操作系統(tǒng)期末復(fù)習(xí)材料(操作系統(tǒng)-精髓與設(shè)計(jì)原理(第五版))

操作系統(tǒng)期末復(fù)習(xí)材料(操作系統(tǒng)-精髓與設(shè)計(jì)原理(第五版))操作系統(tǒng)期末復(fù)習(xí)材料(操作系統(tǒng)-精髓與設(shè)計(jì)原理(第五版))操作系統(tǒng)期末復(fù)習(xí)材料(操作系統(tǒng)-精髓與設(shè)計(jì)原理(第五版))資料僅供參考文件編號(hào)：2022年4月操作系統(tǒng)期末復(fù)習(xí)材料(操作系統(tǒng)-精髓與設(shè)計(jì)原理(第五版))版本號(hào)：A修改號(hào)：1頁(yè)次：1.0審核：批準(zhǔn):發(fā)布日期：第一章：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本組成I．處理器：控制計(jì)算機(jī)的操作，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理功能。當(dāng)只有一個(gè)處理器時(shí)，它通常指中央處理器（CPU）。II.主存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序。iii．輸入/輸出模塊：在計(jì)算機(jī)和外部環(huán)境之間移動(dòng)數(shù)據(jù)。iv．系統(tǒng)總線(xiàn)：為處理器、主存儲(chǔ)器和輸入輸出模塊提供通信的設(shè)施。什么是中斷？中斷是指計(jì)算機(jī)的處理機(jī)用來(lái)處理外來(lái)請(qǐng)求或內(nèi)部錯(cuò)誤的一種機(jī)制，該機(jī)制軟硬件結(jié)合，使得計(jì)算機(jī)的處理機(jī)能夠暫停當(dāng)前指令系列的執(zhí)行而轉(zhuǎn)向請(qǐng)求指令系列的執(zhí)行。將計(jì)算機(jī)的處理機(jī)正在執(zhí)行的指令系列稱(chēng)為當(dāng)前指令系列，當(dāng)前指令系列通常是用戶(hù)程序。將計(jì)算機(jī)為處理各類(lèi)突發(fā)（非預(yù)期）事件請(qǐng)求（I/O請(qǐng)求,時(shí)鐘請(qǐng)求，程序錯(cuò)誤，硬件錯(cuò)誤）而有待執(zhí)行的指令系列稱(chēng)為請(qǐng)求指令系列，通常稱(chēng)為中斷處理程序，是操作系統(tǒng)的一部分。請(qǐng)求指令系列執(zhí)行期間，可以被其它事件中斷（在允許多重中斷的情況下）。執(zhí)行請(qǐng)求指令系列完畢后，可以返回被暫停的原始指令系列，也可以不返回（在多道程序設(shè)計(jì)環(huán)境中）。中斷處理程序與社會(huì)事務(wù)中的應(yīng)急事件的預(yù)案類(lèi)似。進(jìn)程與程序的區(qū)別：進(jìn)程程序1.進(jìn)程是執(zhí)行中的程序，還涉及數(shù)據(jù)和上下文環(huán)境，因而有動(dòng)態(tài)性。1．程序具有穩(wěn)健性。2.一個(gè)進(jìn)程可包含多個(gè)程序段。2.一個(gè)程序可對(duì)應(yīng)多個(gè)進(jìn)程（不同時(shí)間，不同機(jī)器，不同數(shù)據(jù)，不同上下文）。3.進(jìn)程中的程序是指可執(zhí)行程序。3．廣泛意義下的程序可以是任何意義上的程序。4.進(jìn)程中的數(shù)據(jù)是“值”。4.程序中的數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是“型”，“名”，聯(lián)系。5.進(jìn)程中涉及上下文（基本性質(zhì)是與進(jìn)程本身以及資源有關(guān)的狀態(tài)信息）。5.程序不涉及上下文。6.進(jìn)程失去邏輯封閉性（原因是多個(gè)進(jìn)程間是異步，并發(fā)或并行的），需要一定的互斥機(jī)制才能保證邏輯封閉性。6.程序具有邏輯封閉性，輸入決定輸出。中斷處理中斷的發(fā)生激活了很多事情，包括處理器硬件中的事件及軟件中的事件。設(shè)備給處理器發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)。處理器在響應(yīng)中斷前結(jié)束指令系列的執(zhí)行。處理器對(duì)中斷進(jìn)行測(cè)定，確定存在未響應(yīng)的中斷，并給提交中斷的設(shè)備發(fā)送確認(rèn)信號(hào)，確認(rèn)信號(hào)允許該設(shè)備取消它的中斷信號(hào)。處理器需要把處理權(quán)轉(zhuǎn)移到中斷程序中去做準(zhǔn)備。首先，需要保存從中斷點(diǎn)恢復(fù)當(dāng)前程序所需要的信息，要求的最少信息包括程序狀態(tài)字（PSW）和保存在程序計(jì)數(shù)器中的下一條執(zhí)行的指令地址，它們被壓入系統(tǒng)控制棧中（參見(jiàn)附錄1B）。處理器把響應(yīng)此中斷的中斷處理器入口地址裝入程序的計(jì)數(shù)器中。在這一點(diǎn)，與被中斷程序相關(guān)的程序計(jì)數(shù)器和PSW被保存到系統(tǒng)棧中。此外，還有一些其他信息被當(dāng)作正在執(zhí)行程序的狀態(tài)的一部分。中斷處理器現(xiàn)在可以開(kāi)始處理中斷，其中包括檢查與I/O操作相關(guān)的信息或其他引起中斷的事件，還可能包括給I/O設(shè)備發(fā)送附加命令或應(yīng)答。當(dāng)中斷處理結(jié)束后，被保存的寄存器值從棧中釋放并恢復(fù)到寄存器中。最后的操作是從棧中恢復(fù)PSW和程序計(jì)數(shù)器的值，其結(jié)果是下一條要執(zhí)行的指令來(lái)自被中斷的程序。處理多重中斷的方法： 處理多重中斷有兩中方法：當(dāng)正在處理一個(gè)中斷時(shí)，禁止再發(fā)生中斷。禁止中斷的意思是處理器將對(duì)任何新的中斷請(qǐng)求信號(hào)不予理睬。定義中斷優(yōu)先級(jí)，允許高優(yōu)先級(jí)的中斷打斷優(yōu)先級(jí)低的中斷處理器的運(yùn)行。第二章：操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)通常提供的服務(wù)：程序開(kāi)發(fā)程序運(yùn)行I/O設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)文件訪(fǎng)問(wèn)控制系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)錯(cuò)誤檢測(cè)和響應(yīng)審計(jì)作為資源管理器的操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)與普通的計(jì)算機(jī)軟件作用相同，也就是說(shuō)，它由處理器執(zhí)行的一段程序或一組程序。操作系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)釋放可控制，而且必須以來(lái)處理器才能恢復(fù)。操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的五個(gè)主要理論成就進(jìn)程內(nèi)存管理信息保護(hù)和安全調(diào)度和資源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 進(jìn)程 進(jìn)程的概念是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。一個(gè)正在執(zhí)行的程序計(jì)算機(jī)中正在運(yùn)行的程序的一個(gè)實(shí)例可分配給處理器并由處理器執(zhí)行的一個(gè)實(shí)體由單一的順序的執(zhí)行線(xiàn)索、一個(gè)當(dāng)前狀態(tài)和一組相關(guān)的系統(tǒng)資源所描述的活動(dòng)單元計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的三條主線(xiàn)： 多道程序批處理操作、分時(shí)和實(shí)時(shí)事務(wù)系統(tǒng)，它們?cè)跁r(shí)間和同步中所產(chǎn)生的問(wèn)題推動(dòng)了進(jìn)程概念的發(fā)展。