考研計(jì)算機(jī)專業(yè)課強(qiáng)化班《操作系統(tǒng)》《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》《計(jì)算機(jī)組成原理》

-PAGE156--PAGE157-《操作系統(tǒng)》第一章操作系統(tǒng)概述1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)和作用1.1.1操作系統(tǒng)的目標(biāo)目標(biāo)：1.方便性。不需要人人都是程序員2.有效性。工作協(xié)調(diào)高效3.可擴(kuò)充性。各自獨(dú)立發(fā)展4.開放性。移植和互操作1.1.2操作系統(tǒng)的作用1.OS作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口OS處于用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間，用戶通過OS來使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。（從用戶角度來看，來操縱計(jì)算機(jī)。）(1)命令輸入。形式又分為以下幾種：命令行（CommandLineInput）：由OS提供的一組聯(lián)機(jī)命令（語言），用戶可通過鍵盤輸入有關(guān)命令，來直接操縱計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。圖形用戶界面（GUI）：用戶通過顯示設(shè)備上的窗口和圖標(biāo)來操縱計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和運(yùn)行自己的程序。自然輸入方式（NUI）：用戶通過語音識別輸入來操縱計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和運(yùn)行自己的程序。(2)系統(tǒng)調(diào)用方式（SystemCall）。OS提供了一組系統(tǒng)調(diào)用，用戶可在自己的應(yīng)用程序中通過相應(yīng)的使用編程調(diào)用API1.1.3推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?.不斷提高計(jì)算機(jī)資源利用率2.方便用戶3.器件的不斷更新?lián)Q代4.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展用戶的需求是推動(dòng)OS發(fā)展的根本動(dòng)力2.OS作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通常都含有各種各樣的硬件和軟件資源。需要空間和時(shí)間來使用這些資源，OS合理調(diào)配和使用。（這是從管理者的角度來看）3.OS用作擴(kuò)展機(jī)、虛擬機(jī)隱藏了計(jì)算機(jī)具體細(xì)節(jié)，為用戶展現(xiàn)的是一臺(tái)虛擬機(jī)，功能上擴(kuò)展了幾個(gè)功能部件的組合。（這是從發(fā)展的角度來看）Government1.2操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.2.1無操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.人工操作方式從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC誕生(1945年2月)到50年代中期的計(jì)算機(jī)，屬于第一代。這種人工操作方式有以下兩方面的缺點(diǎn)：(1)用戶獨(dú)占全機(jī)。(2)CPU等待人工操作。2.脫機(jī)輸入/輸出(Off-LineI/O)方式這種脫機(jī)I/O方式的主要優(yōu)點(diǎn)如下：(1)減少了CPU的空閑時(shí)間。(2)提高I/O速度。

1.2.2單道批處理系統(tǒng)1.單道批處理系統(tǒng)(SimpleBatchProcessingSystem)的處理過程2.單道批處理系統(tǒng)的特征該系統(tǒng)的主要特征如下：(1)自動(dòng)性。(2)順序性。(3)單道性。1.2.3多道批處理系統(tǒng)1.多道程序設(shè)計(jì)的基本概念多道批處理系統(tǒng)(MultiprogrammedBatchProcessingSystem)。在該系統(tǒng)中，用戶所提交的作業(yè)都先存放在外存上并排成一個(gè)隊(duì)列，稱為后備隊(duì)列；然后，由作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法從后備隊(duì)列中選擇若干個(gè)作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，使它們共享CPU和系統(tǒng)中的各種資源。這種調(diào)度稱之為作業(yè)調(diào)度。1.2.4分時(shí)系統(tǒng)1.分時(shí)系統(tǒng)(TimeSharingSystem)的產(chǎn)生如果說，推動(dòng)多道批處理系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，是提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，那么，推動(dòng)分時(shí)系統(tǒng)形成和發(fā)展的主要?jiǎng)恿Γ瑒t是用戶的需求。用戶的需求具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)人機(jī)交互。(2)共享主機(jī)。(3)便于用戶上機(jī)。2.分時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵問題分時(shí)系統(tǒng)性能好壞的主要指標(biāo)是響應(yīng)時(shí)間。(1)及時(shí)接收。(2)及時(shí)處理。(3)符合使用習(xí)慣。在OS中引入多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)可帶來以下好處：(1)提高CPU的利用率。(2)可提高內(nèi)存和I/O設(shè)備利用率。(3)增加系統(tǒng)吞吐量。2.多道批處理系統(tǒng)的特征(1)多道性。(2)無序性。(3)調(diào)度性。3.多道批處理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)(1)資源利用率高。(2)系統(tǒng)吞吐量大。(3)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間長。(4)無交互能力。4.多道批處理系統(tǒng)需要解決的問題(1)處理機(jī)管理問題。(2)內(nèi)存管理問題。(3)I/O設(shè)備管理問題。(4)文件管理問題。(5)作業(yè)管理問題。3.分時(shí)系統(tǒng)的特征(1)多路性。(2)獨(dú)立性。(3)及時(shí)性。(4)交互性。1.2.5實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)(Real-TimeSystem)是指系統(tǒng)能及時(shí)(或即時(shí))響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的間內(nèi)完成對該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。1.3操作系統(tǒng)的基本特性1.3.1并發(fā)(Concurrence)并行性和并發(fā)性是既相似又有區(qū)別的兩個(gè)概念，并行性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生；而并發(fā)性是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。最基本的特征！1.3.2共享(Sharing)在操作系統(tǒng)環(huán)境下，所謂共享是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程(線程)共同使用。1.3.3虛擬(Virtual)操作系統(tǒng)中的所謂虛擬，是指通過某種技術(shù)把一個(gè)物理實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對應(yīng)物。1.3.4異步性(Asynchronism)在多道程序環(huán)境下，多個(gè)進(jìn)程是以停停走走的方式運(yùn)行。失去封閉性第二章進(jìn)程管理2.1進(jìn)程的基本概念2.1.1程序的順序執(zhí)行及其特征2.1.2前趨圖前趨圖(PrecedenceGraph)是一個(gè)有向無循環(huán)圖，記為DAG(DirectedAcyclicGraph)，用于描述進(jìn)程之間執(zhí)行的前后關(guān)系。2.1.3程序的并發(fā)執(zhí)行及其特征2.1.4進(jìn)程的特征與狀態(tài)OneprogramwhichhasanindependentfunctionworksoncertaindatasetdynamicallyandallocateresourcesdynamicallyWhatisaprocess?