邢易成 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)章節(jié)重點(diǎn)

1、緒論虛擬機(jī)：經(jīng)過操作系統(tǒng)提供的資源管理功能和方便用戶的各種服務(wù)功能把裸機(jī)改造成衛(wèi)功能更強(qiáng)、使用更為方便的機(jī)器。操作系統(tǒng)：是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)系統(tǒng)軟件，它是這樣一些程序模塊的集合它們管理和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件及軟件資源，合理的組織計(jì)算機(jī)工作流程，以便有效地利用這些資源為用戶提供一個(gè)具有足夠的功能、使用方便、可擴(kuò)展、安全和可管理的工作環(huán)境，從而在計(jì)算機(jī)與其用戶之間起到接口的作用。操作系統(tǒng)的類型：1、批處理操作系統(tǒng)。2、分時(shí)操作系統(tǒng)。3、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。4、個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)。5、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。6、分布式操作系統(tǒng)。多道程序運(yùn)行：按多道程序設(shè)計(jì)的調(diào)度原則，從一批后備作業(yè)中選取多道作業(yè)調(diào)入內(nèi)存并組織它們

2、運(yùn)行，成為多批道處理。一般講，多重處理系統(tǒng)配置多個(gè)CPU，因而能真正同時(shí)執(zhí)行多道程序。當(dāng)然，要想有效地使用多重處理系統(tǒng)，必須采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)。反之不然，多道程序設(shè)計(jì)原則不一定要求又多重處理系統(tǒng)的支持。多重處理系統(tǒng)比起單處理系統(tǒng)來說，雖然增加了硬件設(shè)計(jì)設(shè)施，卻還來了提高系統(tǒng)吞吐量、可靠性、計(jì)算能力和并行處理能力等好處。操作系統(tǒng)的基本功能：1、處理機(jī)管理。2、存儲(chǔ)管理。3、設(shè)備管理。4、信息管理。5、信息管理。6、用戶接口。用戶界面作業(yè)：在一次應(yīng)用業(yè)務(wù)處理過程中，從輸入開始道輸出結(jié)束，用戶要求計(jì)算機(jī)所做的有關(guān)該次業(yè)務(wù)處理的全部工作。作業(yè)步：是在一個(gè)作業(yè)的處理過程中計(jì)算機(jī)所做的相對(duì)獨(dú)立的工作。系

3、統(tǒng)通過作業(yè)說明書控制文件形式的程序和數(shù)據(jù)，使之執(zhí)行和操作。而且，在批處理系統(tǒng)中，作業(yè)是搶占內(nèi)存的基本單位。作業(yè)由程序、數(shù)據(jù)、和作業(yè)說明書組成。一個(gè)作業(yè)可以包含多個(gè)數(shù)據(jù)集，但必須至少包含一個(gè)程序。否則將不成為作業(yè)。作業(yè)說明書則體現(xiàn)用戶的控制意圖。由作業(yè)說明書在系統(tǒng)中生成一個(gè)稱為作業(yè)控制塊（JCB）的表格。該表格登記該作業(yè)所要求的資源情況、預(yù)計(jì)執(zhí)行時(shí)間和執(zhí)行優(yōu)先級(jí)等，從而操作系統(tǒng)通過該表了解到作業(yè)要求，并分配資源和控制作業(yè)中程序和數(shù)據(jù)的編譯、鏈接、裝入和執(zhí)行等。作業(yè)說明書主要包含三方面內(nèi)容，即作業(yè)的基本描述、作業(yè)控制描述和資源要求描述。作業(yè)基本描述包括用戶名、作業(yè)名、使用的編輯語名、允許的最大處理

4、時(shí)間等。而作業(yè)控制描述則大致包括擴(kuò)作業(yè)在執(zhí)行過程中的控制方式o 作業(yè)說明書是用戶用作業(yè)控制語言書寫的；體現(xiàn)了用戶的控制意圖。其內(nèi)容包括作業(yè)基本信息、控制信息、資源需求信息的描述。o 作業(yè)控制塊是系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)說明書在系統(tǒng)中生成的一張表格；該表格登記作業(yè)所需的資源情況，預(yù)計(jì)執(zhí)行的時(shí)間和執(zhí)行的優(yōu)先級(jí)等；從而，操作系統(tǒng)通過該表格了解到作業(yè)的要求，并為其分配資源和控制作業(yè)中的程序和數(shù)據(jù)的編譯、連接、裝入和執(zhí)行。系統(tǒng)調(diào)用：是操作系統(tǒng)提供給編程人員的唯一接口。編程人員利用系統(tǒng)調(diào)用，在源程序一級(jí)動(dòng)態(tài)請(qǐng)求和釋放資源，調(diào)用系統(tǒng)中已有的系統(tǒng)功能來完成那些與機(jī)器硬件部分相關(guān)的工作以及控制程序的執(zhí)行的速度等。處理機(jī)執(zhí)行