多道程序設(shè)計(jì)是為了讓處理器和I/O設(shè)備（包括存儲(chǔ)設(shè)備）同時(shí)保持忙狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)最大效率。其關(guān)鍵機(jī)制是，在響應(yīng)表示I/O事務(wù)結(jié)束的信號(hào)時(shí)，操作系統(tǒng)將對(duì)主存中駐留的不同程序進(jìn)行處理器切換。通用的分時(shí)。其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能及時(shí)響應(yīng)單個(gè)用戶(hù)的要求，但是由于成本原因，又要可以同時(shí)支持多個(gè)用戶(hù)。由于用戶(hù)反應(yīng)時(shí)間相對(duì)較慢，因此這兩個(gè)目標(biāo)是可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)時(shí)事務(wù)處理系統(tǒng)。在這種情況下，很多用戶(hù)都在對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢(xún)或修改，此時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是最終要的。進(jìn)程的組成：一段可執(zhí)行的程序程序所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)（變量、工作空間、緩沖區(qū)等）程序的執(zhí)行上下文最后一部分是根本。執(zhí)行上下文又稱(chēng)為進(jìn)程狀態(tài)，是操作系統(tǒng)用來(lái)管理和控制進(jìn)程所需的內(nèi)部數(shù)據(jù)。這種內(nèi)部信息是分開(kāi)的，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)信息不允許被進(jìn)程直接訪(fǎng)問(wèn)。上下文包括操作系統(tǒng)管理進(jìn)程以及處理器正確執(zhí)行進(jìn)程所需要的所有信息，包括處理器的內(nèi)容，如程序計(jì)數(shù)器和數(shù)據(jù)寄存器。他還包括操作系統(tǒng)使用的信息，如進(jìn)程優(yōu)先級(jí)以及進(jìn)程是否在等待特定I/O事件的完成。操作系統(tǒng)擔(dān)負(fù)的五個(gè)基本的存儲(chǔ)器管理責(zé)任:進(jìn)程隔離：操作系統(tǒng)必須保護(hù)獨(dú)立的進(jìn)程，防止互相干涉數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)空間。自動(dòng)分配和管理：程序應(yīng)該根據(jù)需要在存儲(chǔ)層間動(dòng)態(tài)地分配，分配對(duì)程序員來(lái)說(shuō)是透明的。支持模塊化程序設(shè)計(jì)：程序員應(yīng)該能夠定義程序模塊，并且動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建、銷(xiāo)毀模塊，改變模塊大小。保護(hù)和訪(fǎng)問(wèn)控制長(zhǎng)期存儲(chǔ)操作系統(tǒng)的幾種不同方法和設(shè)計(jì)要素：微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)多線(xiàn)程對(duì)稱(chēng)多處理分布式操作系統(tǒng)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)多線(xiàn)程 多線(xiàn)程技術(shù)是指把執(zhí)行一個(gè)應(yīng)用程序的進(jìn)程劃分程可以同時(shí)執(zhí)行的多個(gè)線(xiàn)程。線(xiàn)程和進(jìn)程的區(qū)別：線(xiàn)程： 可分派的工作單元。它包括處理器上下文（包括程序計(jì)數(shù)器和棧指針，）和棧中自己的數(shù)據(jù)區(qū)域（為允許子程序分支）。線(xiàn)程順序執(zhí)行，并且是可中斷的，這樣處理器就可以轉(zhuǎn)到另一線(xiàn)程。進(jìn)程： 一個(gè)或多個(gè)線(xiàn)程和相關(guān)系統(tǒng)資源（如包含相互據(jù)和代碼的存儲(chǔ)器空間、打開(kāi)的文件和設(shè)備）的集合。這緊密對(duì)應(yīng)于一個(gè)正在執(zhí)行的程序的概念。通過(guò)把一個(gè)應(yīng)用程序分解成多個(gè)線(xiàn)程，程序員可以在很大程度上控制應(yīng)用程序的模塊性和應(yīng)用程序相關(guān)事件的時(shí)間安排。對(duì)稱(chēng)多處理(SymmetricMultiProcessing,SMP)：對(duì)稱(chēng)多處理可定義為具有以下特征的一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：有多個(gè)處理器。這些處理器共享同一個(gè)主存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備，它們之間通過(guò)通信總線(xiàn)或其他內(nèi)部連接方案互相連接。所有處理器都可以執(zhí)行相同的功能（因此稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)）。對(duì)稱(chēng)多處理操作系統(tǒng)可以調(diào)度進(jìn)程或線(xiàn)程得到所有的處理器運(yùn)行。對(duì)稱(chēng)多處理器結(jié)構(gòu)比單處理器結(jié)構(gòu)具有更多的潛在優(yōu)勢(shì)。第三章進(jìn)程描述和控制在進(jìn)程執(zhí)行時(shí)，任意給定一個(gè)時(shí)間，進(jìn)程都可以唯一地表征為以下元素：標(biāo)識(shí)符：跟這個(gè)進(jìn)程相關(guān)的唯一標(biāo)識(shí)符，用來(lái)區(qū)別其他進(jìn)程。狀態(tài)：如果進(jìn)程正在執(zhí)行，那么進(jìn)程處于執(zhí)行態(tài)。優(yōu)先級(jí)：相對(duì)于其他進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。程序計(jì)數(shù)器：程序中即將被執(zhí)行的下一條指令的地址。內(nèi)存指針：包括程序代碼和進(jìn)程相關(guān)數(shù)據(jù)的指針，還有其他進(jìn)程共享內(nèi)存塊的指針。上下文數(shù)據(jù)：進(jìn)程執(zhí)行的處理器的寄存器中的數(shù)據(jù)。I/O狀態(tài)信息：包括顯示的I/O請(qǐng)求、分配給進(jìn)程的I/O設(shè)備（例如磁帶驅(qū)動(dòng)器）和被進(jìn)程使用的文件列表等。審計(jì)信息：可包括處理器時(shí)間總和、使用的時(shí)鐘數(shù)總和、時(shí)間限制、審計(jì)號(hào)等。導(dǎo)致進(jìn)程創(chuàng)建的原因：新的批處理作業(yè)：通常位于磁帶或磁盤(pán)中的批處理作業(yè)控制流被提供給操作系統(tǒng)。當(dāng)操作系統(tǒng)準(zhǔn)備接納新工作是，它將讀取下一個(gè)作業(yè)控制命令。交互登錄：終端用戶(hù)登錄到系統(tǒng)。操作系統(tǒng)因?yàn)樘峁┮豁?xiàng)服務(wù)而創(chuàng)建：操作系統(tǒng)可以創(chuàng)建也個(gè)進(jìn)程，代表用戶(hù)程序執(zhí)行一個(gè)功能，使用戶(hù)無(wú)需等待（如控制打印的任務(wù)）。由現(xiàn)有的進(jìn)程派生：基于模塊化的考慮，或者為了開(kāi)發(fā)并行性，用戶(hù)程序可以指示創(chuàng)建多個(gè)進(jìn)程。