一個(gè)具有一定獨(dú)立功能的程序?qū)δ硞€(gè)數(shù)據(jù)集合上的一次動(dòng)態(tài)執(zhí)行過程和資源分配過程Code，Data，ProcessTableTheDifferenceBetweenProcessandProgramProcessisdynamic,andtheprogramisstaticProcessistemporary,theprogramispermanenceTheelementsofprocessandprogramisdifferentCodeData–PTTherelationshipsofprocessandprogramarecomplexCreateSystemcall2.進(jìn)程的三種基本狀態(tài)1)就緒(Ready)狀態(tài)2)執(zhí)行狀態(tài)3)阻塞狀態(tài)2.1.5進(jìn)程控制塊1.進(jìn)程控制塊的作用進(jìn)程控制塊的作用是記錄一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的進(jìn)程的基本信息?；蛘哒f，OS是根據(jù)PCB來對并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程進(jìn)行控制和管理的。2.進(jìn)程控制塊中的信息3.進(jìn)程控制塊的組織方式1)鏈接方式2)索引方式2.2進(jìn)程控制2.2.1進(jìn)程的創(chuàng)建(1)用戶登錄。(2)作業(yè)調(diào)度。(3)提供服務(wù)。(4)應(yīng)用請求。(1)申請空白PCB。(2)為新進(jìn)程分配資源。(3)初始化進(jìn)程控制塊。(4)將新進(jìn)程插入就緒隊(duì)列，如果進(jìn)程就緒隊(duì)列能夠接納新進(jìn)程，便將新進(jìn)程插入就緒隊(duì)列。2.進(jìn)程的終止過程(1)根據(jù)被終止進(jìn)程的標(biāo)識符，從PCB集合中檢索出該進(jìn)程的PCB，從中讀出該進(jìn)程的狀態(tài)。(2)若被終止進(jìn)程正處于執(zhí)行狀態(tài)，應(yīng)立即終止該進(jìn)程的執(zhí)行，并置調(diào)度標(biāo)志為真，用于指示該進(jìn)程被終止后應(yīng)重新進(jìn)行調(diào)度。(3)若該進(jìn)程還有子孫進(jìn)程，還應(yīng)將其所有子孫進(jìn)程予以終止，以防他們成為不可控的進(jìn)程。(4)將被終止進(jìn)程所擁有的全部資源，或者歸還給其父進(jìn)程，或者歸還給系統(tǒng)。(5)將被終止進(jìn)程(它的PCB)從所在隊(duì)列(或鏈表)中移出，等待其他程序來搜集信息。2.2.2進(jìn)程的終止1)正常結(jié)束（自愿的）2)異常結(jié)束普通錯(cuò)誤退出（自愿的）致命錯(cuò)誤退出（非自愿的）3)外界干預(yù)（非自愿的）2.2.3進(jìn)程的阻塞與喚醒1.引起進(jìn)程阻塞和喚醒的事件1)請求系統(tǒng)服務(wù)2)啟動(dòng)某種操作3)新數(shù)據(jù)尚未到達(dá)4)無新工作可做2.2.4進(jìn)程的掛起與激活2.3進(jìn)程同步2.3.1進(jìn)程同步的基本概念1.兩種形式的制約關(guān)系(1)間接相互制約關(guān)系。(2)直接相互制約關(guān)系。2.臨界資源(CriticalResource)3.臨界區(qū)(criticalsection)一個(gè)飛機(jī)訂票系統(tǒng)，兩個(gè)終端，運(yùn)行T1、T2進(jìn)程T1：……read(x);ifx>=1thenx:=x-1;write(x);……T2：……read(x);ifx>=1thenx:=x-1;write(x);……CriticalRegionsComingdatablocksSynchronization4.同步機(jī)制應(yīng)遵循的規(guī)則(1)空閑讓進(jìn)。(2)忙則等待。(3)有限等待。(4)讓權(quán)等待。(Peterson’sAlgorithm)：先修改、后檢查、后修改者等待正確的算法turn=j;描述可進(jìn)入的進(jìn)程（同時(shí)修改標(biāo)志時(shí)）在進(jìn)入?yún)^(qū)先修改后檢查，并檢查并發(fā)修改的先后：檢查對方flag，如果不在臨界區(qū)則自己進(jìn)入－－空閑則入否則再檢查turn：保存的是較晚的一次賦值，則較晚的進(jìn)程等待，較早的進(jìn)程進(jìn)入－－先到先入，后到等待MutualExclusionwithBusyWaitingEnteringandleavingacriticalregionusingtheTSLinstructionSleepandWakeupProducer-consumerproblemwithfatalracecondition2.3.2信號量機(jī)制1.整型信號量最初由Dijkstra把整型信號量定義為一個(gè)整型量，僅能通過初始化和兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的原子操作(AtomicOperation)wait(S)和signal(S)來訪問。兩個(gè)操作被分別稱為P、V操作(primitive)。wait(S):whileS≤0donoopS∶=S-1;signal(S):S∶=S+1;2.記錄型信號量在整型信號量機(jī)制中的wait操作，只要是信號量S≤0，就會(huì)不斷地測試。因此，該機(jī)制并未遵循讓權(quán)等待的準(zhǔn)則，而是使進(jìn)程處于忙等的狀態(tài)。記錄型信號量機(jī)制，則是一種不存在忙等現(xiàn)象的進(jìn)程同步機(jī)制。但在采取了讓權(quán)等待的策略后，又會(huì)出現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程等待訪問同一臨界資源的情況。為此，在信號量機(jī)制中，除了需要一個(gè)用于代表資源數(shù)目的整型變量value外，還應(yīng)增加一個(gè)進(jìn)程鏈表L，用于鏈接上述的所有等待進(jìn)程。記錄型信號量是由于它采用了記錄型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而得名的。P原語wait(s);down(s);P(s)--s.count;//表示申請一個(gè)資源;if(s.count<0)//表示沒有空閑資源;{調(diào)用進(jìn)程進(jìn)入等待隊(duì)列s.queue;阻塞調(diào)用進(jìn)程;}V原語signal(s);up(s);V(s)++s.count;//表示釋放一個(gè)資源；if(s.count<=0)//表示有進(jìn)程處于阻塞狀態(tài)；{從等待隊(duì)列s.queue中取出一個(gè)進(jìn)程P;進(jìn)程P進(jìn)入就緒隊(duì)列;}SemaphoresTheproducer-consumerproblemusingsemaphoresMonitorsExampleofamonitor2.4經(jīng)典進(jìn)程的同步問題2.4.1生產(chǎn)者消費(fèi)者問題1.利用記錄型信號量解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問題DiningPhilosophersPhilosopherseat/thinkEatingneeds2forksPickoneforkatatimeHowtopreventdeadlock2.4.2哲學(xué)家進(jìn)餐問題讓奇數(shù)號的哲學(xué)家先取右手邊的筷子，讓偶數(shù)號的哲學(xué)家先取左手邊的筷子。send(i)beginifimod2=0thenelse{{P(c[i]);P(c[i+1mod5]);P(c[i+1mod5]);P(c[i]);eat;eat;V(c[i+1mod5]);V(c[i]);V(c[i]);V(c[i+1mod5]);}}end2.4.3讀者寫者問題讀者-寫者問題描述TheReadersandWritersProblem1.利用記錄型信號量解決讀者寫者問題

TheSleepingBarberProblemTheSleepingBarberProblemSolutiontosleepingbarberproblemSharedmemory(共享內(nèi)存)Message(消息機(jī)制)Pipe(管道)Signal(信號)Socket(套接字)InterprocessCommunication2.5進(jìn)程通信2.5.1進(jìn)程通信的類型1.共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)(SharedMemorySystem)(1)基于共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的通信方式。(2)基于共享存儲(chǔ)區(qū)的通信方式。2.消息傳遞系統(tǒng)(Messagepassingsystem)在消息傳遞系統(tǒng)中，進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換，是以格式化的消息(message)為單位的；在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，又把message稱為報(bào)文。程序員直接利用系統(tǒng)提供的一組通信命令(原語)進(jìn)行通信。3.管道(Pipe)通信管道是指用于連接一個(gè)讀進(jìn)程和一個(gè)寫進(jìn)程以實(shí)現(xiàn)他們之間通信的一個(gè)共享文件，又名pipe文件。這種方式首創(chuàng)于UNIX系統(tǒng)，由于它能有效地傳送大量數(shù)據(jù)，因而又被引入到許多其它操作系統(tǒng)中。2.5.2消息傳遞通信的實(shí)現(xiàn)方法1.