5、系統(tǒng)調(diào)用的過程：用戶程序（目態(tài)）-（中斷轉(zhuǎn)管）處理機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)程序（管態(tài)）-返回用戶程序（目態(tài)）。 處理機(jī)在PSW（program status word程序狀態(tài)字）中記錄這一狀態(tài)。由此可以看到系統(tǒng)調(diào)用與庫函數(shù)和實(shí)用子程序的區(qū)別：系統(tǒng)調(diào)用在核心態(tài)(管態(tài))執(zhí)行，調(diào)用它需要一個(gè)中斷處理機(jī)構(gòu)來提供服務(wù)。庫函數(shù)和實(shí)用子程序則在用戶態(tài)執(zhí)行，不需要一個(gè)中斷處理機(jī)構(gòu)來提供服務(wù)。實(shí)際上系統(tǒng)調(diào)用語句本身是硬件提供的（機(jī)器指令），但其所調(diào)用的功能是操作系統(tǒng)提供的。每種機(jī)器的機(jī)器指令集中都有一條系統(tǒng)調(diào)用指令。 通道：它是一個(gè)獨(dú)立于主機(jī)的專管輸入/輸出的處理機(jī)，它控制外設(shè)或外存與內(nèi)存之間的信息交換。它有自己的通道命令，

6、以驅(qū)動(dòng)外設(shè)進(jìn)行讀寫操作。操作系統(tǒng)為用戶提供兩種接口： 命令接口；系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)程管理程序的并發(fā)執(zhí)行: 是為了增強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的處理能力和提高資源利用率所采取的一種同時(shí)操作技術(shù)。程序的并發(fā)執(zhí)行分兩種：1、是多道程序系統(tǒng)的程序執(zhí)行環(huán)境變化所引起的多道程序的并發(fā)執(zhí)行。2、是在某道程序的幾個(gè)程序段中，包含著一部分可以同時(shí)執(zhí)行或順序顛倒執(zhí)行的代碼。進(jìn)程：并發(fā)執(zhí)行的程序在執(zhí)行過程中分配和管理資源的基本單位。進(jìn)程和程序的區(qū)別與聯(lián)系：1、進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)概念，而程序是一個(gè)靜態(tài)概念。2、進(jìn)程具有并發(fā)特征，而程序沒有。3、進(jìn)程是競(jìng)爭(zhēng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的基本單位，從而其并發(fā)性受到系統(tǒng)自己的制約。4、不同的進(jìn)程可以包含同一程序，

7、只要該程序所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集不同。一個(gè)程序可以對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)程或多個(gè)進(jìn)程，一個(gè)進(jìn)程可以對(duì)應(yīng)一個(gè)程序，或者一段程序 進(jìn)程的狀態(tài)及其變遷（P48頁和課件）臨界區(qū)：把不允許多個(gè)并發(fā)進(jìn)程交叉執(zhí)行的一段程序稱為臨界區(qū)。臨界取是由屬于不同并發(fā)進(jìn)程的程序共享公用數(shù)據(jù)或公用數(shù)據(jù)變量而引起的?；コ獾亩x：不允許兩個(gè)以上的共享某一公有資源的并發(fā)進(jìn)程同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)稱為互斥同步：把異步環(huán)境下的一組并發(fā)進(jìn)程，因直接制約而互相發(fā)送消息而進(jìn)行互相合作、互相等待，使得各進(jìn)程按一定的速度執(zhí)行的過程稱為進(jìn)程間的同步。死鎖（deadlock）概念可以描述為，多個(gè)進(jìn)程因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)資源（原因），或執(zhí)行時(shí)推進(jìn)的順序不當(dāng)，或相互通信而永久阻塞現(xiàn)象，如

