操作系统--windows(个人总结版).pdf

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1、-1-操作系统 一、重要知识点归纳.-2-二、操作系统绪论.-7-三、进程.-8-四、进程同步.-11-五、调度和死锁.-12-六、存储管理.-14-七、设备管理.-18-2-一、一、重要知识点归纳重要知识点归纳 操作系统发展过程 1、人工操作方式 2、单道批处理系统 3、多道批处理系统 4、分时系统 5、实时系统 操作系统基本特征 并发、共享、虚拟、异步 并发和共享是操作系统的两个最基本特征 程序独占处理机顺序执行时特征 顺序性 封闭性 可再现性 程序并发执行特征 间断性 失去封闭性 不可再现性 进程：可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程 动态性、并发性、独立性、异步性 进程的三种基本

2、状态 就绪状态（R 态）-只要获得 CPU，就可立即执行 执行状态（E 态）-只有一个进程处于执行态 阻塞状态（B 态）-缺少某个资源 -3-进程控制块 PCB 初始化包括 1、初始化标识信息 2、初始化处理机状态信息 3、初始化处理机控制信息 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（wait(mutex)和 signal(mutex)必须成对出现 1、整型信号量（P、V 操作）wait（s）和 signal（s）操作 2、记录型信号量 3、AND 型信号量 4、信号量集（Swait（s,d,d）、Swait（s,1,1）、Swait（s,1,0）经典进程的同

3、步问题 1、生产者消费者问题 2、哲学家进餐问题 3、读者写者问题 进程通信的类型 1、共享存储器系统 2、消息传递系统 3、管道通信 消息传递通信的实现方法 1、直接通信方式 2、间接通信方式 -4-线程：比进程更小的能独立运行的基本单位 一般而言，线程自己不拥有系统资源（也有一点必不可少的资源）处理机调度的层次 1、高级调度 2、低级调度 3、中级调度 进程调度方式 1、非抢占方式 2、抢占方式(1).优先权原则(2).短作业优先原则(3).时间片原则 进程调度算法 1、先来先服务和短作业优先调度算法（周转时间=完成时间-到达时间、带权周转时间=周转时间/服务时间）(1).先来先服务调度算

4、法(2).短作业优先调度算法 2、高优先权优先调度算法(1).非抢占式优先权算法(2).抢占式优先权调度算法(3).高响应比优先调度算法-优先权=（等待时间+要求服务时间）/要求服务时间 3、基于时间片的轮转调度算法 (1).时间片轮转法 (2).多级反馈队列调度算法 产生死锁的原因 1、竞争资源(1).竞争非剥夺资源(2).竞争临界资源 2、进程间推进顺序非法 产生死锁的必要条件 1、互斥条件 2、请求和保持条件 3、不剥夺资源 4、环路等待条件 预防死锁的方法 1、摒弃“请求和保持条件”（一次性申请全部资源）2、摒弃“不剥夺条件”（再次提出申请资源不能满足时，释放所有资源）3、摒弃“环路等

5、待条件”（资源按类型进行线性排队，并赋予不同序号）-5-利用银行家算法避免死锁 死锁的解除 1、剥夺资源 2、撤销进程 多级存储结构 1、CPU 寄存器（寄存器）2、主存（高速缓存、主存、磁盘缓存）3、辅存（磁盘、可移动存储介质）程序的装入 1、绝对装入方式 2、可重定位装入方式 3、动态运行时装入方式 程序的链接 1、静态链接方式 2、装入时动态链接 3、运行时动态链接 连续分配方式（为一个用户程序分配一个连续的内存空间）1、单一连续分配 2、固定分区分配 3、动态分区分配 分区分配算法(1).首次适应算法(2).循环首次适应算法(3).最佳适应算法(4).最坏适应算法(5).快速适应算法

6、4、可重定位分区分配 基本分页存储管理方式 地址结构：31 12 11 0 页号 P 位移量 W 基本分段存储管理方式 段号 段内地址 31 16 15 0 分页和分段的主要区别 1、页是信息的物理单位 -6-2、页的大小固定且由系统决定 3、分页的作业地址空间是一维的 虚拟存储器的特征 多次性、对换性、虚拟性 页面置换算法 1、最佳置换算法 2、先进先出页面置换算法 3、最近最久未使用置换算法 4、CLOCK 置换算法 设备与控制器之间的接口 1、数据信号线 2、控制信号线 3、状态信号线 I/O 控制方式 1、程序 I/O 方式 2、中断驱动 I/O 控制方式 3、直接存储器（DMA）I/