直接通信方式通信命令(原語)：Send(Receiver,message);發(fā)送一個(gè)消息給接收進(jìn)程；Receive(Sender,message);接收Sender發(fā)來的消息；例如，原語Send(P2,m1)表示將消息m1發(fā)送給接收進(jìn)程P2;而原語Receive(P1，m1)則表示接收由P1發(fā)來的消息m1。不指定發(fā)送者的接收原語可表示為：Receive(id,message);利用直接通信原語，解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問題。repeat…produceaniteminnextp;…send(consumer,nextp);untilfalse;repeatreceive(producer,nextc);…consumetheiteminnextc;untilfalse;MessagePassing.Theproducer-consumerproblemwithNmessages2.間接通信方式(1)信箱的創(chuàng)建和撤消。(2)消息的發(fā)送和接收。Send(mailbox,message);將一個(gè)消息發(fā)送到指定信箱；Receive(mailbox,message);從指定信箱中接收一個(gè)消息；3.進(jìn)程同步方式(1)發(fā)送進(jìn)程阻塞、接收進(jìn)程阻塞。(2)發(fā)送進(jìn)程不阻塞、接收進(jìn)程阻塞。(3)發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程均不阻塞。2.6線程2.6.1線程的基本概念為使程序能并發(fā)執(zhí)行，系統(tǒng)還必須進(jìn)行以下的一系列操作。1)創(chuàng)建進(jìn)程2)撤消進(jìn)程3)進(jìn)程切換1.線程的引入TheThreadModel(a)Threeprocesseseachwithonethread(b)OneprocesswiththreethreadsForExampleTheThreadModelEachthreadhasitsownstack2.線程的屬性(1)輕型實(shí)體（容易創(chuàng)建和撤銷）。(2)獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位。(3)可并發(fā)執(zhí)行。(4)共享進(jìn)程資源。(5)適應(yīng)硬件的發(fā)展TheThreadModelItemssharedbyallthreadsinaprocessItemsprivatetoeachthread

3.線程的狀態(tài)(1)狀態(tài)參數(shù)。(2)線程運(yùn)行狀態(tài)。5.多線程OS中的進(jìn)程在多線程OS中，進(jìn)程是作為擁有系統(tǒng)資源的基本單位，通常的進(jìn)程都包含多個(gè)線程并為它們提供資源，但此時(shí)的進(jìn)程就不再作為一個(gè)執(zhí)行的實(shí)體。多線程OS中的進(jìn)程有以下屬性：(1)作為系統(tǒng)資源分配的單位。(2)可包括多個(gè)線程。(3)進(jìn)程不是一個(gè)可執(zhí)行的實(shí)體。4.線程的創(chuàng)建和終止在多線程OS環(huán)境下，應(yīng)用程序在啟動(dòng)時(shí)，通常僅有一個(gè)線程在執(zhí)行，該線程被人們稱為初始化線程。它可根據(jù)需要再去創(chuàng)建若干個(gè)線程。終止線程的方式有兩種：一種是在線程完成了自己的工作后自愿退出；另一種是線程在運(yùn)行中出現(xiàn)錯(cuò)誤或由于某種原因而被其它線程強(qiáng)行終止。2.6.2線程間的同步和通信1.互斥鎖(mutex)互斥鎖是一種比較簡單的、用于實(shí)現(xiàn)線程間對資源互斥訪問的機(jī)制。2.條件變量Useofabarrierprocessesapproachingabarrierallprocessesbutoneblockedatbarrierlastprocessarrives,allareletthrough2.6.3內(nèi)核支持線程和用戶級線程1.內(nèi)核支持線程這里所謂的內(nèi)核支持線程，也都同樣是在內(nèi)核的支持下運(yùn)行的，即無論是用戶進(jìn)程中的線程，還是系統(tǒng)進(jìn)程中的線程，他們的創(chuàng)建、撤消和切換等，也是依靠內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的。此外，在內(nèi)核空間還為每一個(gè)內(nèi)核支持線程設(shè)置了一個(gè)線程控制塊，內(nèi)核是根據(jù)該控制塊而感知某線程的存在的，并對其加以控制。ImplementingThreadsintheKernelAthreadspackagemanagedbythekernel2.用戶級線程用戶級線程僅存在于用戶空間中。對于這種線程的創(chuàng)建、撤消、線程之間的同步與通信等功能，都無須利用系統(tǒng)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。對于用戶級線程的切換，通常是發(fā)生在一個(gè)應(yīng)用進(jìn)程的諸多線程之間，這時(shí)，也同樣無須內(nèi)核的支持。由于切換的規(guī)則遠(yuǎn)比進(jìn)程調(diào)度和切換的規(guī)則簡單，因而使線程的切換速度特別快?？梢?，這種線程是與內(nèi)核無關(guān)的。ImplementingThreadsinUserSpaceAuser-levelthreadspackageHybridImplementationsMultiplexinguser-levelthreadsontokernel-levelthreadsTheMultithreadingRevolution第三章處理機(jī)調(diào)度與死鎖3.1處理機(jī)調(diào)度的基本概念BurstsofCPUusagealternatewithperiodsofI/OwaitaCPU-boundprocessanI/O-boundprocessSchedulingAlgorithmGoals3.1.1高級、中級和低級調(diào)度ThreelevelschedulingFCFSSJFHRFSRFFCFSSPFRRPS1.高級調(diào)度(HighScheduling)宏觀調(diào)度在每次執(zhí)行作業(yè)調(diào)度時(shí)，都須做出以下兩個(gè)決定。1)接納多少個(gè)作業(yè)?2)接納哪些作業(yè)?2.低級調(diào)度(LowLevelScheduling)微觀調(diào)度1)非搶占方式(Non-preemptiveMode)優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡單、系統(tǒng)開銷小。調(diào)度時(shí)機(jī)：①正在執(zhí)行的進(jìn)程執(zhí)行完畢退出②發(fā)生某事件而被阻塞（外部原因）③執(zhí)行中的進(jìn)程提出阻塞請求（自我原因）2)搶占方式(PreemptiveMode)優(yōu)點(diǎn)：處理及時(shí)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜搶占的時(shí)機(jī)：①具有搶先權(quán)的進(jìn)程創(chuàng)建就緒②具有搶先權(quán)的進(jìn)程被喚醒進(jìn)入就緒③具有搶先權(quán)的進(jìn)程從掛起進(jìn)入就緒3.中級調(diào)度(Intermediate-LevelScheduling)中程調(diào)度引入中級調(diào)度的主要目的，是為了提高內(nèi)存利用率和系統(tǒng)吞吐量。中級調(diào)度的算法主要由內(nèi)存管理來實(shí)現(xiàn)，與高級調(diào)度和低級調(diào)度的算法不同。3.1.2調(diào)度隊(duì)列模型1.僅有進(jìn)程調(diào)度的調(diào)度隊(duì)列模型2.具有高級和低級調(diào)度的調(diào)度隊(duì)列模型3.同時(shí)具有三級調(diào)度的調(diào)度隊(duì)列模型3.1.3選擇調(diào)度方式和調(diào)度算法的若干準(zhǔn)則1.面向用戶的準(zhǔn)則(1)周轉(zhuǎn)時(shí)間短（批處理）平均周轉(zhuǎn)時(shí)間帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間WT/TS而平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間(2)響應(yīng)時(shí)間快（交互式系統(tǒng)）(3)截止時(shí)間的保證（實(shí)時(shí)系統(tǒng)）(4)優(yōu)先權(quán)準(zhǔn)則（特權(quán)處理）2.面向系統(tǒng)的準(zhǔn)則(1)系統(tǒng)吞吐量高（批處理）(2)處理機(jī)利用率好（所有的）(3)各類資源的平衡利用（所有的）符合習(xí)慣思維（交互式）具有前瞻預(yù)測（實(shí)時(shí)系統(tǒng)）3.2調(diào)度算法3.2.1先來先服務(wù)和短作業(yè)(進(jìn)程)優(yōu)先調(diào)度算法1.先來先服務(wù)調(diào)度算法2.短作業(yè)(進(jìn)程)優(yōu)先調(diào)度算法FCFS的特點(diǎn)比較有利于長作業(yè)，而不利于短作業(yè)。有利于CPU繁忙的作業(yè)，而不利于I/O繁忙的作業(yè)。