理
4、文件管理
5、用户接口——操作系统接口
第二章 进程的描述与控制
一、 相关概念
1、 前趋图——有向无循环的图。
表示程序执行的偏序关系。
2、程序的顺序执行——严格按照程序给定的顺序执行,仅当前一个执行结束才执行后一个。
3、 程序的顺序的特征:
①顺序性
②封闭性
③可再现性
4、程序的并发执行——是指两个或两个以上程序段在执行的时间上是重叠的,即使这种重叠只有一小部分,则称这些程序为共行执行。
5、程序并发执行的特征:
①间断性
②失去封闭性
③不可再现性
6、程序并发执行条件
若有两个进程P1和P2,则Bernstein条件为:
R(P1)∩W(P2)∪R(P2)∩W(P1)∪W(P1)∩W(P2)={};
7、若程序Pa和Pb单独执行时间分别Ta和Tb,Ta=1小时,Tb=1.5小时,其中处理机工作时间分别为Ta=18分钟,Tb=27分钟。
如果采用多道程序设计的方法,让Ta、Tb并行工作,假定处理机利用率达到50%,另加15分钟系统开销,请问系统效率能提高百分之几?
二、 进程的基本概念
1、进程的定义——可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。
2、进程的基本特征
① 动态性
② 并发性
③ 独立性
④ 异步性
⑤ 结构特征
3、进程的基本状态及其转变
4、 进程控制块——描述和控制进程运行,系统为每个进程定义的一个数据结构。
① 进程控制块的内容
② 进程控制块的作用
③ 进程控制块的组织方式
三、 进程控制
1、 什么叫内核?
2、 内核的基本功能:
①中断处理:
操作系统的重要活动依赖于中断。
操作系统使用中断机制使计算机系统能实现进程并发执行。
②时钟管理:
定时功能,最长运行期控制。
③原语:
由若干条指令构成,用于完成一定功能的一个过程。
④原子操作(原子性):
一个操作中的所有动作,要么全做,要么全不做。
是一个不可分割的操作。
3、 进程管理
进程图:
表明进程的创建关系,创建的进程和被创建的进程可以并发执行。
4、 引起进程创建的原因
①用户登录:
为终端用户建立进程。
②作业调度:
选中的作业建立进程。
③提供服务:
为用户提供的服务进程。
例如:
I/O进程等。
④应用请求:
应用程序自己创建的进程。
5、 线程的基本概念
(1) 线程:
一个被调度和分派的基本单位并可独立运行的实体。
(2) 线程分类:
①内核支持线程:
依赖于内核进行控制和管理。
②用户级线程:
在用户级创建、撤消和切换。
(3) 在引入线程的O.S系统中,则把线程作为调度和分派的基本单位,而把进程作为资源的拥有的基本单位。
(4) 在同一进程中的线程切换不会引起进程切换。
(5)在不同一进程中的线程切换会引起进程切换。
第三章 进程同步与通信
一、 进程同步的基本概念
1、进程的相互制约
①间接相互制约——资源共享引起
② 直接相互制约——相互合作引起
2、临界资源:
一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。
3、临界区:
访问临界资源的那段代码称为临界区。
4、 同步机制应遵循的准则:
①空闲让进——充分利用资源
②忙则等待——保证同步与互斥
③有限等待————防止陷入“死等”
④让权等待——防止陷入“忙等”
二、 信号量机制
1、 经典信号量——表示资源的物理实体。
2、 记录型信号量——更有效的利用资源,解决忙等的问题。
3、 AND型信号量机制——防止系统出现不安全性。
① AND型信号量机制的概念化(见P72-6行)
②Swait操作(SP操作):
(见P72)
③Ssignal操作(SV操作):
(见P72)
4、 信号量应用实例
①互斥(见P69)
②前趋(见P70)
③同步(见P73)
三、进程通信
进程通信的类型:
低级通信和高级通信
(1)高级通信方式:
①共享存储器系统:
共享数据结构、
共享存储器区通信方式
②消息传递系统:
直接通信方式——通过收发原语
间接通信方式——通过信箱实现信息交换
③管道通信
(2)管道通信具有三方面的协调能力:
①双方同时存在
② 同步关系
③ 互斥使用管道
第四章 调度与死锁
一、调度的类型
1、高级调度
2、 低级调度:
非抢占式、抢占式
抢占式:
时间片原则、优先权原则、短作业优先原则
3、 中级调度
二、面向用户的准则:
1、 周转时间短:
平均周转时间、平均带权周转时间
2、 响应时间快
3、 截止时间的保证
4、 优先权准则
三、面向系统的准则
1、 系统的吞吐量
2、 CPU的利用率好
3、 各类资源平衡使用
四、调度的算法
1、 先来先服务调度的算法
2、 短作业优先调度的算法
3、 时间片轮转调度的算法
4、 优先权调度的算法:
非抢占式、抢占式
①静态优先权
②动态优先权
5、 响应比高者优先调度的算法:
RP=1+等待时间/服务时间
6、 多级队列调度算法:
例如,前台、后台
7、 多级反馈队列调度算法(见P108图4-7)
五、 实时系统的调度算法
在实时系统中,广泛采用抢占式调度方式
六、死锁的基本概念
1、 何谓死锁?
