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1、Chapter One 操作系统概述 操作系统 概念：操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理组织和调度计算 机的工作和资源分配，是最基本的系统软件。 特征：并发、共享（两个最基本的特征）、虚拟、异步。 并发：指同一时间间隔内发生，区别于并行。微观上分时地交替执行。 功能：是计算机系统资源（处理机、存储器、文件、设备）的管理者 用户与计算机硬件系统之间的接口： 命令接口（允许用户直接使用）（1）联机（交互式）命令接口（适用于分时or实时） （2）脱机（批处理）命令接口 程序接口（=系统调用命令） GUI（图形接口调用系统命令） 注：在多道程序环境下，处理机的分配和运行都以进
2、程（或线程）为单位。 系统调用是由操作系统提供给用户的，它只能通过用户程序间接使用。 操作系统的发展：批处理分时实时网络和分布式 批处理（缺点：没有交互能力） 单道批处理顺序性（CPU大量时间在空闲等待I/O） 多道批处理（失去封闭性） 制约性、间断性、共享性 特点：多道、宏观上并行，微观上串行。 分时系统：（以时间片为单位）允许多个用户以交互的方式使用计算机 特点：同时性、交互性、独立性、及时性 分时系统能较快、及时接收并处理命令，快速响应用户。 （通常采用优先级+非抢占式调度算法） 分时系统中，时间片一定时，用户数越多，响应时间越长。 实时系统：在某个时间限制内完成某些紧急任务而不需时间片
3、排队 特点：及时性、可靠性 （通常采用抢占式优先级高者优先算法） 网络（网络资源共享）和分布式：区别是在分布式中，若干计算机相互协同完成同一任务 系统调用（运行在核心态）（涉及设备、文件、进程、内存） 用户程序凡是与资源有关的操作（存储分配、I/O、管理文件）都必须通过系统调用。 过程：传递系统调用参数执行陷入（trap）指令（用户态）执行系统调用相应服务程 序（核心态）返回用户程序 系统调用功能是操作系统向用户程序提供的接口 注：系统调用是一种特殊公共子程序 陷入指令是唯一一个只能在用户态执行，而不可在核心态执行的指令。 广义指令：也就是系统调用命令（可能在用户态调用，但处理必须在核心态）
4、用户程序（用户自编or系统外层应用程序）工作在用户态；内核程序工作在核心态。 特权指令：只能在核心态运行的指令 如：I/O指令、置中断指令、存取用户内存保护的寄存器、送程序状态字（可区分目态、管 态）到程序状态字寄存器。（包括系统调用类、时钟类、中断和原语指令，清内存、分配系 统资源、修改虚拟存储里的页表段表、修改用户访问权限等） 中断和异常：引入中断技术的初衷是提高多道程序运行环境中CPU的利用率 中断的分类：内中断（异常、例外、陷入trap）（不可被屏蔽！） 自愿中断指令中断：访管指令（只能用户态使用） 强迫中断硬件故障（缺页） 软件中断（非法操作码、地址越界、算数溢出、虚存系统缺页以及
5、专门的陷入） 外中断（强迫中断） 外设请求：I/O结束、时钟中断 人的干预：用户按ESC or 退出键 注：区分内/外中断看信号来源：CPU内部/外部。 访管中断：用户程序在用户态下要使用特权指令（由访管中断引起）引起的中断。 用户程序需要输入/输出时（I/O），调用OS提供的接口，此时引起访管中断。 所有中断都是在核心态下执行的！（进程切换、对资源的释放） 用户态（发生中断 or 异常）核心态 （通过硬件、系统调用、访管指令实现） 核心态（使用特权指令）用户态 （通过中断返回指令） 注：中断系统（OS必需）和地址映射需要硬件支持，进程调度不需要。 原语 处于最底层；不可分割的指令序列；运行时
6、间短，调用频繁 PV操作是一种低级的进程通信语言，由两个不可中断的过程组成，并非系统调用。 体系结构： 大内核（高性能；结构混乱）、微内核（内核功能少；在用户态、核心态之间切换频繁，性 能低；结构清晰；添加系统服务时不必修改内核；使系统更可靠） Chapter Two 进程管理 进程概念： 进程（动态）是资源分配的一个独立单位。程序：静态 进程的特征：动态性（最基本）、并发性（重要特征）、独立性、异步性、结构性（进程实 体（进程映像）由程序段、数据段、PCB三部分组成） 注：进程的组织（结构性）：PCB、程序段（多个进程可运行同一程序）、数据段 PCB是进程存在的唯一标志。主要包括了：进程描述
7、信息（ID）、进程控制（优先级）和管 理信息、资源分配和处理机相关（不重要）。 二进制代码和常量放在正文段；动态分配的存储区在数据堆段；临时用的变量在数据栈段。 进程的状态：运行、就绪、阻塞、创建、结束 运行阻塞（等待）主动阻塞 阻塞就绪 被动唤醒 注：在可剥夺OS中，当有更高优先级的进程就绪时，调度程序将正在执行的进程就绪 态，让更高优先级的执行。 就绪态：进程已处于准备运行的状态（只缺CPU了！） 进程切换：（区别于调度！切换是执行行为，而调度是决策行为）：时间片用完、主动放弃 处理机、被更高优先级的进程剥夺 注：进程切换的过程包括更新PCB信息 引起创建进程的操作：终端用户登录系统、作业
8、调度、系统提供服务、用户程序的应用请求 注：用户进程被创建后，随着运行的正常或不正常结束而撤销。（进程是有一定生命周期 的！） 进程的终止：异常结束：存储区越界、保护错、非法指令、特权指令错、I/O故障 正常 结束：任务已完成 外界干预（人为、OS干预、父进程的请求or终止） 阻塞（等待资源）：请求资源失败、等待某操作的完成、数据未到达、无事可做等 唤醒（资源到达）：I/O操作已完成 or 数据已到，调用唤醒原语 进程的通信 一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间 共享存储（互斥访问）：低级方式：基于数据结构的共享；高级方式：基于存储区 消息传递：直接通信方式：接收进程从消息队列中取得消息；