7、O 控制方式 DMA 控制器的组成(1).命令/状态寄存器 CR(2).内存地址寄存器 MAR(3).数据寄存器 DR(4).数据计数器 DC 4、I/O 通道控制方式 磁盘访问时间 Ta Ta=Ts+Tr+Tt=Ts+1/2r+b/rN 寻道时间 Ts=m*n+s 移动 n 条磁道、启动磁臂时间 s 旋转延迟时间 Tr 传输时间 Tt=b/rN r 为磁盘每秒钟的转数、b 为字节数 磁盘调度算法 1、先来先服务 2、最短寻道时间优先 3、扫描算法 4、循环扫描算法 5、NstepScan 和 FSCAN 调度算法 文件系统 1、FAT12：每个分区容量为 2M，只能支持 8+3 格式文件名

8、2、FAT16：最大分区容量为 2G -7-3、FAT32：不支持容量小于 512M 分区、单个文件的长度不能大于 4G、不能保持向下兼容 4、NTFS：支持长文件名（256 个字符）、数据保护和数据恢复 UNIX 的调度算法：动态优先数轮转调度算法 二、二、操作系统操作系统绪论绪论 操作系统的发展过程 1.手工操作阶段（40 年代）2.单道批处理阶段（50 年代）3.多道批处理（60 年代初）4.分时系统（60 年代中）5.实时操作系统（60 年代中）多道批处理系统的优点 1.资源利用率高。2.系统吞吐量大。多道批处理系统的缺点 1.平均周转时间长。2.无交互能力。推动多道批处理系统形成和发

9、展的动力是提高资源利用率和系统吞吐量。推动分时系统形成和发展的主要动力是用户的需要：交互、共享主机、方便上机。分时系统是指在一台主机上连接多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的键盘，以交互的方式使用计算机，共享主机中的资源。分时系统的特征 1.多路性：允许同一主机联接多台终端。2.独立性：每一用户独占一个终端；每个用户感觉不到其他用户的存在。3.及时性：用户请求能及时响应。4.交互性：可进行广泛的人机对话。实时系统（RealTime System）是指系统能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。实时系统的特征：1.多路性 2

10、.独立性 -8-3.及时性（开始截止时间/完成截止时间）4.交互性（仅限于访问专用服务程序）5.可靠性（多级容错措施保障系统和数据安全）操作系统的特性 1.并发（Concurrence）2.共享（Sharing）3.虚拟（Virtual）4.异步性（Asynchronism）并发性：引入进程、线程 据资源属性的不同，有两种资源共享方式：1.互斥共享方式（临界/独占资源）2.同时访问方式 并发和共享是 OS 的两个最基本的特性，二者互为条件！处理机管理包括以下几方面：进程控制、进程同步、进程通信、调度 存储器管理具备下列功能：1.内存分配 2.地址映射：把程序中的逻辑地址映射为物理地址 3.存储

11、保护：使多道程序间互不干扰 4.存储扩充：用辅存扩充主存，实现“虚拟存储器”设备管理的功能 1.缓冲管理：为设备提供缓冲区以缓和 CPU 同设备的 I/O 速度不匹配的矛盾。2.设备分配 3.设备驱动：为设备提供驱动程序。4.设备独立性和虚拟设备 文件系统管理的功能：1.文件存储空间管理。2.目录管理：为了用户方便找到他所需的文件。3.文件的读写管理和存取控制：存取控制就是防止文件被非法使用。三、三、进程进程 程序顺序执行的特点 1.顺序性：一个程序开始执行必须要等到前一个程序已执行完成。2.封闭性：程序运行时独占计算机资源，资源的状态只能由本程序修改。程序一旦开始执行，-9-其计算结果不受外