8、果沒有外力作用，這種現(xiàn)象將永遠(yuǎn)保持下去。死鎖：是指各并發(fā)進(jìn)程互相等待對(duì)方所擁有的資源，且這些并發(fā)進(jìn)程在得到對(duì)方的資源之前不會(huì)釋放自己所擁有的資源，從而造成大家都想得到資源而又得不到資源，各并發(fā)進(jìn)程不能繼續(xù)向前推進(jìn)的狀態(tài)。產(chǎn)生死鎖的必要條件：1、互斥條件。2、不剝奪條件。3、部分分配。4、環(huán)路條件。按照解決死鎖的時(shí)機(jī)不同，可以分為三大類：1、預(yù)防死鎖：進(jìn)程申請(qǐng)資源必須遵循某些預(yù)先制定的限制條件，以破壞產(chǎn)生死鎖的四個(gè)必要條件中的一個(gè)或幾個(gè)，防止死鎖發(fā)生。該方法嚴(yán)格限制了系統(tǒng)資源的分配和使用，會(huì)降低系統(tǒng)資源的利用率。2. 避免死鎖 ： 當(dāng)進(jìn)程申請(qǐng)資源時(shí)，需要首先判斷（預(yù)測(cè)），如果滿足這次資源的請(qǐng)求是

9、否會(huì)導(dǎo)致死鎖，可能導(dǎo)致死鎖的資源請(qǐng)求將會(huì)被拒絕，讓請(qǐng)求資源進(jìn)程的進(jìn)程阻塞等待，直到其所需的資源可分配為止。該方法并不嚴(yán)格限制產(chǎn)生死鎖的四個(gè)必要條件，以提高系統(tǒng)資源的利用率。3.死鎖的檢測(cè)與恢復(fù)：當(dāng)進(jìn)程申請(qǐng)資源時(shí)，不進(jìn)行任何限制，即允許死鎖發(fā)生。但，要求系統(tǒng)定期或者不定期檢測(cè)是否有死鎖發(fā)生。當(dāng)檢測(cè)到死鎖時(shí)，再力求解除死鎖。實(shí)踐證明，該方法可進(jìn)一步提高資源利用率處理機(jī)調(diào)度作業(yè)調(diào)度：又稱宏觀調(diào)度或高級(jí)調(diào)度。其主要任務(wù)是按一定的原則對(duì)外存輸入井上的大量后備作業(yè)進(jìn)行選擇，給選出的作業(yè)分配內(nèi)存、輸入輸出設(shè)備等必要的資源，并建立相應(yīng)的根進(jìn)程，以使該作業(yè)的進(jìn)程獲得競(jìng)爭(zhēng)處理機(jī)的權(quán)力。進(jìn)程調(diào)度：又稱微觀調(diào)度或低級(jí)

10、調(diào)度。其主要任務(wù)是按照某種策略和方法選取一個(gè)處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程占用處理機(jī)。作業(yè)與進(jìn)程之間的關(guān)系：作業(yè)可看作是用戶向計(jì)算機(jī)提交任務(wù)的任務(wù)實(shí)體，反過來，進(jìn)程則是計(jì)算機(jī)為了完成用戶任務(wù)實(shí)體而設(shè)置的執(zhí)行實(shí)體，是系統(tǒng)分配資源的基本單位。一個(gè)作業(yè)總是由一個(gè)以上的進(jìn)程組成。作業(yè)分解為進(jìn)程；首先，系統(tǒng)必須為一個(gè)作業(yè)創(chuàng)建一個(gè)根進(jìn)程。然后，在執(zhí)行作業(yè)控制語句時(shí)，根據(jù)任務(wù)的要求，系統(tǒng)或根進(jìn)程為其創(chuàng)建相應(yīng)的子進(jìn)程，然后，為各子進(jìn)程分配資源和調(diào)度各子進(jìn)程執(zhí)行以完成作業(yè)要求的任務(wù)。作業(yè)調(diào)度的功能：1、記錄系統(tǒng)中各作業(yè)的狀況，包括執(zhí)行階段的有關(guān)情況。2、從后備隊(duì)列中挑選出一部分作業(yè)投入執(zhí)行。3、為被選中作業(yè)做好執(zhí)行前的準(zhǔn)備

11、工作。4、在作業(yè)執(zhí)行結(jié)束時(shí)做善后處理工作。作業(yè)調(diào)度的幾種算法（先來先服務(wù)，短作業(yè)優(yōu)先，最高響應(yīng)比優(yōu)先看書）進(jìn)程調(diào)度的功能：1、記錄系統(tǒng)中所有進(jìn)程的執(zhí)行情況。2、選擇占有處理機(jī)的進(jìn)程。3、執(zhí)行進(jìn)程上下文切換。進(jìn)程調(diào)度的幾種算法（先來先服務(wù)，輪轉(zhuǎn)法，優(yōu)先級(jí)法看書）周轉(zhuǎn)時(shí)間，帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間看書。存儲(chǔ)器管理虛擬存儲(chǔ)器：將進(jìn)程中的目標(biāo)代碼、數(shù)據(jù)等的虛擬地址組成的虛擬空間稱為虛擬存儲(chǔ)器。地址重定位（地址映射）：將虛擬地址映射為內(nèi)存地址的問題，稱為地址重定位或地址映射靜態(tài)地址重定位：是在虛擬空間程序執(zhí)行之前由裝配程序完成地址映射工作。優(yōu)點(diǎn)是不需要硬件支持。動(dòng)態(tài)地址重定位：是在程序執(zhí)行過程中，在CPU