進(jìn)程派生 當(dāng)操作系統(tǒng)為另一個(gè)進(jìn)程的顯示請(qǐng)求創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程時(shí)，這個(gè)動(dòng)作稱(chēng)為進(jìn)程派生。 當(dāng)一個(gè)進(jìn)程派生另一個(gè)進(jìn)程時(shí)，前一個(gè)進(jìn)程稱(chēng)為父進(jìn)程，被派生的進(jìn)程稱(chēng)為子進(jìn)程。在典型情況下，相關(guān)進(jìn)程需要相互之間的通訊和合作。導(dǎo)致進(jìn)程終止的原因：正常完成：進(jìn)程自行執(zhí)行一個(gè)操作系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用，表示它已經(jīng)結(jié)束運(yùn)行超過(guò)時(shí)限：進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間超過(guò)規(guī)定的時(shí)限。無(wú)可用內(nèi)存：系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)需要的內(nèi)存空間越界：進(jìn)程試圖訪(fǎng)問(wèn)不允許訪(fǎng)問(wèn)的內(nèi)存單元。保護(hù)錯(cuò)誤：進(jìn)程試圖使用不允許使用的資源或文件，或者試圖以一種不正確的方式使用，如：往制度文件中寫(xiě)。算術(shù)錯(cuò)誤：進(jìn)程試圖進(jìn)行被禁止的計(jì)算，如除以零或者存儲(chǔ)大于硬件可以接納的數(shù)字時(shí)間超出：進(jìn)程等待某一事件發(fā)生的時(shí)間超過(guò)了規(guī)定的最大值。I/O失?。涸谳斎牖蜉敵銎陂g發(fā)生錯(cuò)誤，如找不到文件、在超出規(guī)定的最多努力次數(shù)后仍然讀寫(xiě)失敗。無(wú)效指令：進(jìn)程試圖執(zhí)行一個(gè)不存在的指令。特權(quán)指令：進(jìn)程試圖使用為操作系統(tǒng)保留的指令。數(shù)據(jù)誤用：錯(cuò)誤類(lèi)型或未初始化的一塊數(shù)據(jù)。操作員或操作系統(tǒng)干涉：由于某些原因，操作員或操作系統(tǒng)終止進(jìn)程（例如，如果存在死鎖）。父進(jìn)程終止：當(dāng)一個(gè)父進(jìn)程終止時(shí)，操作系統(tǒng)可自動(dòng)終止該進(jìn)程的所有后代進(jìn)程。父進(jìn)程請(qǐng)求：父進(jìn)程通常具有終止其任何后代進(jìn)程的權(quán)利。進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖掛起狀態(tài)進(jìn)程： 掛起狀態(tài)進(jìn)程的概念與不再主存中的進(jìn)程概念是等價(jià)的。 掛起狀態(tài)進(jìn)程的特點(diǎn)如下所示：進(jìn)程不能立即執(zhí)行。進(jìn)程可能是或不是正在等待一個(gè)事件。如果是，阻塞條件不依賴(lài)于掛起條件，阻塞事件的發(fā)生不會(huì)使進(jìn)程立即被執(zhí)行。為阻止進(jìn)程執(zhí)行，可以通過(guò)代理把這個(gè)進(jìn)程至于掛起狀態(tài)，代理可以是進(jìn)程自己，也可以是父進(jìn)程或操作系統(tǒng)。除非代理顯示地命令系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，否則進(jìn)程無(wú)法從這個(gè)狀態(tài)中轉(zhuǎn)移。進(jìn)程掛起的原因：交換：操作系統(tǒng)需要釋放足夠的主存空間，以調(diào)入并執(zhí)行處于就緒態(tài)的進(jìn)程。其他OS原因：操作系統(tǒng)可能掛起后臺(tái)進(jìn)程或工具程序進(jìn)程，或者被懷疑導(dǎo)致問(wèn)題的進(jìn)程。交互式用戶(hù)請(qǐng)求：用戶(hù)可能希望掛起一個(gè)程序的執(zhí)行，目的是為了調(diào)試或者與一個(gè)資源的使用進(jìn)行連接。定時(shí)：一個(gè)進(jìn)程可能會(huì)周期性地執(zhí)行（例如審計(jì)或系統(tǒng)監(jiān)視進(jìn)程），而且可能在等待下一個(gè)時(shí)間間隔時(shí)被掛起。父進(jìn)程請(qǐng)求：父進(jìn)程可能會(huì)希望掛起后代進(jìn)程的執(zhí)行，以檢查或修改掛起的進(jìn)程，或者協(xié)調(diào)不同后代進(jìn)程之間的行為。進(jìn)程控制塊PCB(ProcessControlBlock)：存放進(jìn)程的管理和控制信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱(chēng)為進(jìn)程控制塊。它是進(jìn)程管理和控制的最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一個(gè)進(jìn)程均有一個(gè)PCB，在創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)，建立PCB，伴隨進(jìn)程運(yùn)行的全過(guò)程，直到進(jìn)程撤消而撤消。在不同的操作系統(tǒng)中對(duì)進(jìn)程的控制和管理機(jī)制不同，PCB中的信息多少也不一樣，通常PCB應(yīng)包含如下一些信息。1、進(jìn)程標(biāo)識(shí)符name：每個(gè)進(jìn)程都必須有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，可以是字符串，也可以是一個(gè)數(shù)字。UNIX系統(tǒng)中就是一個(gè)整型數(shù)。在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)由系統(tǒng)賦予。2、進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)status：說(shuō)明進(jìn)程當(dāng)前所處的狀態(tài)。為了管理的方便，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)將相同的狀態(tài)的進(jìn)程組成一個(gè)隊(duì)列，如就緒進(jìn)程隊(duì)列，等待進(jìn)程則要根據(jù)等待的事件組成多個(gè)等待隊(duì)列，如等待打印機(jī)隊(duì)列、等待磁盤(pán)I/O完成隊(duì)列等等。3、進(jìn)程相應(yīng)的程序和數(shù)據(jù)地址，以便把PCB與其程序和數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)。4、進(jìn)程資源清單。列出所擁有的除CPU外的資源記錄，如擁有的I/O設(shè)備，打開(kāi)的文件列表等。5、進(jìn)程優(yōu)先級(jí)priority：進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)反映進(jìn)程的緊迫程序，通常由用戶(hù)指定和系統(tǒng)設(shè)置。UNIX系統(tǒng)采用用戶(hù)設(shè)置和系統(tǒng)計(jì)算相結(jié)合的方式確定進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。6、CPU現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)區(qū)cpustatus：當(dāng)進(jìn)程因某種原因不能繼續(xù)占用CPU時(shí)（等待打印機(jī)），釋放CPU，這時(shí)就要將CPU的各種狀態(tài)信息保護(hù)起來(lái)，為將來(lái)再次得到處理機(jī)恢復(fù)CPU的各種狀態(tài)，繼續(xù)運(yùn)行。