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操作系统基础

时间：2020-08-23 17:02:11   收藏：0   阅读：98

基础篇

注：本文内容总结自《计算机操作系统》第四版（汤小丹等人编著）。本文由博主同步发布于：https://blog.csdn.net/donotgogentle/article/details/106930437

第一章  引论

1.1  什么是操作系统？

操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件。其作用是：

具体为：

  1. 处理机管理
  2. 存储器管理
  3. 设备管理
  4. 文件管理

1.2  操作系统的基本特性

  1. 并发：并行指两个及以上时间在同一时间发生，并发指指两个及以上事件在同一时间间隔发生
  2. 共享（Sharing）：指资源共享，或者资源复用，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。分为：互斥共享，同时访问
  3. 虚拟：通过某种技术将一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物
  4. 异步：进程以人们不可预知的速度向前推进，但能保证多次执行也能得到相同的结果。

第二章  进程

2.1  进程的定义

进程是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由程序段、相关的数据段、进程控制块（Process Control Block，PCB）组成的。

2.2  进程的特征

2.3  进程的状态及转换

2.3.1  进程的三种状态

2.3.2  状态转换

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活动阻塞通过挂起进入静止阻塞状态，活动就绪通过挂起进入静止就绪状态，而挂起这一操作是由OS将暂时不能运行的进程调入外存。也就是说这两个状态下，进程并没有在内存中，而是在外存中。

一项作业被调度时，是OS将该作业调入内存，并为之创建进程，分配资源，进入就绪队列。

2.4  进程控制块

操作系统为每个进程定义了一个进程控制块。进程控制块作为进程实体的一部分，记录了操作系统所需要的，用于描述进程当前情况以及管理进程运行的全部信息。

2.5  操作系统内核

通常，将一些与硬件紧密相关的模块、各种设备的驱动程序以及运行频率较高的模块，安排在紧靠硬件的软件层次中，将它们常驻内存，即，OS内核。

2.5.1  内核态和用户态

为防止OS本身及关键数据遭到应用程序的破坏，通常将处理机的执行状态分为两种：

2.6  临界资源和临界区

2.7  信号量

semaphore mutex = 1;
P1 () {
    while (1) {
	    wait (mutex);
	    临界区；
	    signal (mutex);
	    剩余区;
    }
}

P2 () {
    while (1) {
	wait (mutex);
	临界区；
	signal (mutex);
	剩余区;
    }
}
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mutex为互斥信号量，初值为1，范围（-1,0,1）。

2.8  管程

一个管程定义了一个数据结构，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。

管程被请求和释放资源的进程所调用。

2.9  进程通信类型

asfdasdfas

2.10  线程

线程又程轻型进程。

2.10.1  线程实现

（1）内核支持线程（Kernel Supported Threads）

内核支持线程的创建、撤销、切换、阻塞都是在内核空间进行，由内核对每个线程设置的线程控制块对其进行控制。

优点：

缺点：

（2）用户级线程（User Level Threads）

在用户空间实现，对线程的控制无需内核帮助，内核甚至不知道它的存在。

优点：

缺点：

（3）组合方式

内核支持多个内核支持线程的创建、调度和管理等，同时允许应用程序创建、调度、管理用户级线程。一些内核线程对应多个用户级线程，即，用户级线程对部分或者全部内核支持线程进行时分多路复用。

