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1、第一章操作系统引论1.1操作系统的目标与作用操作系统的目标：方便性有效性：有效性包含的第一层含义是提高系统 资源的利用率，第二层含义是，提高系统吞吐量可扩充性开放性用户实现与操作系统通信的三种方式：命令方式系统调用图标一一窗 口操作系统会管理处理机、存储器、I/O设备以及文件，处理机管理是应用于 分配和控制处理机；存储器管理主要负责内存的分配与回收；I/O设备管理是负 责I/O设备的分配与操纵；文件管理是用于实现对文件的存取、共享和保护。 1.2几种操作系统 单道批处理系统，内存中只允许存放一个作业，当前正在运行的作业驻留 内存，执行顺序是先进先出。在单道批处理系统中，一个作业单独进入内存并独
2、 占系统资源，直到运行结束后下一个作业才能进入内存，当进行输入操作时，cpu 处于等待状态。单道批处理系统的缺点是系统中的资源得不到充分的利用。 多道批处理系统，用户所提交的作业先存放在外存上，并排成一个队列成 为“后备队列”。然后由作业调度程序按一定的算法，从后备队列中选择若干个 作业调入内存，使它们共享cpu和系统中各种资源。多道批处理系统的优点有： 1.资源利用率高2.系统吞吐量大缺点有：1.平均周转时间长2.无交互能力 分时系统，是指一台主机上连接多个带有显示器和键盘的终端，同事允许 多个用户通过主机的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。分时系 统的特性为：1.多路性2.独立
3、性3.及时性4.交互性 实时系统，是指计算的正确性不仅取决于程序的逻辑正确性，也取决于结 果产生的时间。实时系统的特征有：1多路性2.独立性3.及时性4.交互性5. 可靠性1.3操作系统的基本特征 并发，是指一个时间段中有几个进程都处于已启动运行到运行完毕之间， 且这几个程序都是在同一个处理机上运行，担任一个时刻点上只有一个进程在处 理机上运行。这里要和并行加以区分，并行是两个或多个事件在同一时刻发生； 而并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。进程，是指在做系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位 共皇，是指系统中的资源可供内存这中多个并发执行的进程共同使用。由 于资源的属性不同，所以多
4、个进程对资源的共享方式也不同，可以分为互斥共享 和同时访问。 虚拟,是指通过技术（spooling技术）把一个物理实体变成若干个逻辑上 的对应物。 异步，是指进程以人们不可预知的速度向前推进（和线程的异步性类似） 1.4操作系统的主要功能处理机管理功能：1.进程控制2进程同步3进程通信4调度（作业调度， 进程调度）存储器管理功能：1.内存分配2.内存保护3.地址映射4.内存扩充 设备管理功能：1.缓冲管理2设备分配3设备处理文件管理功能：1文件存储空间管理2.目录管理3文件读写管理与保护第二章进程的描述和控制2.1前趋图和程序的执行 前趋图的画法（略） 程序顺序执行时特征：1顺序性：指处理机严
5、格按照程序所规定的顺序执行，即每一操作必须 在下一个操作开始之前结束；2封闭性：在程序在封闭的环境下运行，即程序运行时独占全机资源， 资源的状态只有本程序才能改变它，程序一旦开始执行，其中执行结果不受 外界因素影响；3可再现性：这种只要称必须执行时的环境和初始条件相同，当程序重 复执行时，不论它是从头到尾不停顿地执行，还是”走走停停”地执行，都 可获得相同的结果。 程序并发执行时的特征：1间断性2.失去封闭性3.不可再现性2.2进程的描述进程的定义：进程是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次 运行活动。它是操作系统动态执行的基本单元，在传统的操作系统中，进程既是 基本的分配单元，也
6、是基本的执行单元。进程的特征：动态性；并发性；独立性；异步性。 进程的三种基本状态：就绪态ready；执行态running；阻塞态block 三种基本状态的转换：进程控制块pcb的作用： 作为独立运行基本单位的标志； 能实现间断性与运行方式； 提供进程管理所需要的信息； 提供进程调度所需要的信息； 实现与其他进程的同步与通信；进程控制块中的信息： 进程标识符（外部标识符，内部标识符）； 处理机状态（通用寄存器，指令寄存器，程序状态字psw，用户栈指针）； 进程调度信息（进程状态，进程优先级，其他信息，事件）； 进程控制信息（程序和数据的地址，进程同步和通信机制，资源清单， 链接指针）；进程控制
7、块的组织方式： 线性方式；链接方式；索引方式；2.3进程控制OS内核的作用： 保护内核中的程序，防止其遭受其他应用的破坏；提咼OS的运行效 率；处理机的执行状态： 系统态（管态）：具有较高的特权，能执行一切的指令，访问所有的 寄存器和存储区，传统的OS都在系统态与运行；用户态（目态）：具有 较低的特权的执行状态，仅能执行规定的指令，访问指定的寄存器和存储区； 原语：由若干条指令组成的，用于完成一定功能的过程。原语的操作称为原 子操作，一个原子操作中的所有动作要么全做，要么全不做（类似于） 2.4进程同步临界资源：一次仅允许一个进程使用的共享资源；临界区：每个进程访问临界资源的那段代码。每次只允
