复习用-操作系统

操作系统1.操作系统概念操作系统管理和控制了计算机系统的所有软件和硬件资源，是现代计算机系统的灵魂和核心。操作系统也为用户提供了一个方便、灵活、安全、可靠地使用计算机的工作环境。计算机系统由两部分系统资源组成，即硬件资源和软件资源。硬件资源通常包括中央处理单元（简称处理机或CPU）、存储器（内存、外存）和各种外部设备。软件资源包括系统软件和应用软件，主要是指以各种文件形式存储的程序集合。从软件方面来看，计算机软件可以分为系统软件和应用软件两大类。计算机操作系统自身是一种软件，它属于系统软件，且是最重要的、大型的系统软件之一。操作系统是系统软件，却又不同于其它的系统软件。操作系统是最底层的系统软件，。一般操作系统在资源管理方面分为4种，即处理机（进程）管理、存储管理、设备管理和文件管理。三种最基本的操作系统：多道批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统。五类操作系统分别为：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。需要掌握各自的特点；2. 作业管理作业是由用户程序、数据及某种形式的控制所组成，是指用户在一次计算过程或在一次事务处理过程中，要求计算机系统所做工作的集合。操作系统作业管理的任务是为方便用户建立作业（或任务），组织调用系统内部资源执行，并在完成任务后将其撤销。一个作业的建立过程一般是作业的输入和系统建立起作业控制块的管理控制两个过程。一个作业从进入系统到运行完成，通常要经历“进入”、“后备”、“运行”和“终止”四个阶段，相应地作业就有四种状态。进入状态：当用户的作业通过某种输入方式将作业输入到外存上时，称此阶段为作业处于进入状态。后备状态：当作业所需全部信息已输入到外存，由作业建立程序为之建立了作业控制块，并插入到后备作业队列中等待调度运行为止。把作业在后备队列上等待调度的状态称为后备状态。运行状态：作业调度程序从处于后备状态的作业队列中选出一个作业调入内存，并为之建立相应的进程后，由于此时的作业已具有独立运行的资格，如果处理机空闲，便可立即开始执行，故称此时的作业进入了运行状态。 作业的运行状态又可进一步分为“就绪”、“执行”和“阻塞”三个基本状态。终止状态：当作业的运行正常或异常结束时便自我终止，或被迫终止，此时作业便进入终止状态。处于终止状态的作业被作业终止程序回收其作业控制块并回收已分配给它的所有资源，作业随之消亡。操作系统的作业管理为用户提供了两类接口：一类是为一般用户提供的操作命令接口，包括联机的键盘操作命令和脱机的作业控制命令，简称命令接口；另一类是为编程人员提供的在程序模式下的系统调用接口，用它们来请求操作系统服务，简称程序接口。3. 进程管理处理机是操作系统管理的最重要的硬件资源之一。多道程序系统中处理机管理的主要任务是如何安排多任务使用处理机，即如何把处理机合理的分配给多个任务使用。目前，大多数操作系统的设计都基于进程的概念，处理机的分配对象也大都是进程，因此处理机管理被归结为进程管理。进程是操作系统分配软件资源及硬件资源的基本单位，在多道程序环境下，多个进程并发运行，争夺处理机和共享其它有限的系统资源，因此进程管理是操作系统中最重要且最复杂的管理。(1) 进程的定义进程已经成为操作系统乃至并发程序设计中最核心的概念，它是对正在运行的程序的抽象，操作系统的其它所有内容都是围绕着进程展开的。进程至今没有一个统一的定义。许多学者从不同的角度对进程下过各式各样的定义：进程是程序的一次执行；进程是可以与其它计算并发执行的计算；进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时发生的活动；进程是进程实体的一次活动。一般被大家所公认的进程定义为：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，是操作系统进行资源分配的单位。