操作系統(tǒng)原理總結

1、1、 操作系統(tǒng)概論1、 計算機系統(tǒng)：可以按照用戶的要求接受和存儲信息，自動進行數(shù)據(jù)處理并輸出結果信息的系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)是計算機賴以工作的實體；軟件系統(tǒng)則是保障計算機系統(tǒng)按照用戶指定的要求協(xié)調(diào)工作。這兩部分構成了計算機系統(tǒng)的資源。因此計算機系統(tǒng)資源包括硬件資源和軟件資源。2、 操作系統(tǒng)：計算機中的一個系統(tǒng)軟件，它是這樣一些程序模塊的集合它們能有效的組織和管理計算機系統(tǒng)中的硬件及軟件資源，合理地組織計算機的工作流程，控制程序的執(zhí)行，并向用戶提供各種服務功能，使用戶能夠靈活、方便、有效的使用計算機，并使整個計算機系統(tǒng)高效的運行。3、 特征1） 并發(fā)性（若干個程序同時運

2、行）2） 共享性（資源共享）3） 隨機性4、 功能1） 進程管理A、 進程控制（創(chuàng)建、撤銷以及進程運行時各種狀態(tài)的轉換）B、 進程同步C、 進程間通信（相互協(xié)作的進程之間）D、 調(diào)度（進程、線程、作業(yè)）2） 存儲管理A、 內(nèi)存的分配與回收B、 存儲保護C、 內(nèi)存擴充3） 文件管理A、 文件存儲空間的管理B、 目錄管理C、 文件系統(tǒng)的安全性4） 設備管理5） 用戶接口 5、 分類1） 批處理操作系統(tǒng)2） 分時系統(tǒng)（彌補批處理方式不能向用戶提供交互式快速服務的缺點）3） 實時操作系統(tǒng)4） 嵌入式操作系統(tǒng)5） 個人計算機操作系統(tǒng)6） 網(wǎng)絡操作系統(tǒng)7） 分布式操作系統(tǒng)8） 智能卡操作系統(tǒng) 6、 結構1

3、） 整體式結構（模塊組合）2） 層次結構（將模塊排列成若干層，各層之間的模塊只能是單向依賴或單向調(diào)用）3） 微內(nèi)核（客戶機/服務器）結構（適用于網(wǎng)絡環(huán)境下分布式處理）客戶機進程和服務器進程之間的通信是采用發(fā)送消息進行的，這是因為每個進程屬于不同的虛擬地址空間，他們之間不能直接通信，必須通過內(nèi)核進行，而內(nèi)核則是被映射到每個進程的虛擬地址空間內(nèi)的，它可以操作所有進程?？蛻魴C進程發(fā)出消息，內(nèi)核將消息傳給服務進程。服務進程執(zhí)行相應的操作，其結果又通過內(nèi)核用發(fā)消息方式返回給客戶機進程，這就是客戶機/服務器的運行模式。2、 操作系統(tǒng)的運行機制1、 中央處理器（CPU）構成：運算器、控制器、一系列寄存器以及

4、高速緩存2、 特權指令和非特權指令（多用戶多任務的多道程序）：特權指令：指令系統(tǒng)中那些只能由操作系統(tǒng)使用的指令，這些特權指令不允許一般的用戶使用。 非特權指令：一般用戶使用的指令。3、 處理器的狀態(tài)1） 管態(tài)和目態(tài)處理器有時執(zhí)行用戶程序，有時執(zhí)行操作系統(tǒng)程序。在執(zhí)行不同的程序時，根據(jù)運行的程序對資源和機器指令的使用權限而將此時的處理器設置為不同的狀態(tài)。管態(tài)：一般指操作系統(tǒng)管理程序運行的狀態(tài)，具有較高的特權級別，又稱為特權態(tài)、系統(tǒng)態(tài)。目態(tài)：用戶程序運行的狀態(tài)，具有較低的特權級別，又稱為普通態(tài)，用戶態(tài)。2) CPU狀態(tài)的轉換（動態(tài)改變）A、 目態(tài)到管態(tài)：中斷或異常B、 管態(tài)到目態(tài)：設置PSW指令（

5、修改程序狀態(tài)字）系統(tǒng)啟動時，CPU初始狀態(tài)為管態(tài)，然后裝入操作系統(tǒng)程序，操作系統(tǒng)退出執(zhí)行時，讓用戶程序在目態(tài)執(zhí)行。4、 存儲體系1） 存儲器的層次結構（寄存器、高速緩存、內(nèi)存儲器、硬盤存儲器、光盤）A、 容量、速度和成本的匹配B、 存儲訪問局部性原理2） 存儲保護A、 界地址寄存器（界限寄存器） B、 存儲鍵5、 中斷與異常機制1） 中斷與異常的概念中斷是指CPU對系統(tǒng)中或系統(tǒng)外發(fā)生的異步事件的響應。中斷：當發(fā)生某個異步事件后，中斷了處理器對當前程序的執(zhí)行，而轉去處理異步事件。在該異步事件處理完之后，處理器再轉回源程序的中斷點繼續(xù)執(zhí)行。異常：中斷是由外部事件引發(fā)的，而異常則是由正在執(zhí)行的指令引