SJF的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：比FCFS改善平均周轉(zhuǎn)時(shí)間和平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間，縮短作業(yè)的等待時(shí)間；提高系統(tǒng)的吞吐量；缺點(diǎn)：對長作業(yè)非常不利，可能長時(shí)間得不到執(zhí)行；未能依據(jù)作業(yè)的緊迫程度來劃分執(zhí)行的優(yōu)先級；難以準(zhǔn)確估計(jì)作業(yè)（進(jìn)程）的執(zhí)行時(shí)間，從而影響調(diào)度性能。SJF的變型.“最短剩余時(shí)間優(yōu)先”SRT(ShortestRemainingTime)允許比當(dāng)前進(jìn)程剩余時(shí)間更短的進(jìn)程來搶占.“最高響應(yīng)比優(yōu)先”HRRN(HighestResponseRatioNext)響應(yīng)比R=(等待時(shí)間+要求執(zhí)行時(shí)間)/要求執(zhí)行時(shí)間是FCFS和SJF的折衷3.2.2高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先調(diào)度算法1.優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法的類型1)非搶占式優(yōu)先權(quán)算法2)搶占式優(yōu)先權(quán)調(diào)度算法2.優(yōu)先權(quán)的類型1)靜態(tài)優(yōu)先級創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)就確定，直到進(jìn)程終止前都不改變。通常是一個(gè)整數(shù)。依據(jù)：進(jìn)程類型（系統(tǒng)進(jìn)程優(yōu)先級較高）對資源的需求（對CPU和內(nèi)存需求較少的進(jìn)程，優(yōu)先級較高）用戶要求（緊迫程度和付費(fèi)多少）2)動(dòng)態(tài)優(yōu)先權(quán)在創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)賦予的優(yōu)先級，在進(jìn)程運(yùn)行過程中可以自動(dòng)改變，以便獲得更好的調(diào)度性能.在就緒隊(duì)列中，等待時(shí)間延長則優(yōu)先級提高，從而使優(yōu)先級較低的進(jìn)程在等待足夠的時(shí)間后，其優(yōu)先級提高到可被調(diào)度執(zhí)行進(jìn)程每執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片，就降低其優(yōu)先級，從而一個(gè)進(jìn)程持續(xù)執(zhí)行時(shí)，其優(yōu)先級降低到出讓CPU3.高響應(yīng)比優(yōu)先調(diào)度算法3.2.3基于時(shí)間片的輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法1.時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法RoundRobinSchedulinglistofrunnableprocesseslistofrunnableprocessesafterBusesupitsquantum2.多級反饋隊(duì)列調(diào)度算法(RoundRobinwithMultipleFeedback)多級反饋隊(duì)列算法是時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法和優(yōu)先級算法的綜合和發(fā)展。優(yōu)點(diǎn)：為提高系統(tǒng)吞吐量和縮短平均周轉(zhuǎn)時(shí)間而照顧短進(jìn)程為獲得較好的I/O設(shè)備利用率和縮短響應(yīng)時(shí)間而照顧I/O型進(jìn)程不必估計(jì)進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)AschedulingalgorithmwithfourpriorityclassesPS3.多級反饋隊(duì)列調(diào)度算法的性能(1)終端型作業(yè)用戶。(2)短批處理作業(yè)用戶。(3)長批處理作業(yè)用戶。3.2a實(shí)時(shí)調(diào)度Schedulablereal-timesystem.GivenmperiodiceventseventioccurswithinperiodPiandrequiresCisecondsThentheloadcanonlybehandledifWewilldiscussinthemultimediaOS

3.3產(chǎn)生死鎖的原因和必要條件3.3.1產(chǎn)生死鎖的原因(1)互斥資源分配不當(dāng)(2)進(jìn)程間推進(jìn)順序不當(dāng)1.競爭資源引起進(jìn)程死鎖1)可剝奪和非剝奪性資源2)競爭非剝奪性資源3)競爭臨時(shí)性資源ResourcesExamplesofcomputerresources–printerstapedrives–tablesProcessesneedaccesstoresourcesinreasonableorderSupposeaprocessholdsresourceAandrequestsresourceBatsametimeanotherprocessholdsBandrequestsAbothareblockedandremainsoResourcesResourcesResourcesTwoprocessresourcetrajectories2.進(jìn)程推進(jìn)順序不當(dāng)引起死鎖IntroductiontoDeadlocksFormaldefinition:AsetofprocessesisdeadlockedifeachprocessinthesetiswaitingforaneventthatonlyanotherprocessinthesetcancauseUsuallytheeventisreleaseofacurrentlyheldresourceNoneoftheprocessescan…–runreleaseresourcesbeawakened3.3.2產(chǎn)生死鎖的四個(gè)必要條件(1)互斥條件(2)請求和保持條件(3)不剝奪條件(4)環(huán)路等待條件3.3.3處理死鎖的基本方法(1)忽略死鎖(2)檢測和解除死鎖(3)避免死鎖(4)預(yù)防死鎖3.4解決死鎖的方法3.4.1忽略死鎖1.鴕鳥算法死鎖發(fā)生的概率小解決死鎖的代價(jià)太大3.4.2死鎖的檢測與解除死鎖的檢測1.資源分配圖(ResourceAllocationGraph)DetectionwithOneResourceofEachTypeNotetheresourceownershipandrequestsAcyclecanbefoundwithinthegraph,denotingdeadlockT2.死鎖定理3.死鎖檢測中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)DetectionwithMultipleResourceofEachTypeAnexampleforthedeadlockdetectionalgorithm死鎖的解除(1)剝奪資源(2)回溯到還原點(diǎn)(3)撤消進(jìn)程(4)重起系統(tǒng)3.4.3死鎖的避免.安全和不安全狀態(tài)安全狀態(tài)之例：假定系統(tǒng)中有三個(gè)進(jìn)程P1、P2和P3，共有12臺(tái)磁帶機(jī)。進(jìn)程P1總共要求10臺(tái)磁帶機(jī)，P2和P3分別要求4臺(tái)和9臺(tái)。假設(shè)在T0時(shí)刻，進(jìn)程P1、P2和P3已分別獲得5臺(tái)、2臺(tái)和2臺(tái)磁帶機(jī)，尚有3臺(tái)空閑未分配，如下表所示：進(jìn)程最大需求已分配可用P1P2P310495223利用銀行家算法避免死鎖一個(gè)銀行家把他的固定資金（capital）貸給若干顧客。只要不出現(xiàn)一個(gè)顧客借走所有資金后還不夠，銀行家的資金應(yīng)是安全的。銀行家需一個(gè)算法保證借出去的資金在有限時(shí)間內(nèi)可收回。3.4.4預(yù)防死鎖1.摒棄互斥條件2.摒棄“請求和保持”條件3.摒棄“不剝奪”條件4.