軟件設(shè)計(jì)師知識(shí)點(diǎn)精講之操作系統(tǒng)(二)

軟件設(shè)計(jì)師知識(shí)點(diǎn)精講之操作系統(tǒng)（二）

\o""軟件設(shè)計(jì)師是指能根據(jù)軟件開發(fā)項(xiàng)目管理和軟件工程的要求，按照系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)規(guī)格說明書進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，編寫程序設(shè)計(jì)規(guī)格說明書等相應(yīng)的文檔的實(shí)用性人才。上半年軟考已經(jīng)結(jié)束，希賽軟考學(xué)院為打算參加下半年考試的你們準(zhǔn)備了一些\o""軟考軟件設(shè)計(jì)師教程知識(shí)點(diǎn)精講，希望對(duì)大家有所幫助。

13、線程

傳統(tǒng)的進(jìn)程有兩個(gè)基本屬性，即可擁有資源的獨(dú)立單位，和可獨(dú)立調(diào)度、分配的基本單位。引入線程后，將傳統(tǒng)進(jìn)程的兩個(gè)屬性分開，線程作為可獨(dú)立調(diào)度和分配的基本單位，進(jìn)程作為獨(dú)立擁有資源的單位。因此，用戶可以通過創(chuàng)建線程來完成任務(wù)，以減少程序并發(fā)執(zhí)行時(shí)的時(shí)空開銷。

14、存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)：（寄存器）--緩存-主存-輔存。

虛擬地址，又稱為邏輯地址、相對(duì)地址、程序地址。它是從0號(hào)單元開始編址，并順序分配所有的符號(hào)名所對(duì)應(yīng)的地址單元，它不是主存中的真實(shí)地址。

地址空間，又稱邏輯地址、虛地址。

存儲(chǔ)空間，又稱物理地址空間，是物理地址的集合。相對(duì)地址空間通過地址再定位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換到絕對(duì)地址空間。

重定位：程序的邏輯地址被轉(zhuǎn)換成主存的物理地址的過程稱為地址重定位。分為靜態(tài)重定位和動(dòng)態(tài)重定位。靜態(tài)地址重定位的優(yōu)點(diǎn)是無需硬件地址變換機(jī)構(gòu)的支持，它的缺點(diǎn)是必須為程序分配連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)域且執(zhí)行期間不能擴(kuò)充不能移動(dòng)并難以共享；動(dòng)態(tài)地址重定位要依賴于硬件的地址變換機(jī)構(gòu)。它解決了靜態(tài)重定位的各種缺點(diǎn)。進(jìn)行存儲(chǔ)管理的目的是：對(duì)主存空間進(jìn)行分配和管理；主存擴(kuò)充；存儲(chǔ)保護(hù)；提高空間的利用率。主存擴(kuò)充技術(shù)，通過交換和覆蓋實(shí)現(xiàn)，其中交換是由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，覆蓋是由操作系統(tǒng)提供覆蓋機(jī)制但由用戶進(jìn)行控制。

15、分區(qū)存儲(chǔ)管理

按分區(qū)方式的不同分為固定分區(qū)、可變分區(qū)、可重定位分區(qū)。

可變分區(qū)有4種請(qǐng)求和釋放分區(qū)的算法：最佳適應(yīng)算法、最差適應(yīng)算法、首次適應(yīng)算法、循環(huán)首次適應(yīng)算法。為減少分區(qū)碎片而使用的可重定位算法，基本思想是移動(dòng)所有已分好的分區(qū)，使其靠攏成為連續(xù)區(qū)域。

分區(qū)保護(hù)管理：有2種方法。一是“上界/下界寄存器”，另一種是“基址/限長(zhǎng)寄存器”的方法。其中上界寄存器和基址寄存器都是放的作業(yè)的裝入地址。下界寄存器放作業(yè)的結(jié)束地址，限長(zhǎng)寄存器放作業(yè)的長(zhǎng)度。因此調(diào)入作業(yè)所需要的物理地址必需滿足：上界寄存器<=物理地址<=下界寄存器或基址寄存器<=物理地址<=物理地址+限長(zhǎng)寄存器分區(qū)管理方案是解決多道程序共享主存的可行方案，但它要求用戶的程序必須裝入地址連續(xù)的空間中。

