操作系统概述

基本概念

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• 操作系统是用户与计算机之间的接口
• 操作系统定义：有效地组织和管理系统中的各种软硬件资源，合理组织计算机系统工作流程，控制程序的执行，并想用户提供一个良好的工作环境和友好的接口
• 操作系统的4个特征：并发性、共享性、虚拟性和不确定性
• 操作系统功能：
  1）进程管理：是对处理机的执行“时间”进行管理，采用多道程序等技术奖CPU的时间合理分配给每个任务，主要包括进程控制、进程同步、进程通信和进程调度
  2）文件管理：主要包括文件存储空间管理、目录管理、文件的读/写管理、存取控制
  3）存储管理：对主存“空间”进行管理，包括存储分配和回收、存储保护、地址映射、主存扩充
  4）作业管理：包括任务、管理及诶按、人机交互、图形界面等
• 操作系统提供系统命令一级接口，如命令行和GUI等，让用户控制作业运行
• 操作系统提供编程一级接口，如系统调用和高级语言库函数等，供用户程序调用操作系统功能

操作系统分类

• 分时操作系统：
  1）一个计算机与多个终端设备连接，将CPU工作时间灰分为许多很多的时间片，轮流为各个终端的用户服务。
  2）分时系统特点：多路行、独立性、交互性、及时性
• 实时操作系统：
  1）实时是只计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内作出快速反应
  2）实时系统分为：实时控制系统和实时信息处理系统

分时系统与实时系统区别
1）系统设计目标不同：分时系统是多用户通用系统，实时系统是专用系统
2）交互性强弱不同：分时系统交互性强于实时系统
3）响应时间敏感度不同：实时系统响应时间敏感度强于分时系统

• 网络操作系统：是梁王计算机能方便而有效地共享网络资源，为网络用户提供各种服务的软件和有关协议的集合
  1）功能：网络通讯；对网络中共享资源（LAN中的硬盘、打印机）的有效管理；提供电子邮件、文件传输和共享硬盘等服务；网络安全管理；提供互操作能力
  2）网络操作系统分为第三种类型：

• 集中模式：系统的基本单元有一台主机和若干台语主机相联的终端构成，将多台主机连接起来形成了网络，信息的处理和控制是集中的（典型例子：UNIX）
• 客户端/服务器模式：服务器是网络的控制中心，客户端是用于本地处理和访问服务器的站点，在客户端中包含了本地处理软件和访问服务器程序的软件接口
• 对等模式：各个站点都是对等的，每个站点即可作为服务端去访问其他站点，也可以作为服务器为其他站点提供服务，网络中无服务处理中心也无控制中心（或者说，网络的服务和控制分布在各个站点上），该面膜是具有分布处理和分布控制的特点。

• 分布式操作系统：分布式计算机系统由多个分散的计算机连接而成的计算机系统，系统中的计算机无主次之分，为分布式计算机系统配置的操作系统成为分布式操作系统
• 嵌入式操作系统：嵌入式操作系统运行在嵌入式智能芯片环境中，特点包括-微型化、可定制、实时性、可靠性、可移植性

进程管理

• 引入进程原因：在多道程序批处理系统和分时系统中有多个并发执行的程序，采用程序已无法描述系统中程序执行时动态变化的过程。
• 进程是资源分配和独立运行的基本单位

基本概念

• 程序并发执行的特征：
  1）时区程序的封闭性
  2）程序和机器的执行程序活动不再一对一
  3）并发程序的互相制约性

• 进程的组成：进程是程序的一次执行，该程序可以和其他程序并发执行。进程通常是由程序、数据和进程控制块（PCB）组成

• 进程状态及其状态切换 - 进程的三态模型：
  1）运行：在处理机上运行
  2）就绪：获得除处理机外的一起所需资源，一旦得到处理机即可运行
  3）阻塞：等待某一时间发生而暂时停止运行，及时有处理机分配给进程也无法运行

  
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• 具有挂起状态的进程状态及其转换：由于进程不停创建，系统资源如主存不能满足进程运行，因此需要将进程挂起，放到磁盘对换区，暂时不参与调度，以平衡系统负载，引入挂起后，增加一下状态
  1）活跃就绪：进程在主存并且可被调度
  2）静止就绪：进程被对换到辅存时的状态，不能被直接调度，需要被调回主存才能转换为活跃就绪
  3）活跃阻塞：进程在主存，但等待事件产生，一旦等待的事件产生即转换进入活跃就绪
  4）静止阻塞：进程对换到辅存，并等待事件产生，一旦等待的事件产生即转换为静止就绪

