操作系统复习

第一章操作系统定义：操作系统是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源，有效地组织多道程序运行的系统软件（或程序集合），是用户与计算机之间的接口。

操作系统功能：(1)存储管理功能：内存分配（策略）、地址映射（转换）、内存保护（不干扰不越界）、内存扩充（逻辑扩充：虚拟存储器与置换）。

(2)处理机管理功能：作业和进程调度（创建进程，算法）、进程控制（创建、撤销、唤醒、挂起等）和进程通信（依赖和制约：同步和互斥）。

(3)设备管理功能：缓冲区管理（速度匹配），设备分配（请求、策略），设备驱动（通道）和设备无关性（逻辑设备名、物理设备名）。

(4)文件管理功能：文件存储空间的管理（分配与回收），文件操作的一般管理（创建、删除、打开、关闭），目录管理，文件的读写管理和存取控制（防止越权与破坏）。

(5)用户接口：命令界面:这是指由OS提供了一组联机命令(语言)，用户可通过键盘输入有关命令，来直接操纵计算机系统。

程序界面：OS提供了一组系统调用，用户可在自己的应用程序中通过相应的系统调用，来操纵计算机。

图形界面：用户通过屏幕上的窗口和图标来操纵计算机系统和运行自己的程序。

并发：是指两个或多个活动在同一给定的时间间隔中进行。

宏观概念。

如CPU共享。

共享：是指计算机系统中的资源被多个进程所共用。

如CPU、硬盘、内存、数据等。

互斥地共享：某进程申请资源、若空闲、分配、运行，下一个进程只能等待，直到前一进程释放资源。

宏观上同时访问、微观上并发执行的共享：如硬盘上文件的访问。

不确定性：是指系统中各种事件发生顺序的不可预测性。

多道程序设计：基本思想是在内存中同时存放多道程序，在管理程序的控制下交替地执行。

这些作业共享CPU和系统中的其他资源。

分时系统：操作系统多个用户终端，分时共享主机资源。

时间片、交互性。

实时系统：系统及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。

实时性、高可靠性。

第二章进程：进程最根本的属性是动态性和并发性，指程序在并发环境中的执行过程。

进程队列的连接方式：线性队列，链接，索引。

进程和线程的关系：①一个进程可以有多个线程，但至少要有一个线程；而一个线程只能在一个进程的地址空间内活动。

②资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。

③处理机分配给线程，即真正在处理机上运行的是线程。

④线程在执行过程中需要协作同步。

不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步。

进程的同步：同步进程通过共享资源来协调活动，在执行时间的次序上有一定约束。

在协调动作的情况下，多个进程可以共同完成一项任务。

虽然彼此不直接知道对方的名字，但知道对方的存在和作用。

进程的互斥：逻辑上这两个进程本来完全独立，不知对方的存在，毫无关系，只是由于竞争同一个物理资源而相互制约。

信号量：用于解决进程同步、互斥问题的通用工具。

PV操作的含义：PV操作由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量进行操作，具体定义如下：P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；②如果S³0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。

V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；②如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。

什么是信号量？信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。

信号量的值与相应资源的使用情况有关。

当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。

注意，信号量的值仅能由PV 操作来改变。

一般来说，信号量S³0时，S表示可用资源的数量。

执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S<0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。

而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S£0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。

【例1】生产者-消费者问题在多道程序环境下，进程同步是一个十分重要又令人感兴趣的问题，而生产者-消费者问题是其中一个有代表性的进程同步问题。

下面我们给出了各种情况下的生产者-消费者问题，深入地分析和透彻地理解这个例子，对于全面解决操作系统内的同步、互斥问题将有很大帮助。

（1）一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区。

定义两个同步信号量：empty——表示缓冲区是否为空，初值为1。

full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。

生产者进程while(TRUE){生产一个产品;P(empty);产品送往Buffer;V(full);}消费者进程while(True){P(full);从Buffer取出一个产品;V(empty);消费该产品;}（2）一个生产者，一个消费者，公用n个环形缓冲区。

定义两个同步信号量：empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。

full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。

设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指，指向下一个可用的缓冲区。

生产者进程while(TRUE){生产一个产品;P(empty);产品送往buffer（in）；in=(in+1)mod n；V(full);}消费者进程while(TRUE){P(full);从buffer（out）中取出产品；out=(out+1)mod n；V(empty);消费该产品;}（3）一组生产者，一组消费者，公用n个环形缓冲区在这个问题中，不仅生产者与消费者之间要同步，而且各个生产者之间、各个消费者之间还必须互斥地访问缓冲区。

