1、第1章 操作系統概論1、操作系統：是計算機系統的一個系統軟件，有效管理系統中軟硬件資源，合理組織計算機工作流程，方便。2、操作系統特征：并發性（多程序宏觀并發，微觀單道）、共享性（互斥共享，同時共享）、隨機性（異步性，進程走走停停）3、操作系統功能：進程管理（進程控制、進程同步、進程通信、調度），存儲管理（內存分配與回收、存儲保護、內存擴充）、文件管理（文件存儲空間、目錄管理按名存儲、文件安全性）、設備管理、用戶接口（命令接口、程序接口、圖形接口）4、操作系統分類：（1）按用戶界面的使用環境和功能特征 批處理操作系統，分時操作系統，實時操作系統（2）個人操作系統，網絡操作系統，分布式操作系統，

2、嵌入式操作系統批處理操作系統：特點 成批處理。優點：自動化高目標系統資源利用率高 作業吞吐率高（單位時間內計算機系統處理作業的個數）缺點：不能直接與計算機交互 不適合調試程序單道批處理系統：自動性、順序性、單道性多道批處理系統：提高CPU利用率、增加系統吞吐量指令：一般指令（用戶） 特權指令：輸入輸出，停機（系統）5、 SPOOLing（假脫機技術）：把獨占改為虛擬共享a) 在磁盤上開辟輸入井，輸出井b) 在主存輸入緩沖區、輸入緩沖區c) 輸入進程數據從輸入設備輸入緩沖區輸入井CPU需要，輸入井主存特點：提高輸入輸出速度、把獨占改為虛擬共享、實現虛擬設備功能6、 分時系統：交互的、采用時間片輪

3、轉、輪流為多個終端用戶使用特點：多路性、交互性、獨占性、及時性影響相應時間：（1）機器處理能力（2）請求服務時間（3）終端數（4）服務請求分布（5）調度算法7、 實時系統：在規定時間完成處理工業控制、軍事控制、實時通訊（電訊、銀行、飛機訂票、股市）特點：多路性、獨立性、及時性、交互性、可靠性8、 嵌入式操作系統特點：內核小、專用性強、系統精簡、高實時性、多任務操作系統9、 分布式操作系統特點：分布性、并行性、透明性、共享性、健壯性10、 操作系統結構：整體結構、層次結構（硬件層操作系統層系統程序層應用程序層）、微內核（客戶服務器結構 典型的WINDOWS NT）11、計算機系統包括 硬件系統，

4、軟件系統12、計算機系統的資源包括兩大類 硬件資源和軟件資源13、硬件系統：中央處理器，內存儲器，外存儲器，以及各種類型的輸入輸出設備（鍵盤，鼠標顯示器，打印機）14、軟件系統：各種程序和數據軟件系統又分為：應用軟件，支撐軟件（數據庫，網絡，多媒體），系統軟件（操作系統，編譯器）15、.操作系統的任務：組織和管理計算機系統中的硬件和軟件資源向用戶提供各種服務功能（一方面 向程序開發和設計人員提供高效的程序設計接口 二 向使用計算機系統的用戶提供接口）16、操作系統的發展1.手工制作2.早期批處理3.多道批處理4.分時系統17、UNIX系統C語言編寫，多用戶，多任務，分時操作系統 ，樹形文件系統

5、7.個人計算機操作系統20世紀70年代 微軟MS DOS 單用戶單任務1984年 蘋果操作系統1992 微軟 交互式操作系統WINDOWS 3.11995 window951991 linux linux遵循UNIX標準POSIX 繼承UNIX全部優點嵌入式操作系統 高可靠性，實時性，占有資源少，智能化能源管理。易于連接，低成本個人計算機操作系統單用戶多任務網絡操作系統（NOS）目標：相互通信及資源共享 兩種模式：集中式，分布式網絡操作系統和分布式操作系統 主要不同在于：網絡操作系統可以構架與不同的操作系統網絡操作系統不要求對網絡資源透明的訪問，對本地資源和異地資源訪問區別對待分布式操作系統強

