操作系統(tǒng)第七版第九章

操作系統(tǒng)第七版第九章進(jìn)程間通信同步與互斥調(diào)度與死鎖內(nèi)存管理文件系統(tǒng)設(shè)備管理進(jìn)程間通信01管道特點(diǎn)半雙工通信，數(shù)據(jù)只能單向流動；只能在具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間使用；單獨(dú)構(gòu)成一種獨(dú)立的文件系統(tǒng)，只存在于內(nèi)存中。使用方式使用pipe()函數(shù)創(chuàng)建管道，使用read()和write()函數(shù)進(jìn)行讀寫操作。管道類型匿名管道、命名管道（FIFO）管道

消息隊列消息隊列類型POSIX消息隊列、SystemV消息隊列消息隊列特點(diǎn)消息的發(fā)送者和接收者不需要建立連接；消息可以發(fā)送給多個接收者；消息可以保存在隊列中等待接收者接收。使用方式使用msgget()、msgsnd()、msgrcv()等函數(shù)進(jìn)行消息隊列的創(chuàng)建、發(fā)送和接收操作。二進(jìn)制信號量、計數(shù)信號量信號量類型信號量特點(diǎn)使用方式用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和互斥；信號量的值表示資源的可用數(shù)量。使用semget()、semop()等函數(shù)進(jìn)行信號量的創(chuàng)建、P操作和V操作。030201信號量共享內(nèi)存類型01匿名共享內(nèi)存、命名共享內(nèi)存共享內(nèi)存特點(diǎn)02多個進(jìn)程可以共享同一塊內(nèi)存空間；進(jìn)程間通信效率高，但需要處理好同步和互斥問題。使用方式03使用shmget()、shmat()、shmdt()等函數(shù)進(jìn)行共享內(nèi)存的創(chuàng)建、連接和斷開操作。同時，需要使用信號量等機(jī)制來保證對共享內(nèi)存的訪問同步和互斥。共享內(nèi)存同步與互斥02多個進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行時，訪問共享資源的那部分代碼被稱為臨界區(qū)。臨界區(qū)當(dāng)多個進(jìn)程同時進(jìn)入臨界區(qū)，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致或其他錯誤，因此需要一種機(jī)制來確保同一時刻只有一個進(jìn)程能夠進(jìn)入臨界區(qū)。臨界區(qū)問題臨界區(qū)問題一個整型變量，用于表示資源的可用數(shù)量。信號量的值通常只能由PV操作來改變。P操作表示申請資源，V操作表示釋放資源。通過PV操作可以實(shí)現(xiàn)對臨界區(qū)的同步與互斥訪問。信號量與PV操作PV操作信號量生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題生產(chǎn)者生產(chǎn)產(chǎn)品放入緩沖區(qū)，消費(fèi)者從緩沖區(qū)取出產(chǎn)品消費(fèi)。需要確保生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的同步，以避免生產(chǎn)者生產(chǎn)過快導(dǎo)致緩沖區(qū)溢出，或者消費(fèi)者消費(fèi)過慢導(dǎo)致緩沖區(qū)空。哲學(xué)家進(jìn)餐問題五個哲學(xué)家圍坐在一張圓桌旁，思考人生和享用美食。每個哲學(xué)家之間有一只筷子，當(dāng)一個哲學(xué)家想要吃飯時，他需要同時拿起左右兩只筷子。需要確保不會出現(xiàn)死鎖的情況，即所有哲學(xué)家都拿起左筷子等待右筷子。讀者-寫者問題多個讀者可以同時讀取數(shù)據(jù)，但只有一個寫者可以寫入數(shù)據(jù)。需要確保讀者和寫者之間的同步，以避免寫者在讀者讀取數(shù)據(jù)時修改數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。經(jīng)典同步問題兩個或兩個以上的進(jìn)程在執(zhí)行過程中，因爭奪資源而造成的一種互相等待的現(xiàn)象，若無外力作用，它們都將無法向前推進(jìn)。死鎖一個進(jìn)程長時間得不到運(yùn)行，即使它的優(yōu)先級很高且已經(jīng)等待了很長時間。這可能是由于其他低優(yōu)先級的進(jìn)程持續(xù)占用資源導(dǎo)致的。為了避免饑餓現(xiàn)象的發(fā)生，需要采用合適的調(diào)度算法和資源分配策略。饑餓死鎖與饑餓調(diào)度與死鎖03調(diào)度類型操作系統(tǒng)中的調(diào)度類型主要包括長期調(diào)度、中期調(diào)度和短期調(diào)度。長期調(diào)度決定哪些進(jìn)程可以進(jìn)入系統(tǒng)，中期調(diào)度負(fù)責(zé)將進(jìn)程從內(nèi)存移到外存，短期調(diào)度則決定下一個要執(zhí)行的進(jìn)程。調(diào)度算法常見的調(diào)度算法有先來先服務(wù)（FCFS）、短進(jìn)程優(yōu)先（SJF）、優(yōu)先級調(diào)度、輪轉(zhuǎn)法（RR）等。這些算法根據(jù)不同的原則，如進(jìn)程到達(dá)時間、執(zhí)行時間、優(yōu)先級等，來決定進(jìn)程的執(zhí)行順序。