9、 间接通信方式：将消息挂到某个中间实体（邮箱） 管道通信：利用一种特殊的pipe文件连接两个进程。 管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向传输。如果要实现双向同时通信，则 需设置两个管道。（原理：Chapter 5缓冲区） 注：从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读取，它就从管道中被抛弃 线程 线程的引入：减小程序的时空开销，提高程序并发执行的程度，提高系统效率 线程是程序执行的最小单元，并不拥有任何系统资源（进程才有），是独立调度的基本单 位。 同一进程中，线程的切换不会引起进程的切换；切换到另一进程中的线程才会切换。 同一进程或者不同进程内的线程都可以并发执行。 用户级线程：所有
10、工作都由应用程序完成，无需内核干涉。 多线程模型：多对一模型：缺点一个线程阻塞会导致整个进程都被阻塞 注：线程包含CPU现场，可以独立执行程序。 只有内核级线程才是处理机分配的单位！ CPU调度 作业调度（高级DD）：内存与辅存（外存）之间的DD；对于每个进程只调入/调出一次。 调入建立PCB，调出才撤销PCB。 内存DD（中级DD）：将暂时不运行的进程调至外存等待。引入中级DD为了提高内存利 用率和吞吐量（调到外存等待的进程状态为挂起态） 进程DD（低级DD）：内存CPU，是OS中最基本的一种DD；一般OS中必须配置，使 用频率很高。 带权周转时间=作业周转T/作业实际运行T 不能进行进程调
11、度/切换的情况： 处理中断过程中 进程在OS内核程序临界区需要独占式访问共享资源（不能进行进程DD但还是能进行 CPU调度！前提：不能破坏临界资源使用规则） 需要完全屏蔽中断的原子操作（不可分割！连中断都要屏蔽，DD更别说了） （如：加锁、解锁、中断现场保护/恢复） 应该进行进程调度/切换的情况： 发生引起DD的条件且当前进程无法继续执行下去（非剥夺方式） 中断or trap处理结束后，返回被中断进程的用户态程序执行现场前，可以马上进行DD与 切换。（剥夺方式） 调度方式：剥夺式（抢占）、非剥夺式（非抢占） 剥夺式：当某个更紧急的进程要CPU时，立即暂停正在执行的进程，先分给更紧急的。（必 须
12、遵循一定规则，如：优先权、SJF or 时间片） 优点：提高系统吞吐率和响应效率 非剥夺式：一旦CPU分配给一个进程，该进程保持CPU直到终止 or 转换到等待态。 特点：实现简单、系统开销小；适用于批处理，不能用于分时 or 实时！ 调度算法： FCFS、SJF、优先级DD、高响应比优先、时间片轮转、多级反馈队列DD。 FCFS：属于不可剥夺算法！ 特点：算法简单；有利于CPU繁忙型作业，不利于I/O繁忙型作业。 SJF：会产生饥饿现象，是调度策略问题。（默认”非抢占”，也有抢占式） 特点：平均等待时间、平均周转时间最少！ 优先级DD：静态优先级：优先级在创建进程时确定，整个运行期间不变 动
13、态优先级：随着进程执行时间增加，其优先权下降。 高响应比优先：Rp=(waitT+ServeT)/ServeT 时间片轮转（队列的思想）：主要适用于分时系统；绝对可抢占；时间片过大时，相当于 FCFS 注：I/O型作业优先权高于计算型作业！I/O作业要及时完成，无法长期保存输入/输出的数 据。 处理机DD算法不影响作业执行或输入/输出操作的时间，只影响作业在就绪队列中等待所花 的时间。（即DD算法优劣只需考虑等待时间） 进程同步 临界资源（独占资源）：一次仅允许一个进程访问使用的资源 （如：打印机、共享变量、共享缓冲区、公用队列） 共享资源：磁盘存储介质、可重入代码（一次可供多个进程使用，不允
14、许任何修改的代码 共享程序） 临界区：进程中访问临界资源的那段代码 注：进程处于临界区时，不能进行进程DD，但是能进行处理机/CPU调度！但要不能破坏临 界资源使用规则 同步机制遵循的原则：空闲让进忙则等待有限等待让权等待 ：当进程不能进入临界区时，应释放处理器 实现临界资源互斥的基本方法：（以下都不满足”让权等待”！） 软件：单标志法（只能按顺序进入）双标志法（同时进入临界区）双标后检测（可能 造成饥饿）Petersons 算法（双重，主动谦让，将”钥匙”送给对方，最终只有一个可通 过）P73方四行代码 硬件：TestAndSet（原子操作） or Swap（简单了解） 特点：实现简单；适用
15、于多处理机；不满足”让权等待” 信号量 整型信号量：表示资源数量 （不满足”让权等待”） 记录型信号量：s.value但是此题不需要！ semaphore offer1 = 0; /同步互斥量，桌子上组合1的数量 semaphore finish = 0; /表示抽烟完成的信号 int i = 0; /对i取余然后V(offer)，用于实现”轮流”抽烟（根据题目要求） 读者写者：P082（读写公平法略繁） semaphore mutex = 1; /对count=0时进行保护，实现第一个读者和第二个一起 semaphore rw = 1; /保证读者写者互斥访问文件 int count = 0; /读进程的数