12、界因素影响。3.可再现性：程序的结果与它的执行速度无关（即与时间无关），只要给定相同的输入，一定会得到相同的结果。程序并发执行的特点 1.间断性 2.失去程序的封闭性 程序在并发执行时，是多个程序共享系统中的资源，因此这些资源的状态将由多个程序来改变。3.不可再现性 进程是可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。进程是指进程实体的运行过程。程序是静态的，进程是动态的；程序是永久的，进程是暂时的；进程是由程序和数据、进程控制块 PCB 三部分组成的。进程的特征 1.结构性：由程序段、数据段、进程控制块三部分组成；2.动态性：进程是程序的执行过程；3.并发性：多个进程可同存于内存中，能在一段时

13、间内同时运行；4.独立性：独立运行的基本单位，独立获得资源和调度的基本单位；5.异步性：各进程按各自独立的不可预知的速度向前推进。进程的三种基本状态 1.就绪状态（Ready）：存在于处理机调度队列中的所有进程，它们已经准备就绪，一旦得到CPU，就立即可以运行。2.运行状态（Running）：正在运行的进程所处的状态为运行状态。单处理机系统 只有一个进程处于该状态 多处理机系统有多个进程处于运行状态 3.等待/阻塞/睡眠状态（Wait/Blocked）：若一进程正在等待某一事件发生（如等待输入输出工作完成），这时，即使给它 CPU，它也无法运行，称该进程处于等待状态（阻塞、睡眠、封锁状态）。进

14、程控制块（PCB）PCB 是 OS 中最重要的记录型数据结构。PCB 是 OS 感知进程存在的唯一标志。进程与 PCB 是一一对应的。PCB 随进程创建而建立，随进程结束而回收。PCB 应常驻内存。进程描述信息：进程标识符(process ID)：唯一，通常是一个整数 -10-进程名：通常基于可执行文件名（不唯一）用户标识符(user ID)：进程组关系 原语：由多条指令组成，是一种特殊的系统功能调用，它可以完成一个特定的功能。原语的特点：1.执行时不可中断 2.不可并发 3.在管态下执行，常驻内存 进程创建 1.申请空白 PCB 2.为新进程分配资源 如内存 3.初始化进程控制块 4.将新进

15、程插入就绪队列 进程终止的事件：1.正常结束 2.异常结束 越界错误 保护错 特权指令错 非法指令错 I/0 故障 等 运行超时 等待超时 算术运算错 3.外界干预:操作员或 OS 干预；父进程请求；父进程终止，子孙进程被终止。进程阻塞是进程自身的一种主动行为。进程阻塞或唤醒的原因 1.请求系统服务：如请求打印机 2.启动某种操作：如 I/O 操作 3.新数据还未到达：合作进程之间需要数据传递 4.无新工作可做：如发送进程发送完数据后 线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度的基本单位。引入进程的目的是为了使多个程序更好的并发执行，改善资源利用率、提高系统效率。进程是一个资源分配的基本单位。进

16、程是一个可独立调度和分派的基本单位。线程的特征 1.结构性：-11-TCB：标识、现场信息(寄存器、PC、栈指针)、调度信息(状态、优先级)数据块：过程参数、数据、系统与用户堆栈 2.并发性：同一进程中的各线程在同一主存空间，可以共享进程中的所有资源（数据、设备、文件），线程间通信方便。3.共享性：同一进程的各线程 4.动态性：有生命期，有状态变化，可创建子线程 系统调度的基本单位是线程而不是进程,每当创建一个进程时，至少要同时为该进程创建一个线程，否则该进程无法被调度执行。线程状态：运行、就绪和阻塞三种状态。线程的状态转换类似于进程。四、四、进程同步进程同步 临界资源(Critical Re

17、source/CR)：一次仅允许一个进程访问的资源。临界区(Critical Section/CS)：临界段，在每个程序中，访问临界资源的那段程序。临界区的调度原则：1.一次至多允许一个进程进入临界区内 2.一个进程不能无限地停留在临界区内 3.一个进程不能无限地等待进入临界区 同步机制应遵循的规则：1.空闲让进 2.忙则等待 3.有限等待 4.让权等待 信号量(Semaphore)机制 1、整型信号量 定义为一个整型量，由两个标准原子操作 wait(S)（P 操作）和 signal(S)（V 操作）来访问。整型信号量出现“忙等”现象。2、记录型信号量 3、AND 型信号量 AND 信号量是针