摒棄“環(huán)路等待”AttackingtheMutualExclusionConditionSomedevices(suchasprinter)canbespooledonlytheprinterdaemonusesprinterresourcethusdeadlockforprintereliminatedNotalldevicescanbespooledPCB,HD.Principle:avoidassigningresourcewhennotabsolutelynecessaryasfewprocessesaspossibleactuallyclaimtheresourceAttackingtheHoldandWaitConditionRequireprocessestorequestresourcesbeforestartingaprocessneverhastowaitforwhatitneeds.ProblemsmaynotknowrequiredresourcesatstartofrunalsotiesupresourcesotherprocessescouldbeusingVariation:processmustgiveupallresourcesthenrequestallimmediatelyneededAttackingtheNoPreemptionConditionThisisnotaviableoptionConsideraprocessgiventheprinterhalfwaythroughitsjobnowforciblytakeawayprinter–!!??AttackingtheCircularWaitConditionNormallyorderedresourcesAresourcegraph9Summaryofapproachestodeadlockprevention預(yù)防死鎖的各種分類對策本章重要習(xí)題分析第四章存儲(chǔ)器管理4.1定位和重定位4.2簡單連續(xù)分配方式4.3基本頁式存儲(chǔ)管理方式4.4基本段式存儲(chǔ)管理方式4.5段頁式存儲(chǔ)管理4.6虛擬存儲(chǔ)器4.7請求式分頁的基本原理4.8頁面置換算法RelocationandProtectionCannotbesurewhereprogramwillbeloadedinmemoryaddresslocationsofvariables,coderoutinescannotbeabsolutemustkeepaprogramoutofotherprocessespartitionsUsebaseandlimitvaluesaddresslocationsaddedtobasevaluetomaptophysicaladdressaddresslocationslargerthanlimitvalueisanerror4.1定位和重定位4.1.1程序的裝入1.絕對裝入方式(AbsoluteLoadingMode)程序中所使用的絕對地址，既可在編譯或匯編時(shí)給出，也可由程序員直接賦予。例如：ORG1000Hdfb309adfb309a00f39761b3c44600f39761b3c44600f39762.可重定位裝入方式(RelocationLoadingMode)P1P2P3P4P53.動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)裝入方式(dynamicRun-timeLoading)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的裝入程序，在把裝入模塊裝入內(nèi)存后，并不立即把裝入模塊中的相對地址轉(zhuǎn)換為絕對地址，而是把這種地址轉(zhuǎn)換推遲到程序真正要執(zhí)行時(shí)才進(jìn)行。因此，裝入內(nèi)存后的所有地址都仍是相對地址。4.1.2程序的鏈接1.靜態(tài)鏈接方式(StaticLinking)在將這幾個(gè)目標(biāo)模塊裝配成一個(gè)裝入模塊時(shí)，須解決以下兩個(gè)問題：(1)對相對地址進(jìn)行修改。(2)變換外部調(diào)用符號。2.裝入時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接(LoadtimeDynamicLinking)裝入時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接方式有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)便于修改和更新。(2)便于實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)模塊的共享。3.運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接(Run-timeDynamicLinking)在執(zhí)行過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)被調(diào)用模塊尚未裝入內(nèi)存時(shí)，立即由OS去找到該模塊并將之裝入內(nèi)存，把它鏈接到調(diào)用者模塊上。這樣不僅可加快程序的裝入過程，而且可節(jié)省大量的內(nèi)存空間。4.2簡單連續(xù)分配方式4.2.1單一連續(xù)分配這是最簡單的一種存儲(chǔ)管理方式，但只能用于單用戶、單任務(wù)的操作系統(tǒng)中。采用這種存儲(chǔ)管理方式時(shí)，可把內(nèi)存分為系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)兩部分，系統(tǒng)區(qū)僅提供給OS使用，通常是放在內(nèi)存的低址部分；用戶區(qū)是指除系統(tǒng)區(qū)以外的全部內(nèi)存空間，提供給用戶使用。MonoprogrammingThreesimplewaysoforganizingmemoryanoperatingsystemwithoneuserprocess無分區(qū)4.2.2固定分區(qū)分配1.劃分分區(qū)的方法(1)分區(qū)大小相等，即使所有的內(nèi)存分區(qū)大小相等。(2)分區(qū)大小不等。2.內(nèi)存分配等額固定分區(qū)差額固定分區(qū)MultiprogrammingwithFixedPartitionsFixedmemorypartitionsseparateinputqueuesforeachpartitionsingleinputqueue動(dòng)態(tài)分區(qū)4.2.3動(dòng)態(tài)分區(qū)分配碎片Hole1.分區(qū)分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(1)空閑分區(qū)表。(2)空閑分區(qū)鏈。MemoryManagementwithBitMapsPartofmemorywith5processes,3holestickmarksshowallocationunitsshadedregionsarefreeCorrespondingbitmapSameinformationasalistMemoryManagementwithLinkedListsFourneighborcombinationsfortheterminatingprocessXFragment碎片2.分區(qū)分配算法(1)首次適應(yīng)算法FF。(2)循環(huán)首次適應(yīng)算法。(3)最佳適應(yīng)算法。(4)最壞適應(yīng)算法。(5)快速適應(yīng)算法。PointerComingaNewprocessis16KWorstfit4.2.4可重定位分區(qū)分配1.動(dòng)態(tài)重定位的引入2.動(dòng)態(tài)重定位的實(shí)現(xiàn)3.動(dòng)態(tài)重定位分區(qū)分配算法4.2.5對換(Swapping)1.對換的引入2.對換空間的管理3.進(jìn)程的換出與換入(1)進(jìn)程的換出。每當(dāng)一進(jìn)程由于創(chuàng)建子進(jìn)程而需要更多的內(nèi)存空間，但又無足夠的內(nèi)存空間等情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)將某進(jìn)程換出。(2)進(jìn)程的換入。系統(tǒng)應(yīng)定時(shí)地查看所有進(jìn)程的狀態(tài)，從中找出就緒狀態(tài)但已換出的進(jìn)程，將其中換出時(shí)間(換出到磁盤上)最久的進(jìn)程作為換入進(jìn)程，將之換入，直至已無可換入的進(jìn)程或無可換出的進(jìn)程為止。4.3基本分頁存儲(chǔ)管理方式4.3.1頁面與頁表1.頁面1)頁面和物理塊2)頁面大小在分頁系統(tǒng)中的頁面其大小應(yīng)適中。頁面若太小，一方面雖然可使內(nèi)存碎片減小，從而減少了內(nèi)存碎片的總空間，有利于提高內(nèi)存利用率，但另一方面也會(huì)使每個(gè)進(jìn)程占用較多的頁面，從而導(dǎo)致進(jìn)程的頁表過長，占用大量內(nèi)存；此外，還會(huì)降低頁面換進(jìn)換出的效率。然而，如果選擇的頁面較大，雖然可以減少頁表的長度，提高頁面換進(jìn)換出的速度，但卻又會(huì)使頁內(nèi)碎片增大。因此，頁面的大小應(yīng)選擇得適中，且頁面大小應(yīng)是2的冪，通常為512B~8KB。PageSizeSmallpagesizeAdvantageslessinternalfragmentationbetterfitforvariousdatastructures,codesectionslessunusedprograminmemoryDisadvantagesprogramsneedmanypages,largerpagetables0Pagesizelarge,thefragmentationbigPagesizesmall,thepagetablebigFragmentation內(nèi)碎片Mostprogram’spiecesarelessthan4KA.0A.1A.2A.3B.0B.1B.2C.0C.1C.2C.3PageSizeOverheadduetopagetableandinternalfragmentation.Wheres=averageprocesssizeinbytesp=pagesizeinbytese=pageentryOptimizedwheninternalfragmentationpagetablespace2.地址結(jié)構(gòu)分頁地址中的地址結(jié)構(gòu)如下：頁號P位移量W3112110對某特定機(jī)器，其地址結(jié)構(gòu)是一定的。若給定一個(gè)邏輯地址空間中的地址為A，頁面的大小為L，則頁號P和頁內(nèi)地址d可按下式求得：3.頁表4.3.2地址變換機(jī)構(gòu)1.基本的地址變換機(jī)構(gòu)2.具有快表的地址變換機(jī)構(gòu)4.3.3兩級和多級頁表現(xiàn)代的大多數(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，都支持非常大的邏輯地址空間(232~264)。