操作系统知识点

操作系统书本知识点第一章操作系统引论主要内容操作系统的目标、作用和模型操作系统的发展过程操作系统的基本特征OS（Operating Systems)的主要功能OS的结构设计本章要点计算机系统结构：了解操作系统的地位什么是操作系统：3种基本观点现代操作系统的功能、特性、类型基本概念：批处理、多道程序、作业、进程、任务、虚拟技术、并发性、异步性操作系统的作用(1)作为用户与计算机硬件系统之间的接口作为计算机系统资源的管理者处理机管理：分配和控制处理机存储器管理：分配及回收内存I/O(Input/Output)设备管理：I/O分配与操作文件管理：文件存取、共享和保护监视这些资源实施某种资源分配策略分配这种资源回收这种资源OS实现了对计算机资源的抽象操作系统的发展过程1.2.1无操作系统时的计算机系统人工操作方式٭如纸带输入机。

٭特点是用户独占全机及CPU等待人工操作。

脱机I/O方式（图1.3）٭引入I/O机的概念，解决前者的缺点。

٭特点是减少了CPU的空闲时间且提高I/O速度。

单道批处理系统处理过程（图1.4）٭概念：系统对作业的处理都是成批进行的、且内存中始终只保持一道作业，称为单道批处理系统（simple batch system）。

٭批处理系统的引入是为了提高系统资源的利用率和吞吐量٭概念：运行控制权特征٭自动性、顺序性、单道性多道批处理系统（1）优点٭资源利用率高٭系统吞吐量大٭平均周转时间长٭无交互能力缺点٭平均周转时间长、无交互能力分时系统分时系统的产生٭概念：指一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机中的资源，各个用户都可通过自己的终端以交互方式使用计算机。

分时系统在实现中的关键问题٭及时接收：多终端卡、输入缓冲区٭及时处理：交互作业应在内存、响应时间应短分时系统的特征٭多路性٭独立性٭及时性٭交互性٭可靠性类型▪实时控制▪实时信息处理实时系统(2)实时任务类型٭按任务执行是否呈现周期性来划分▪周期性的（联系周期）；▪非周期性的（联系开始或完成截止时间）٭根据对截止时间的要求来划分▪硬实时任务▪软实时任务实时、分时的比较٭多路性：相同٭独立性：相同٭及时性：实时系统要求更高٭交互性：分时系统交互性更强٭可靠性：实时系统要求更高思考试在交互性、及时性和可靠性方面，将分时系统和实时系统进行比较。

操作系统的基本特征(1)并发性٭并行是指两或多个事件在同一时刻发生。

٭并发是两或多个事件在同一时间间隔内发生。

٭进程：系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位。

引入线程后，独立运行的单位变为线程。

共享性٭系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用٭互斥共享：一段时间只允许一个进程访问该资源٭同时访问：微观上仍是互斥的虚拟性٭通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。

若n是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的速度必然是物理设备速度的1/n。

异步性٭运行进度不可预知。

操作系统的功能处理器管理功能(1)进程和作业调度⏹进程：指在系统中能独立运行并作为系统资源分配的基本单位，它是由一组机器指令、数据和堆栈等组成的，是一个活动实体。

⏹作业调度（又称高级调度或长程调度）：用于把外存上处于后备队列中的哪些作业调入内存，并为它们创建进程、分配必要的资源，然后再将新创建的进程排在就绪队列上，准备执行。

2）进程控制为作业创建进程，撤消已结束的进程、阻塞进程和唤醒进程。

（3）进程同步使并发执行的诸进程之间能有效的共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可再现性。

可能存在两种制约关系：间接相互制约关系、直接相互制约关系。

（4）进程通信进程间信息的交换存储器管理功能主要指内存管理，即如何分配内存空间，如何提高存储器的利用率以及能从逻辑上扩充内存。

（1）内存的分配⏹静态分配方式：每个作业的内存在作业装入时确定；在作业装入后的整个运行期间，不允许该作业再申请新的内存空间，也不允许作业在内存中“移动”。

⏹动态分配方式：允许作业在内存中“移动”。

为此，需内存分配的数据结构及内存分配和回收功能2）存储保护指存储管理应确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。

例：设置上、下界寄存器，每条指令进行越界检查（一般是硬件实现）（3）地址映射完成逻辑地址到物理地址的转换（4）内存扩充采用虚拟技术实现内存扩充，具有请求调入和页面置换功能。

设备管理功能完成设备的分配和回收，设备的控制和信息传输，提高CPU和I/O设备的并行程度和利用率，方便、快捷地完成用户提出的I/O请求。

如：CPU快则应多创建缓冲区（1）缓冲管理有效地缓和CPU和I/O设备速度不匹配问题，提高CPU利用率，提高系统吞吐量。

常见的缓冲区机制有：单缓冲机制、双缓冲机制（2）设备分配▪包括：设备，设备控制器，I/O通信的分配和回收（3）设备处理▪指控制设备进行实际的操作，包括读、写等以及向CPU发中断。

