操作系统
操作系统结构
简单结构
- 简单，较小，并未仔细划分模块
- 功能有限，未很好地区分接口和功能层次，易受错误程序伤害
分层
- 自顶向下，将操作系统分成若干层，使构造调试简单化
- 每层利用较低层的功能来实现，难点在对层的详细定义，与其他方法比效率较差
微内核
- 将所有非基本部分从内核中移走，以消息传递方式通信
- 便于扩充操作系统，提供良好地安全性和可靠性，忍受由于系统功能开销而导致系统性能下降
- 功能：进程管理，低级存储器管理，中断陷入管理
模块
- 核心部件
- 动态链接附加服务，灵活，高效
进程间通信
- 低级通信
资源竞争 –> 临界区 –> 进程互斥–>信号量 <–进程同步 - 高级通信
共享存储系统
信息传递系统（直接、间接）
管道通信
死锁
多个进程因竞争资源而造成的僵局，若无外力，无法恢复
产生原因
- 资源竞争
- 进程推进顺序不当
必要条件及预防
1. 互斥
2. 占有并等待 （静态分配）
3. 非抢占 （抢占）
4. 循环等待 （增量序列，递增顺序申请资源）
银行家算法
- Available
- Max
- Allocation
- Need
临界区三大要求
临界区：并发进程中访问共享变量的程序段
1. 互斥
2. 前进
3. 有限等待
信号量
- 同步点
- 伪代码
- P、V位置
生产者–消费者问题
P:while(1){ //互斥信号量：S1=1;S2=1;
生产; //同步信号量：S3=0;S4=n;
P(S4);
P(S1);
取产品[i];
i++;
V(S1);
V(S3);
}
V:while(1){
P(S3);
P(S2);
取产品[j];
j++;
V(S2);
V(S4);
消费;
}
Do{ //初值：empty=n;full=0;mutex=1
//Produce
P(empty);
P(mutex);
//add i++
V(mutex);
V(full);
}
Do{
P(full);
P(mutex);
//remove j++
V(mutex);
V(empty);
//consume
}
操作系统
操作系统：管理计算机硬件，为应用程序提供基础，充当硬件与用户的媒介
分类：
- 多道程序处理系统
优：作业吞吐量大，资源利用率高
缺：周转时间长，无交互能力 - 分时处理系统
交互性，多用户同时性，独立性，及时性，（时间片轮转）
适用开发、调试、小作业 - 实时处理系统
实时性，可靠性，安全性，专用性
适用高科技（导弹） - 单道批处理系统
适用大作业，科学计算
功能
- 处理机管理：处理用户命令
- 存储器管理：读写文件
- 设备管理：分配，回收资源，并处理软硬件出现的错误
- 文件管理
系统调用
- 为上层提供服务接口，API
进程
引入进程原因：引入并发，并控制并发执行的程序
特点
- 并发
- 共享
- 虚拟
- 异步
组成部分
- 程序段（堆栈段 –> 临时数据）
- 数据段（全局变量）
- PCB （堆 –> 动态分配）
状态
新的 就绪 运行 等待 终止 分派 I/O 中断 I/O 新的 就绪 运行 等待 终止
控制块 PCB
- 进程状态
- 程序计数器
- CPU寄存器
- CPU调度信息
- 内存管理信息
- I/O状态信息
- 记账信息
进程与程序
| 进程 | 程序 |
|---|---|
| 动态 | 静态 |
| 有生命周期 | 长久 |
| 并发行（独立、异步） | 无 |
| 资源分配基本单位 | 无 |
| 不同进程可包含同一程序 | 同一程序执行可产生多进程 |
| 堆栈段（参数、返回地址、局部变量） | |
| 数据段（全局变量） | |
| 堆（动态分配） |