調(diào)度類型與算法多級隊列多級反饋隊列調(diào)度算法使用多個隊列來管理進(jìn)程，每個隊列具有不同的優(yōu)先級。進(jìn)程根據(jù)其行為和需要被分配到不同的隊列中。反饋機(jī)制算法根據(jù)進(jìn)程在系統(tǒng)中的表現(xiàn)和行為調(diào)整其優(yōu)先級。表現(xiàn)好的進(jìn)程可能會得到提升，而表現(xiàn)差的進(jìn)程可能會被降低優(yōu)先級。這種反饋機(jī)制使得算法能夠動態(tài)地適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)載的變化。多級反饋隊列調(diào)度通過破壞死鎖發(fā)生的必要條件來預(yù)防死鎖。例如，通過一次性申請所有資源來破壞“占有并等待”條件，或者通過順序分配資源來破壞“環(huán)路等待”條件。死鎖預(yù)防在資源分配前進(jìn)行判斷，僅當(dāng)分配不會導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入不安全狀態(tài)時才進(jìn)行分配。銀行家算法是一種典型的死鎖避免算法，它通過判斷系統(tǒng)是否處于安全狀態(tài)來決定是否分配資源。死鎖避免死鎖預(yù)防與避免死鎖檢測與恢復(fù)死鎖檢測通過定期運(yùn)行死鎖檢測算法來檢測系統(tǒng)中是否存在死鎖。常見的死鎖檢測算法有資源分配圖算法和等待超時檢測算法等。死鎖恢復(fù)當(dāng)檢測到死鎖時，需要采取措施來恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。常見的恢復(fù)策略包括終止并重啟進(jìn)程、回滾進(jìn)程到某個安全狀態(tài)、或者通過資源搶占來解除死鎖。內(nèi)存管理04連續(xù)分配方式為用戶進(jìn)程分配一個連續(xù)的內(nèi)存空間，包括單一連續(xù)分配、固定分區(qū)分配和動態(tài)分區(qū)分配。非連續(xù)分配方式允許一個程序分散地裝入到不相鄰的內(nèi)存分區(qū)中，包括基本分頁存儲管理、基本分段存儲管理和段頁式存儲管理。內(nèi)存分配方式基本原理將進(jìn)程的邏輯地址空間劃分為若干大小相等的片，稱為頁面；將物理內(nèi)存空間劃分為與頁面大小相等的塊，稱為物理塊或頁框。在為進(jìn)程分配內(nèi)存時，以塊為單位將進(jìn)程中的若干個頁分別裝入到多個可以不相鄰接的物理塊中。地址變換機(jī)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)從進(jìn)程的邏輯地址到物理地址的變換功能，在系統(tǒng)中必須設(shè)置地址變換機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的基本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。內(nèi)存分配采用分頁存儲管理時，內(nèi)存分配以頁面為單位進(jìn)行。系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程的大小和內(nèi)存空間的大小，將進(jìn)程的頁面分配到物理內(nèi)存的頁框中。分頁存儲管理要點(diǎn)三基本原理將進(jìn)程的地址空間劃分為若干個大小不等的段，每個段定義了一組邏輯信息。段的大小由相應(yīng)的邏輯信息組的長度決定，因而各段長度不等。整個主存空間劃分為大小不等的主存段，主存分配以段為單位。要點(diǎn)一要點(diǎn)二地址結(jié)構(gòu)段式管理的邏輯地址由兩部分組成，即段號和段內(nèi)地址（位移）。段號指出了該邏輯地址所在的段的位置，段內(nèi)地址指出了該邏輯地址在段內(nèi)的位置。內(nèi)存分配在分段式存儲管理中，內(nèi)存分配以段為單位進(jìn)行。每個段在內(nèi)存中占據(jù)連續(xù)的空間，但各段之間可以不相鄰。要點(diǎn)三分段存儲管理VS結(jié)合了分頁和分段兩種存儲管理方式的優(yōu)點(diǎn)。在段頁式系統(tǒng)中，作業(yè)的地址空間首先被分成若干個邏輯分段，每段都有自己的段號，然后再將每一段分成若干個大小固定的頁。對于主存空間也進(jìn)行同樣的劃分，即物理主存被分成大小相等的頁，主存的分配和回收以頁為基本單位。內(nèi)存分配在段頁式系統(tǒng)中，內(nèi)存的分配和回收以頁為單位進(jìn)行。系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程的需要為其分配足夠的內(nèi)存頁面，同時記錄每個頁面的使用情況。當(dāng)進(jìn)程不再需要某個頁面時，系統(tǒng)可以將其回收并重新分配給其他進(jìn)程使用?；驹矶雾撌酱鎯芾砦募到y(tǒng)05目錄結(jié)構(gòu)目錄（也稱為文件夾）用于組織和存儲文件，形成層次化的文件結(jié)構(gòu)。常見的目錄結(jié)構(gòu)有樹形結(jié)構(gòu)、圖形結(jié)構(gòu)等。文件概念文件是操作系統(tǒng)中用于存儲數(shù)據(jù)的基本單位，通常包括文本、圖像、音頻、視頻等多種形式。路徑與命名文件的路徑描述了文件在目錄結(jié)構(gòu)中的位置，而文件名則用于唯一標(biāo)識一個文件。