在這樣的環(huán)境下，頁表就變得非常大，要占用相當(dāng)大的內(nèi)存空間?？梢圆捎眠@樣兩個(gè)方法來解決這一問題：①采用離散分配方式來解決難以找到一塊連續(xù)的大內(nèi)存空間的問題：②只將當(dāng)前需要的部分頁表項(xiàng)調(diào)入內(nèi)存，其余的頁表項(xiàng)仍駐留在磁盤上，需要時(shí)再調(diào)入。1.兩級頁表(Two-LevelPageTable)邏輯地址結(jié)構(gòu)可描述如下：Windows的多級頁表結(jié)構(gòu)2.多級頁表對于32位的機(jī)器，采用兩級頁表結(jié)構(gòu)是合適的；但對于64位的機(jī)器，如果頁面大小仍采用4KB即212B，那么還剩下52位，假定仍按物理塊的大小(212位)來劃分頁表，則將余下的42位用于外層頁號。此時(shí)在外層頁表中可能有4096G個(gè)頁表項(xiàng)，要占用16384GB的連續(xù)內(nèi)存空間。必須采用多級頁表，將外層頁表再進(jìn)行分頁，也是將各分頁離散地裝入到不相鄰接的物理塊中，再利用第2級的外層頁表來映射它們之間的關(guān)系。InvertedPageTablesComparisonofatraditionalpagetablewithaninvertedpagetable4.4基本分段存儲(chǔ)管理方式4.4.1分段存儲(chǔ)管理方式的引入引入分段存儲(chǔ)管理方式，主要是為了滿足用戶和程序員的下述一系列需要：1)方便編程2)信息共享3)信息保護(hù)4)動(dòng)態(tài)增長5)動(dòng)態(tài)鏈接4.4.2分段系統(tǒng)的基本原理1.分段分段地址中的地址具有如下結(jié)構(gòu)：段號段內(nèi)地址31161502.段表4.分頁和分段的主要區(qū)別(1)頁是信息的物理單位，分頁是為實(shí)現(xiàn)離散分配方式，以消減內(nèi)存的外零頭，提高內(nèi)存的利用率。或者說，分頁僅僅是由于系統(tǒng)管理的需要而不是用戶的需要。段則是信息的邏輯單位，它含有一組其意義相對完整的信息。分段的目的是為了能更好地滿足用戶的需要。(2)頁的大小固定且由系統(tǒng)決定，由系統(tǒng)把邏輯地址劃分為頁號和頁內(nèi)地址兩部分，是由機(jī)器硬件實(shí)現(xiàn)的，因而在系統(tǒng)中只能有一種大小的頁面；而段的長度卻不固定，決定于用戶所編寫的程序，通常由編譯程序在對源程序進(jìn)行編譯時(shí)，根據(jù)信息的性質(zhì)來劃分。(3)分頁的作業(yè)地址空間是一維的，即單一的線性地址空間，程序員只需利用一個(gè)記憶符，即可表示一個(gè)地址；而分段的作業(yè)地址空間則是二維的，程序員在標(biāo)識一個(gè)地址時(shí)，既需給出段名，又需給出段內(nèi)地址。4.5段頁式存儲(chǔ)管理方式4.5.1基本原理4.5.2地址變換過程4.6虛擬存儲(chǔ)器的基本概念4.6.1虛擬存儲(chǔ)器的引入1.常規(guī)存儲(chǔ)器管理方式的特征(1)一次性。(2)駐留性。2.局部性原理1968年，Denning.P指出：(1)程序執(zhí)行時(shí)，大多數(shù)情況下仍是順序執(zhí)行的。(2)過程調(diào)用將會(huì)使程序轉(zhuǎn)移，過程調(diào)用的深度在大多數(shù)情況下都不超過5。(3)程序中存在許多循環(huán)結(jié)構(gòu)，它們將多次執(zhí)行。(4)程序中還包括許多對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的處理，如對數(shù)組進(jìn)行操作，它們往往都局限于很小的范圍內(nèi)。局限性又表現(xiàn)在下述兩個(gè)方面：(1)時(shí)間局限性。如果程序中的某條指令一旦執(zhí)行，則不久以后該指令可能再次執(zhí)行；如果某數(shù)據(jù)被訪問過，則不久以后該數(shù)據(jù)可能再次被訪問。產(chǎn)生時(shí)間局限性的典型原因，是由于在程序中存在著大量的循環(huán)操作。(2)空間局限性。一旦程序訪問了某個(gè)存儲(chǔ)單元，在不久之后，其附近的存儲(chǔ)單元也將被訪問，即程序在一段時(shí)間內(nèi)所訪問的地址，可能集中在一定的范圍之內(nèi)，其典型情況便是程序的順序執(zhí)行。3.虛擬存儲(chǔ)器定義所謂虛擬存儲(chǔ)器，是指具有請求調(diào)入功能和置換功能，能從邏輯上對內(nèi)存容量加以擴(kuò)充的一種存儲(chǔ)器系統(tǒng)。其邏輯容量由內(nèi)存容量和外存容量之和所決定，其運(yùn)行速度接近于內(nèi)存速度，而每位的成本卻又接近于外存?？梢?，虛擬存儲(chǔ)技術(shù)是一種性能非常優(yōu)越的存儲(chǔ)器管理技術(shù)，故被廣泛地應(yīng)用于大、中、小型機(jī)器和微型機(jī)中。CPU及其存儲(chǔ)器的地址線寬度4.6.2虛擬存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)方法1.分頁請求系統(tǒng)(1)硬件支持。①請求分頁的頁表機(jī)制，它是在純分頁的頁表機(jī)制上增加若干項(xiàng)而形成的，作為請求分頁的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；②缺頁中斷機(jī)構(gòu)，即每當(dāng)用戶程序要訪問的頁面尚未調(diào)入內(nèi)存時(shí)便產(chǎn)生一缺頁中斷，以請求OS將所缺的頁調(diào)入內(nèi)存③地址變換機(jī)構(gòu)，它同樣是在純分頁地址變換機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的。(2)實(shí)現(xiàn)請求分頁的軟件。PageTablesTypicalpagetableentryVirtualtimeandsoonOnlyformemorymappedI/OTheworsepagefaultshappensBeyondfault4.6.3虛擬存儲(chǔ)器的特征1.多次性對換性3.虛擬性4.7請求分頁存儲(chǔ)管理方式4.7.1請求分頁中的硬件支持1.頁表機(jī)制2.缺頁中斷機(jī)構(gòu)3.地址變換機(jī)構(gòu)4.7.2內(nèi)存分配策略和分配算法1.最小物理塊數(shù)的確定2.物理塊的分配策略在請求分頁系統(tǒng)中，可采取兩種內(nèi)存分配策略，即固定和可變分配策略。在進(jìn)行置換時(shí)，也可采取兩種策略，即全局置換和局部置換。于是可組合出以下三種適用的策略。1)固定分配局部置換(FixedAllocation,LocalReplacement)2)可變分配全局置換(VariableAllocation,GlobalReplacement)3)可變分配局部置換(VariableAllocation,LocalReplacemen2)按比例分配算法根據(jù)進(jìn)程的大小按比例分配物理塊的算法。如果系統(tǒng)中共有n個(gè)進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程的頁面數(shù)為Si，則系統(tǒng)中各進(jìn)程頁面數(shù)的總和為：又假定系統(tǒng)中可用的物理塊總數(shù)為m，則每個(gè)進(jìn)程所能分到的物理塊數(shù)為bi，將有：b應(yīng)該取整，它必須大于最小物理塊數(shù)。3.物理塊分配算法1)平均分配算法3)考慮優(yōu)先權(quán)的分配算法在實(shí)際應(yīng)用中，為了照顧到重要的、緊迫的作業(yè)能盡快地完成，應(yīng)為它分配較多的內(nèi)存空間。通常采取的方法是把內(nèi)存中可供分配的所有物理塊分成兩部分：一部分按比例地分配給各進(jìn)程；另一部分則根據(jù)各進(jìn)程的優(yōu)先權(quán)，適當(dāng)?shù)卦黾悠湎鄳?yīng)份額后，分配給各進(jìn)程在有的系統(tǒng)中，如重要的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，則可能是完全按優(yōu)先權(quán)來為各進(jìn)程分配其物理塊的。4.7.3調(diào)頁策略1.何時(shí)調(diào)入頁面1)預(yù)調(diào)頁策略2)請求調(diào)頁策略2.從何處調(diào)入頁面在請求分頁系統(tǒng)中的外存分為兩部分：用于存放文件的文件區(qū)和用于存放對換頁面的對換區(qū)。通常，由于對換區(qū)是采用連續(xù)分配方式，而事件是采用離散分配方式，故對換區(qū)的磁盤I/O速度比文件區(qū)的高。這樣，每當(dāng)發(fā)生缺頁請求時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)從何處將缺頁調(diào)入內(nèi)存，可分成如下三種情況：(1)系統(tǒng)擁有足夠的對換區(qū)空間，這時(shí)可以全部從對換區(qū)調(diào)入所需頁面，以提高調(diào)頁速度。為此，在進(jìn)程運(yùn)行前，便須將與該進(jìn)程有關(guān)的文件，從文件區(qū)拷貝到對換區(qū)。(2)系統(tǒng)缺少足夠的對換區(qū)空間，這時(shí)凡是不會(huì)被修改的文件，都直接從文件區(qū)調(diào)入；而當(dāng)換出這些頁面時(shí)，由于它們未被修改而不必再將它們換出，以后再調(diào)入時(shí)，仍從文件區(qū)直接調(diào)入。但對于那些可能被修改的部分，在將它們換出時(shí)，便須調(diào)到對換區(qū)，以后需要時(shí)，再從對換區(qū)調(diào)入。(3)UNIX方式。