分为多对一、一对一、多对多（用户级线程数 >= 内核支持线程）。

优点（多对多）：

第三章  处理机调度与死锁

3.1  处理机调度的层次

又称作业（长程）调度，调度对象是作业。根绝算法，决定将外存上处于后备队列的哪些作业调入内存，为其创建进程、分配资源，放入就绪队列。

又称进程（短程）调度，调度的对象是进程或内核支持线程。根据调度算法，决定哪个进程获得处理机。

又称内存调度。把暂时不能运行的进程调入外存，即改为挂起状态，当这些进程具备运行条件时，再把他们重新调入内存，即改为就绪状态。

3.1.1  作业调度

作业的三种状态：

调度算法：

（1）先来先服务（FCFS）调度算法

first-come first-served，优先级 == 作业等待时间

（2）短作业优先算法

优先级 == 作业需要时间短的优先级高

需要预知作业工作时间，对长作业不利，没考虑到紧迫性作业

（3）高响应比优先级调度算法

优先级 == （等待时间+要求服务时间）/要求服务时间

3.1.2  进程调度基本概念

进程调度的任务：

进程调度方式：

将处理机分配给某进程后，就让其运行到结束。

基于优先原则，去暂停某个正在运行的进程，将其分配给另一个优先级更高的进程。

3.1.3  进程调度算法

（1）轮转调度法：

在轮转法（round robin，RB）中，系统根据FCFS策略，将所有的就绪进程排成一个就绪队列，并设置每隔一定时间间隔即产生一次中断，激活系统中的进程调度程序，完成一次调度，将CPU分配给队首进程（或新的紧急进程），令其执行，当该进程的时间片耗尽或者运行完毕后，系统将再次将CPU分配给新的首进程。

时间片的大小对系统性能有很大影响。时间上一般取略大于一次典型的交互所需要的时间，使大多数交互式进程能在一个时间片内完成。

（2）优先级调度算法：

3.2  死锁

3.2.1  死锁定义

如果一组进程中的每一个进程都在等待，该组进程中的其他进程释放所占有的资源后，才能运行，那么该组进程是死锁的。

3.2.2  产生死锁的必要条件

3.2.3  处理死锁的方法

避免死锁-银行家算法：

用到的数据结构：

银行家算法首先执行安全性检测，若能确定分配资源后系统处于安全状态，则分配，否则让进程等待。

安全性检测：当检测到进程 P 对资源的请求，算法尝试将资源分配（不是真的分配，仅用于计算安全性）给 P，若 Available能满足 P 的需求（P 的需求必须小于 Need，否则认为出错），直接分配，并回收 Max

        资源

进程

Max

Allocation

Need

 Available

 

A    B     C

A    B     C

A    B     C

 A    B     C

P0

7    5     3

0    1     0

7    4     3

 3    3     2

P1

3    2     2

2    0     0

1    2     2

P2

9    0     2

3    0     2

6    0     0

P3

2    2     2

2    1     1

0    1     1

P4

4    3     3

0    0     2

4    3     1

检测此时刻安全性（可能的序列）：

（1）Available（3, 3, 2）分配给P3（0, 1, 1）, P3完成，归还资源，Available（5, 4, 3）

（2）此时P1，P4均可完成，设分给P1，故分配+归还，Available（7, 4, 3）

（3）此时剩余进程均可完成，继续按照上述步骤，得到存在的可能的安全序列：{P3, P1, P4, P2, P0}

（4）判定分配资源后系统安全，可以分配资源

第四章  存储器

4.1  存储器的多层结构

主要用于备份主存中常用的数据，以减少处理机对主存的访问次数，从而提高程序执行速度。基于程序执行的局部性原理：一段较短时间内，程序执行局限于某部分。

简称内存或主存，用于保存进程运行时的程序和数据。为缓和 CPU 指令执行速度与主存储器访问速度的矛盾，引入了高速缓存和寄存器。

磁盘 I/O 速递远低于主存访问速度，为缓和这个矛盾，设置磁盘缓存。它是利用主存中的存储空间暂时存放从磁盘中读取的信息。

4.2  存储管理方式

该分配方式为用户程序分配一个连续的内存空间，即，程序中代码或者数据的逻辑地址相邻，体现在内存空间分配时物理地址的相邻。连续分配方式分为四类：

（1）单一连续分配 ：内存分为系统区和用户区，用户去内存中仅装有一道用户程序。

（2）固定分区分配 ：将用户空间划分为若干个固定大小的区域，每个分区中之装入一道作业。分区大小的划分有大小相等和大小不等两种方法，后者把分区分为小分区、中分区、大分区等，相比于方式一能够减少碎片。

（3）动态分区分配 ：根据进程的需要动态分配内存空间。基于该分配方法，有：

           首次适应（first fit，FF）算法：从空闲分区链头部顺序找起，找到第一个能满足进程要求的分区大小，在该分区中动态为其分配一块内存空间，剩余部分仍然留在空闲分区链。

