操作系统-《王道 操作系统》

news2025/1/12 15:44:17

概念、功能和目标

概念

什么是操作系统
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功能和目标

  • 作为系统的管理者
  • 向上提供方便简易的服务
  • 作为最接近底层硬件的层次

特征

  • 并发

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  • 共享

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  • 并发与共享的关系—互为存在条件

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  • 虚拟

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  • 异步

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发展与分类

  • 单道批处理系统
  • 多道批处理系统
    • 优点：多道程序并发执行，共享计算机资源，资源利用率大幅提升
    • 缺点：用户响应时间长，没有人机交互的功能
  • 分时操作系统

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    • 缺点：不能优先处理紧急任务
  • 实时操作系统

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  • 其他几种操作系统

运行机制

  • 两种程序
    • 应用程序–只能使用非特权指令
    • 内核程序–可以使用特权指令
  • 两种指令
    • 特权指令
    • 非特权指令
  • 两种处理器状态
    • 内核态
    • 用户态
  • 如何变态？
    • 内核态–>用户态 -------一条修改psw的特权指令
    • 用户态–>内核态 -------由中断引起，硬件自动完成

中断与异常

  • 中断
    • 作用：让操作系统内核夺回cpu使用权的唯一途径
    • 类型：
      • 内中断（异常）：与当前执行指令有关，中断信号来自cpu内部
      • 外中断：与当前执行指令无关，中断信号来自cpu外部
    • 基本原理：

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系统调用

  • 系统调用与库函数的区别

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  • 什么功能要用到系统调用？

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  • 过程

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体系结构

  • 内核

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操作系统的引导

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虚拟机

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进程管理

概念、组成和特征

  • 概念：
    • 程序：是静态的，就是个存放在磁盘里的可执行文件，就是一系列的指令集合
    • 进程：是动态的，是程序的一次执行过程
  • 组成（进程实体的组成）：
    • PCB：进程控制块

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    • 程序段：包含程序指令
    • 数据段：包含运行过程中产生的各种数据
      总结：PCB、程序段、数据段组成进程实体（进程映像）
      进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
      注意：PCB是进程存在的唯一标志！
  • 特性：
    • 动态性：进程的最基本特性
    • 并发性
    • 独立性：进程是能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位
    • 异步性：各进程以不可预知的速度向前推进，可能导致运行结果的不确定性
    • 结构性

状态与转换、组织

  • 状态
    • 创建态：进程正在被创建，操作系统为进程分配资源、初始化PCB
    • 就绪态：已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，而暂时不能运行
    • 运行态：占有CPU，并在CPU上运行
    • 阻塞态：因等待某一事件而暂时不能运行
    • 终止态：进程正在从系统中撤销，操作系统中撤销，操作系统会回收进程拥有的资源、撤销PCB
  • 状态的转换：

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  • 组织

    • 链式方式

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    • 索引方式

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进程控制

主要功能：对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能
简单理解：反正进程控制就是要实现进程状态转换

  • 如何实现？
    • 用“原语”实现：原语的执行具有“原子性”，一气呵成，期间不允许被中断
      可以使用“关中断指令”和“开中断指令”这两个指令实现原子性
  • 相关原语

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  • 进程是如何运行的？
    在进程切换时先在PCB中保存这个进程的运行环境（保存一些必要的寄存器信息）；当原来的进程再次投入运行时，可以通过PCB恢复它的运行环境

进程通讯

进程间的通讯指的是两个进程之间产生数据交互

  • 为什么进程间的通讯需要操作系统支持
    进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间是相互独立的
    为了安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间
  • 共享存储
    • 基于存储区的共享：操作系统在内存中划分一个共享存储区，数据的形式、存放位置都是由通讯进程控制，而不是操作系统。这种共享方式速度很快，是一种高级通信方式
    • 基于数据结构的共享：比如共享区域只存放一个数组。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式
  • 消息传递
    进程间的数据交换以格式化的消息为单位。进程通过操作系统提供的“发送信息/接受信息”两个原语进行数据交换
    • 直接通信：点名道姓的消息传递
    • 间接通信：以“信箱”作为中间实体进行消息传递
  • 管道通信
    “管道”是一个特殊的共享文件，其实就是开辟一个固定内存大小的内存缓冲区

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    • 管道只能采用半双工通信，某个时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向传递，需要设置两个管道
    • 各个进程要互斥的访问管道（由操作系统是实现）
    • 当管道写满时，写进程将被堵塞，直到读进程将管道中的数据取走，即可唤醒写进程
    • 当管道读空时，读进程将被堵塞，直到写进程往管道中写入数据，即可唤醒读进程

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线程

线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单元

  • 用户级线程（多对一模型）

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  • 内核级线程（一对一模型）

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  • 多对多模型

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状态与转换

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  • 组织与控制

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调度

基本概念

当有一堆任务要处理，但是由于资源有限，这些事情没法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是“调度”研究的问题

调度的三个层次

  • 高级调度
    • 作业概念：一个具体的任务（用户让操作系统启动一个程序来执行具体任务）
    • 介绍：高级调度。按照一定的原则从外存的作业后备队列中挑选一个作业调入内存，并创建进程。每个作业只能调入一次，调出一次。作业调入时创建PCB，调出时撤销PCB
  • 低级调度
    • 介绍：（进程调度/处理机调度）按照某种策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它
    • 是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度
    • 进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次
  • 中级调度

    • 挂起概念：内存不够时，可以将某些进程的数据调出外存。等内存空闲或者进程需要运行时再重新调入内存。暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。被挂起的进程的PCB会被组织成挂起队列

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    • 介绍：（内存调度）按照某种策略决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。一个进程可能会被多次调出、调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高

进程调度

按照一定的算法从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机

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进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换

  • 临界资源：一个时间段内只允许一个进程使用的资源。各进程需要互斥地访问临界资源
    内核程序临界区一般是用来访问某种内核数据结构的，比如进程的就绪队列（由各就绪进程的PCB组成）
  • 切换与过程

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调度算法评价指标

  • CPU利用率：指CPU“忙碌”的时间占总时间的比例
    利用率=忙碌时间/总时间

  • 系统吞吐量：单位时间内，完成作业的数量

  • 周转时间：指作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔

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  • 等待时间：指进程处于等待处理机状态时间之和

  • 响应时间：从用户提交申请到首次产生响应所用时间

调度算法

先来先服务

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短作业优先

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高响应比优先

相应比=（等待时间+要求服务时间）/要求服务时间

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时间片轮转调度算法

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优先级调度算法

  • 系统进程优先级高于用户进程
  • 前台进程优先级高于后台进程
  • 操作系统更遍好I/O型进程

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多级反馈队列调度算法

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