▪设备处理/驱动程序应能根据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。

4）设备独立性▪独立性，即program与设备无关性，使program易于重定向，增加了可移植性。

（5）虚拟设备管理文件管理功能对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。

（1）文件存储空间的管理（2）目录管理▪使用户按名存取，提高速度。

（3）文件的读/写管理和保护用户接口٭一、命令接口▪由一组“命令”集组成，分为联机和脱机用户接口▪ 1.联机用户接口–由一组键盘操作命令及命令解释程序所组成▪ 2.脱机（批处理用户接口）–用JCL写作业说明书٭二、程序接口٭系统调用٭高级语言的库函数٭三、图形接口٭如 win的copy文件，采用“拖”来完成，生动，不需记忆OS的结构设计无结构操作系统模块化结构操作系统分层式结构操作系统微内核操作系统结构1.无结构操作系统一组过程集，各过程可相互调用，也叫整体系统结构。

缺点：逻辑复杂，维护困难.2、模块化操作系统通过分解来控制大型软件复杂度。

如：进程模块、内存模块…，各模块内进一步划分子模块。

优点：提高了OS设计的可维护性增强的OS的可适应性加速了OS的开发过程：并行开发模块缺点：接口不易确定模块依赖关系可能复杂（对于大型软件而言）3、分层式操作系统有序分层的基本概念可简化设计的复杂度下层为上层提供服务层次的设置应考虑的因素程序嵌套：各模块间嵌套关系复杂运行频率：随层次的增高，相应软件的运行速度就随之下降公用模块：低层用户接口：高层微内核操作系统结构（1）提高了系统的灵活性和可扩充性提高了软件的可靠性适合于分布式系统微内核操作系统结构（2）面向对象的程序设计技术٭概念：٭优点：▪ a.可扩展性▪ b.继承性微内核技术٭引入：提高系统的灵活性；٭采用C/S模式٭基本功能▪进程、内存、IPC等基本管理功能第二章进程管理程序顺序执行时的特征(1) 顺序性(2) 封闭性程序是在封闭的环境下运行的。

即程序在运行时，它独占全机资源。

一旦运行,不受外界影响.(3)可再现性只要程序执行时的环境和初始条件相同，当程序多次重复执行时，不论它是从头到尾不停顿地执行，还是“停停走走”地执行，都将获得相同的结果。

进程的特征(1)动态性⏹进程是程序的一次执行过程，因此，属于动态概念，是进程的最重要的特征。

动态性还表现为:“它由创建而产生，由调度而执行，因得不到资源而暂停执行，以及由撤消而消亡”。

可见,进程有一定的生命期。

而程序只是一组有序指令的集合，并长期存放在某种介质上，本身并无运动的含义，因此，程序是个静态实体。

⏹ 进程和程序不是一一对应的，如几个进程可同时执行一个程序。

(2)并发性⏹ 这是指多个进程实体，同存于内存中，能在一段时间内同时运行。

并发性是进程的第二个最重要特征。

引人进程的目的也正是为了使其程序能并发执行，而程序是不能并发执行的。

(3)独立性⏹ 这是指进程实体是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统中独立获得资源和独立调度的基本单位。

凡未建立进程的程序，都不能作为一个独立的单位参加运行。

(4)异步性⏹ 这是指进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进；或者说，进程按异步方式运行。

正是这一特征，将导致程序执行的不可再现性。

因此，在OS 中必须采取某种措施来保证各程序之间能协调运行。

(5)结构特征⏹ 从结构上看，进程实体是由程序段、数据段及进程控制块三部分组成。

注意：*可逆 ：仅就绪 执行*主动 ：仅执行阻塞*微观上：执行状态时，程序在运行*宏观上：进程建立后直至撤消，程序都在运行。

1) 就绪(Ready)状态● 一个刚被创建的进程，它的初始状态是就绪。

● 进程所请求的一次打印输出结束后，将使进程状态从等待态变为就绪态。

2) 执行状态● 单CPU 系统中,最多只有一个进程处于运行状态。

● 分配到必要的资源并获得处理机时的进程状态是执行状态。

如：某进程已获得运行所需的其它资源(CPU 除外)，将处于就绪，当它获得CPU 时，就将处于运行（执行）状态。

等待的事了（如某事件 等待I/O ）●进程从运行状态进入就绪状态的原因可能是时间片用完。

3) 阻塞状态进程管理中，在等待的事件发生情况下，进程将从阻塞状态变为就绪状态。

一个进程状态转换的发生是否一定会导致另一个状态的转换发生，列出所有可能：进程同步基本概念（1）进程同步的两种形式的制约关系：1.间接相互制约关系。

此时进程同步的主要任务是保证诸进程能互斥的访问临界资源。

因此，资源应由系统同一分配。

2.直接相互制约关系。

此时此时进程同步的主要任务是保证相互合作的进程在执行次序上的协调，避免出现与时间有关的错误。

临界资源一次仅允许一个进程使用的资源叫临界资源。

属于临界资源的物理设备，如输入机、打印机、磁带机等。

属于临界资源的软件资源，如多个进程共享的变量、数据、队列等。

两个交往的并发进程，其中一个进程对另一个进程的影响常常是不可预期的，甚至是无法再现，因为两个并发进程执行的相对速度无法控制，所以一个进程的速率通常无法为另一个进程所知。

如：两个进程P1，P2共享变量counter（初值5）：P1 P2registerl＝counter；register2＝counter；registerl＝registerl+1；register2＝register2–1；Counter=register1 Counter=register2；如果一个进程先执行，然后另一进程再执行，则counter的值仍为5。

如改变执行次序，counter可能为4或6。

原因：两个进程共享了变量counter.解决方法：把counter作为临界资源处理。

临界区程序上如何实现互斥使用临界资源呢？只要把进程中访问临界资源的那段代码分离出来（它被称为临界区），诸进程互斥地进入自己的临界区即可。