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）
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