6、調單一操作系統對整個分布式系統的管理，調度指令集：ISO/IEC7816-4 提供的指令類型：數據管理類，通信控制類，安全控制類四個基本功能：資源管理，通信管理，安全管理，應用管理智能卡硬件資源：CPU，存儲部件，通信接口第2章 操作系統的運行機制1、 CPU（運算器、控制器、寄存器、高速緩存）寄存器：用戶可見寄存器（數據寄存器、地址寄存器、條件碼寄存器）、控制狀態寄存器（程序計數器、指令寄存器、程序狀態字）2、 處理器狀態：（1） 管態特權指令、目態非特權指令（管態可調用所有指令和資源，改變處理器狀態，目態轉換官態中斷，官態轉目態修改PSW值） PSW程序狀態字（2） 核心狀態、管理狀態、用

7、戶程序狀態（目標狀態）3、 存儲器結構圖4、 存儲保護（1界地址寄存器（1）上下限寄存器，（2）基址寄存器和限長寄存器2存儲鍵）5、 中斷與異常a) 中斷特點：隨機的、可恢復的、自動處理的b) 中斷分類c) 中斷：與正在執行的指令無關，可以屏蔽異常：與正在執行的指令有關，不可以屏蔽d) 中斷系統：硬件中斷裝置、軟件中斷處理程序e) 通過中斷掃描機構掃描中斷信號f) 產生中斷方式：I/O中斷（正常，異常）、時鐘中斷、硬件故障中斷、程序性中斷、系統調用6、 系統調用與一般調用的差別：運行的系統狀態不同，系統調用在管態7、 I/O技術控制方法：通道（使CPU從I/O事務解脫，提高效率、傳輸數據較小，

8、按字節）、DMA技術（按塊傳輸）、緩沖技術（匹配速度問題）8、 時鐘（一般由硬件提供）：硬件時鐘、軟件時鐘或絕對時鐘、相對時鐘第3章 進程線程模型1多道程序的設計模型采用多道程序的設計可以提高CPU的利用率1.1程序的順序執行特點：順序性，封閉性，程序執行結果的確定性，程序執行結果的可再現性1.2多道程序設計通常采用并行操作技術。多道程序設計環境的特點根本目的：提高整個操作系統的效率。衡量系統效率的尺度：系統吞吐量 指在單位時間內系統所處理作業的道數。多道程序的特點：獨立性，隨機性，資源共享性1.3程序的并發執行指兩個或兩個以上的程序在計算機中同處于以開始執行且尚未結束的狀態 特點：（1） 并

9、發程序在執行期間具有相互制約關系 （2）程序與計算不在一一對應 （3）并發程序執行結果不可再現（宏觀上是同時進行的，但從微觀上，在單個CPU中 仍然是順序執行的）1.4進程模型： 程序、數據、PCB（靈魂）進程控制塊組成從操作系統的角度：分為系統進程和用戶進程（系統進程優先級高于用戶進程）進程和程序的聯系和區別聯系：程序是構成進程的組成部分之一，從靜態角度，進程是由程序，數據和進程控制塊組成。區別：程序是靜態的，進程是動態的進程的特性：并發，動態（動態產生，動態消亡），獨立（相對完整的資源分配單位），交往（相互作用），異步（相互獨立 不可預知的前進）。1.5進程的狀態及狀態轉換三狀態：運行 就

10、緒 等待就緒->運行 進程被調度的程序選中運行->就緒 時間片用完運行->等待 等待某事件發生等待->就緒 等待的事件已經發生五狀態：運行，就緒，阻塞，創建，結束狀態轉換：創建進程，提交，調度運行，釋放，超時，事件等待，事件出現。創建：建立未進入就緒結束七狀態：運行 阻塞，創建，結束，就緒掛起，阻塞掛起，就緒新引入的狀態（掛起和激活）掛起狀態：內存轉外存激活狀態：外存轉內存狀態轉換：創建就緒：加入就緒隊列就緒執行：執行執行阻塞：等待資源而無法執行（請求某種服務、啟動某種操作、新數據尚未到達、無新工作可做）執行就緒：時間片結束、優先權較低阻塞就緒：得到資源執行終止：正常結