由于與進(jìn)程有關(guān)的文件都放在文件區(qū)，故凡是未運(yùn)行過的頁面，都應(yīng)從文件區(qū)調(diào)入。而對于曾經(jīng)運(yùn)行過但又被換出的頁面，由于是被放在對換區(qū)，因此在下次調(diào)入時(shí)，應(yīng)從對換區(qū)調(diào)入。由于UNIX系統(tǒng)允許頁面共享，因此，某進(jìn)程所請求的頁面有可能已被其它進(jìn)程調(diào)入內(nèi)存，此時(shí)也就無須再從對換區(qū)調(diào)入。Solaris存儲(chǔ)3.頁面調(diào)入過程每當(dāng)程序所要訪問的頁面未在內(nèi)存時(shí)，便向CPU發(fā)出一缺頁中斷，中斷處理程序首先保留CPU環(huán)境，分析中斷原因后，轉(zhuǎn)入缺頁中斷處理程序。該程序通過查找頁表，得到該頁在外存的物理塊后，如果此時(shí)內(nèi)存能容納新頁，則啟動(dòng)磁盤I/O將所缺之頁調(diào)入內(nèi)存，然后修改頁表。如果內(nèi)存已滿，則須先按照某種置換算法從內(nèi)存中選出一頁準(zhǔn)備換出；如果該頁未被修改過，可不必將該頁寫回磁盤；但如果此頁已被修改，則必須將它寫回磁盤，然后再把所缺的頁調(diào)入內(nèi)存，并修改頁表中的相應(yīng)表項(xiàng)，置其存在位為“1，并將此頁表項(xiàng)寫入快表中。在缺頁調(diào)入內(nèi)存后，利用修改后的頁表，去形成所要訪問數(shù)據(jù)的物理地址，再去訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)。4.8頁面置換算法PagefaultforceschoicewhichpagemustberemovedmakeroomforincomingpageModifiedpagemustfirstbesavedunmodifiedjustoverwrittenBetternottochooseanoftenusedpagewillprobablyneedtobebroughtbackinsoon4.8.1最佳置換算法和先進(jìn)先出置換算法1.最佳(Optimal)置換算法最佳置換算法是由Belady于1966年提出的一種理論上的算法。其所選擇的被淘汰頁面，將是以后永不使用的，或許是在最長(未來)時(shí)間內(nèi)不再被訪問的頁面。采用最佳置換算法，通?？杀ＷC獲得最低的缺頁率。OPT432143543215頁1432111555211頁243333333555頁34444444444xxxx√√x√√xx√共缺頁中斷7次2.先進(jìn)先出(FIFO)頁面置換算法SecondChancePageReplacementAlgorithmOperationofasecondchancepagessortedinFIFOorderPagelistiffaultoccursattime20,AhasRbitset(numbersabovepagesareloadingtimes)TheClockPageReplacementAlgorithm2.改進(jìn)型Clock置換算法由訪問位A和修改位M可以組合成下面四種類型的頁面：1類(A=0,M=0):表示該頁最近既未被訪問，又未被修改，是最佳淘汰頁。2類(A=0,M=1)：表示該頁最近未被訪問，但已被修改，并不是很好的淘汰頁。3類(A=1,M=0)：最近已被訪問，但未被修改，該頁有可能再被訪問。4類(A=1,M=1):最近已被訪問且被修改，該頁可能再被訪問。1.簡單的Clock置換算法4.8.2Clock置換算法NotRecentlyUsedPageReplacementAlgorithmEachpagehasReferencebit,Modifiedbitbitsaresetwhenpageisreferenced,modifiedPagesareclassified1.notreferenced,notmodified2.notreferenced,modified3.referenced,notmodified4.referenced,modifiedNRUremovespageatrandomfromlowestnumberednonemptyclass4.8.3最近最久未使用(LRU)置換算法1.LRU(LeastRecentlyUsed)置換算法的描述2.LRU置換算法的硬件支持4.8.4其它置換算法1.最少使用(LFU：LeastFrequentlyUsed)置換算法2.頁面緩沖算法(PBA：PageBufferingAlgorithm)TheWorkingSetPageReplacementAlgorithmTheworkingsetisthesetofpagesusedbythekmostrecentmemoryreferencesw(k,t)isthesizeoftheworkingsetattime,tLocalityofreferenceTheWorkingSetPageReplacementAlgorithmTheworkingsetalgorithm0TheWSClockPageReplacementAlgorithmOperationoftheWSClockalgorithmReviewofPageReplacementAlgorithms4.8.5其它Belady’sAnomalyStackAlgorithmTheDistanceStringPredictingPageFaultRatesBelady'sAnomalyFIFOwith3pageframesFIFOwith4pageframesP'sshowwhichpagereferencesshowpagefaultsDESIGNISSUESFORPAGINGSYSTEMSLocalversusGlobalAllocationPoliciesLoadControlPageSizeSeparateInstructionandDataSpacesSharedPagesCleaningPolicyVirtualMemoryInterfaceLocalversusGlobalAllocationPoliciesOriginalconfigurationLocalpagereplacementGlobalpagereplacement7framesLocalversusGlobalAllocationPoliciesPagefaultrateasafunctionofthenumberofpageframesassignedLoadControlDespitegooddesigns,systemmaystillthrashWhenPFFalgorithmindicatessomeprocessesneedmorememorybutnoprocessesneedlessSolution:Reducenumberofprocessescompetingformemoryswaponeormoretodisk,divideuppagestheyheldreconsiderdegreeofmultiprogrammingSeparateInstructionandDataSpacesOneaddressspaceSeparateIandDspacesSharedPagesTwoprocessessharingsameprogramsharingitspagetableCleaningPolicyNeedforabackgroundprocess,pagingdaemonperiodicallyinspectsstateofmemoryWhentoofewframesarefreeselectspagestoevictusingareplacementalgorithmItcanusesamecircularlist(clock)asregularpagereplacementalgorithmbutwithdifferencepointerSegmentationwithPaging:PentiumPentiumcodesegmentdescriptorDatasegmentsdifferslightlySegmentationwithPaging:PentiumConversionofa(selector,offset)pairtoalinearaddressSegmentationwithPaging:PentiumMappingofalinearaddressontoaphysicaladdress15SegmentationwithPaging:PentiumProtectiononthePentium本章重要習(xí)題分析第五章設(shè)備管理5.1I/O系統(tǒng)5.2I/O控制方式5.3緩沖管理5.4設(shè)備分配5.5設(shè)備處理5.6磁盤存儲(chǔ)空間管理5.7IO管理的其它問題5.1I/O系統(tǒng)5.1.1I/O設(shè)備1.I/O設(shè)備的類型1)按傳輸速率分類2)按信息交換的單位分類3)按設(shè)備的共享屬性分類2.設(shè)備與控制器之間的接口PrinciplesofI/OHardwareSometypicaldevice,network,anddatabaseratesDeviceControllersI/Odeviceshavecomponents:mechanicalcomponentelectroniccomponentTheelectroniccomponentisthedevicecontrollermaybeabletohandlemultipledevicesController'stasksconvertserialbitstreamtoblockofbytesperformerrorcorrectionasnecessarymakeavailabletomainmemory5.1.2設(shè)備控制器1.設(shè)備控制器的基本功能1)接收和識別命令2)數(shù)據(jù)交換3)標(biāo)識和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)4)地址識別5)數(shù)據(jù)緩沖6)差錯(cuò)控制2.