(2) 进程的5大特征：动态性、并发性、独立性、异步性、结构特性:进程控制块(3) 进程的状态操作系统给进程设置了三种状态，以代表进程生命周期存在的基本状态：即就绪状态、执行状态、阻塞状态。(4) 进程状态的转换(必须掌握好，简答题目)就绪、执行、阻塞是进程的三种基本状态。执行状态是进程的物理运行，就绪状态和阻塞状态是进程的逻辑运行，宏观上它们都是活动的（即都处在运行之中）。处于就绪状态的进程，在进程调度程序为它分配处理机后，进程由就绪状态变为执行状态，该进程运行。正在运行的进程，一当分配给它的CPU时间片用完，则进程变回就绪状态；若在执行过程中需要等待某一事件的发生（如请求访问某临界资源，而该资源正被其它进程访问，该进程只能等待这个资源的可用）而使正在执行的进程受阻，无法继续执行下去，则进程将变为阻塞状态。处于阻塞状态的进程，在其等待的事件已经发生或完成后，则进程就由阻塞状态变为就绪状态。(5) 进程与程序的区别进程定义为程序在并发环境中的执行过程，它与程序有着完全不同的概念，但又密切相关，通过以下几点来对它们加以联系与区别：进程是动态的，而程序是静态的，即进程是程序的执行过程，而程序是指令的有序集合。程序是永久的，而进程是有生命周期的，且是短暂的。程序是指令代码的集合，而进程实体包括：程序、数据及进程控制块。进程具有动态性、并发性、独立性和异步性等，而程序不具有这些特性。进程可以生成其它进程，而程序不能生成新的程序，进程和程序并非一一对应。(6) 线程自从进程概念产生以后，在操作系统中一直作为能独立运行的基本单位。但在程序并发执行时所付出的时空开销还较大，人们为了进一步提高程序的并发执行程度，提高系统的吞吐量，提出了比进程更小的能独立运行的基本单位线程。线程是由进程进一步派生出来的一组代码（指令组）的执行过程。一个进程可以产生多个线程，这些线程都共享该进程的内存地址空间，它们可以并发、异步地执行。采用线程可以使同一个进程能有几个并发执行的路径，执行速度得到了更大的提高，且线程需要的系统开销比进程要小。线程拥有进程所具有的许多特征，故又称为轻型进程，故可以把进程称为重型进程。下面从4个方面比较线程与进程。拥有资源、调度、并发性、系统开销(7) 进程的控制和调度(重点掌握、简答题目)常用的调度算法有先来先服务调度算法、优先级调度算法和时间片轮转调度算法等，这是3种基本的调度算法。现在也有些操作系统使用综合性的调度算法，如多级反馈队列调度算法等。 (8) 进程的协调和通信在操作系统中进程之间不可避免地会有某种联系或通信，为使并发执行的进程能有条不紊地运行，系统必须对它们进行协调。在相互合作的进程之间，也往往需要交换一定的信息，这种在进程之间进行的信息交换，称为进程通信。由于进程合作与资源共享，使得并发执行的多个进程间产生互斥或同步的相互制约关系，即产生的间接制约关系和直接制约关系。(9) 死锁计算机系统中的各种资源（硬件和软件）)都是由操作系统进行管理和分配的。进程所需要的资源是在进程运行时根据实际需求来分配的，也就是根据进程执行情况动态地申请资源。在多道程序系统中，计算机系统的有限资源与众多请求分配资源的进程之间会产生矛盾，如果管理和分配不当会引起进程相互等待所需资源而无法继续执行的情况。在某种条件下，这种等待永远不能结束，系统进入“停止”状态，这种情况称为死锁。死锁最终可能导致整个系统处于瘫痪，因此，死锁是操作系统设计中必须认真考虑的问题。4. 存储管理现代计算机系统一般把存储器分为内存、外存和高速缓存3种。内存也即主存储器，容量一般要比外存小得多，但是进程驻留与活动的地方，一直以来与处理机的地位类似，也是计算机系统中对系统性能影响很大的瓶颈资源之一。外存是程序和数据可以长期保存在的地方，容量最大，但是程序只有进入内存才能被处理机执行和处理。高速缓冲存储器只是处理机与内存之间的缓冲区域，它容量小，主要暂存系统当前用的某些关键数据和预取的指令等，不能存放完整的程序。 