(完整word版)操作系统复习提纲

第1章绪论OS地位、作用和定义定义：OS是一组的程序集合控制和管理计算机硬件和软件资源合理地对各类作业进行调度作用：OS是资源分配程序:计算机系统的资源硬件软件数据OS是管理程序:管理用户程序的执行管理I/O设备:I/O设备的控制和操作地位：其他应用程序的基础OS分类和发展历史批处理、分时、实时、通用、多处理、网络（了解各自的特征和适用场合）OS发展过程：无操作系统简单批处理系统/单道批处理系统多道批处理系统分时系统OS特征OS功能一些概念监控程序（monitor)、多道程序设计、多道程序系统、多处理系统、批处理、分时多道程序设计：2个或多个作业同时进入主存、切换运行:当一个作业需要等待I/O时,切换到另一个不在等待I/O的作业--让CPU保持忙碌分时系统是多道程序设计的延伸。在分时系统中，虽然CPU还是通过在作业之间的切换来执行多个作业，但是由于切换频率很高，用户可以在程序运行期间与之进行交互（有时间片）引入多道程序设计的目的：I/O速度太慢提高资源利用率和系统吞吐量研究操作系统的几种观点什么是双重操作模式？为什么要引进双重操作模式两重独立的执行：模式用户模式内核模式/管理模式/系统模式/特权模式/监控程序模式/控制模式至少2种,还可以有更多种模式OS必须确保错误程序(恶意程序)不能导致其他程序执行错误，为了确保操作系统正常执行系统态、用户态以及转换的条件特权指令和非特权指令特权指令(课本p.17)：可能导致危害的指令只允许在内核模式下执行如果在用户模式下执行特权指令不执行看作非法指令,陷阱特权指令的例子：切换为内核模式,I/O控制,定时器管理,中断管理硬件保护机制：双重模式操作CPU保护I/O保护内存保护第2章操作系统结构用户与OS的两种接口：定义和功能命令接口：用户输入控制语句脱机(off-line)–批处理系统,作业控制语言JCL联机(on-line)交互式系统:命令行,联机图形用户接口(GUI)：提供基于鼠标的窗口和菜单系统作为接口系统调用：定义、功能进程与OS之间的接口/程序接口(界面)方便程序员,屏蔽底层细节实行保护执行系统调用(访管/陷入)时,用户模式-内核模式操作系统的结构有几种？各自的特点？简单结构/整体式结构:内存容量限制没有划分模块分层结构:将OS分为若干层最底层(0)—硬件,最高层(N)—用户接口每层只能利用低一层的功能(操作)和服务主要优点:模块化简化调试和系统验证信息隐藏困难和问题:如何划分层相互依赖的关系效率问题一种解决的方法:数量更少、功能更多的分层微内核:水平分层客户/服务器结构进程间交互–消息传递优点:易于扩展微内核易于将OS移植到新的体系结构上更可靠–在内核模式下运行的代码更少更安全缺点:用户空间与内核空间通信带来的性能开销虚拟机:覆盖了软件的机器抽象、隔离硬件的特性—简单、易用、系统功能增强.优点:完全保护硬件资源系统开发不影响正常系统操作—OS研究和开发困难:完全复制底层机器模块:操作系统特征并发(Concurrence)并行:2个或多个事件在同一时刻发生并发:2个或多个事件在同一时间间隔发生共享(Sharing)互斥共享方式同时访问方式这里的“同时”往往是宏观的虚拟(Virtual):通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物异步性(Asynchronism):进程的运行方式:“走走停停”几个概念Shell（命令行解释程序：获取并执行用户指定的下一条命令）、系统调用（进程与OS之间的接口/程序接口(界面)）、虚拟机、陷入、陷入与中断的区别第3章进程管理进程定义、特征、作用装入内存并执行的程序通常称为进程特征：动态性最基本的特性有一定的生命期:创建,执行,暂停,消亡并发性多个进程实体,同存于内存中,能在一段时间内同时运行独立性进程实体是一个能独立运行的基本单位,同时也是系统中独立获得资源和独立调度的基本单位异步性进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