設(shè)備控制器的組成Memory-MappedI/O(1)SeparateI/OandmemoryspaceMemorymappedI/O.HybridCache?Memory-MappedI/O(2)(a)Asingle-busarchitecture(b)Adual-busmemoryarchitectureISABusMemory-MappedI/O(3)StructureofalargePentiumsystemNSDirectMemoryAccess(DMA)OperationofaDMAtransferInterruptsRevisitedHowinterruptshappens.Connectionsbetweendevicesandinterruptcontrolleractuallyuseinterruptlinesonthebusratherthandedicatedwires5.1.3I/O通道1.I/O通道(I/OChannel)設(shè)備的引入2.通道類型1)字節(jié)多路通道(ByteMultiplexorChannel)2)數(shù)組選擇通道(BlockSelectorChannel)3)數(shù)組多路通道(BlockMultiplexorChannel)3.“瓶頸問題ChannelmodeI/O5.1.4總線系統(tǒng)1.ISA和EISA總線1)ISA(IndustryStandardArchitecture)總線2)EISA(ExtendedISA)總線2.局部總線(LocalBus)1)VESA(VideoElectronicStandardAssociation)總線2)PCI(PeripheralComponentInterface)總線5.2I/O控制方式GoalsofI/OSoftwareDeviceindependenceprogramscanaccessanyI/Odevicewithoutspecifyingdeviceinadvance(floppy,harddrive,orCD-ROM)UniformnamingnameofafileordeviceastringoranintegernotdependingonwhichmachineErrorhandlinghandleasclosetothehardwareaspossible5.2I/O控制方式(續(xù))GoalsofI/OSoftwareSynchronousvs.asynchronoustransfersblockedtransfersvs.interruptdrivenBufferingdatacomingoffadevicecannotbestoredinfinaldestinationSharablevs.dedicateddevicesdisksaresharabletapedriveswouldnotbe5.2.1程序I/O方式5.2.2中斷驅(qū)動(dòng)I/O控制方式WritingastringtotheprinterusinginterruptdrivenI/OCodeexecutedwhenprintsystemcallismadeInterruptserviceprocedure5.2.3直接存儲(chǔ)器訪問DMAI/O控制方式1.DMA(DirectMemoryAccess)控制方式的引入2.DMA控制器的組成5.2.4I/O通道控制方式1.I/O通道控制方式的引入5.3緩沖管理5.3.1緩沖的引入(1)緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。(2)減少對CPU的中斷頻率，放寬對CPU中斷響應(yīng)時(shí)間的限制。(3)提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性。5.3.2單緩沖和雙緩沖1.單緩沖(SingleBuffer)2.雙緩沖(DoubleBuffer)5.3.3循環(huán)緩沖1.循環(huán)緩沖的組成5.3.4緩沖池(BufferPool)1.緩沖池的組成對于既可用于輸入又可用于輸出的公用緩沖池，其中至少應(yīng)含有以下三種類型的緩沖區(qū)：①空(閑)緩沖區(qū)；②裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；③裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。為了管理上的方便，可將相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個(gè)隊(duì)列，于是可形成以下三個(gè)隊(duì)列：（1）空緩沖隊(duì)列emq。(2)輸入隊(duì)列inq。(3)輸出隊(duì)列outq。2.緩沖區(qū)的工作方式5.4設(shè)備分配5.4.1設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.設(shè)備控制表DCT2.控制器控制表、通道控制表和系統(tǒng)設(shè)備表User-SpaceI/OSoftwareSystemDeviceTableDeviceControlTableCOntrollerControlTableCHannelControlTableHardware5.4.2設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素1.設(shè)備的固有屬性(1)獨(dú)享設(shè)備。(2)共享設(shè)備。(3)虛擬設(shè)備。2.設(shè)備分配算法(1)先來先服務(wù)。(2)優(yōu)先級高者優(yōu)先。3.設(shè)備分配中的安全性1)安全分配方式2)不安全分配方式5.4.3設(shè)備獨(dú)立性1.設(shè)備獨(dú)立性(DeviceIndependence)的概念為了提高OS的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，在現(xiàn)代OS中都毫無例外地實(shí)現(xiàn)了設(shè)備獨(dú)立性，也稱為設(shè)備無關(guān)性。其基本含義是：應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性而引入了邏輯設(shè)備和物理設(shè)備這兩個(gè)概念。在應(yīng)用程序中，使用邏輯設(shè)備名稱來請求使用某類設(shè)備；而系統(tǒng)在實(shí)際執(zhí)行時(shí)，還必須使用物理設(shè)備名稱。因此，系統(tǒng)須具有將邏輯設(shè)備名稱轉(zhuǎn)換為某物理設(shè)備名稱的功能，這非常類似于存儲(chǔ)器管理中所介紹的邏輯地址和物理地址的概念。在實(shí)現(xiàn)了設(shè)備獨(dú)立性的功能后，可帶來以下兩方面的好處。1)設(shè)備分配時(shí)的靈活性2)易于實(shí)現(xiàn)I/O重定向Device-IndependentI/OSoftwareFunctionsofthedevice-independentI/OsoftwareUniforminterfacingfordevicedriversBufferingErrorreportingAllocatingandreleasingdedicatedevicesProvidingadeice-independentblocksize2.設(shè)備獨(dú)立性軟件1)執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作2)向用戶層(或文件層)軟件提供統(tǒng)一接口I/OSoftwareLayersLayersoftheI/OSoftwareSystemUser-SpaceI/OSoftwareLayersoftheI/OsystemandthemainfunctionsofeachlayerDeviceDriversLogicalpositionofdevicedriversisshownhereCommunicationsbetweendriversanddevicecontrollersgoesoverthebus5.4.4獨(dú)占設(shè)備的分配程序1.基本的設(shè)備分配程序1)分配設(shè)備2)分配控制器3)分配通道2.設(shè)備分配程序的改進(jìn)1)增加設(shè)備的獨(dú)立性2)考慮多通路情況5.4.5SPOOLing技術(shù)1.什么是SPOOLing為了緩和CPU的高速性與I/O設(shè)備低速性間的矛盾而引入了脫機(jī)輸入、脫機(jī)輸出技術(shù)。該技術(shù)是利用專門的外圍控制機(jī)，將低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上；或者相反。事實(shí)上，當(dāng)系統(tǒng)中引入了多道程序技術(shù)后，完全可以利用其中的一道程序，來模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī)功能，把低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上；再用另一道程序來模擬脫機(jī)輸出時(shí)外圍控制機(jī)的功能，把數(shù)據(jù)從磁盤傳送到低速輸出設(shè)備上。這樣，便可在主機(jī)的直接控制下，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)輸入、輸出功能。此時(shí)的外圍操作與CPU對數(shù)據(jù)的處理同時(shí)進(jìn)行，我們把這種在聯(lián)機(jī)情況下實(shí)現(xiàn)的同時(shí)外圍操作稱為SPOOLing(Simultan