11、束或異常錯誤1.6進程控制塊PCB分為調度信息和現場信息調度信息包括（進程名，進程號，存儲信息，優先級，當前狀態，資源清單，消息隊列指針，進程隊列指針，和當前打開文件）現場信息（程序狀態字，時鐘，界地址）進程的組成（程序，數據 和進程控制塊）PCB組織方式（線性方式，索引方式，鏈接方式）進程的隊列（就緒隊列，等待，運行）1.7進程控制通過原語（由若干條指令所構成，用來實現某個特定的操作）進程控制原語：創建進程，撤銷進程，掛起進程，激活進程，阻塞進程，喚醒進程，以及改變進程優先級。創建原語，撤銷原語，阻塞原語，喚醒原語。UNIX通過fork()函數創建子進程，執行一次，返回兩個結果1.8線程模型

12、 更小的獨立運行的基本單位-線程引入線程 為了減少并發執行時所付出的時間和空間開銷進程擁有兩個基本屬性：是一個可擁有資源的獨立單位，又是一個可以獨立調度和分派的基本單位1.8.1線程的基本概念是進程中的一個實體，是CPU調度和分派的基本單位一個線程可以創建和撤銷另一個線程，同一個進程的多個線程之間可以并發執行線程特性：每個線程有一個唯一的標識符合一張線程描述表。 不同的線程可以執行相同的程序。 同一個進程中的各個線程共享該進程的內存地址空間 線程是處理器的獨立調度單位 多個線程可以并發執行線程的好處：花費時間少 創建的速度比進程塊，系統開銷少，兩現成的切換花費時間少 能獨立運行線程和進程比較線

13、程又稱為 輕量級進程 傳統的進程稱為重量級進程調度：線程作為調度和分派的基本單位，吧進程作為資源擁有的基本單位。并發性：擁有資源：線程不擁有系統資源系統開銷：進程的開銷遠大于線程的開銷1.8.2線程的實現機制第一種：用戶級線程 不依賴于內核 LINUX第二種：內核級線程 依賴內核 windows第三種：混合實現方式 solaris1.9進程（線程）調度一般分為：高級調度（作業調度批處理），中級調度，低級調度（進程（線程）調度）進程（線性）調度即處理機調度2.0調度算法的設計原則：面向用戶原則（周轉時間）、面向系統（系統吞吐量）2.0.1進程行為：當一個進程等外部設備完成工作而被阻塞的行為屬于I

14、/O某些花費了絕大多數時間在計算上面的 稱為計算密集型在等待I/0花費了絕大多數的時間 稱為I/0密集型 系統分類：通常分為 批處理 交互式 實時系統2.1調度算法的設計目標公平，系統策略的強制執行 另一個就是保持系統的所有部分盡可能忙碌通常檢查三個指標：吞吐量，周轉時間，CPU利用率周轉時間：從一個批處理作業提交時刻開始直到改作業完成時刻為止統計的平均時間2.2進程（線程）調度算法先來先服務FCFS（非搶占式）最短作業優先SPF（非搶占式）最短剩余時間優先SPT（搶占式 ）輪轉法（R-R）分成一個個時間片 影響時間片的因素（系統響應時間，就緒進程的數目，計算機的處理能力）應該將時間片設為20