进,即进程按异步方式运行程序顺序执行、并发执行的特点；程序顺序执行严格按先后次序逐个执行语句/程序段程序顺序执行的特征:顺序性只有前一个操作结束,才能执行后续操作封闭性程序运行时独占全机资源可再现性与执行速度无关程序的并发执行多道程序系统:多道程序的并发执行某道程序的可以包含若干个能够并发执行的程序段好处充分利用系统资源提高系统处理能力程序并发执行的特征:间断性共享资源,相互合作相互制约执行-暂停-执行失去封闭性一个程序的执行受到其他程序的影响不可再现性进程与程序的区别与联系进程是程序的一次执行进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动进程是程序在一个数据集合上的运行过程,是系统进行资源分配和调度的一个独立单位可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程进程状态（三状态和五状态）及其转换PCB：作用及其内容内容：进程状态程序计数器CPU寄存器CPU调度信息内存管理信息计帐信息(CPU使用时间用时限制帐户号进程号/作业号)I/O状态信息作用：PCB是进程存在的唯一标志OS中最重要的数据结构（OS通过PCB控制和管理并发执行的进程。涉及调度、资源分配、中断处理）进程控制块的集合定义了OS的状态进程控制主要功能；创建、撤销、挂起、唤醒、阻塞、激活等原语所需完成的功能；了解fork()和exec()的工作原理进程通信的几种方法消息队列、共享内存第4章线程什么是线程？（轻量级进程用CPU的基本单位控制线索在CPU上执行的单位）为什么要引进线程？(减少程序并发执行时所付出的时空开销使OS具有更好的并发性进程的创建、切换、撤销时空开销)线程和进程的区别？进程：资源分配的单位，保护的单位线程：进程中的一个实体，调度和分派的基本单位只拥有运行所必须的资源（PC一组寄存器,栈）与同进程内的其他线程共享进程所拥有的资源（代码段，数据段，打开的文件）基本状态:运行、就绪、阻塞（多处理器体系结构利用一进程的多个线程可在不同处理器上并行执行）线程的实现方式用户级线程和内核级线程（多对一、一对一、多对多）用户线程受内核支持，而无需内核管理；内核线程由操作系统直接支持和管理第5章CPU调度调度的几种类型长程调度、中程调度、进程调度调度队列可剥夺调度和不可剥夺调度：定义和特点非抢占调度：定义：仅在“调度时机”第一、二种情况下（运行-终止，运行-等待）才进行调度的方案。一旦把处理器分配给某进程,就让它一直执行,直到它完成或因等待某事件而阻塞实现简单,系统开销小,无需特别硬件支持适于大多数批处理系统可抢占调度：调度发生在“调度时机”的各种情况的方案。避免一个进程独占处理器时间过长可能对所有进程提供较好服务系统开销增加对协作进程并发执行的影响调度算法的性能评价准则CPU使用率吞吐量（单位时间内完成的作业数）周转时间：作业/进程从提交到完成的时间间隔（等待进入主存,在就绪队列中等待CPU,在CPU上运行,执行I/O操作等）等待时间（在就绪队列中等待所花时间的总和）响应时间（对于一个交互式进程,从用户提出请求到系统开始输出响应）最优化准则（CPU使用率—最大化吞吐量—最大化周转时间—最小化等待时间—最小化响应时间—最小化）调度程序的功能、时机；从位于主存的就绪进程当中选择一个,把CPU分配给它分派程序：一个模块,负责把CPU控制权交给调度程序选中的进程功能：切换上下文切换到用户模式–为什么?跳转到用户程序的适当位置,使其重新开始执行执行频率高尽可能快时机：运行-终止运行-等待运行-就绪等待-就绪调度算法：FCFS（最简单的调度算法采用非抢占方式,系统开销小，一个短进程可能要等很长时间才能运行）、SJF（平均等待时间最小最优，可能出现饥饿）、RR（时间片轮转法，时间片到-中断-抢占-运行进程回到就绪队列队尾，也称作时间片技术，每次只允许一个进程运行一小段时间。