16、頁(yè)式存儲(chǔ)管理

分頁(yè)原理：將一個(gè)進(jìn)程的地址空間劃分成若干大小相等的區(qū)域稱為頁(yè)。相應(yīng)地將主存空間劃分成與頁(yè)相同大小的若干物理塊稱為塊或頁(yè)框。在為進(jìn)程分配主存時(shí)，將進(jìn)程中若干頁(yè)分別裝入多個(gè)不相鄰的塊中。

地址結(jié)構(gòu)由2部分組成：頁(yè)號(hào)+頁(yè)內(nèi)地址

頁(yè)表：又稱為頁(yè)面映射表。作用是實(shí)現(xiàn)從頁(yè)號(hào)到物理塊號(hào)的地址映射。

快表：是頁(yè)表方式的改良，是在地址映射機(jī)構(gòu)中增加一個(gè)聯(lián)想存儲(chǔ)器（是由一組高速存儲(chǔ)器組成），這就是所謂的快表。它用來保存當(dāng)前訪問頻率最高的少數(shù)活動(dòng)頁(yè)的頁(yè)號(hào)及相關(guān)信息。另外還有一種方法是增加高速寄存器來保存頁(yè)表，但這樣的成本太大。

兩級(jí)頁(yè)表機(jī)制：是為了減少頁(yè)表占用的連續(xù)地址空間，而提出的方法。使用兩級(jí)或多級(jí)頁(yè)表機(jī)制來存儲(chǔ)頁(yè)表。

17、分段存儲(chǔ)管理

原理：在分段式存儲(chǔ)管理系統(tǒng)中，為每個(gè)段分配一個(gè)連續(xù)的分區(qū)，而進(jìn)程中的各個(gè)段可以離散地分配到主存的不同分區(qū)中。在系統(tǒng)中為每個(gè)進(jìn)程建立一張段映射表簡(jiǎn)稱段表。每個(gè)段在表中占有一個(gè)項(xiàng)，記錄該段在主存中的起始地址（基址）和段的長(zhǎng)度。進(jìn)程在執(zhí)行時(shí)，通過查段表來找到每個(gè)段所對(duì)應(yīng)的主存區(qū)。因此，段表實(shí)現(xiàn)了邏輯段到物理主存區(qū)的映射。

分段系統(tǒng)的地址結(jié)構(gòu)：段號(hào)（名）+段內(nèi)地址

特點(diǎn)：段是信息的邏輯單位，因此分段的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)段的共享，即若干個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)或多個(gè)段，而且對(duì)段的保護(hù)也很簡(jiǎn)單。在分頁(yè)系統(tǒng)中，雖然也能實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的共享，但遠(yuǎn)不如分段系統(tǒng)方便。

段頁(yè)式存儲(chǔ)管理，原理是先將主存劃分為大小相等的存儲(chǔ)塊（頁(yè)框），再將用戶程序按程序的邏輯關(guān)系分為若干個(gè)段，為每個(gè)段命名，然后將每個(gè)段劃分為若干個(gè)頁(yè)，以頁(yè)架為單位離散分配。

段頁(yè)式系統(tǒng)的地址結(jié)構(gòu)：段號(hào)+段內(nèi)頁(yè)號(hào)+頁(yè)內(nèi)地址。

18、虛擬存儲(chǔ)管理

程序的局部性：時(shí)間局限性和空間局限性。前者指程序中的某條指令或某個(gè)存儲(chǔ)單元一旦被執(zhí)行或訪問，則在不久的將來可能會(huì)再次發(fā)生（因?yàn)槌绦蛑写嬖谥罅康难h(huán)操作）；后者指一旦程序訪問了某個(gè)存儲(chǔ)單元，則不久的將來該存儲(chǔ)單元附近的存儲(chǔ)單元也最有可能被訪問（因?yàn)槌绦蚴琼樞驁?zhí)行的）。