18、对进程间共享多个资源；AND 同步机制的基本思想是：将进程在整个运行过程中需要的所有资源，一次性全部地分配给进程，待进程使用完后再一起释放。只要尚有一个资源未分配给进程，其它所有可能为之分配的资源，也不分配。4、信号量集 信号量集是指同时需要多种资源、每种占用的数目不同，且可分配的资源还存在一个临界值时的信号量处理。-12-经典的进程同步问题 1.生产者/消费者问题 2.读者/写者问题 3.哲学家进餐问题 一个管程包含一个数据结构和能为并发进程所执行（在该数据结构上）的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中的数据。进程通信类型 1.共享存储器系统(Shared-Memory System)进

19、程间通过共享某些数据结构或共享存储区进行通信。2.消息传递系统(Message Passing System)进程间的数据交换以格式化的消息为单位，程序员利用系统的通信原语实现通信。如：网络中的报文。消息通信分为直接通信和间接通信。3.管道(Pipe)通信(共享文件方式)管道，是指用于连接一个读进程和一个写进程的文件，称 pipe 文件。五、五、调度和死锁调度和死锁 处理机调度分为三个层次：高级调度 中级调度 低级调度 进程调度的两种方式：1.抢占方式(Preemptive Mode)允许调度程序根据某种原则，暂停正在执行的进程，将处理机重新分配给另一进程。抢占原则：优先权原则、短作业（进程）

20、优先原则、时间片原则。2.非抢占方式 CPU 调度过程。即进程切换的步骤：1.保存现场：顺序保存，最后一步保存 PSW 2.选择要运行的程序（如果没有就绪进程，系统会安排一个闲逛进程(idle)，没有其他进程时，该进程一直运行，在执行过程中可接收中断）3.恢复现场：最后一步恢复选中进程的 PSW 调度算法是指根据系统的资源分配策略所规定的资源分配算法。调度算法：1.先来先服务调度算法 FCFS FCFS 调度算法比较有利于长作业（进程），而不利于短作业（进程）。-13-FCFS 调度算法有利于 CPU 繁忙型的作业，不利于 I/O 繁忙型的作业。2.短作业优先调度算法 SJ(P)F 能有效地降

21、低作业的平均等待时间，提高系统吞吐量。对长作业不利 未考虑作业的紧迫程度 作业的估计运行时间不准确 3.高优先权调度算法 HPF 响应比 Rp=1+（作业等待时间/作业处理时间）4.基于时间片的轮转调度算法 RR 各种调度算法性能对比 实时调度算法的分类 1.非抢占式调度算法 非抢占式轮转调度算法 非抢占式优先调度算法 2.抢占式调度算法 基于时钟中断的抢占式优先权调度算法 立即抢占的优先权调度算法 常用的两种实时调度算法 1.最早截止时间优先算法 EDF 2.最低松弛度优先算法 LLF(Least Laxity First)松弛度必须完成的时间本身运行的时间当前时间 死锁产生的原因 1.竞争

22、资源引起进程死锁 竞争非可剥夺资源 竞争临时性资源(进程通信)2.进程推进顺序不当引起死锁 产生死锁的必要条件 -14-1.互斥条件：涉及的资源是非共享的。2.不剥夺条件：不能强行剥夺进程拥有的资源。3.请求和保持条件：进程在等待一新资源时继续占有已分配的资源。4.环路条件：存在一种进程的循环链，链中的每一个进程已获得的资源同时被链中的下一个进程所请求。死锁的预防方法：破坏产生死锁的四个必要条件之一。1、破坏请求和保持条件。即在执行时不会再提出资源请求在等待时未占有任何资源。2、破坏不剥夺条件。一个已拥有资源的进程，若它再提出新资源要求而不能立即得到满足时，它必须释放已经拥有的所有资源。3、破

23、坏环路条件。系统将所有资源按类型进行线性排序，并赋予不同的序号，所有进程对资源的请求必须严格按照资源序号递增的次序提出。利用银行家算法避免死锁 六、六、存储管理存储管理 存储器的层次结构 存储器管理的功能 1.地址映射 2.主存分配与回收 3.存储保护 4.主存扩充(虚拟内存)地址映射(地址重定位)内存的每个存储单元都有一个编号，这种编号称为内存地址（或物理地址，绝对地址）。实现虚拟内存的基本原理 将程序正在使用的部分内容放在内存，而暂时不用的部分放在外存，在需要时由系统调入内存，并将不需要（或暂不需要）的部分调出内存。-15-程序的装入与链接（1）编译。由编译程序将用户源代码编译成若干个目标