7、進(jìn)程同步與通信機(jī)制用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間互斥、同步和通信所需的信號(hào)量等。8、進(jìn)程所在隊(duì)列PCB的鏈接字根據(jù)進(jìn)程所處的現(xiàn)行狀態(tài)，進(jìn)程相應(yīng)的PCB參加到不同隊(duì)列中。PCB鏈接字指出該進(jìn)程所在隊(duì)列中下一個(gè)進(jìn)程PCB的首地址。9、與進(jìn)程有關(guān)的其他信息。如進(jìn)程記賬信息，進(jìn)程占用CPU的時(shí)間等。進(jìn)程執(zhí)行模式： 非特權(quán)模式通常稱(chēng)為用戶(hù)模式，這是因?yàn)橛脩?hù)程序通常在該模式下運(yùn)行；特權(quán)模式可稱(chēng)為系統(tǒng)模式、控制模式或內(nèi)核模式，內(nèi)核模式指的是操作系統(tǒng)的內(nèi)核，這是操作系統(tǒng)中包含重要系統(tǒng)功能的部分。操作系統(tǒng)內(nèi)核的典型功能：進(jìn)程管理：進(jìn)程的創(chuàng)建和終止。進(jìn)程的調(diào)度和分配。進(jìn)程切換。進(jìn)程同步以及對(duì)進(jìn)程間通信的支持。進(jìn)程控制塊的管理。內(nèi)存管理：給進(jìn)程分配地址空間。交換。頁(yè)和段的管理。I/O管理：緩沖區(qū)管理。給進(jìn)程分配I/O通道和設(shè)備。支持功能：中斷處理審計(jì)監(jiān)視進(jìn)程的創(chuàng)建：給新進(jìn)程分配一個(gè)唯一的進(jìn)程標(biāo)識(shí)號(hào)。給進(jìn)程分配空間。初始化進(jìn)程控制塊。設(shè)置正確的連接。創(chuàng)建或擴(kuò)充其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。UNIX下進(jìn)程創(chuàng)建的方法：（摘自：/gnu/linux/fork.html）在UNIX系統(tǒng)中，用戶(hù)創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程的唯一方法就是調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用fork。調(diào)用fork的進(jìn)程稱(chēng)為父進(jìn)程，而新創(chuàng)建的進(jìn)程叫做子進(jìn)程。系統(tǒng)調(diào)用的語(yǔ)法格式： pid=fork();在從系統(tǒng)調(diào)用fork中返回時(shí)，兩個(gè)進(jìn)程除了返回值pid不同外，具有完全一樣的用戶(hù)級(jí)上下文。在子進(jìn)程中，pid的值為零。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)由核心內(nèi)部地創(chuàng)建的進(jìn)程0是唯一不通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用fork而創(chuàng)建的進(jìn)程。核心為系統(tǒng)調(diào)用fork完成下列操作：為新進(jìn)程在進(jìn)程表中分配一個(gè)空項(xiàng)。為子進(jìn)程賦一個(gè)唯一的進(jìn)程標(biāo)識(shí)號(hào)(PID)。做一個(gè)父進(jìn)程上下文的邏輯副本。由于進(jìn)程的某些部分，如正文區(qū)，可能被幾個(gè)進(jìn)程所共享，所以核心有時(shí)只要增加某個(gè)區(qū)的引用數(shù)即可，而不是真的將該區(qū)拷貝到一個(gè)新的內(nèi)存物理區(qū)。增加與該進(jìn)程相關(guān)聯(lián)的文件表和索引節(jié)點(diǎn)表的引用數(shù)。對(duì)父進(jìn)程返回子進(jìn)程的進(jìn)程號(hào)，對(duì)子進(jìn)程返回零。理解系統(tǒng)調(diào)用fork的實(shí)現(xiàn)是十分重要的，因?yàn)樽舆M(jìn)程就象從天而降一樣地開(kāi)始它的執(zhí)行序列。下面是系統(tǒng)調(diào)用fork的算法。核心首先確信有足夠的資源來(lái)成功完成fork。如果資源不滿(mǎn)足要求，則系統(tǒng)調(diào)用fork失敗。如果資源滿(mǎn)足要求，核心在進(jìn)程表中找一個(gè)空項(xiàng)，并開(kāi)始構(gòu)造子進(jìn)程的上下文。算法：fork輸入：無(wú)輸出：對(duì)父進(jìn)程是子進(jìn)程的PID 對(duì)子進(jìn)程是0{ 檢查可用的核心資源 取一個(gè)空閑的進(jìn)程表項(xiàng)和唯一的PID號(hào) 檢查用戶(hù)沒(méi)有過(guò)多的運(yùn)行進(jìn)程 將子進(jìn)程的狀態(tài)設(shè)置為“創(chuàng)建”狀態(tài) 將父進(jìn)程的進(jìn)程表中的數(shù)據(jù)拷貝到子進(jìn)程表中 當(dāng)前目錄的索引節(jié)點(diǎn)和改變的根目錄(如果可以)的引用數(shù)加1 文件表中的打開(kāi)文件的引用數(shù)加1 在內(nèi)存中作父進(jìn)程上下文的拷貝 在子進(jìn)程的系統(tǒng)級(jí)上下文中壓入虛設(shè)系統(tǒng)級(jí)上下文層 /*虛設(shè)上下文層中含有使子進(jìn)程能 *識(shí)別自己的數(shù)據(jù)，并使子進(jìn)程被調(diào)度時(shí) *從這里開(kāi)始運(yùn)行 */ if(正在執(zhí)行的進(jìn)程是父進(jìn)程){ 將子進(jìn)程的狀態(tài)設(shè)置為“就緒”狀態(tài) return(子進(jìn)程的PID) //從系統(tǒng)到用戶(hù) } else{ 初始化計(jì)時(shí)區(qū) return0; }}我們來(lái)看看下面的例子。該程序說(shuō)明的是經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)用fork之后，對(duì)文件的共享存取。用戶(hù)調(diào)用該程序時(shí)應(yīng)有兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是已經(jīng)有的文件名，另外一個(gè)是要?jiǎng)?chuàng)建的新文件名。該進(jìn)程打開(kāi)已有的文件，創(chuàng)建一個(gè)新文件，然后，假定沒(méi)有遇見(jiàn)過(guò)錯(cuò)誤，它調(diào)用fork來(lái)創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程。子進(jìn)程可以通過(guò)使用相同的文件描述符而繼承地存取父進(jìn)程的文件(即父進(jìn)程已經(jīng)打開(kāi)和創(chuàng)建的文件)。當(dāng)然，父進(jìn)程和子進(jìn)程要分別獨(dú)立地調(diào)用rdwrt函數(shù)，并執(zhí)行一個(gè)循環(huán)，即從源文件中讀一個(gè)字節(jié)，然后寫(xiě)一個(gè)字節(jié)到目標(biāo)文件中區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用read遇見(jiàn)文件尾時(shí)，函數(shù)rdwrt立即返回。#include<fcntl.h>int fdrd,fdwt;char c;main(intargc,char*argv[]){ if(argc!=3){ exit(1); } if((fdrd=open(argv[1],O_RDONLY))==-1){ exit(1); } if((fdwt=creat(argv[2],0666))==-1){ exit(1); } fork(); //兩個(gè)進(jìn)程執(zhí)行同樣的代碼 rdwrt(); exit(0);}rdwrt(){ for(;;){ if(read(fdrd,&c,1)!