虛擬存儲(chǔ)器，從用戶的角度看，是這樣一個(gè)系統(tǒng)，它所具有的主存容量比實(shí)際主存容量大得多。它是根據(jù)局部性原理，在一個(gè)作業(yè)運(yùn)行之前只把部分程序和數(shù)據(jù)裝入主存，其余部分留在磁盤上。如果要訪問的頁(yè)或段未在主存中（稱為缺頁(yè)或缺段）則將它們調(diào)入主存。

虛擬存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)：

請(qǐng)求分頁(yè)系統(tǒng)，它是在分頁(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了請(qǐng)求調(diào)頁(yè)和頁(yè)面置換功能后所形成的頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)。

請(qǐng)求分段系統(tǒng)，它是在分段系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了請(qǐng)求調(diào)段和段置換功能后所形成的段式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)。

請(qǐng)求段頁(yè)式系統(tǒng)，它是在段頁(yè)式基礎(chǔ)上，增加了請(qǐng)求調(diào)頁(yè)和頁(yè)面置換功能后所形成的段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)。

其中請(qǐng)求分頁(yè)系統(tǒng)是目前常用的一種虛擬存儲(chǔ)器方式。其頁(yè)面置換算法的好壞直接影響系統(tǒng)性能，不當(dāng)?shù)闹脫Q算法可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)“抖動(dòng)”。常用的頁(yè)面置換算法有：最佳置換算法、先進(jìn)先出置換算法、最近最久未使用置換算法和最近未用置換算法。

虛擬存儲(chǔ)器的特征：離散性、多次性、對(duì)換性、虛擬性。工作集的概念是指在某段時(shí)間間隔里，進(jìn)程實(shí)際要訪問的頁(yè)面的集合。虛存容量不是無限的，它受主存和外存可利用的總?cè)萘肯拗?；虛存還受計(jì)算機(jī)總線地址結(jié)構(gòu)限制。虛存的擴(kuò)大是以犧牲CPU工作時(shí)間和主存與外存交換時(shí)間為代價(jià)的。虛存是由操作系統(tǒng)調(diào)度，采用主存外存交換技術(shù)，各道程序在必須使用時(shí)調(diào)入主存，不用的程序則調(diào)出主存。

19、設(shè)備管理

包括各種設(shè)備分配、緩沖區(qū)管理和實(shí)際物理I/O設(shè)備操作，通過管理達(dá)到提高設(shè)備利用率和方便用戶使用的目的。設(shè)備的分類按數(shù)據(jù)組織分為：塊設(shè)備，如磁帶、磁盤字符設(shè)備，如打印機(jī)、交互式終端；按資源分配分為：獨(dú)占設(shè)備，如打印機(jī)共享設(shè)備，如磁盤虛擬設(shè)備，如利用假脫機(jī)技術(shù)將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備變?yōu)槎鄠€(gè)用戶共享的邏輯設(shè)備。按數(shù)據(jù)傳輸速率：低速設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)；中速設(shè)備，如打印機(jī)；高速設(shè)備，如磁盤。

設(shè)備管理的目標(biāo)是如何提高設(shè)備的利用率，為用戶提供方便統(tǒng)一的界面。設(shè)備管理的任務(wù)是保證在多道程序環(huán)境下，當(dāng)多個(gè)進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)使用設(shè)備時(shí)，按一定策略分配和管理各種設(shè)備，控制設(shè)備的各種操作，完成I/O設(shè)備與主存之間的數(shù)據(jù)交換。

20、I/O軟件

IO設(shè)備管理軟件分為4層：由低到高為中斷處理程序--設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序--與設(shè)備無關(guān)的系統(tǒng)軟件--用戶級(jí)軟件

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是直接同硬件打交道的軟件模塊，它與IO設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)有密切的聯(lián)系。它的任務(wù)就是接受來自與設(shè)備無關(guān)的上層軟件的抽象請(qǐng)求，進(jìn)行與設(shè)備有關(guān)的處理。