24、模块。（2）链接。由链接程序将编译后形成的目标模块以及它们所需要的库函数，链接在一起，形成一个装入模块。（3）装入。由装入程序将装入模块装入主存的过程。（加载）程序的装入就是把程序装入内存空间。采用三种方式：1.绝对装入方式(Absolute Loading Mode)在可执行文件中记录内存地址，装入时直接定位在（即文件中记录的地址）内存地址。2.可重定位方式(Relocatable Loading Mode)在可执行文件中，列出各个需要重定位的地址单元和相对地址值。3.动态运行时装入方式(Dynamic Run-time Loading)把装入模块装入主存后，并不立即将装入模块中的相对地址转

25、换为绝对地址，而是把这种地址转换推迟到程序真正执行时才进行。实现链接的方法有三种：1.静态链接：事先进行链接，以后不再拆开的链接方式。2.装入时动态链接：用户源程序经编译后所得到的目标模块，在装入主存时，边装入边链接的。3.运行时动态链接：可将某些目标模块的链接，推迟到执行时才进行。连续分配方式是指为一个用户程序分配一个连续的内存空间。1.单一连续分配 2.固定分区分配 3.动态分区分配 4.可重定位分区分配 有作业序列：作业 A 要求 18K；作业 B 要求 25K，作业 C 要求 30K。系统中空闲区按三种算法组成的空闲区队列：-16-基本分页存储管理方式 逻辑上相邻的页，物理上不一定相邻

26、。-17-有 2 页分别装入内存的第 5、6 块；作业 2 有 3 页装入内存的第 2、4、7 块；作业 3 有 1 页装入内存的第 8 块 页大小的选择 太大：浪费；太小：页表过长。设页长为 1K，程序地址字长为 16 位，用户程序空间和页表如图。快表又叫联想存储器(associative memory)或 TLB(Translation Lookaside Buffers)基本分段存储管理方式 -18-七、七、设备管理设备管理 设备是指计算机系统中除 CPU、内存和系统控制台以外的所有设备。设备的分类 1.按传输速率分 低速设备：每秒几个到数百字节。如键盘 中速设备：每秒数千到数万字节。如

27、打印机 高速设备：每秒数百 K 到数兆。如磁盘、光盘 2.按信息交换的单位分类 字符设备：I/O 传输的单位是字节，如打印机、modem 等。特征：速率较低、中断驱动。块设备：I/O 传输的单位是块，如磁盘/带。特征：速率高（几兆）、可随机访问任一块、DMA 方式驱动。3.按资源管理方式分类 独占设备：在任一时间内最多有一个进程占用它，字符设备及磁带机属独占型设备。即临界资源。共享设备：多个进程对它可进行交叉访问，共享设备必须是可寻址和可随机访问的设备。如：磁盘 虚拟设备：在一类设备上模拟另一类设备。常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚拟设备。设备控制器是一个可

28、编址设备，分为字符设备控制器和块设备控制器，是 CPU 与设备间的-19-接口。功能:接收和识别命令 数据交换 设备状态的了解和报告 地址识别 数据缓冲、差错控制 设备控制器的组成（三部分）1.设备控制器与处理机的接口 数据线（数据寄存器、控制/状态寄存器）地址线 控制线 2.设备控制器与设备的接口 数据信号、状态信号、控制信号 3.I/O 逻辑：实现对设备的控制 I/O 控制是设备管理的另一功能，它包括设备驱动处理（块设备）和设备中断处理（字符设备）。I/O 控制方式 1.循环测试 I/O 方式 2.I/O 中断方式 3.DMA 方式 4.通道方式 I/O 控制器是 OS 同硬件之间的接口。它有两个寄存器：数据缓冲寄存器、控制寄存器。DMAC 组成 -20-DMA 方式 USB 的传输方式 1.中断传输方式 2.控制传输方式 3.批传输方式