时间片短响应快开销大:频繁的时钟中断处理和调度、分派时间片过长,退化为FCFS，在通用分时系统和事务系统中很有效）、优先级(课本:优先数越小优先权越高解题时根据题目要求易出现饥饿，采取老化:等待时间长的提高其优先权。非抢占:主要用于批处理可抢占:实时、分时、批处理)、多级队列（把就绪队列划分为2个或多个独立的队列，划分依据:进程的性质或类型一进程固定属于某个队列，每个队列有各自的调度算法，必须有队列之间的调度）、多级反馈队列（进程可以在多个队列之间移动，老化:在低优队列等待过久进入优先权较高的队列.最通用的CPU调度算法(也最复杂)）、HRRN（最高响应比优先，响应比R=(等待时间+要求执行时间)/要求执行时间，是FCFS和SJF的折衷）增加了系统开销,既优待短作业,又照顾先来者）—优点和缺点、适用场合要求会计算：调度顺序、周转时间、平均周转时间第6章进程同步进程同步与互斥概念：临界资源、临界区、信号量、同步、互斥、进程间的制约关系（直接、间接）临界资源:一段时间内只允许一个进程访问的资源临界区/临界段：每个进程中访问临界资源的那段代码，当一个进程在临界区内执行时,不允许其他进程在临界区执行时间上的互斥信号量：用于发信号的特殊变量,有一个整数值对信号量的操作只有三种：初始化wait操作/P操作(原语)signal操作/V操作(原语)间接制约：共享某一公有资源的并发进程,在临界区内不允许交叉执行由于访问共享公有资源,造成了对并发进程执行速度的间接制约，受到间接制约的各并发进程执行临界区的顺序是任意的直接制约：一组在异步环境下的并发进程,各自的执行结果互为对方的执行条件,从而限制了各进程的执行速度,这称作并发进程间的直接制约互斥问题准则实现方法：硬件、信号量（软件方法不要求）信号量：定义、含义、操作（初始化，P,V）进程同步与互斥问题生产者与消费者（尽管所有的生产者进程和消费者进程都以异步方式运行，但它们之间必须保持同步,即:不允许消费者进程到一个空缓冲区去取消息,也不允许生产者进程向一个已装有消息且尚未被取走消息的缓冲区中投放消息）读者写者问题其他第7章死锁死锁定义、发生原因、4个必要条件定义：两个或多个进程无限地等待一个事件,而该事件只能由这些等待进程之一产生（指多个进程因竞争资源而造成的一种僵局,若无外力作用,这些进程将永远不能再向前推进）死锁的原因：资源不足导致的资源竞争进程推进顺序不合理4个必要条件（同时发生产生死锁）：互斥条件：资源一次只能被一个进程使用。占有且等待条件：请求和保持一个进程在申请其他进程占据的资源,同时保持着自己已经获得的资源非抢占(非剥夺)条件：资源不能被抢占—仅当使用资源的进程完成任务后,才自愿释放循环等待(环路等待)条件：在发生死锁时,必然存在一个进程-资源的环形链,即:进程集合{P0,P1,P2,…,Pn}中,P0正在等待P1占用的资源；P1正在等待P2占用的资源掌握解决死锁的方法：预防、避免、检测摒弃“保持和等待/请求和保持”方法一:进程必须一次性地申请全部资源方法二:申请其他资源之前,必须释放所有已获得的资源优点:简单、易于实现、安全缺点：可能大大降低资源利用率可能导致饥饿摒弃“非抢占”条件方法：一个已经保持了某些资源的进程,当它再提出新的资源请求而不能立即得到满足时,它已经获得的所有资源被剥夺进程等待直到原有资源和新申请资源都可满足后,重新开始执行适用条件:资源的状态可很容易地保存和恢复缺点：实现复杂、代价大,反复申请/释放资源,系统开销大,降低系统吞吐量摒弃“环路等待”方法：系统把所有资源按类型进行线性排队，所有进程对资源的请求必须严格按资源序号递增的顺序提出,从而保证任何时刻的资源分配图不出现环路问题：要求资源类型序号相对稳定,不便于添加新类型的设备易造成资源浪费,类型序号的安排只能考虑一般作业的情况,限制用户简单、自主地编程死锁避免：在资源的动态分配过程中,采用某种策略防止系统进入不安全状态,从而避免发生死锁，如果满足一个进程新提出的一项资源请求有可能导致死锁,那么拒绝分配资源给这个进程。不需要事先采取限制措施破坏产生