进程与线程
| 进程 | 线程 | |
|---|---|---|
| 调度 | 资源分配基本单位 | 调度和分派的基本单位 |
| 并发性 | 有 | 有 |
| 资源 | 自身资源+其隶属进程的资源 | |
| 系统开销 | 开销大 |
CPU调度
- 周转时间：提交到完成
- 等待时间：就绪花费
- 响应时间：开始响应
内存分配
固定内存分配
- 管理简单
- 利用率低
- 内部碎片大
动态内存分配
- 首次适应（检索速度、回收过程、适合大作业、简单、碎片）
- 最佳适应（碎片、适合大作业、复杂）
- 最差适应（无碎片、复杂）
系统颠簸
频繁调页，置换算法选择不当
内核内存
- Buddy：连续固定大小
- Slab：Cache，连续动态
文件访问方法
- 顺序（编辑器、编译器）
- 直接（数据库）
- 其他（索引）
目录结构
单层目录结构
- 简单，便于理解和支持
- 易命名冲突，且无文件夹分组
- 数目越大，效率越低
双层目录结构
- 解决命名冲突，但存在隔离（用户文件+主文件）
- 数目越大，效率越高
树状文件目录
- 唯一路径，但可能存在路径过长
- 无隔离，但禁止共享（子目录）
- 数目越大，效率越高
无环图
同一文件或子目录可出现在两个不同目录中，允许目录含有共享子目录和文件
- 实现方式：链接，复制
- 支持共享
- 树状目录的扩展，灵活，复杂
通用图
- 确保无环
- 简单算法遍历
- 确定是否存在引用
- 便于使用
空闲空间管理
位向量
- 速度慢
- 物理块号需二次计算
链表
- 释放难
- 写入难
组
计数
缓冲处理
- 数据流，生产者、消费者速度差异
- CPU，外设（高速缓存）
- 传输数据大小不一致
- 支持应用程序I/O控制
同步与互斥
- 同步
并发进程间存在的相互制约和相互依赖的关系 - 互斥
若干进程共享一资源时，任何时刻只允许一个进程使用
I/O操作
主存与外围设备间的信息传送操作
I/O控制方法及特点
- 程序自动控制
优：简单，硬件少
缺：只可串行工作，无法处理错误 - 中断
根据CPU和内存内外分为外中断和内中断，内中断存在陷阱 - DMA
减少中断次数，无需CPU帮助，可传送连续数据块 - 通道：I/O处理机
处理非连续、离散数据块，减少中断，拥有特有的指令系统，相当于一个简化版CPU
设备分配时应考虑的因素
- 固有属性：独占性，共享性，可虚拟设备
- 分配算法：FCFS，优先级
- 安全性
分页
页表
- 页号
- 基地址
- 标志
- 主存块号
分页与分段
- 共同点：离散分配，通过地址映射机构实现地址变换
| 分页 | 分段 |
|---|---|
| 页为物理单位，为系统管理而生 | 段为逻辑单位，为满足需要而设 |
| 页大小固定 | 段长度不固定 |
| 页地址空间一维 | 段地址空间二维 |
| 分页产生内部碎片 | 分段产生外部碎片 |
| 段可动态链接 |
- 设备需求：内存，外存，页（段）表，缺页中断，地址变换
页错误陷阱处理的基本流程
- 检查进程页表，确定地址访问是否合法
- 若合法则调入页面，否则终止进程
- 寻找空闲帧或牺牲帧
- 调度磁盘，将页调入帧
- 修改页表和内部表
- 指令重启
磁盘调度
- FCFS 先来先服务
- SSTF 最短寻道时间优先
- SCAN 电梯算法
- C-SCAN 均匀等待时间
- LOOK 无边界SCAN
- C-LOOK 无边界C-SCAN
文件系统分层组织结构
- 应用程序
- 逻辑文件系统（逻辑文件结构，元数据）
- 文件组织系统（空闲管理，分配磁盘块）
- 基本文件系统（磁盘驱动）
- I/O控制 （设备驱动程序，内存与磁盘，中断处理，信息传输）
- 设备