(见P119)
2、产生死锁原因:
① 竞争资源
② 推进顺序不当
3、产生死锁的必要条件
①互斥
②请求和保持
③不剥夺
④环路等待条件
4、处理死锁的基本方法
①预防死锁
②避免死锁
③检测死锁
④解除死锁
5、例子:
第五章 存储器管理
一、 程序的装入
1、 绝对装入方式
直接用物理地址编制程序。
2、可重定位装入方式(静态重定位)
重定位——把在装入时对目标程序中的指令和数据地址的修改过程称为重定位。
3、 动态运行时装入方式(动态重定位)
作业在存储空间的位置,也是装入时确定的,但在作业运行过程中,每次存访内存之前,将程序的地址(逻辑地址)变为内存的物理地址。
这种变换是依靠硬件地址变换机构、自动连续实施,这样程序在内存的地址是可变的,可申请临时空间。
二、 程序的链接
1、 静态链接——事先进行链接,以后不再拆开的链接方式,称为静态链接。
2、 装入时动态链接——编译后的目标模块,是在装入内存时,边装入,边链接的。
3、运行时动态链接——将某些目标模块的链接推迟到执行时才进行,即在执行过程中,若发现一个被调用模块尚未装入内存时,再由操作系统去找到该模块,将它装入内存,并把它链接到调用者模块上。
4、静态链接需要共享目标模块的拷贝,而动态链接不需要共享目标模块的拷贝。
三、连续分配存储管理方式
1、 固定式分区
2、 动态分区分配——根据用户实际需要,动态的分配连续空间。
l拼接技术
3、 动态重定位分区分配——采用动态重定位技术的分区分配。
l 紧凑技术
4、 多重定位分区分配——可为一个作业分多个区。
四、分区管理的算法
1、 首次适应算法:
每个空白区按地址顺序链接在一起,表头指向第一个空白区。
2、 循环首次适应算法:
将空白区构成循环链表。
表头指向当前开始查找的第一个空白区。
3、 最佳适应算法:
空白区按尺寸大小递增顺序构成队列。
表头指向第一个空白区。
1、采用可变分区方式管理主存空间时,若主存中按地址顺序依次有五个空闲区,空闲区的大小分别为15K、28K、10K、226K、110K。
现有五个作业Ja,Jb,Jc,Jd和Je,它们所需主存依次为:
10K,15K,102K,26K和80K。
如果采用首次适应分配算法,能把这五个作业按Ja~Je的次序全部依次装入主存吗?
用什么分配算法装入这五个作业可使主存的利用率最高?