定义四个信号量：empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。

full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。

mutex1——生产者之间的互斥信号量，初值为1。

mutex2——消费者之间的互斥信号量，初值为1。

设缓冲区的编号为1～n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。

生产者进程while(TRUE){生产一个产品;P(empty);P(mutex1)；产品送往buffer（in）；in=(in+1)mod n；V(mutex1);V(full);}消费者进程while(TRUE){P(full)P(mutex2)；从buffer（out）中取出产品；out=(out+1)mod n；V（mutex2）；V(empty);消费该产品;}需要注意的是无论在生产者进程中还是在消费者进程中，两个P操作的次序不能颠倒。

应先执行同步信号量的P操作，然后再执行互斥信号量的P操作，否则可能造成进程死锁。

【例2】读者写者问题：（1）读者优先。

对于读者优先，应满足下列条件：如果新读者到：①无读者、写者，新读者可以读；②有写者等待，但有其它读者正在读，则新读者也可以读；③有写者写，新读者等待。

如果新写者到：①无读者，新写者可以写；②有读者，新写者等待；③有其它写者，新写者等待。

设置两个信号量：读互斥信号量rmutex和写互斥信号量wmutex。

另外设立一个读计数器readcount，它是一个整型变量。

rmutex：用于读者间互斥地访问读者计数的公用变量readcount（临界资源），初值为1。

readcount初值为0。

wmutex：用于保证一个写者与其他读者或写者互斥地访问共享资源，初值为1。

读者Readers:while(TRUE){P(rmutex); //开始对rc共享变量进行互斥访问readcount=readcount+1; //来了一个读进程，读进程数加1if(readcount==1) //如是第一个读进程，判断是否有写进程在临界区P(wmutex); //若有，读进程等待，若无，阻塞写进程V(rmutex); //结束对rc共享变量的互斥访问执行读操作；P(rmutex); //开始对rc共享变量的互斥访问readcount=readcount-1; //一个读进程读完，读进程数减1if(readcount==0)//最后一个离开临界区的读进程需要判断是否有写进程V(wmutex); //需要进入临界区，若有，唤醒一个写进程进临界区V(rmutex); //结束对rc共享变量的互斥访问其他使用读取的数据}写者Writers：while(TRUE){P(wmutex); //无读进程，进入写进程；若有读进程，写进程等待执行写操作V(wmutex); //写进程完成；判断是否有读进程需要进入临界区，//若有，唤醒一个读进程进临界区}{P(wmutex); //无读进程，进入写进程；若有读进程，写进程等待执行写操作；V(wmutex); //写进程完成；判断是否有读进程需要进入临界区，//若有，唤醒一个读进程进临界区}同步机制的原则：空闲让进，忙则等待，有限等待，让权等待。

第三章死锁的定义：是指两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。

产生死锁的根本原因：资源有限，且操作不当产生死锁的四个必要条件：互斥条件，占有且等待条件，不可抢占条件，循环等待条件安全状态：在当前分配状态下，进程的安全序列{P1,P2,…, Pn}是这样组成的：若对于每一个进程Pi（1≤i≤n），它需要的附加资源可被系统中当前可用资源与所有进程Pj（j＜i）当前占有资源之和所满足，则{P1, P2,…, Pn}为一个安全序列。

这时系统处于安全状态。

安全序列：针对当前分配状态来说，系统至少能够按照某种次序分配资源(直至最大需求)，并且使它们依次成功地运行完毕，这种进程序列{P1,P2,……,Pn}就是安全序列*存在安全序列时不会死锁；但系统进入不安全状态也未必产生死锁；死锁是不安全状态的特例；银行家算法：p82读者进读者出最新范本,供参考！最新范本,供参考！三级调度各指的什么：作业调度（高级调度）:从用户工作流程的角度。

从输入的一批作业中选出若干作业，为其分配必要的内存，建立相应的用户进程和系统进程，然后将程序和数据调入内存，等待进程调度。

时间上通常是分钟、小时或天。

作业状态① 提交状态 ② 后备状态 ③ 执行状态 ④ 完成状态 作业调度功能：①记录系统中各个作业的情况。

② 按照某种调度算法从后备作业队列中挑选作业。

③ 为选中的作业分配内存和外设等资源。

（通常由存储管理与外设管理程序完成）④ 为选中的作业建立相应的进程，并把该进程放入就绪队列中。

⑤ 作业结束后进行善后处理工作。

进程挂起与对换（中级调度）:从存储器资源的角度。

将进程的部分或全部换出到外存上，将当前所需部分换入到内存。