=1){ return; } write(fdwt,&c,1); }}在這個(gè)例子中，兩個(gè)進(jìn)程的文件描述符都指向相同的文件表項(xiàng)。這兩個(gè)進(jìn)程永遠(yuǎn)不會(huì)讀或?qū)懙较嗤奈募屏?，因?yàn)楹诵脑诿看蝦ead和write調(diào)用之后，都要增加文件的偏移量。盡管兩個(gè)進(jìn)程似乎是將源文件拷貝了兩次，但因?yàn)樗麄兎謸?dān)了工作任務(wù)，因此，目標(biāo)文件的內(nèi)容依賴(lài)于核心調(diào)度兩個(gè)進(jìn)程的次序。如果核心這樣調(diào)度兩個(gè)進(jìn)程：使他們交替地執(zhí)行他們的系統(tǒng)調(diào)用，或甚至使他們交替地執(zhí)行每對(duì)read和write調(diào)用，則目標(biāo)文件的內(nèi)容和源文件的內(nèi)容完全一致。但考慮這樣的情況：兩個(gè)進(jìn)程正要讀源文件中的兩個(gè)連續(xù)的字符"ab"。假定父進(jìn)程讀了字符"a"，這時(shí)，核心在父進(jìn)程寫(xiě)之前，做了上下文切換來(lái)執(zhí)行子進(jìn)程。如果子進(jìn)程讀到字符"b"，并在父進(jìn)程被調(diào)度前，將它寫(xiě)到目標(biāo)文件，那么目標(biāo)文件將不再含有字符串"ab"，而是含有"ba"了。核心并不保證進(jìn)程執(zhí)行的相對(duì)速率。再來(lái)看看另外一個(gè)例子：#include<string.h>char string[]="Hello,world";main(){ int count,i; int to_par[2],to_chil[2]; //到父、子進(jìn)程的管道 char buf[256]; pipe(to_par); pipe(to_chil); if(fork()==0){ //子進(jìn)程在此執(zhí)行 close(0); //關(guān)閉老的標(biāo)準(zhǔn)輸入 dup(to_child[0]); //將管道的讀復(fù)制到標(biāo)準(zhǔn)輸入 close(1); //關(guān)閉老的標(biāo)準(zhǔn)輸出 dup(to_par[1]); //將管道的寫(xiě)復(fù)制到標(biāo)準(zhǔn)輸出 close(to_par[1]); //關(guān)閉不必要的管道描述符 close(to_chil[0]); close(to_par[0]); close(to_chil[1]); for(;;){ if((count=read(0,buf,sizeof(buf))==0) exit(); write(1,buf,count); } } //父進(jìn)程在此執(zhí)行 close(1); //重新設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)輸入、輸出 dup(to_chil[1]); close(0); dup(to_par[0]); close(to_chil[1]); close(to_par[0]); close(to_chil[0]); close(to_par[1]); for(i=0;i<15;i++){ write(1,string,strlen(string)); read(0,buf,sizeof(buf)); }}子進(jìn)程從父進(jìn)程繼承了文件描述符0和1(標(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出)。兩次執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用pipe分別在數(shù)組to_par和to_chil中分配了兩個(gè)文件描述符。然后該進(jìn)程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用fork，并復(fù)制進(jìn)程上下文：象前一個(gè)例子一樣，每個(gè)進(jìn)程存取自己的私有數(shù)據(jù)。父進(jìn)程關(guān)閉他的標(biāo)準(zhǔn)輸出文件(文件描述符1)，并復(fù)制(dup)從管道線(xiàn)to_chil返回的寫(xiě)文件描述符。因?yàn)樵诟高M(jìn)程文件描述符表中的第一個(gè)空槽是剛剛由關(guān)閉騰出來(lái)的，所以核心將管道線(xiàn)寫(xiě)文件描述符復(fù)制到了文件描述符表中的第一項(xiàng)中，這樣，標(biāo)準(zhǔn)輸出文件描述符變成了管道線(xiàn)to_chil的寫(xiě)文件描述符。父進(jìn)程以類(lèi)似的操作將標(biāo)準(zhǔn)輸入文件描述符替換為管道線(xiàn)to_par的讀文件描述符。與此類(lèi)似，子進(jìn)程關(guān)閉他的標(biāo)準(zhǔn)輸入文件(文件描述符0)，然后復(fù)制(dup)管道線(xiàn)to_chil的讀文件描述符。由于文件描述符表的第一個(gè)空項(xiàng)是原先的標(biāo)準(zhǔn)輸入項(xiàng)，所以子進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸入變成了管道線(xiàn)to_chil的讀文件描述符。子進(jìn)程做一組類(lèi)似的操作使他的標(biāo)準(zhǔn)輸出變成管道線(xiàn)to_par的寫(xiě)文件描述符。然后兩個(gè)進(jìn)程關(guān)閉從pipe返回的文件描述符。上述操作的結(jié)果是：當(dāng)父進(jìn)程向標(biāo)準(zhǔn)輸出寫(xiě)東西的時(shí)候，他實(shí)際上是寫(xiě)向to_chil--向子進(jìn)程發(fā)送數(shù)據(jù)，而子進(jìn)程則從他的標(biāo)準(zhǔn)輸入讀管道線(xiàn)。當(dāng)子進(jìn)程向他的標(biāo)準(zhǔn)輸出寫(xiě)的時(shí)候，他實(shí)際上是寫(xiě)入to_par--向父進(jìn)程發(fā)送數(shù)據(jù)，而父進(jìn)程則從他的標(biāo)準(zhǔn)輸入接收來(lái)自管道線(xiàn)的數(shù)據(jù)。兩個(gè)進(jìn)程通過(guò)兩條管道線(xiàn)交換消息。無(wú)論兩個(gè)進(jìn)程執(zhí)行的順序如何，這個(gè)程序執(zhí)行的結(jié)果是不變的。他們可能去執(zhí)行睡眠和喚醒來(lái)等待對(duì)方。父進(jìn)程在15次循環(huán)后退出。然后子進(jìn)程因管道線(xiàn)沒(méi)有寫(xiě)進(jìn)程而讀到“文件尾”標(biāo)志，并退出。進(jìn)程的切換： 進(jìn)程切換的功能是很簡(jiǎn)單的。在某一時(shí)刻，一個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程被中斷，操作系統(tǒng)制定另一個(gè)進(jìn)程為運(yùn)行態(tài)，并把控制權(quán)交給這個(gè)進(jìn)程。進(jìn)程切換的步驟：保存處理器上下文，包括程序計(jì)數(shù)器和其他寄存器。更新當(dāng)前處于運(yùn)行太的進(jìn)程的進(jìn)程控制塊，包括進(jìn)程狀態(tài)改變?yōu)榱硪粻顟B(tài)（就緒態(tài)、阻塞太、就緒/掛起態(tài)或退出態(tài)）。還必須更新其他相關(guān)域，包括離開(kāi)運(yùn)行態(tài)的原因和審計(jì)信息。把進(jìn)程的進(jìn)程控制塊移到相應(yīng)的隊(duì)列（就緒、在事件i處阻塞、就緒/掛起）。選擇另一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行。更新所選擇進(jìn)程的進(jìn)程控制塊，包括把進(jìn)程的狀態(tài)變?yōu)檫\(yùn)行態(tài)。更新內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這取決于如何管理地址轉(zhuǎn)換?