如何让容量有限的内存被多任务安全高效地共享是现代操作系统存储管理的核心任务。计算机系统运行期间，操作系统程序（主要是其内核程序）与其它程序一起共享内存，为安全起见，多道程序系统常常由操作系统把内存初始化成一个系统区和一个用户区两大块。系统区用于存放操作系统的程序和数据，用户区则还要被操作系统继续划分，以供多个用户程序使用。不同的操作系统用不同的方法对用户区进行划分。采用静态划分法的存储管理方式主要有：固定分区存储管理方式分页存储管理方式采用动态划分法的存储管理方式主要有：可变分区存储管理方式分段存储管理方式(1) 操作系统的存储管理功能操作系统的存储管理必须具有以下4个功能：l 内存分配与回收l 地址映射l 内存共享与保护l 内存扩充(2) 操作系统的存储管理方式(重点掌握，简答题目)前为止使用的存储管理方式有4种类型：l 分区式存储管理分区式存储管理是由操作系统对内存进行分区，规定每个分区只能装入一个进程的存储管理方式，是一种连续分配方案。具体又可分为单一连续区、固定分区和可变分区存储管理等3种方式。单一连续区存储管理是一种最简单的只有一个用户分区的存储管理方式。在这种管理方式下，内存中除操作系统占用的一部分存储空间外，其余的用户区域作为一个连续的分区每次分配给一个作业或进程使用，即在任何时刻内存中最多只有一个用户作业或进程。故单一连续区存储管理主要适用于单用户的情况。优点：简单易于实现，缺点内存利用率低分区管理小结：分区管理实现了多道程序共享内存，提高了CPU的利用率，管理算法简单，容易实现。但分区式存储管理的最大缺点是碎片问题严重，内存利用率低。而分区管理出现碎片的主要原因在于连续分配的限制，即它要求每个作业或进程在内存中必须占用一个连续的分区，为了打破连续分配的限制，应运而生了页式存储管理方式。l 分页式存储管理分页式存储管理的出发点是为了消除碎片而打破存储分配的连续性，使得一个作业的地址空间可以分布在若干离散的内存块上，从而充分利用内存空间，提高了内存利用率。页式存储管理的基本思想是结合固定分区管理方式和离散存储方式而产生的，可以基本解碎片问题。它允许一个进程在内存中占有多个不连续的但是大小相等的区域，从而可以消除外碎片，而且内碎片也很少。l 段式存储管理段式存储管理方式是结合可变分区和离散存储的思想而产生的，它支持段的动态增长，便于实现段的共享。它对内存以作业地址空间中的段为单位进行动态分区，规定每一个段可以装入内存中的一个分区，一个作业所有的段在内存中所占分区可以不连续，是一种支持用户分段（例如主程序段、子程序段、数据段等），即模块化编程的存储管理方式，得到了许多编译器的支持。l 段页式存储管理段页式存储管理可以实现分段、分页管理的优势互补，方便用户，提高内存利用率。也就是将段式存储管理和页式存储管理结合在一起，保持二者的优点，克服二者的缺点，形成一种更佳的管理模式。段页式存储管理技术的基本思想是用分段的方法来管理虚拟存储器，用分页的方法来分配和管理实际存储器。这样既可以获得分段技术在逻辑上的优点，保持段地址空间所带来的好处；又可获得分页技术在存储空间管理方面的优点，即解决了碎片问题。在段页式存储管理系统中，作业的地址仍按逻辑意义分段，再把每一段划分成若干页；对内存进行分块，块的大小与页相同。在作业的内存空间中，不仅各逻辑段的物理空间之间可以是不连续的，而且同一段中的各页也可能是不连续的。段页式管理综合了分段、分页管理的优势，既方便用户，又提高了内存利用率，但实现代价也是相当大的，主要被大型机的操作系统采用。5. 设备管理硬件系统中除了处理机和内存外，其它大部分的硬件设备都可统称为外部设备。设备管理就是管理计算机系统的外部设备。其中包括常用的输入输出设备、外存设备和终端设备等，还包括将外设和主机连结起来的通道和设备控制器，甚至时钟和控制台都可看成是外部设备。设备管理的目的是：方便用户使用外部设备；实现某些设备的共享，提高设备的利用率；实现外部设备和其它计算机部件之间的并行操作，以提高系统效率；防止用户错误地使用外部设备，从而提高外部设备及系统的可靠性和安全性。