設(shè)備的IO方式：通道，使數(shù)據(jù)的傳輸獨(dú)立于CPU，CPU只須向通道發(fā)出IO命令，由通道完成IO任務(wù)后再向CPU發(fā)出中斷信號(hào)。

DMA是指數(shù)據(jù)在主存和IO設(shè)備之間直接傳送，CPU只需要在首尾做些處理。

緩沖技術(shù)：緩沖區(qū)技術(shù)可提高外設(shè)利用率，使外設(shè)盡可能處于忙狀態(tài)。分為硬件緩沖（由硬件寄存器實(shí)現(xiàn)）和軟件緩沖（由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)）。緩沖技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：可以緩和CPU與IO設(shè)備間速度不匹配的矛盾；減少CPU的中斷頻率，放寬對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)間的限制；提高CPU和IO設(shè)備之間的并行性。

21、Spooling技術(shù)

Spooling是外圍設(shè)備聯(lián)機(jī)操作的簡(jiǎn)稱，又稱為假脫機(jī)系統(tǒng)。Spooling實(shí)際上是用一類物理設(shè)備模擬另一類物理設(shè)備的技術(shù)，是使獨(dú)占使用的設(shè)備變成多臺(tái)虛擬設(shè)備的技術(shù)，是一種速度匹配技術(shù)。Spooling由預(yù)輸入程序、緩輸出程序、井管理程序、輸入井輸出井組成。Spooling系統(tǒng)中擁有一張作業(yè)表來登記進(jìn)入系統(tǒng)的所有作業(yè)的作業(yè)名、狀態(tài)、預(yù)輸入表位置等信息。每個(gè)作業(yè)擁有一張預(yù)輸入表來登記該作業(yè)的各個(gè)文件的情況，包括設(shè)備類、信息長(zhǎng)度及存放位置等。（包括圖）

輸入井中的作業(yè)有4種狀態(tài)：提交、后備、執(zhí)行、完成。

22、磁盤調(diào)度

分為移臂調(diào)度和旋轉(zhuǎn)調(diào)度兩種。并且是先進(jìn)行移臂調(diào)度，然后再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)度。因?yàn)樵L問磁盤最耗時(shí)的是尋道時(shí)間，所以磁盤調(diào)度的目標(biāo)是減少磁盤的平均尋道時(shí)間。磁盤驅(qū)動(dòng)調(diào)度，常用的磁盤調(diào)度算法有先來先服務(wù)FCFS、最短尋道時(shí)間SSTF、掃描算法SCAN（又稱為電梯調(diào)度算法）、單向掃描調(diào)度算法CSCAN、N-Step-SCAN算法（磁臂粘著）、FSCAN算法。

FCFS的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是平均尋道時(shí)間太長(zhǎng)；SSTF的優(yōu)點(diǎn)是每次的尋道時(shí)間最短，缺點(diǎn)是不能保證平均尋道時(shí)間最短，且有高度局部化的傾向，會(huì)推遲某些請(qǐng)求以致引起饑餓；SCAN的優(yōu)點(diǎn)是避免了饑餓現(xiàn)象，缺點(diǎn)是可能有個(gè)別請(qǐng)求被嚴(yán)重延遲；C-SCAN為的是避免SCAN的缺點(diǎn)旋轉(zhuǎn)調(diào)度算法，該算法用來計(jì)算，當(dāng)移動(dòng)臂定位后，有多個(gè)進(jìn)程等待訪問該柱面時(shí)，這些進(jìn)程的訪問順序。系統(tǒng)應(yīng)該選擇延遲時(shí)間最短的進(jìn)程對(duì)磁盤的扇區(qū)進(jìn)行訪問。

23、文件

具有符號(hào)名的、在邏輯上具有完整意義的一組相關(guān)信息項(xiàng)的集合。文件是一種抽象機(jī)制，它隱藏了硬件和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