           循环首次适应（next fit，NF）算法：从上次找到的地方开始找起。若找到链表尾部还没找到，则返回链表头部，从头找起。

           最佳适应（best fit，BF）算法：能满足要求，大小是最小的分区被优先分配。

           最坏适应（worst fit，WF）算法：能满足要求，且大小是最大的分区被优先分配。

用户程序要想在系统中运行，必须将其装入内存，并为它分配内存空间。连续分配存储往往导致碎片，浪费存储。

分页方式将用户程序的地址空间分为若干个大小固定的区域，称为“页”，典型大小为1KB。相应的也将内存空间分为若干物理块，块大小与页大小相等。系统为每个进程建立一张页表，记录了相应页在内存中对应的物理块号。

快表：

页表存放在内存中，这使得CPU每次存取一个数据都要访问两次内存，第一次根据页号在页表中查找得到物理块号，将该块号与页内偏移地址拼接才能形成物理地址，第二次才从物理地址读写数据。为提高地址变换速度，出现了快表。在CPU给出有效地址后，由地址变换机构将页号送入高速缓存，将此页号与其中的所有页号进行比较，若匹配，直接在该快表上得到页号对应的物理块地址，并将该地址与业内地址进行拼接得到物理地址，送入物理地址寄存器，从而在相应物理地址上读写。若未命中，才访问内存中的页表。

作业的地址空间被划分为若干个段，每个段定义了一组逻辑信息。

分段和分页的区别：

页是信息的物理单位，分页是系统的行为，用户不可见。分段中的段是逻辑单位。

页大小固定，由系统决定。段的长度不固定，由用户编写的程序决定。

先将程序分段，再将每个段分成若干个页。由段号和段表起始地址指出对应的页表起始地址，由段内页号和对应的页表定位块号，由块号和页内地址构成物理地址。

第五章  虚拟存储器

5.1  虚拟存储基本原理

有的作业很大，所要求的内存空间超过了内存总容量，虚拟存储器便是为此而生。虚拟存储器是基于程序运行的局部性原理，应用程序在运行前并不需要全部装入内存，仅仅将当前需要运行的少数页面或者段装入内存便可运行。程序运行时，如果它所需要的段（页）已经在内存，便能继续执行，否则，发出缺页（段）中断请求，此时OS利用请求调页（段）功能将这些页（段）调入内存，以使进程继续运行下去。如果此时内存已满，OS再利用页（段）的置换功能，将内存中暂时不用的页（段）调至盘上，腾出内存空间后，再将要访问的页（段）调入内存。

5.2  页面调度策略

5.2.1  最佳置换算法

选择的淘汰页是以后永久不使用或者最长时间内不再被访问的页面。

5.2.2  先进先出（FIFO）页面置换算法

总是淘汰最先进入的页。

5.2.3  LRU（Least Recently Used）置换算法

淘汰最近最久未使用的页。该算法赋予每个页面一个访问字段，用来记录一个页面自上次被访问以来经历的时间t，淘汰时选择t最大的页淘汰。

5.2.4  最少使用（Least Frequently Used，LFU）置换算法

记录每个页面被访问的频率，选择在最近时期使用最少的页淘汰。

5.3  抖动

5.3.1  什么是抖动？

同时运行在系统中的进程太多，造成分配给每个进程的物理块太少，不能满足程序正常运行的需求，致使每个进程频繁地出现缺页，从而每个进程大部分时间都用于页面的换进/换出，几乎不能做有效的工作，从而导致处理机的利用率急剧下降并趋近于0。

5.3.2  什么是工作集

工作集是某段时间间隔内，进程实际要访问页面的集合。在不同时间，工作集所含页面数不同。

5.3.3  预防抖动的方法

L=S准则：

L为缺页之间的平均时间，S为平均缺页服务时间，如果L>S，说明很少缺页，但处理机利用率低，如果L<S，说明频繁缺页。只有当L=S时，磁盘和处理机能达到它们最大的利用率。

原文：https://www.cnblogs.com/icky1024/p/os-base.html

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