(1) 设备管理的任务设备管理的任务：按用户提出的要求接入外部设备，并按一定算法分配和控制设备，而用户不必关心设备的实际地址和控制指令。尽量提高输入输出设备的利用率。使各种外部设备与主机以及各外部设备之间能协调地工作，以便充分合理地利用系统资源，尽量提高真正并行工作能力。向用户提供一个统一地、友好地使用外部设备的界面，使用户能方便地利用外部设备资源。(2) 设备管理的功能分配设备：按设备的不同类型和操作系统相应的分配算法决定将设备分配给进程，对未分配到所需设备的进程放入等待队列。设备处理：由设备处理程序实现CPU和设备控制器之间的通信输入输出缓冲区管理：管理逻辑名，多个缓冲区的分时以及串并行操作，同类多个外部设备的均衡工作等。实现设备独立性或设备无关性。实现虚拟设备技术。(3) 设备的输入输出控制方式计算机外部设备和内存之间的信息传送称为输入输出操作，到目前为止，输入输出操作有4种控制方式：程序直接控制方式、中断控制方式、DMA控制方式、通道控制方式(4) 设备管理技术中断技术、缓冲技术、虚拟设备技术(5) 设备管理程序设备管理程序中包含设备分配程序和设备驱动程序。(6) 外部设备的安装系统预置设备驱动程序、即插即用6. 文件管理文件管理是关于信息资源的管理，操作系统将计算机系统中的信息组织成文件来进行管理，实施文件管理的机构称为文件管理系统，简称文件系统，文件系统是操作系统的重要组成部分。(1)文件管理的任务文件管理的任务就是把存储、检索、共享和保护文件的手段提供给操作系统本身和用户，以达到方便用户和提高资源利用率的目的。(2)文件管理的功能操作系统文件管理的功能大体上有三点：分配与管理外部存储器，用户以文件形式存放信息，按名存取，文件的机内码与磁盘、光盘等外存的地址建立起相对应的表格联系。提供合适的存储方法，例如，键盘命令以及程序中使用系统调用控制。包括文件的创建、打开、关闭、读写、删除和重命名等。文件的共享与保护，解决文件命名中的冲突和存取权限的控制。(3)文件系统文件系统是负责存取和管理文件的机构。采用文件系统的目的是充分利用外存储器和方便用户。文件系统能统一管理文件存储空间，l 实施外存空间的分配与回收；l 实现文件从名字空间到外存空间的映射，即实现文件的按名存取；实现对文件的各种控制和存取操作；l 实现文件信息的共享，并且提供可靠的文件保密和保护措施。(4) 文件的分类按文件性质与用途分类：系统文件、库文件、用户文件。按操作保护分类：只读文件、可读写文件、可执行文件。按使用情况分类：临时文件、永久文件、档案文件。按存取的物理结构分类：顺序文件、链接文件、索引文件。按文件的逻辑存储结构分类：有结构文件、无结构文件。按文件中的数据形式分类：源文件、目标文件。多媒体文件(5)文件目录在计算机中，文件目录与文件一起存放在外存上，当存取文件时，必须先到外存中读取文件目录信息，从中获得文件的存放地址，然后再去存取文件。大多数操作系统设置了2种文件操作：打开文件和关闭文件。文件目录是文件系统的关键数据结构，目录管理是文件系统的主要任务之一。文件目录的作用是将许许多多的文件有条不紊地组织起来，以便能够迅速而准确地查找文件。典型的文件目录组织方式有以下几种：一级目录结构、二级目录结构、树型目录结构7. 常见的操作系统。DOS操作系统：是美国Microsoft公司为IBM PC开发的单用户、单任务磁盘操作系统，曾经是人计算机上被广泛使用的一种操作系统。Windows操作系统：是美国Microsoft公司开发的一系列图形用户界面的单用户多任务的操作系统产品。UNIX操作系统：是一个分时多用户多任务操作系统，最早是由美国电话与电报公司贝尔实验室设计。Linux操作系统：是在1991年由芬兰赫尔辛基大学计算机系学生Linus Torvals创建的，迅速成为一个非常重要的操作系统。Android操作系统：Google出品的手机常用操作系统