操作系統(tǒng)通常提供了一套命名規(guī)則和路徑訪問機(jī)制。文件與目錄結(jié)構(gòu)多個用戶或進(jìn)程可以同時訪問同一個文件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。操作系統(tǒng)需要提供相應(yīng)的同步和并發(fā)控制機(jī)制，以確保數(shù)據(jù)的一致性和完整性。文件共享為了防止未經(jīng)授權(quán)的用戶或進(jìn)程訪問文件，操作系統(tǒng)需要提供文件保護(hù)機(jī)制，如訪問控制列表（ACL）、加密等。文件保護(hù)操作系統(tǒng)通過權(quán)限管理來控制用戶對文件的訪問和操作權(quán)限，如讀、寫、執(zhí)行等。權(quán)限可以基于用戶身份、角色或組來分配。權(quán)限管理文件共享與保護(hù)索引訪問索引訪問通過建立文件的索引表來提高文件訪問效率。索引表包含了文件中關(guān)鍵數(shù)據(jù)的位置信息，可以快速定位到所需數(shù)據(jù)。文件操作操作系統(tǒng)提供了一組文件操作接口，如創(chuàng)建、打開、讀取、寫入、關(guān)閉和刪除文件等。這些操作可以通過系統(tǒng)調(diào)用或庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。順序訪問順序訪問是一種按照文件中數(shù)據(jù)的物理順序進(jìn)行訪問的方法。它通常用于處理大型文本文件或流式數(shù)據(jù)。隨機(jī)訪問隨機(jī)訪問允許用戶直接跳轉(zhuǎn)到文件的任意位置進(jìn)行讀寫操作。這種訪問方式對于需要頻繁訪問不同位置的數(shù)據(jù)非常有效。文件操作與訪問方法第二季度第一季度第四季度第三季度緩存技術(shù)并發(fā)控制磁盤調(diào)度算法文件預(yù)讀和寫后讀文件系統(tǒng)性能優(yōu)化通過緩存技術(shù)，將頻繁訪問的文件數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中，以減少磁盤I/O操作，提高文件訪問速度。采用并發(fā)控制技術(shù)，允許多個用戶或進(jìn)程同時訪問文件系統(tǒng)，提高系統(tǒng)吞吐量和響應(yīng)速度。優(yōu)化磁盤調(diào)度算法可以減少磁盤尋道時間和旋轉(zhuǎn)延遲，從而提高文件系統(tǒng)的性能。通過預(yù)測用戶可能訪問的文件數(shù)據(jù)，提前將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存或緩存中，以加快后續(xù)訪問速度。同時，在寫入操作完成后，立即讀取相關(guān)數(shù)據(jù)以確保數(shù)據(jù)一致性。設(shè)備管理0603設(shè)備驅(qū)動程序接口的作用使得設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)更加標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，降低了開發(fā)難度和成本，提高了設(shè)備的兼容性和可移植性。01設(shè)備驅(qū)動程序連接設(shè)備硬件和操作系統(tǒng)內(nèi)核的軟件模塊，提供對設(shè)備的控制和管理功能。02設(shè)備驅(qū)動程序接口定義了一組標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核之間的通信和交互。設(shè)備驅(qū)動程序接口中斷處理與設(shè)備服務(wù)例程實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的中斷處理和服務(wù)的自動化，提高了操作系統(tǒng)的響應(yīng)速度和設(shè)備的運(yùn)行效率。中斷處理與設(shè)備服務(wù)例程的作用當(dāng)設(shè)備完成一項操作或發(fā)生錯誤時，通過中斷機(jī)制通知操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行相應(yīng)的處理。中斷處理操作系統(tǒng)內(nèi)核中用于處理設(shè)備中斷的一組例程，包括識別中斷類型、保存現(xiàn)場、調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序處理中斷、恢復(fù)現(xiàn)場等步驟。設(shè)備服務(wù)例程設(shè)備獨(dú)立性在應(yīng)用程序中使用邏輯設(shè)備名而非物理設(shè)備名來訪問設(shè)備，使得應(yīng)用程序與具體設(shè)備無關(guān)，提高了程序的可移植性和設(shè)備的可替換性。在操作系統(tǒng)中引入設(shè)備獨(dú)立性軟件層，將應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備的訪問請求轉(zhuǎn)換為對邏輯設(shè)備的訪問請求，再由設(shè)備獨(dú)立性軟件層將邏輯設(shè)備請求映射到具體的物理設(shè)備上。實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的抽象化和邏輯化，使得應(yīng)用程序可以更加方便地使用各種設(shè)備，同時也降低了設(shè)備更換和維護(hù)的