答:
按首次适应分配算法,这五个作业不能全部依次装入主存,因为前二个主存块能依次装入作业:
Ja(10K),Jb(15K),第3块10K无法分配,第四、五块可分配给Jc(102K),Jd(26K),最后Je(180K)无法装入主存。
用最佳适应分配算法,能使主存的利用率最高,此时,这五个主存块依次装入了五个作业,它们是:
Jb(15K),Jd(26K),Ja(10K),Je(180K),Jc(102K)。
五、对换技术(交换技术)
就是将主存中的信息以文件的形式写入到辅存,接着将指定的信息从辅存读入主存,并将控制转给它,让其在系统上运行。
六、分页存储器管理
1、在分页存储管理方式中,一个进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的片,称为页面。
内存空间也分成与页相同大小的存储块,并将进程的每一个页面离散地存储在内存的任一物理块中,建立相应的页表,由系统实现进程的正确运行。
2、快表——为了提高地址变换速度,可在地址变换机构中,增设一个具有并行查寻能力的特殊高速缓冲存储器,称为快表。
3、例:
有一页式系统,其页表存放在主存中:
①如果对主存的一次存取需要1.5μs,试问实现一次页面访问的存取时间是多少?
②如果系统加有快表,平均命中率为85%,当页表项在快表中时,其查找时间忽略为0,试问此时的存取时间是多少?
七、分段存储管理
①在分段存储管理方式中,一个作业的地址空间分成若干个段,每一段定义了一组逻辑信息,则为每个段分配连续的分区,而进程中的各段可以离散地存储在内存中不同的分区中,建立相应的段表,由系统实现进程的正确运行。
②分页与分段存储管理的区别?
答:
P160
第六章 虚拟存储器
1、虚拟存储器的概念?
答:
P166—倒6行
2、 请求分页存储管理方式
(1)基本思想
在请求分页存储管理方式中,不限定把进程的整个地址空间全部装入主存,而只要求把当前需要的一部分装入主存,由系统实现进程的正确运行,其它的页面当需要时才去调用。
这样实现了主存的“扩充”。
(2)地址变换机构(见P170)
(3)页面的管理:
①页面调入测略
请求式调页
预先调页
②页面置换算法:
FIFO
最近最久不用页面置换算法LRU
简单的Clock置换算法(又称最近未用算法NRU或近似最近最久未用算法)
3、 抖动状态(系统抖动)?
答:
P183—18行
4、 请求分段存储管理方式
(1)基本思想
在请求分段存储管理方式中,把作业的所有分段的副本保存在辅存中,当其运行时,只要求把当前需要的一段或数段装入主存,其它的段当需要时才装入,由系统实现进程的正确运行。
这样实现了主存的“扩充”。
(2)地址变换机构(见P186)
(3)缺段处理(见P185)
(4)分段共享
①共享段表(见P187)
②分段保护:
越界检查(段长值)
存取控制检查
5、段页式存储管理
(1)基本思想(见P162——倒8行)
(2)地址变换机构(见P164)
6、例题:
P195中的9题和11题
第七章 设备管理
一、I/O系统的组成
1、I/O系统的结构(见P197图7-2)
(1) 设备:
①独占设备——在一段时间内只允许一个用户访问的设备。
②共享设备——在一段时间内允许多个用户访问的设备。
③虚拟设备——将一台独占物理设备变换为若干台逻辑设备。
(2)设备控制器:
①是CPU与I/O设备之间的接口,它接收从CPU发来的命令,并控制I/O设备工作。
②设备控制器是可编址设备。
当用于控制多台设备时,则具有多个地址。
(3)通道:
①字节多路通道(见P201图7-4)
②数组选择通道——按数组方式进行数据传送,但在一段时间内只能为一台设备占用,执行一道通道程序。
③数组多路通道——按数组方式进行数据传送,但能为多台设备占用,高速的进行数据传送。
二、 I/O控制方式
1、 程序I/O方式(查询方式)(见P203图7-7)
2、 中断驱动方式(见P203图7-7)
3、 DMA方式(见P203图7-7)
通道、通道程序的概念(见P206倒1行)
三、缓冲管理
1、 引入缓冲原因(见P207倒9行)
2、 单缓冲(见P208图7-10)
