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1、第 1 章 操作系统概论1、操作系统：是计算机系统的一个系统软件，有效管理系统中软硬件资源，合理组织计算机工作流程，方便。2、操作系统特征：并发性（多程序宏观并发，微观单道） 、共享性（互斥共享，同时共享） 、随机性（异步性，进程走走停停）3、操作系统功能：进程管理（进程控制、进程同步、进程通信、调度） ，存储管理（内存分配与回收、存储保护、内存扩充） 、文件管理（文件存储空间、目录管理按名存储、文件安全性） 、设备管理、用户接口（命令接口、程序接口、图形接口）4、操作系统分类：（1）按用户界面的使用环境和功能特征 批处理操作系统，分时操作系统，实时操作系统（2）个人操作系统，网络操作系统，分
2、布式操作系统，嵌入式操作系统批处理操作系统：特点 成批处理。优点：自动化高目标系统资源利用率高 作业吞吐率高（单位时间内计算机系统处理作业的个数）缺点：不能直接与计算机交互 不适合调试程序单道批处理系统：自动性、顺序性、单道性多道批处理系统：提高 CPU 利用率、增加系统吞吐量指令：一般指令（用户）特权指令：输入输出，停机（系统）5、SPOOLing（假脱机技术）：把独占改为虚拟共享a) 在磁盘上开辟输入井，输出井b) 在主存输入缓冲区、输入缓冲区c) 输入进程数据从输入设备输入缓冲区输入井CPU 需要，输入井主存特点：提高输入输出速度、把独占改为虚拟共享、实现虚拟设备功能6、分时系统：交互的
3、、采用时间片轮转、轮流为多个终端用户使用特点：多路性、交互性、独占性、及时性影响相应时间：（1）机器处理能力（2）请求服务时间（3）终端数（4）服务请求分布（5）调度算法7、实时系统：在规定时间完成处理 工业控制、军事控制、实时通讯（电讯、银行、飞机订票、股市）特点：多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性8、嵌入式操作系统特点：内核小、专用性强、系统精简、高实时性、多任务操作系统9、分布式操作系统特点：分布性、并行性、透明性、共享性、健壮性10、操作系统结构：整体结构、层次结构（硬件层 操作系统层系统程序层应用程序层） 、微内核（客户服务器结构 典型的 WINDOWS NT）11、计算机系统包
4、括 硬件系统，软件系统12、计算机系统的资源包括两大类 硬件资源和软件资源13、硬件系统：中央处理器，内存储器，外存储器，以及各种类型的输入输出设备（键盘，鼠标显示器，打印机）14、软件系统：各种程序和数据软件系统又分为：应用软件，支撑软件（数据库，网络，多媒体） ，系统软件（操作系统，编译器）15、.操作系统的任务：组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源向用户提供各种服务功能（一方面 向程序开发和设计人员提供高效的程序设计接口 二 向使用计算机系统的用户提供接口）16、操作系统的发展1.手工制作 2.早期批处理 3.多道批处理 4.分时系统17、UNIX 系统C 语言编写，多用户，多任务 ，
5、分时操作系统 ，树形文件系统7.个人计算机操作系统20 世纪 70 年代 微软 MS DOS 单用户单任务1984 年 苹果操作系统1992 微软 交互式操作系统 WINDOWS 3.11995 window951991 linux linux 遵循 UNIX 标准 POSIX 继承 UNIX 全部优点嵌入式操作系统高可靠性，实时性，占有资源少，智能化能源管理。易于连接，低成本个人计算机操作系统单用户多任务网络操作系统（NOS）目标：相互通信及资源共享 两种模式：集中式，分布式网络操作系统和分布式操作系统 主要不同在于：网络操作系统可以构架与不同的操作系统网络操作系统不要求对网络资源透明的访问