文件管理系統(tǒng)：就是操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)文件統(tǒng)一管理的一組軟件和相關(guān)數(shù)據(jù)的集合，是專門負(fù)責(zé)管理和存取文件信息的軟件機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)稱文件系統(tǒng)。

文件系統(tǒng)的功能：按名存取、統(tǒng)一的用戶接口、并發(fā)訪問和控制、安全性控制、優(yōu)化性能、差錯(cuò)恢復(fù)。

文件的結(jié)構(gòu)和組織：文件的結(jié)構(gòu)是指文件的組織形式。從用戶的角度看到的文件組織形式稱為文件的邏輯結(jié)構(gòu)；從實(shí)現(xiàn)的角度看文件在存儲(chǔ)器上的存放方式，稱為文件的物理結(jié)構(gòu)。

文件的邏輯結(jié)構(gòu)分為2類：一是有結(jié)構(gòu)的記錄式文件；另一是無結(jié)構(gòu)的流式文件。文件的物理結(jié)構(gòu)，決定了文件的邏輯塊號(hào)到物理塊號(hào)的轉(zhuǎn)換方式。常見的物理結(jié)構(gòu)有：連續(xù)結(jié)構(gòu)（順序結(jié)構(gòu)）、鏈接結(jié)構(gòu)、索引結(jié)構(gòu)、多個(gè)物理塊的索引表（鏈接、多重索引表、unix的索引結(jié)構(gòu)）。索引順序文件既適合于交互方式應(yīng)用，也適合于批處理方式應(yīng)用。文件目錄，就是文件控制塊的有序集合。文件控制塊FCB是用于描述和控制文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。常見的目錄結(jié)構(gòu)有3種：一級(jí)目錄結(jié)構(gòu)，二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)，多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)。

文件的存取方法有順序和隨機(jī)兩種。磁盤分配表，就是外存進(jìn)行空間管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。常用的空閑空間管理方法：位示圖、空閑表法、空閑鏈表及成組鏈接法。

文件的使用：文件系統(tǒng)為每個(gè)文件與該文件在磁盤上的存放位置建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系。文件系統(tǒng)通過用戶給出的文件名查找對(duì)應(yīng)文件的存放位置并讀出內(nèi)容。在多用戶環(huán)境下，操作系統(tǒng)為每個(gè)文件建立和維護(hù)關(guān)于訪問權(quán)限等方面的信息。為此操作系統(tǒng)在操作級(jí)和編程級(jí)為用戶提供文件服務(wù)。

文件共享：是指不同用戶使用同一文件。有多種共享形式，采用文件名與文件說明分離的目錄結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)文件共享。在Unix系統(tǒng)中允許多用戶基于索引結(jié)點(diǎn)的共享，或利用符號(hào)鏈接共享同一個(gè)文件。基于索引結(jié)點(diǎn)的共享方式又有靜態(tài)共享和動(dòng)態(tài)共享兩種方式。這樣子，會(huì)在打開文件表、系統(tǒng)打開文件表、內(nèi)存i結(jié)點(diǎn)表及磁盤間形成一副關(guān)系圖。這種關(guān)系圖在輔導(dǎo)教材的155頁(yè)的幾個(gè)例子中有圖解，可以體味。符號(hào)鏈接會(huì)增加系統(tǒng)的讀盤次數(shù)，而硬鏈接的共享文件的目錄文件表目中已包括了共享文件的索引結(jié)點(diǎn)號(hào)。

文件保護(hù)：文件系統(tǒng)對(duì)文件的保護(hù)采用存取控制方式進(jìn)行。存取控制就是不同的用戶對(duì)文件的訪問規(guī)定不同的訪問權(quán)限。常用的存取控制方式有，存取控制矩陣、存取控制表、用戶權(quán)限表、密碼。存取控制矩陣，就是一個(gè)二維矩陣，一維列出全部用戶，另一維列出全部的文件，每個(gè)矩陣元素表示某個(gè)用戶對(duì)某個(gè)文件的存取權(quán)限。存取控