  
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• 进程控制：对系统中所有进程从创建到消亡的全过程实施有效的控制

• 同步和互斥：同步是合作进程间的直接制约问题，互斥是申请临界资源进程间的间接制约问题
  1）进程间同步：进程间的同步是只系统中一些需要相互合作，协同工作的进程，这样的互相联系成为系统进程的同步。（例，A进程向缓冲区送数据，B进程从缓冲区取数加工，B进程需要等A进程向缓冲区送数完成后才能进行下一步操作）
  2）进程间互斥：指系统中因多个进程因争用临界资源而互斥执行。在多道程序系统环境中，各进程可以共享各类资源，但有些资源一次只能供一个进程使用，成为临界资源（例：打印机、共享变量等）
  3）临界区管理原则：有空则进、无空则等、有限等待（保证进程在有限时间进入临界区）、让权等待

信号量机制 ** 未学习完，待补充**

• 信号量机制是一种有效的进程同步与互斥工具，PV操作是实现同步和互斥的常用方法
• 信号量与PV操作
  1）信号量S的物理意义：S≥表示资源可用数，若S<0，则其绝对值表示阻塞队列中等待该资源的进程数
  2）P操作表示申请一个资源，P操作的定义：S：=S-1（信号量-1），如果信号量S的值≥0，表示资源可用，进程可以继续执行；如果信号量S的值<0，表示资源不可用，进程将被阻塞，直到资源可用
  3）V操作表示释放一个资源，V操作的定义：S：=S+1（信号量+1），若S小于或等于0则从阻塞状态唤醒一个进程，并将其插入就绪队列，执行V操作的进程继续执行。
  4）一个结点任务执行结束后，要释放资源，在执行一个任务之前要请求资源
• 进程调度：指当有更高优先级的进程来时如何分配CPU
  1）高级调度：决定处于输入池中的那个后备作业可以调入主系统做好运行的准备
  2）中级调度：决定处于交换区中的哪个就绪进程可以调入内存
  3）低级调度：决定处于内存中的哪个就绪进程可以占用CPU
• 调度算法：
  1）先来先服务：按照作业提交或者进程成为就绪状态的先后顺序分配CPU
  2）时间片轮转
  3）优先级调度：让每个进程都有一个优先数，优先数大的先调度
  4）多级反馈调度

死锁

• 死锁：只两个以上的进程互相都要求对方已占用的资源导致无法继续运行下去的现象
• 产生死锁的4个必要条件：互斥条件、请求保持条件、不可剥夺条件、环路条件

• 死锁的处理策略：鸵鸟策略、预防策略、避免策略、检测与解除死锁
  1）死锁预防：预先静态分配（提前分配所需资源，保证不等待资源），破坏不可剥夺条件；资源有序分配（把资源分类按顺序排列），破坏环路条件
  2）死锁避免：银行家算法

  
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  3）死锁检测：对资源分配不限制，允许死锁产生，但定时运行死锁检测程序，如检测到死锁则设法解除
  4）死锁解除：使用资源剥夺法（从别的进程剥夺足够的资源给死锁进程）和撤销进程

存储管理

• 常用的存储器结构：
  1）寄存器-主存-外存
  2）寄存器-缓存-主存-存储组织的功能外存
• 分区存储管理：把主存的用户去划分成若干个区域，每个区域分配给一个用户作业使用，并限定他们只能在自己的区域中运行。
  1）固定分区：在系统生成的时候以将主存分成若干分区，每个分区大小可不等。但因为分区空间不一定等于作业所需大小，可能会造成空间浪费
  2）可变分区：存储空间划分是在作业装入是进行的，因此分区个数是可变的，分区大小等于作业大小，可变分区请求与释放的4中算法：最佳适应算法、最差适应算法、首次适应算法、循环首次适应算法
  3）可重定位分区：用于解决空间碎片问题，移动所有已分配好的分区使之靠拢成为连续区域，分区靠拢会导致地址发生变化，所以会有地址重定位问题

• 分页存储管理：系统将进程的地址空间划分成若干个大小相等的区域称为页。同样地，将主存空间划分成与页相同大小的若干物理块，称为块或页框。页表：系统为每个进程建立了一张页面映射表，作用是实现从页号到物理块号的地址映射，简称页表。

  
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• 快表：在地址映射机智中增加一个小容量的联想寄存器（相联存储器），它由一个组高速存储器组成，称为快表。快表用来存放当前访问最频繁的少数活动页的以及相关信息