6、，对本地资源和异地资源访问区别对待分布式操作系统强调单一操作系统对整个分布式系统的管理，调度指令集：ISO/IEC7816-4 提供的指令类型：数据管理类，通信控制类，安全控制类四个基本功能： 资源管理，通信管理，安全管理，应用管理智能卡硬件资源：CPU，存储部件，通信接口第 2 章 操作系统的运行机制1、CPU （运算器、控制器、寄存器、高速缓存）寄存器：用户可见寄存器（数据寄存器、地址寄存器、条件码寄存器） 、控制状态寄存器（程序计数器、指令寄存器、程序状态字）2、处理器状态：（1）管态特权指令、目态非特权指令（管态可调用所有指令和资源，改变处理器状态，目态转换官态中断，官态转目态修改 P
7、SW 值）PSW 程序状态字（2）核心状态、管理状态、用户程序状态（目标状态）3、存储器结构图4、存储保护（1 界地址寄存器（1）上下限寄存器， （2）基址寄存器和限长寄存器2 存储键）5、中断与异常a) 中断特点：随机的、可恢复的、自动处理的b) 中断分类c) 中断：与正在执行的指令无关，可以屏蔽异常：与正在执行的指令有关，不可以屏蔽d) 中断系统：硬件中断装置、软件中断处理程序e) 通过中断扫描机构扫描中断信号f) 产生中断方式：I/ O 中断（正常，异常） 、时钟中断、硬件故障中断、程序性中断、系统调用6、系统调用与一般调用的差别：运行的系统状态不同，系统调用在管态7、I/O 技术控制方
8、法：通道（使 CPU 从 I/O 事务解脱，提高效率、传输数据较小，按字节）、DMA 技术（按块传输） 、缓冲技术（匹配速度问题）8、时钟（一般由硬件提供）：硬件时钟、软件时钟或绝对时钟、相对时钟第 3 章 进程线程模型1 多道程序的设计模型采用多道程序的设计可以提高 CPU 的利用率1.1 程序的顺序执行特点：顺序性，封闭性，程序执行结果的确定性，程序执行结果的可再现性1.2 多道程序设计通常采用并行操作技术。多道程序设计环境的特点根本目的：提高整个操作系统的效率。衡量系统效率的尺度：系统吞吐量 指在单位时间内系统所处理作业的道数。多道程序的特点：独立性，随机性，资源共享性1.3 程序的并发
9、执行指两个或两个以上的程序在计算机中同处于以开始执行且尚未结束的状态特点：（1） 并发程序在执行期间具有相互制约关系（2）程序与计算不在一一对应（3）并发程序执行结果不可再现（宏观上是同时进行的，但从微观上，在单个CPU 中 仍然是顺序执行的）1.4 进程模型： 程序、数据、PCB （灵魂）进程控制块组成从操作系统的角度：分为系统进程和用户进程（系统进程优先级高于用户进程）进程和程序的联系和区别联系：程序是构成进程的组成部分之一，从静态角度，进程是由程序，数据和进程控制块组成。区别：程序是静态的，进程是动态的进程的特性：并发，动态（动态产生，动态消亡） ，独立（相对完整的资源分配单位） ，交往
10、（相互作用） ，异步（相互独立 不可预知的前进） 。1.5 进程的状态及状态转换三状态：运行 就绪 等待就绪-运行 进程被调度的程序选中运行-就绪 时间片用完运行-等待 等待某事件发生等待-就绪 等待的事件已经发生五状态：运行，就绪，阻塞，创建，结束状态转换：创建进程，提交，调度运行，释放，超时，事件等待，事件出现。创建：建立未进入就绪结束七状态：运行 阻塞，创建，结束，就绪挂起，阻塞挂起，就绪新引入的状态（挂起和激活）挂起状态：内存转外存激活状态：外存转内存状态转换：创建就绪：加入就绪队列就绪执行：执行执行阻塞：等待资源而无法执行（请求某种服务、启动某种操作、新数据尚未到达、无新工作可做）执
11、行就绪：时间片结束、优先权较低阻塞就绪：得到资源执行终止：正常结束或异常错误1.6 进程控制块 PCB分为调度信息和现场信息调度信息包括（进程名，进程号，存储信息，优先级，当前状态，资源清单，消息队列指针，进程队列指针，和当前打开文件）现场信息（程序状态字，时钟，界地址）进程的组成（程序，数据 和进程控制块）PCB 组织方式（线性方式，索引方式，链接方式）进程的队列（就绪队列，等待，运行）1.7 进程控制通过原语（由若干条指令所构成，用来实现某个特定的操作）进程控制原语：创建进程，撤销进程，挂起进程，激活进程，阻塞进程，唤醒进程，以及改变进程优先级。创建原语，撤销原语，阻塞原语，唤醒原语。UN