6、發(fā)的2） 分類中斷分類：A、 時鐘中斷B、 輸入輸出中斷C、 控制臺中斷D、 硬件故障中斷異常分類：A、 程序性中斷B、 訪管指令異常3） 中斷過程：接受和響應中斷、保護中斷現(xiàn)場、分析中斷向量、調(diào)用中 斷處理程序、中斷處理結束恢復現(xiàn)場、原有程序繼續(xù)執(zhí)行。4） 幾種典型中斷的處理5） 中斷優(yōu)先級與中斷屏蔽6、 系統(tǒng)調(diào)用1） 概念系統(tǒng)調(diào)用就是用戶在程序中調(diào)用操作系統(tǒng)所提供的一些子功能。這是一種特殊的過程調(diào)用，這種調(diào)用通常是由特殊的機器指令實現(xiàn)的。除了提供對操作系統(tǒng)子程序的調(diào)用外，這條指令還將系統(tǒng)轉入特權方式。系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給編程人員的唯一接口。2） 系統(tǒng)調(diào)用與一般過程調(diào)用的區(qū)別A、 運行在

7、不同的系統(tǒng)狀態(tài)B、 狀態(tài)的轉換C、 返回問題D、 嵌套調(diào)用3） 分類A、 進程控制類B、 文件操作類C、 進程通信類D、 設備管理類E、 信息維護類4） 處理過程A、 操作系統(tǒng)必須有事先編制好的實現(xiàn)這些功能的子程序或過程B、 類似于硬件中斷處理的中斷處理機構。當用戶使用操作系統(tǒng)調(diào)用時，產(chǎn)生一條相應的指令，處理機在執(zhí)行到該指令是發(fā)生相應的中斷，并發(fā)出有關的信號給處理機構C、在系統(tǒng)中控制系統(tǒng)調(diào)用服務的機構稱為陷入或異常處理機構。陷入處理程序把陷入指令中所包含的功能號與該入口地址表中的有關項對應起來，從而由系統(tǒng)調(diào)用功能號驅動有關子程序執(zhí)行。5） 用戶程序與系統(tǒng)程序之間的參數(shù)傳遞實現(xiàn)方法：A、 陷入指

8、令自帶參數(shù)B、 通用寄存器傳遞參數(shù)C、 堆棧區(qū)傳遞參數(shù)7、 I/O技術1） I/O結構：早期的計算機系統(tǒng)中，外部設備的控制器通過I/O硬件結構與中央處理器連接。對設備控制器的操作是由處理器直接發(fā)出的I/O指令來實現(xiàn)的。2） 通道：通道是獨立于中央處理器的，專門負責數(shù)據(jù)I/O傳輸工作的處理單元?，F(xiàn)代計算機系統(tǒng)的結構上，設備控制器通過通道連接在計算機系統(tǒng)的公共系統(tǒng)總線上。采用通道這種I/O結構優(yōu)點：實現(xiàn)中央處理器與各種外部設備的并行工作。操作系統(tǒng)可以讓多個程序同時執(zhí)行，并在同一時刻讓各個程序分別使用計算機系統(tǒng)的不同資源。3） DMA技術直接存儲器訪問（DMA）技術通過系統(tǒng)總線的一個獨立控制單元，即

9、DMA控制器，自動的控制成塊數(shù)據(jù)在內(nèi)存和I/O單元之間的傳送。當處理器需要讀寫一整塊數(shù)據(jù)的時候，它給DMA控制單元發(fā)送一條命令，在命令中通常包含I/O設備的編址、開始讀或寫的主存編址、需要傳送的數(shù)據(jù)長度、是否請求一次讀或寫等。處理器再給DMA控制單元發(fā)送完一條命令之后，就可以處理其他事情了。而DMA控制器將自動管理整塊數(shù)據(jù)的傳送。當傳送過程完成后，他會給處理器一個中斷。4） 緩沖技術緩沖技術是用在外部設備與其他硬件部件之間的一種數(shù)據(jù)暫存技術。它利用存儲器件在外部設備中設置了數(shù)據(jù)的一個存儲區(qū)域，稱為緩沖區(qū)。緩沖技術一般有兩種用途：一是用在外部設備與外部設備之間的通信上，而是用在外部設備與處理器之