；謴?fù)處理器在被選擇的進(jìn)程的最后一次切換出運(yùn)行態(tài)時(shí)的上下文，這可以通過(guò)載入程序設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和其他寄存器以前的值來(lái)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)程切換涉及到狀態(tài)變化，比模式切換需要做更多的工作，顯然，模式切換與進(jìn)程切換是不同的。發(fā)生模式切換可以不改變正處于運(yùn)行態(tài)的進(jìn)程狀態(tài)，在這種情況ixa，保存上下文和以后恢復(fù)上下文只需要很少的開(kāi)銷(xiāo)。但是如果當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程被切換到另一個(gè)狀態(tài)（就緒、阻塞等），則操作系統(tǒng)必須使其環(huán)境產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的變化。UNIX進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：進(jìn)程控制： UNIX中的進(jìn)程創(chuàng)建是通過(guò)內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用fork()實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程產(chǎn)生一個(gè)fork()請(qǐng)求時(shí)，操作系統(tǒng)執(zhí)行以下功能[BACH86]:為新進(jìn)程表中分配一個(gè)空項(xiàng)。為子進(jìn)程賦一個(gè)唯一的進(jìn)程標(biāo)識(shí)號(hào)。為一個(gè)父進(jìn)程上下文的邏輯副本，不包括共享內(nèi)存區(qū)。添加父進(jìn)程擁有的所有文件的計(jì)數(shù)器，以表示有一個(gè)另外的進(jìn)程現(xiàn)在也擁有這些文件。把子進(jìn)程置為就緒態(tài)。向父進(jìn)程返回子進(jìn)程的進(jìn)程號(hào)；對(duì)子進(jìn)程返回零。 當(dāng)父進(jìn)程的內(nèi)核模式下完成以上操作后，會(huì)繼續(xù)下面三種操作之一：在父進(jìn)程中繼續(xù)執(zhí)行?？刂品祷赜脩?hù)模式下父進(jìn)程進(jìn)行fork調(diào)用處。處理器控制權(quán)轉(zhuǎn)交給子進(jìn)程。子進(jìn)程開(kāi)始執(zhí)行代碼，執(zhí)行點(diǎn)與父進(jìn)程相同，也就是說(shuō)在fork調(diào)用的返回處?？刂茩?quán)轉(zhuǎn)交給另一個(gè)進(jìn)程。父進(jìn)程和子進(jìn)程都置于就緒態(tài)。第四章 線(xiàn)程、對(duì)稱(chēng)多處理和微內(nèi)核多線(xiàn)程： 多線(xiàn)程是指操作系統(tǒng)支持在一個(gè)進(jìn)程中執(zhí)行多個(gè)線(xiàn)程的能力，每個(gè)進(jìn)程中只有一個(gè)線(xiàn)程在執(zhí)行的傳統(tǒng)方法（還沒(méi)有明確線(xiàn)程的概念）稱(chēng)為單線(xiàn)程方法。 資源只能分配給進(jìn)程（進(jìn)程調(diào)用資源），而一個(gè)進(jìn)程可以有一個(gè)或者多個(gè)線(xiàn)程。在一個(gè)進(jìn)程中的每個(gè)線(xiàn)程有：線(xiàn)程執(zhí)行狀態(tài)（運(yùn)行，就緒）在未運(yùn)行時(shí)保存的線(xiàn)程上下文；可以把線(xiàn)程看做進(jìn)程中的一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器在操作。一個(gè)執(zhí)行的棧。用于每個(gè)線(xiàn)程局部變量靜態(tài)存儲(chǔ)空間。對(duì)所屬進(jìn)程的內(nèi)存和資源的訪(fǎng)問(wèn)，并與該進(jìn)程中的其它線(xiàn)程共享這些資源。在多線(xiàn)程環(huán)境中，仍然有與進(jìn)程相關(guān)聯(lián)的進(jìn)程控制塊和用戶(hù)地址空間，但是每個(gè)線(xiàn)程都有一個(gè)獨(dú)立的棧，還有獨(dú)立的控制塊用于包含寄存器值、優(yōu)先級(jí)和其他與線(xiàn)程相關(guān)的狀態(tài)信息。線(xiàn)程的重要優(yōu)點(diǎn)：在一個(gè)已有的進(jìn)程中創(chuàng)建一個(gè)新線(xiàn)程比創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程所需的時(shí)間要少許多。終止一個(gè)線(xiàn)程比終止一個(gè)進(jìn)程花費(fèi)的時(shí)間少。同一進(jìn)程內(nèi)線(xiàn)程間切換比進(jìn)程間切換花費(fèi)的時(shí)間少。線(xiàn)程提高了不同的執(zhí)行程序間通訊效率。在大多數(shù)操作系統(tǒng)中，獨(dú)立進(jìn)程間的通信需要內(nèi)核的介入，以提供保護(hù)和通信所需要的機(jī)制。但是由于在同一個(gè)進(jìn)程中的線(xiàn)程共享內(nèi)存和文件，他們無(wú)需調(diào)用內(nèi)核就可以互相通信。在支持線(xiàn)程的操作系統(tǒng)中，調(diào)度和分派是在線(xiàn)程基礎(chǔ)上完成的；因此大多數(shù)與執(zhí)行相關(guān)的信息可以保存在線(xiàn)程級(jí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。但是，有些活動(dòng)影響著進(jìn)程中的所有線(xiàn)程，操作系統(tǒng)必須在進(jìn)程一級(jí)對(duì)他們進(jìn)行管理。掛起涉及到把一個(gè)進(jìn)程的地址空間換出主存并為其他進(jìn)程的地址空間騰出位置。因?yàn)橐粋€(gè)進(jìn)程中的所有線(xiàn)程共享同一個(gè)地址空間，所以他們都會(huì)同時(shí)被掛起。類(lèi)似的，進(jìn)程終止也會(huì)導(dǎo)致其中的線(xiàn)程的終止。線(xiàn)程同步： 一個(gè)進(jìn)程中所有線(xiàn)程共享同一個(gè)地址空間和諸如打開(kāi)的文件之類(lèi)的其他資源。一個(gè)線(xiàn)程對(duì)資源的任何修改都會(huì)影響同一個(gè)進(jìn)程中其他線(xiàn)程的環(huán)境。因此需要同步各種線(xiàn)程的活動(dòng)，以便他們互不干涉且不破壞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。線(xiàn)程同步的方法主要有互斥鎖和信號(hào)量:1．互斥鎖方法：互斥鎖是一種簡(jiǎn)單的加鎖方法來(lái)控制對(duì)共享資源的存取。它只有兩種狀態(tài)：上鎖和解鎖。在同一時(shí)刻只能有一個(gè)線(xiàn)程掌握某個(gè)已經(jīng)上鎖的互斥鎖，擁有上鎖狀態(tài)的線(xiàn)程能夠?qū)蚕碣Y源進(jìn)行操作。若其他的線(xiàn)程希望上鎖一個(gè)已經(jīng)上鎖了的互斥鎖，則該線(xiàn)程會(huì)被掛起，直到上鎖的線(xiàn)程釋放互斥鎖為止。2．信號(hào)量方法：信號(hào)量本質(zhì)上是一個(gè)非負(fù)的整數(shù)計(jì)數(shù)器，它可以用來(lái)控制對(duì)公共資源的訪(fǎng)問(wèn)，如果信號(hào)量的值大于0，則表示資源可用，否則表示資源不可用。信號(hào)量可以用于進(jìn)程或者線(xiàn)程之間的同步和互斥兩種情況。如果用于互斥，一般只需要設(shè)置一個(gè)公共信號(hào)量sem。如果用于同步，一般需要設(shè)置多個(gè)公共/私有信號(hào)量，并安排不同的初始值來(lái)實(shí)現(xiàn)他們之間的順序執(zhí)行。