12、訪問內(nèi)存之前，將要訪問的程序或數(shù)據(jù)地址轉(zhuǎn)換成內(nèi)存地址。動(dòng)態(tài)重定位依靠硬件地址變換機(jī)構(gòu)完成。覆蓋技術(shù)：程序分若干個(gè)獨(dú)立的功能段，按照程序的邏輯結(jié)構(gòu)讓那些不會(huì)同時(shí)執(zhí)行的程序段共享一塊存儲(chǔ)區(qū)。即把未被執(zhí)行的程序段放在外存，當(dāng)有關(guān)程序段的先頭程序執(zhí)行完，再把后續(xù)的程序段調(diào)入，覆蓋前面的程序段。使用戶看起來，好象內(nèi)存擴(kuò)大了。交換技術(shù)(如右圖)：把那些在內(nèi)存中處于等待狀態(tài)的進(jìn)程調(diào)出內(nèi)存，而把那些等待事件已發(fā)生，處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程換入內(nèi)存。把整個(gè)內(nèi)存劃分為若干大小不等的區(qū)域，操作系統(tǒng)占用一個(gè)區(qū)域，其它區(qū)域供系統(tǒng)中的多個(gè)進(jìn)程共享，這種方法稱為分區(qū)存儲(chǔ)管理。這是最簡(jiǎn)單的一種存儲(chǔ)管理,按分區(qū)劃分的時(shí)機(jī)可分為：固定

13、分區(qū)分配動(dòng)態(tài)分區(qū)分配動(dòng)態(tài)分區(qū)分配的算法：經(jīng)分析可知：最佳適應(yīng)法對(duì)這個(gè)作業(yè)序列是合適的，而其它算法對(duì)該作業(yè)序列是不合適的。頁式管理的思想 ：作業(yè)分若干個(gè)相等的“頁”，內(nèi)存分成相等的“塊”，使“頁”的大小等于“塊”。以“頁”為單位，將作業(yè)的“頁”裝入內(nèi)存的“塊”中。特點(diǎn)：可以不連續(xù)地使用內(nèi)存； 實(shí)現(xiàn)內(nèi)外統(tǒng)一管理分頁管理的地址結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)從一維的邏輯地址分出頁，地址的高位部分定義成頁號(hào)，低位部分定義成頁內(nèi)位移量。 靜態(tài)頁面管理的思想：作業(yè)/進(jìn)程開始執(zhí)行前，把作業(yè)/進(jìn)程的程序和數(shù)據(jù)全部裝入內(nèi)存的“塊”中；通過地址變換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了虛擬地址到內(nèi)存物理地址的地址映射。地址變換（P126）例：執(zhí)行指令load 1

14、,2500的過程。進(jìn)程運(yùn)行時(shí)將頁表的起始地址、長度寫入控制寄存器。CPU執(zhí)行到指令load 1,2500時(shí)，將邏輯地址2500分解為p=2（頁面地址），w=452（位移量或頁內(nèi)地址）。查頁表，找到“頁”2所對(duì)應(yīng)的“塊”號(hào)為8。將“塊”號(hào)8與位移量w=452并接，形成訪問內(nèi)存的絕對(duì)地址：8號(hào)1024/塊+452=8644從8644號(hào)單元中取出數(shù)據(jù)送寄存器1。優(yōu)：解決了碎片多的問題，管理簡(jiǎn)單。劣：取一個(gè)數(shù)據(jù)或指令要兩次以上訪問內(nèi)存：一次訪問頁表以確定所取數(shù)據(jù)或指令的地址；另一次是根據(jù)這個(gè)地址去取數(shù)據(jù)或指令。一次性調(diào)入，受內(nèi)存可用“塊”的限制。動(dòng)態(tài)頁面管理的思想：1.動(dòng)態(tài)頁面管理分兩類：預(yù)調(diào)入式和請(qǐng)