15、-50ms最高優先級算法（搶占或非搶占）多級反饋隊列算法（綜合了先進先出，時間片，可搶占式）最短進程優先實時系統中的調度算法：（1）速率單調調度算法（RMS）（2）最早最終時限優先調度（EDF）第4章 并發與同步1、進程關系：同步、互斥2、進程同步：是指多個進程中發生的事件存在某種時序關系，必須協同工作，相互配合，以共同的完成一個任務3、進程互斥：是指由于共享資源所要求的排他性，進程間要相互競爭，以使用這些互斥資源4、進程互斥的解決方法：（1）由競爭各方平等協商，（2）引入進程管理者（只有信號量）5、臨界資源：是指只允許一個進程訪問和使用的資源6、計算機中的資源共享的程度可分為三次：互斥，死鎖

16、，饑餓。互斥 是指多個進程不能同時使用同一個資源。死鎖 是指避免多個進程互不相讓，避免出現都得不到足夠資源的情況饑餓 避免某些進程一直得不到資源或得到資源的概率很小7、臨界資源訪問過程分成：進入區，臨界區，退出區，剩余區。8、進程同步遵循的準則：空閑則入，忙澤等待，有限等待，讓權等待9、進程互斥的硬件方法：TS指令、SWAP指令、信號量10、信號量大于等于0：可用資源數小于0：進程被阻塞數對信號量的操作：P操作-（wait(s)）：進臨界區V操作+(signal(s)：釋放臨界區11、管程：一個管程由 過程 變量 數據結構等組成的集合一個管程由四個部分組成：管程名稱，共享數據的說明，對數據進行

17、操作的一組進程和對公共享數據賦初值的語句管程三個主要特征：模塊化 抽象數據類型 信息隱蔽12、進程通信（管道通信）方式：共享內存，消息機制，以及通過共享文件進行通信共享內存：設有一個公共內存區消息機制：消息緩沖通信（要用發送消息原語，接收消息原語）信箱通信（可存信件數，已有信件數，可存信件的指針）管道通信（UNIX 就是連接兩個進程之間的一個打開的共享文件） 優點：傳輸數據量大 但通信速度慢第5章1、存儲器分為：內存儲器和外存儲器，a) 處理器可以直接訪問內存 但不能直接訪問外存。CPU通過啟動相應的輸入/輸出設備后才能使外存和內存交換信息。b) 對于內存速度和容量的要求是：內存的直接存取速度

18、盡量快到與CPU取指速度相匹配，其容量達到能裝下當前運行的程序和數據2、 內存空間分為：系統區和用戶區3、存儲管理的主要任務：1.內存的分配和回收. 位示圖法，空閑頁面表，空閑塊表 內存分配兩種方式：靜態分配（程序運行前）和動態分配（在目標模塊裝入時確定并分配的）。2.存儲共享：代碼共享、數據共享。3. 存儲保護：地址越界保護、權限保護、存儲鍵4. 擴充內存容量：采用虛擬存儲技術或其他交互技術4、地址轉換：邏輯地址從0開始 ，絕對地址就是物理地址。 地址重定位：把邏輯地址裝換成絕對地址。 靜態重定位 把程序的指令地址和數據地址全部轉換程絕對地址。在程序執行前完成 動態重定位 直接把程序裝入到分

19、配的內存區域中，每當執行一條指令時都由硬件的地址轉換機構將指令中的邏輯地址轉換為絕對地址5、內存管理方案：單一用戶（連續區）管理，分區管理，頁式管理，段式管理，段頁式管理6、分區存儲管理方案：把內存劃分為若干個連續區域，每個分區裝入一個運行的程序。分區的方式歸納成 固定分區、可變分區。固定分區：在程序運行時必須提供對內存資源的最大申請量。 特點：（1）一個分區只能裝一個作業，反之亦然。（2） 通過分區分配表（起始位置，大小，狀態）實現對主存的分配與回收（3） 采取靜態地址重定位，分區總數確定，當作業小時浪費主存可變分區：在裝入程序時劃分內存分區，可變分區有較大的靈活性，比固定分區有更好地內存利