用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程： 在一個(gè)純粹的用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程中，有關(guān)線(xiàn)程管理的所有工作都由應(yīng)用程序完成，內(nèi)核沒(méi)有意識(shí)到有線(xiàn)程的存在。使用用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程代替內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程的優(yōu)點(diǎn)：由于所有線(xiàn)程管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都在一個(gè)進(jìn)程的用戶(hù)地址空間中，線(xiàn)程切換不需要內(nèi)核模式特權(quán)，因此，進(jìn)程不需要為了線(xiàn)程管理而切換到內(nèi)核模式，者節(jié)省了在者兩種模式間進(jìn)行切換（從用戶(hù)模式到內(nèi)核模式；從內(nèi)核模式返回到用戶(hù)模式）的開(kāi)銷(xiāo)；調(diào)用可以是應(yīng)用程序裝用的。一個(gè)應(yīng)用程序可能傾向于簡(jiǎn)單的輪詢(xún)調(diào)度算法，而另一個(gè)一個(gè)用程序可能傾向于基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度算法。調(diào)度算法可以去適應(yīng)應(yīng)用程序，而不會(huì)擾亂底層操作系統(tǒng)的調(diào)度器；用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程可以在任何操作系統(tǒng)中運(yùn)行，不需要對(duì)底層內(nèi)核進(jìn)行修改以支持用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程。線(xiàn)程庫(kù)是一組供所有應(yīng)用程序共享的應(yīng)用級(jí)軟件包。用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程相對(duì)于內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程的兩個(gè)明顯缺點(diǎn)：在典型的操作系統(tǒng)中，許多系統(tǒng)調(diào)用都會(huì)引起阻塞。因此，當(dāng)用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程執(zhí)行一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，不僅這個(gè)線(xiàn)程會(huì)被阻塞，進(jìn)程中的所有線(xiàn)程都會(huì)被阻塞；在純粹的用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程策略中，一個(gè)多線(xiàn)程應(yīng)用程序不能利用多處理技術(shù)。內(nèi)核一次只能一個(gè)進(jìn)程分配給一個(gè)處理器，因此一次進(jìn)程中只有一個(gè)線(xiàn)程可以執(zhí)行。實(shí)際上，在一個(gè)進(jìn)程內(nèi)有應(yīng)用級(jí)的多道程序。雖然多道程序會(huì)使得應(yīng)用程序的速度明顯提高，但是同時(shí)執(zhí)行部分代碼更會(huì)使得應(yīng)用程序受益。內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程： 在一個(gè)純粹的內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程軟件中，有關(guān)線(xiàn)程管理的所有工作都是由內(nèi)核完成的，應(yīng)用程序部分沒(méi)有進(jìn)行線(xiàn)程管理的代碼，只有一個(gè)到內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程實(shí)施的應(yīng)用程序編程接口（API）。使用內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程的優(yōu)點(diǎn)（克服了用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程方法的兩個(gè)基本缺陷）：內(nèi)核可以同時(shí)把同一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線(xiàn)程調(diào)度到多個(gè)處理器中；如果進(jìn)程中的一個(gè)線(xiàn)程被阻塞，內(nèi)核可以調(diào)度同一個(gè)進(jìn)程中的另一個(gè)線(xiàn)程。內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)核例程自身也可以使用多線(xiàn)程。相對(duì)與用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程，內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程方法的的主要缺點(diǎn)：同一個(gè)進(jìn)程在把控制從一個(gè)線(xiàn)程時(shí)傳送到另一個(gè)線(xiàn)程時(shí)需要到內(nèi)核的模式切換。 因此，從表面上看，雖然使用內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程多線(xiàn)程技術(shù)會(huì)比使用單線(xiàn)程的進(jìn)程有明顯的速度上提高，但是使用用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程比內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程又有額外的提高。不過(guò)這個(gè)額外的提高是否真的能夠?qū)崿F(xiàn)則要取決與應(yīng)用程序的性質(zhì)。 如果應(yīng)用程序中的大多書(shū)線(xiàn)程切換都需要內(nèi)核模式的訪(fǎng)問(wèn)，那么基于用戶(hù)級(jí)線(xiàn)程的方案不會(huì)比基于內(nèi)核級(jí)線(xiàn)程的方案好多少。第五章 并發(fā)性：互斥和同步操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心問(wèn)題是關(guān)于進(jìn)程和線(xiàn)程的管理：多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)：管理但處理器系統(tǒng)中的多個(gè)進(jìn)程；多處理技術(shù)：管理多處理器系統(tǒng)中的多個(gè)進(jìn)程；分布式處理技術(shù)：管理多臺(tái)分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中多個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行。并發(fā)是所有問(wèn)題的基礎(chǔ)，也是操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。其產(chǎn)生的問(wèn)題不僅會(huì)出現(xiàn)在多處理環(huán)境和分布式處理環(huán)境中，也會(huì)出現(xiàn)在單處理器的多道程序設(shè)計(jì)中。并發(fā)包括的設(shè)計(jì)問(wèn)題：進(jìn)程間通訊資源共享與競(jìng)爭(zhēng)多個(gè)進(jìn)程活動(dòng)的同步以及分配給進(jìn)程的處理器時(shí)間。并發(fā)出現(xiàn)的上下文：多個(gè)應(yīng)用程序：多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)允許在多個(gè)活動(dòng)的應(yīng)用程序間動(dòng)態(tài)共享處理時(shí)間。