10、間。采用緩沖技術的原因：CPU處理數(shù)據(jù)速度與設備傳輸數(shù)據(jù)速度不相匹配，需要用緩沖區(qū)緩解其間的速度矛盾。3、 進程模型1、 進程模型1) 概念進程可分為系統(tǒng)進程和用戶進程兩類。系統(tǒng)進程執(zhí)行操作系統(tǒng)程序，完成操作系統(tǒng)的某些功能。用戶進程運行用戶程序，直接為用戶服務。系統(tǒng)進程的優(yōu)先級通常高于一般用戶進程的優(yōu)先級。2） 進程與程序的聯(lián)系與區(qū)別聯(lián)系：程序是構成進程的組成部分之一，一個進程的運行目標是 執(zhí)行它所對應的程序。靜態(tài)角度看，進程是由程序、數(shù)據(jù) 和進程控制塊（PCB）三部分組成。區(qū)別：程序是靜態(tài)的，進程是動態(tài)的。 進程具有創(chuàng)建其他進程 的功能。被創(chuàng)建的進程成為子進程，創(chuàng)建者稱為父進程。3） 進程的

11、特性A、 并發(fā)性B、 動態(tài)性C、 獨立性D、 交往性E、 異步性2、 進程的狀態(tài)及其狀態(tài)轉換1） 三狀態(tài)進程模型A、 運行狀態(tài)：進程已獲得CPU，并在CPU上執(zhí)行的狀態(tài)，一個單CPU 系統(tǒng)最多只有一個進程處于運行態(tài)。B、 就緒狀態(tài)：一個進程已經(jīng)具有運行條件，但沒有獲得CPU而不能 運行所處的狀態(tài)，一旦CPU分配給它，該進程就可運 行。C、 等待狀態(tài)：也稱阻塞狀態(tài)或封鎖狀態(tài)。是指進程因等待某種事件 發(fā)生而暫時不能運行的狀態(tài)。三種狀態(tài)之間的轉換：就緒->運行 運行->就緒 運行->等待 等待->就緒 2） 五狀態(tài)進程模型A、 運行狀態(tài)B、 就緒狀態(tài)C、 阻塞狀態(tài)：由于進程等

12、待I/O操作或進程同步等條件而暫停運行 時處于阻塞狀態(tài)。D、 創(chuàng)建狀態(tài)：分配和建立進程控制塊表項、建立資源表格（如打開 文件表）并分配資源，加載程序并建立地址空間表。E、 結束狀態(tài)：進程已結束運行，回收除進程控制塊之外的其他資源。五狀態(tài)進程模型之間轉換：（1）創(chuàng)建進程：創(chuàng)建一個新進程，以運行一個程序。（2）提交：完成一個新進程的創(chuàng)建過程，新進程進入就緒狀態(tài)。（3）調(diào)度運行：從就緒進程表中選擇一個進程，進入運行狀態(tài)。（4）釋放：進程完成或失敗而終止進程運行，進入結束狀態(tài)。（5）超時：由于用完時間片或高優(yōu)先級進程就緒等原因導致進程暫停運行。（6）事件等待：進程要求的事件未出現(xiàn)而進入阻塞。（7）事件

13、出現(xiàn)：進程等待的事件出現(xiàn)。 3） 七狀態(tài)進程模型（區(qū)分進程地址位于內(nèi)存還是外存）A、 與五狀態(tài)進程模型相比，七狀態(tài)進程模型把原來的就緒狀態(tài)和阻 塞狀態(tài)進行了細分，增加了就緒掛起和阻塞掛起兩個狀態(tài)（1） 就緒：進程在內(nèi)存且可立即進入運行狀態(tài)（2） 阻塞：進程在內(nèi)存并等待某事件的出現(xiàn)（3） 阻塞掛起：進程在外存并等待某事件的出現(xiàn)（4） 就緒掛起：進程在外存，但只要進入內(nèi)存，即可運行掛起：把一個進程從內(nèi)存轉到外存激活：把一個進程從外存轉到內(nèi)存3、 進程控制塊1） 概念為便于系統(tǒng)控制和描述進程的活動過程，在操作系統(tǒng)核心中為進程定義了一個專門的數(shù)據(jù)結構，稱為進程控制塊（PCB）。2） PCB的內(nèi)容調(diào)度信

14、息：供進程調(diào)度時使用，描述了當前所處的狀況，它包含進程名、進程號、存儲信息、優(yōu)先級、當前狀態(tài)、資源清單、家族關系、消息隊列指針、進程隊列指針和當前打開文件等?，F(xiàn)場信息：只記錄那些可能會被其他進程改變的寄存器，如程序狀態(tài)寄存器、時鐘、界地址寄存器等，一旦中斷進程的運行，必須把中斷時刻的內(nèi)容記入PCB的現(xiàn)場信息。3） 進程的組成程序、進程控制塊和數(shù)據(jù)三部分組成。PCB是進程的“靈魂”，由于PCB中保存進程的地址信息，通過它可以得到進程程序的存儲位置，也可以找到整個進程。程序和數(shù)據(jù)是進程的“軀體”。4、 PCB的組織1） 線性方式2） 索引方式3） 鏈接方式5、 進程隊列1） 就緒隊列2） 等待隊列