15、求調(diào)入式。 淘汰算法 隨機(jī)淘汰算法（random glongram）：隨機(jī)地選擇某個(gè)用戶的頁面將其淘汰。輪轉(zhuǎn)法（round robin）:輪流換出內(nèi)存可用區(qū)的頁面先進(jìn)先出（FIFO-first input first output）：為調(diào)入內(nèi)存的每一頁，以遞增方式標(biāo)明調(diào)入順序，淘汰時(shí)選擇次序值最小的那一頁。特點(diǎn)：效率不高，存在異常現(xiàn)象-Relady現(xiàn)象。最近最少使用（LRU-least frequently used）:在發(fā)生本次缺頁中斷之前的最近一段時(shí)間內(nèi)少被使用，在最近的將來被使用的可能性最小，所以可以淘汰。實(shí)現(xiàn)：在頁表中增設(shè)訪問計(jì)數(shù)器，每訪問過一次計(jì)數(shù)器加1，計(jì)數(shù)值小的頁面被淘汰。段式管

16、理的思想 ：段是作業(yè)中具有特定意義的程序或數(shù)據(jù)模塊。 作業(yè)按內(nèi)容或過程（函數(shù)）關(guān)系分段，每段用自己的段名標(biāo)識(shí)。每個(gè)段是一個(gè)首地址為零的連續(xù)線性空間。 內(nèi)存空間以段為單位劃分分區(qū)。將作業(yè)的“段”裝入內(nèi)存的“分區(qū)”中。 通過地址映射機(jī)構(gòu)，將“段”地址映射成內(nèi)存的物理地址。 段式管理的地址結(jié)構(gòu)：維的邏輯地址。地址的高位部分定義成段號(hào)，低位部分定義成段內(nèi)地址。作業(yè)/進(jìn)程運(yùn)行時(shí)管理程序?qū)⒍伪淼钠鹗嫉刂穼懭攵伪淼刂芳拇嫫?。CPU執(zhí)行到指令load 1, a|120指令時(shí)，通過段號(hào)1查段表。從段表中取出該段起始地址3400。將該段起始地址3400 與指令中的段內(nèi)地址相加：3400+120=3520形成訪問內(nèi)

17、存的絕對(duì)地址。從3520號(hào)單元中取出數(shù)據(jù)送寄存器1。取一個(gè)數(shù)據(jù)或指令要兩次以上訪問內(nèi)存：一次訪問段表以確定所取數(shù)據(jù)或指令的地址；另一次是根據(jù)這個(gè)地址去取數(shù)據(jù)或指令。段式管理舉例文件系統(tǒng)1文件的定議： 文件是存儲(chǔ)在某種介質(zhì)上的具有標(biāo)識(shí)名的信息集合。 文件是有名的程序或數(shù)據(jù)的集合。 文件是一組賦名的相關(guān)字符流的集合。 文件是一組賦名的相關(guān)記錄的集合。文件包括兩部分： 文件體：文件本身的信息； 文件說明（文件控制塊FCB）：文件存儲(chǔ)和管理信息；如：文件名、文件內(nèi)部標(biāo)識(shí)、文件存儲(chǔ)地址、訪問權(quán)限、訪問時(shí)間等；2.文件系統(tǒng): 文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中管理文件的機(jī)構(gòu)，提供文件存儲(chǔ)和訪問功能。3.文件系統(tǒng)的特點(diǎn)：

18、 友好的用戶接口。 對(duì)文件按名存取，對(duì)用戶透明。 使一些文件可以被多個(gè)用戶或進(jìn)程所共享。文件系統(tǒng)大都使用磁盤、磁帶和光盤等大容量存儲(chǔ)器作為存儲(chǔ)介質(zhì)，可存儲(chǔ)大量信息。文件系統(tǒng)的功能： 為用戶建立文件。 撤消、讀寫、修改、復(fù)制文件。完成對(duì)文件按名存取和進(jìn)行存取控制。1.文件的邏輯結(jié)構(gòu)：文件的邏輯結(jié)構(gòu)是用戶可見結(jié)構(gòu)。2.文件的邏輯結(jié)構(gòu)分類：字符流式的無結(jié)構(gòu)文件；記錄式的有結(jié)構(gòu)文件。 文件的存取方法：（1）順序存取法。（2）隨機(jī)存取法.(3)按關(guān)鍵字存取法。文件的物理結(jié)構(gòu)：是指文件在存儲(chǔ)設(shè)備上的存放方法。它確定了文件信息的邏輯塊號(hào)(邏輯地址)到物理塊號(hào)(物理地址)的變換（對(duì)應(yīng)關(guān)系）。常用的文件物理結(jié)構(gòu)：連續(xù)文件串聯(lián)文件索引文件文件存儲(chǔ)設(shè)備：常用的存儲(chǔ)設(shè)備有：磁盤、光盤、磁