20、用率。（1） 可變分區的實現：已分分區表、空閑分區表，分配主存是，先分小地址，再分大地址，首次分區，只有一個空閑區。（2） 空閑分區的分配策略：最先適應算法（地址遞增），最優適應算法（挑最小，長度遞增），最壞適應算法（挑最大，長度遞減），下次適應算法。（3）分區管理方案的優缺點：可變分區的內存利用率比固定分區高 缺點：內存使用仍不充分，并且存在較為嚴重的碎片問題，浪費處理機時間 （4）移動技術：可以集中分散的空閑區，提高內存的利用率，便于作業動態擴充內存。缺點：（1）移動會增加系統開銷（2）移動是有條件的7、覆蓋技術和交換技術覆蓋技術和交換技術的主要區別是控制交換的方式不同，前者主要是在早期的

21、系統中，而后者目前主要用于小型分時系統。交換技術又稱為對換技術：進程從內存移到磁盤并再移回內存稱為交換。交換技術多用于分時系統中。缺點：在交換時需要花費大量的CPU時間，影響對用戶的響應時間。8、 頁式存儲（支持離散存儲，有效解決碎片多的問題，不用增加系統開銷解決碎片問題）a) 頁式存儲器使用的邏輯地址由兩部分組成，頁號（分頁多少）和頁內地址（頁面大小）b) 位示圖（空閑塊）、頁表（頁塊關系）、主存分配表（存儲頁表在內存位置）c) 地址轉換i. 頁號=邏輯地址/頁長（取整）ii. 頁內地址=邏輯地址MOD頁長（余數）iii. 塊號=字號*字長+位號iv. 物理地址=內存塊號*塊長+頁內地址（塊

22、內地址）+用戶區基址d) 頁表：i. 多級頁表，大多數操作系統采用二級頁表ii. 散列頁表iii. 反置頁表9、 快表（頁表必須訪問兩次內存，第一次按頁號讀出頁表中對應的塊號，第二次按計算出來的絕對地址進行讀寫。而快表存在高速緩存，快表找到，內存訪問一次，找不到內存訪問兩次）a) 采用兩種方法：一種是在地址映射機制中增加一組高速寄存器保存頁表，另一方法是在地址映射機制中增加一個小容量的聯想存儲器（相聯存儲器）10、 虛擬存儲技術：a) 最大容量與地址寄存器位數有關，位數為24，則大小為224Bb) 當最大大于實際，實際容量=主存+硬盤 當最大小于實際，實際容量=最大c) 虛擬存儲技術同交換技術

23、在原理上市類似的：交換技術是以進程為單位進行的，而虛擬存儲一般是以頁或段為單位d) 虛擬頁式存儲管理（頁號，有效號，頁框號，訪問位，修改位，保護位，禁止緩存位）e) 頁面調度策略：調入策略（請求調頁、預調頁）、置頁策略、置換策略（固定分配局部置換，可變分配全局置換，可變分配局部置換）缺頁中斷：要訪問的頁面不在內存中。11、頁面置換算法：先進先出頁面置換算法(fifo)，最近最少使用頁面算法（LRU），最近最不常使用頁面置換算法（LFU），理想頁面置換算法（OPT），最近未使用頁面置換算法（NRU），第二次機會頁面置換算法，時鐘頁面置換算法（clock）12、 缺頁中斷率：a) 影響缺頁中斷率的

24、因素：分配給程序的內存塊數，頁面的大小。程序編制方法，頁面置換算法。b) 中斷率=中斷次數/頁面訪問總次數13、 段式和段頁式存儲管理方案：a) 系統將內存空間動態分為若干個長度不同的區域，每個區域稱作一個物理塊，每個物理塊在內存中有一個起始地址 稱作段首止，從0開始編址。用戶程序的邏輯地址由段號和段內地址組成。自己細看*段式存儲 操作系統第六單元 文件管理1、文件：信息項是構成文件內容的基本單位。文件系統的文件名：solaris的UFS 長度可達255個字符，FAT12(MS-DOS 8個字符，外加句點和3個字符的拓展名，NTFS也可達到255個字符)FAT12不區分大小寫 EXT2區分大小