15、3） 運行隊列6、 進程控制1） 概念進程控制：進程有一個從創(chuàng)建到消亡的生命周期，進程控制的作用就是對進程在整個生命周期的各種狀態(tài)之間進行有效的控制。進程控制通過原語實現(xiàn)。原語：通常由若干條指令所組成，用來實現(xiàn)某個特定的操作，通過一段不可分割的或不可中斷的程序實現(xiàn)其功能。原語的執(zhí)行必須連續(xù)，一旦開始執(zhí)行就不能間斷，直到執(zhí)行結束。原語是操作系統(tǒng)核心的一個組成部分，他必須在管態(tài)下執(zhí)行，并常駐內(nèi)存。2） 進程控制原語A、 創(chuàng)建原語：創(chuàng)建一個進程主要任務是創(chuàng)建進程控制塊PCB。具體 操作是先申請一空閑PCB區(qū)域，將有關信息填入PCB， 設置該進程為就緒態(tài)，最后把它插入就緒隊列。B、 撤銷原語：撤銷PC

16、BC、 阻塞原語：把進程從運行狀態(tài)轉換為阻塞狀態(tài)D、 喚醒原語：在等待隊列中找到該進程，置進程的當前狀態(tài)為就緒 態(tài)，然后將它從等待隊列撤出并插入到就緒隊列中排 隊，等待調(diào)度執(zhí)行。3） UNIX的fork（）函數(shù)使用在UNIX類操作系統(tǒng)中，父進程通過調(diào)用fork（）函數(shù)創(chuàng)建子進程。父進程與子進程的區(qū)別在于它們有不同的PID。fork()函數(shù)執(zhí)行的特點是：只被調(diào)用一次卻返回兩次：一次是在調(diào)用進程（父進程）中，一次是在新創(chuàng)建的子進程中。在父進程中，fork（）返回子進程的PID。在子進程中，fork（）返回0.因為子進程的PID總是非零的，通過返回值就可以區(qū)分程序是在父進程還是在子進程中執(zhí)行。4、

17、線程模型1、 概念線程產(chǎn)生原因：由于進程是一個資源擁有者，因而在進程創(chuàng)建、撤銷和切換過程中，系統(tǒng)必須為之付出較大時空開銷。正因如此，系統(tǒng)中所設置的進程數(shù)目不宜太多，進程切換頻率不宜過高。如果將作為調(diào)度和分派的基本單位不同時作為獨立分配資源的單位，使之輕裝運行；而對擁有資源的基本單位不頻繁的對之進行切換，正是在這種思想指導下產(chǎn)生線程。線程：線程是進程中的一個實體，是CPU調(diào)度和分派的基本單位。線程自己基本上不擁有系統(tǒng)資源，只擁有一點在運行中必不可少的資源，但它可與同屬一個進程的其它線程共享進程所擁有的全部資源。2、 屬性A、 每個線程有一個唯一標示符和一張線程描述表B、 不同的線程可以執(zhí)行相同的

18、程序C、 同一進程中的各個線程共享該進程的內(nèi)存地址空間D、 線程是處理器獨立調(diào)度單位，多個線程可并發(fā)執(zhí)行E、 一個線程被創(chuàng)建后便開始了它的生命周期，直到終止，線程在生 命周期內(nèi)會經(jīng)歷等待，就緒和運行等各種狀態(tài)轉變。3、 優(yōu)點A、 創(chuàng)建一個新線程花費時間少B、 兩個線程切換花費時間少C、 由于共享進程內(nèi)存和文件，線程之間通信無須調(diào)用內(nèi)核，故不需額外通信機制。D、 線程能獨立執(zhí)行，能充分利用和發(fā)揮處理器和外圍設備的并行工作能力。4、線程與進程比較1）調(diào)度：把線程作為調(diào)度和分派的基本單位，把進程作為資源擁有 的基本單位，從而使兩個屬性分開，線程能輕裝運行，顯 著的提高了系統(tǒng)的并發(fā)程度。2）并發(fā)性：在引入了線程的操作系統(tǒng)中，不僅進程之間可以并發(fā)執(zhí)行，而且在一個進程中的多個線程之間也可以并發(fā)執(zhí)行，因而使操作系統(tǒng)具有更好的并發(fā)性，能有效的使用系統(tǒng)資源和提高系統(tǒng)的吞吐量。3）擁有資源：進程都是擁有資源的一個獨立單位，線程不擁有系統(tǒng)資源，但它可以訪問隸屬進程的資源。4）系統(tǒng)開銷：