12、IX 通过 fork()函数创建子进程，执行一次，返回两个结果1.8 线程模型更小的独立运行的基本单位-线程引入线程 为了减少并发执行时所付出的时间和空间开销进程拥有两个基本属性：是一个可拥有资源的独立单位，又是一个可以独立调度和分派的基本单位1.8.1 线程的基本概念是进程中的一个实体，是 CPU 调度和分派的基本单位一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程的多个线程之间可以并发执行线程特性：每个线程有一个唯一的标识符合一张线程描述表。不同的线程可以执行相同的程序。同一个进程中的各个线程共享该进程的内存地址空间线程是处理器的独立调度单位 多个线程可以并发执行线程的好处：花费时间少 创建的
13、速度比进程块，系统开销少，两现成的切换花费时间少 能独立运行线程和进程比较线程又称为 轻量级进程 传统的进程称为重量级进程调度：线程作为调度和分派的基本单位，吧进程作为资源拥有的基本单位。并发性：拥有资源：线程不拥有系统资源系统开销：进程的开销远大于线程的开销1.8.2 线程的实现机制第一种：用户级线程 不依赖于内核 LINUX第二种：内核级线程 依赖内核 windows第三种：混合实现方式 solaris1.9 进程（线程）调度一般分为：高级调度（作业调度批处理） ，中级调度，低级调度（进程（线程）调度）进程（线性）调度即处理机调度2.0 调度算法的设计原则：面向用户原则（周转时间） 、面向
14、系统（系统吞吐量）2.0.1 进程行为：当一个进程等外部设备完成工作而被阻塞的行为属于 I/O某些花费了绝大多数时间在计算上面的 称为计算密集型在等待 I/0 花费了绝大多数的时间 称为 I/0 密集型系统分类：通常分为 批处理 交互式 实时系统2.1 调度算法的设计目标公平，系统策略的强制执行 另一个就是保持系统的所有部分尽可能忙碌通常检查三个指标：吞吐量，周转时间，CPU 利用率周转时间：从一个批处理作业提交时刻开始直到改作业完成时刻为止统计的平均时间2.2 进程（线程）调度算法先来先服务 FCFS（非抢占式）最短作业优先 SPF（非抢占式）最短剩余时间优先 SPT（抢占式 ）轮转法（R-
15、R）分成一个个时间片 影响时间片的因素（系统响应时间，就绪进程的数目，计算机的处理能力）应该将时间片设为 20-50ms最高优先级算法（抢占或非抢占）多级反馈队列算法（综合了先进先出，时间片，可抢占式）最短进程优先实时系统中的调度算法：（1）速率单调调度算法（RMS ） （2）最早最终时限优先调度（EDF）第 4 章 并发与同步1、进程关系：同步、互斥2、进程同步：是指多个进程中发生的事件存在某种时序关系，必须协同工作，相互配合，以共同的完成一个任务3、进程互斥：是指由于共享资源所要求的排他性，进程间要相互竞争，以使用这些互斥资源4、进程互斥的解决方法：（1）由竞争各方平等协商， （2）引入进
16、程管理者（只有信号量）5、临界资源：是指只允许一个进程访问和使用的资源6、计算机中的资源共享的程度可分为三次：互斥，死锁，饥饿。互斥 是指多个进程不能同时使用同一个资源。死锁 是指避免多个进程互不相让，避免出现都得不到足够资源的情况饥饿 避免某些进程一直得不到资源或得到资源的概率很小7、临界资源访问过程分成：进入区，临界区，退出区，剩余区。8、进程同步遵循的准则：空闲则入，忙泽等待，有限等待，让权等待9、进程互斥的硬件方法：TS 指令、SWAP 指令、信号量10、信号量大于等于 0：可用资源数小于 0：进程被阻塞数对信号量的操作：P 操作-（wait(s)）：进临界区V 操作+(signal(s) ：释放临界区11、管程：一个管程由 过程 变量 数据结构等组成的集合一个管程由四个部分组成：管程名称，共享数据的说明，对数据进行操作的一组进程和对公共