25、寫。FAT12只使用ACSII，MS-DOS和windows 2000/XP對不同的后綴有特定的解釋。2、 文件系統：是文件和目錄相關的子系統、是操作系統中統一管理信息資源的一中軟件a) 文件系統還負責對文件的按名存取。b) 操作系統對文件透明存儲3、 文件分類：（目的：對不同文件進行管理，提高系統效率，提高頁面友好性）a) 按文件的用途：系統文件，庫函數文件，用戶文件b) 按文件組織形式 普通文件 目錄文件 特殊文件c) 按文件的保護方式：只讀文件，讀寫文件，可執行文件，無保護文件d) 信息流向：輸入，輸出，輸入輸出e) 按存放時限：臨時，永久，檔案文件f) 按文件的介質類型：磁盤文件，磁帶

26、文件，卡片文件，打印文件g) 組織結構：邏輯文件（流式文件和記錄式文件） 物理結構（順序文件，鏈接文件，索引文件）h) UNIX類操作系統的文件分類：普通文件，目錄文件，特殊文件4、文件系統功能（非重點）：a) 實施存儲空間分配回收b) 文件按名存儲c) 實現文件共享，提供保護和保密d) 向用戶提高使用的接口e) 系統維護及向用戶提供有關信息f) 保持文件系統執行效率g) 提供I/O的統一接口5、 文件的結構a) 文件的邏輯結構：i. 無結構的流式文件、有結構的記錄式文件ii. 遵循原則：查找快捷、修改方便、空間緊湊、易于操作iii. 流式文件：是無結構法的，有序字符的集合，UNIX是流式文件

27、結構。iv. 記錄式文件：記錄式文件分為：定長記錄文件和不定長記錄文件b) 文件的物理結構：i. 常見的文件的物理結構：順序結構，鏈接結構，索引結構，I節點結構1. 順序結構：優：支持順序存儲和隨機存儲、存取快速 缺：不能動態增長、分配空間慢、容易產生碎片2. 鏈接結構：優：解決碎片，有利于文件動態擴充和增刪 缺：不能隨機存取，存取速度慢刺頭移動多，效率低，可靠性較差，鏈接指針需要空間 windows的FAT文件系統采用的是鏈接結構ii. 文件物理塊（文件物理記錄）：文件分配及傳輸信息的基本單位iii. 物理記錄大小與物理設備有關，與邏輯記錄大小無關6、 文件的存儲介質：a) 介質分類：順序存

28、取設備（磁帶），隨機存取設備（磁盤） i. 磁盤上每個物理塊的位置確定：柱面號，磁頭號，扇區號表示。ii. 磁帶特性：存取速度與信息密度，帶速，間隙有關。iii. 一次訪問磁盤的時間由組成：尋道時間，延遲時間（旋轉時間），傳輸時間iv. 磁盤位置：1. 已知物流塊號，則磁盤地址：a) 柱面號（磁道號）=物理塊號/（磁頭數*扇區數）b) 磁頭號=物理塊號MOD（磁頭數*扇區數）/扇區數7、 文件的存取方式：順序存取，隨機存取（又稱為直接存取）。UNIX系統采用了順序存取和隨機存取兩種方法。8、 文件目錄：每個文件都設置了一個描述性數據結構-文件控制塊（FCB），FCB包含：文件名，文件起始地址等等。文件目錄是FCB的集合、文件目錄放在外存。9、 文件目錄結構a) 一般吧文件目錄設計成一級目錄，二級目錄結構，多級目錄結構。i. 一級目錄：（1）簡單，易實現（2）易發生重命名（3）時間長（4）不便共享，適合PC單用戶ii. 二級目錄：主文件目錄，用戶文件目錄 1. 缺點：增加了系統開銷2. 優點：（1）提高速度（2）解決重名（3）可共享（4）實現文件保護和保密（5）解決不同用戶可不同命，但是同名用戶不能同名iii. 多級目錄：unix