3、 双缓冲(见P208图7-10)
4、 循环缓冲(见P208图7-10)
5、 缓冲池——既能用于输入,又能用于输出的公用缓冲池,池中的缓冲区可供多个进程共享。
缓冲技术是以空间换取时间,而且只能在设备使用不均衡时起到平滑作用。
四、 设备分配
1、 设备控制表、通道控制表、系统设备表、控制器控制表
2、设备分配中应考虑的若干因素
l 设备的固有属性:
独享设备、共享设备、虚拟设备
l 设备的分配算法:
FIFO、优先级高者优先
l 设备分配中的安全性
3、 设备固有属性不同,其分配算法不同
4、 SPOOLING技术(见P219——17行)
五、设备处理
1、设备处理程序又称为设备驱动程序,它是I/O进程与设备控制器之间的通信程序。
①初始化I/O设备
② 设备与进程之间的数据传送
③ 当数据传完之后,将产生中断信号将它换醒,进入中断处理过程。
2、中断处理过程(见P224图7-19)
3、用户请求设备使用的是逻辑设备名(见P217图7-16)
由系统通过逻辑设备表实现逻辑设备到物理设备的映射。
当更换物理设备时,用户的程序不用改,仅修改逻辑设备表。
第八章 文件系统
一、 文件和文件系统的基本概念
1、 数据项——>记录——>文件(见P228图8-1)
2、 文件系统模型(见P229图8-2)
3、 文件的操作(见P231-17行)
二、文件逻辑结构
1、 顺序文件(见P234图8-3)
优点:
可以快速实现批量存取,可存储在磁带上
缺点:
增删困难
2、 索引文件(见P235图8-4)
优点:
实现直接存取、快速
缺点:
增加空间开销
三、 目录管理
1、对文件目录管理要求(见P236倒5行)
2、文件控制块与文件目录(见P237--7行)
3、单级文件目录(见P239图8-8)
缺点:
查找速度慢、不允许重名、不便于实现文件共享
4、两级目录和多级目录(见P240图8-9、图8-10)
l 当前目录——工作目录
l 优点:
①检查速度快
② 不同目录可以重名
③ 不同用户可使用不同名字,来访问系统中的同一个共享文件。
5、文件共享——基本文件目录和符号文件目录组成。
(见P245图8-12)
6、分级安全管理
① 系统级管理:
注册(见P253-倒12行)
登录(见P254-2行)
② 用户级安全管理:
用户分类:
超级用户、文件主等
文件访问权:
r、w、e
③ 目录级安全管理(见P255-9行)
④ 文件级安全管理(见P255-20行)
l用户对文件的访问:
将由用户访问表、目录访问权限及文件属性三者的权限所确定。
7、实现文件的保护的方法
①访问矩阵(见P249图8-17)
②访问控制表:
以一个文件建立的访问控制表
③访问权限表:
以一个用户建立的访问控制表
第九章 磁盘存储器管理
一、 早期磁盘调度算法
1、 先来先服务(见P261图9-2)
2、 最短寻道时间优先(见P261图9-3)
进程的“饥饿”现象
3、 扫描法(见P262图9-4)
4、 循环扫描法(见P262图9-5)
二、 外存分配方法
1、 连续分配——将文件信息存放在连续编号的物理块中。
(见P264图9-6)
优点:
结构简单,存取速度快。
缺点:
长度事先确定,随后不允许增加长度。
2、 链接分配——将文件信息存放在非连续编号的物理块中。
(见P265图9-7)
优点:
插入、删除方便,文件长度可变。
缺点:
查找困难。
3、 索引文件(见P267-9行、图9-10)
优点:
结构简单,存取速度快。
缺点:
长度事先确定,随后不允许增加长度。
三、空闲存储空间的管理方法
1、空闲表法(见P270-7行、图9-113)
2、空闲链表法(见P271-5行)
3、位示图法(见P271-13行、图9-14)
4、成组链接法(见P272、图9-15)
第十章 操作系统接口
用户与操作系统的接口
一、命令接口
命令接口——联机命令接口。
1、联机命令类型(见P293–倒4行)
2、终端处理程序主要功能(见P296-9行)
3、命令解释程序——对用户键入的命令进行解释,并转入相应的命令处理程序去执行。
4、 命令处理程序的主要作用(见P298-倒2行)
5、命令解释程序的组成(见P299-4行)