8、许一个进程进入临界 区，进入后不允许其他进程进入；同步机制应遵循的规则：空闲让进；忙则等待；有限等待；让权等 待；信号量机制 整型信号量：信号量S是一个整数，S大于等于零是代表可供并发进程使 用的资源实体数，当S小于零时则表示正在等待使用临界区的进程数，它仅能被 两个原子操作来访问，分别是wait（S）和signal（S），它们被称为P、V原语，它 们的代码如下：wait（ S）signal（S）whil e（Svalue-;if(S-valuelist);signal(semaphore * S) Svalue+; if(Svaluelist); AND型信号量：将进程在整个运行过程中需要要
9、的所有资源，一次性全部 地分配给进程，带进程使用完后再一起释放。只要尚有一个资源未能分配给进程, 其它所有可能为之分配的资源也不分配给它。就是在wait操作中增加了一个 “AND”条件，故称为AND同步。两个操作的代码如下：Swait(Sl, S2，.，Sn) whil e(TRUE)if(Si=l&. &Sn=1)for(i=l;i二n;i+)Si-;break;elseplace the process in the waiting queue associated with the first Si found withSi1,and set the program count of t
10、his process to the beginning of SwaitoperationSsignal(S1，S2，.，Sn)whil e(TRUE)for(i=1;i=ti,否则不予分配。一旦允许分配，进 程对该资源的需求值为di,即表示资源占用量，进行Si=Si-di操作，而不是简 单的Si=Si-1o由此形成一般化信号量机制。对应的Swait和Ssignal代码如下：Swa it(S1,t1 ,d1,Sn ,tn ,dn);Ssignal(S1,d1,Sn,dn);信号量的应用： 利用信号量实现进程互斥；利用信号量实现前趋关系；管程:系统中的各个硬件资源和软件资源均可以用数据结构抽象
11、地描述其资 源特性，即用少量信息和对该资源所执行的操作来表征该资源，而忽略它们的内 部结构和实现细节。利用共享数据结构抽象地表示系统中的共享资源，而把对该 共享数据结构实施的操作定义为一组过程。代表共享资源的数据结构，以及由对 该数据结构实施操作的一组过程做组成的资源管理程序，共同构成了一个操守做系统的资源管理模块，我们称之为管程。中文名走冥管程 条井变里 条件变重是在管程内部的數揺结构.且只有在管 个管程走义了一个數据结枸和能为并岌进程 程内才能被访问.它对管程内所有过程是全局的. 所执行(在该數据结构上)的一组换作，这组 只能通过舶ithsi個:两个换作访问。換作能同步进程和改娈管程中的數
12、据。组感部分.管程的容称；2局部于管程内部的共享数据结 构说明；3.对该數据结枸进行换作的一组过程；4.对局部于管程内部的共享數据设蚤初始值的语 plwait():signal()挂起调用进程并释放管程，直至另进程正在条件变量上执行signal():如果有其他他的进程因对条件变量执行wait()而被挂起，便释放之。 如果没有进程等待，这信号被忽略，不保存。管程的语法描述如下：Monitor monito r_name /管程名 share variable declara tio ns; /共享变量说明 cond declara tion;/条件变量说明public:/能被进程调用的过程voi
13、d P1()/对数据结构操作的过程void P2()/管程主体ini ti aliza tion code;/初始化代码管程的特性：模块化抽象数据类型信息掩蔽管程和进程的不同： 虽然二者都定义了数据结构，但进程定义的是私有数据结构PCB,过程定 义的是公共数据结构；二者都存在对各自数据结构上的操作，但进程是由顺序 程序执行有关操作，而管程主 要是进行同步操作和初始化操作；设置进程的 目的在于实现系统的并发性，而管程的设置则是解决共享紫云园的互斥使用 问题；进程通过调用管程中的过程对共享数据结构实行操作，该过程就如通常 的子程序一样被调用，因而管程为被动工作方式，进程则为主动工作方式； 进程之间能并发执行，而管程择不能与其调用者并发；进程具有动态性，由“创 建”而诞生，由“撤销”而消亡，而管程则是操作系统中的一个资源管理模 块，工进程调用； 2.5经典进程同步问题生产者消费者问题利用记录型信号量 利用AND型信号量利用管程 哲学家进餐问题利用记录型信号量利用AND型信号量 读者一一写者问题利用记录型信号量利用信号量集机制2.6进程通信进程通信的类型 共享存储器系统1基于共享数据结构的通信方式：要求进程公用某些数据结构，借意义 实现进程间的信息交换2机遇与共享存储区的通信方式：为了传输大量数据，在内存中话术了 一块共享存