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)：作為模塊化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的擴(kuò)展，一些應(yīng)用程序可以有效地設(shè)計(jì)成一組并發(fā)進(jìn)程；操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：同樣的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)有點(diǎn)可以用于系統(tǒng)程序員，且我們已經(jīng)知道操作系統(tǒng)滋生常常作為一組進(jìn)程或線(xiàn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。和并發(fā)相關(guān)的關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)：臨界區(qū)：是一段代碼，在這段代碼中進(jìn)程將訪(fǎng)問(wèn)共享資源，當(dāng)另一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)在這段代碼中運(yùn)行時(shí)，這個(gè)進(jìn)程就不能在這段代碼中執(zhí)行。死鎖： 兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程因?yàn)槠渲械拿總€(gè)進(jìn)程都在等待其他進(jìn)程昨完某些事情而不能繼續(xù)執(zhí)行，這樣的情形叫死鎖。活鎖： 連個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程為了響應(yīng)其他進(jìn)程中的變化而繼續(xù)改變自己的狀態(tài)但不做有用的工作，這樣的情形叫做活鎖?；コ猓?當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在臨界區(qū)訪(fǎng)問(wèn)共享資源時(shí)，其他進(jìn)程不能進(jìn)入該臨界區(qū)訪(fǎng)問(wèn)任何共享資源，這種情形叫互斥。競(jìng)爭(zhēng)條件： 多個(gè)線(xiàn)程或者進(jìn)程在讀寫(xiě)一個(gè)共享數(shù)據(jù)時(shí)結(jié)果依賴(lài)于他們執(zhí)行的相對(duì)時(shí)間，這種情形叫做競(jìng)爭(zhēng)條件。饑餓： 是指一個(gè)可運(yùn)行的進(jìn)程盡管能繼續(xù)執(zhí)行，但被調(diào)度器無(wú)限期地忽視，而不能被調(diào)度執(zhí)行的情況。互斥的要求： 為了提供對(duì)互斥的支持，必須滿(mǎn)足一下要求：必須強(qiáng)制實(shí)施互斥：在具有關(guān)于相同資源或共享對(duì)象的臨界區(qū)的所有進(jìn)程中，一次只允許一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)。一個(gè)在非臨界區(qū)停止的進(jìn)程必須不干涉其他的進(jìn)程。決不允許出現(xiàn)一個(gè)需要訪(fǎng)問(wèn)臨界區(qū)的進(jìn)程被無(wú)限延時(shí)的情況，即不會(huì)出現(xiàn)死鎖和饑餓。當(dāng)沒(méi)有進(jìn)程在臨界區(qū)中時(shí)，任何需要進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程必須能夠立即進(jìn)入。當(dāng)相關(guān)進(jìn)程的速度和處理器的數(shù)目沒(méi)有任何要求和限制。一個(gè)進(jìn)程駐留在臨界區(qū)中的時(shí)間必須是有限的。生產(chǎn)者消費(fèi)者： 有一個(gè)或多個(gè)生產(chǎn)者產(chǎn)生某種類(lèi)型的數(shù)據(jù)（記錄，字符），并放置在緩沖區(qū)中；有一個(gè)消費(fèi)者從緩沖區(qū)中取數(shù)據(jù)，每次取一項(xiàng)；系統(tǒng)保證避免對(duì)緩沖區(qū)的重復(fù)操作，也就是說(shuō)，在任何時(shí)候只有一個(gè)代理（生產(chǎn)者或消費(fèi)者）可以訪(fǎng)問(wèn)緩沖區(qū)。讀者寫(xiě)者問(wèn)題： 有一個(gè)許多進(jìn)程共享的數(shù)據(jù)區(qū)，這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)的進(jìn)程（reader）和一些只往數(shù)據(jù)區(qū)中寫(xiě)數(shù)據(jù)的進(jìn)程（writer）；此外還需要如下條件：任意多的讀進(jìn)程可以同時(shí)讀這個(gè)文件；一次只有一個(gè)進(jìn)程可以往文件中寫(xiě)；如果一個(gè)寫(xiě)進(jìn)程正在往文件中寫(xiě)時(shí)，則禁止任何進(jìn)程讀文件；生產(chǎn)者-消費(fèi)者&&讀者-寫(xiě)者讀者-寫(xiě)者生產(chǎn)者-消費(fèi)者一次可以有多個(gè)讀者同時(shí)讀取只有一個(gè)消費(fèi)者去消費(fèi)一次只允許一個(gè)寫(xiě)者進(jìn)行寫(xiě)可以有多個(gè)生產(chǎn)者第六章 并發(fā)性：死鎖和饑餓第七章 內(nèi)存管理內(nèi)存管理的五點(diǎn)需求：

重定位保護(hù)共享邏輯組織物理組織內(nèi)存管理技術(shù)：（具體見(jiàn)課本P221表7.1）動(dòng)態(tài)分區(qū)的放置算法：最佳適配：選擇與要求的大小最接近的塊。首次適配：從開(kāi)始掃描內(nèi)存，選擇大小足夠的第一個(gè)可用塊；臨近適配：從上一次放置的位置開(kāi)始掃描內(nèi)存，選擇下一個(gè)大小足夠的可用塊。三種算法的優(yōu)劣：分區(qū)式存儲(chǔ)管理早期的單用戶(hù)、單任務(wù)的操作系統(tǒng)將內(nèi)存空間簡(jiǎn)單地分為兩個(gè)區(qū)域：系統(tǒng)區(qū)和用戶(hù)區(qū)。操作系統(tǒng)使用系統(tǒng)區(qū)；應(yīng)用程序則裝入到用戶(hù)區(qū)，并使用用戶(hù)區(qū)全部空間。這種方式管理簡(jiǎn)單，但浪費(fèi)內(nèi)存空間。為了支持多個(gè)程序并發(fā)執(zhí)行，現(xiàn)代操作系統(tǒng)引入了分區(qū)式存儲(chǔ)管理。內(nèi)存被分為若干個(gè)區(qū)域，操作系統(tǒng)占用其中一個(gè)分區(qū)，其余的分區(qū)則提供給應(yīng)用程序使用，每個(gè)應(yīng)用程序占用其中一個(gè)或幾個(gè)分區(qū)。根據(jù)分區(qū)的大小是否固定，可以將分區(qū)式存儲(chǔ)管理機(jī)制分為固定分區(qū)和動(dòng)態(tài)分區(qū)兩種類(lèi)型。動(dòng)態(tài)分區(qū)在進(jìn)程申請(qǐng)內(nèi)存空間時(shí)按其要求的容量分配內(nèi)存，或根據(jù)進(jìn)程的要求在其執(zhí)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)改變分區(qū)大小。分區(qū)存儲(chǔ)管理的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)是容易造成空間浪費(fèi)，產(chǎn)生碎片。交換技術(shù)和分頁(yè)技術(shù)根據(jù)程序的局部性原理，在一個(gè)較短的時(shí)間間隔內(nèi)，程序所訪(fǎng)問(wèn)的存儲(chǔ)器地址在很大比例上集中在存儲(chǔ)器地址空間的很小范圍內(nèi)。交換技術(shù)正是利用了程序的局部性原理實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)環(huán)境中的存儲(chǔ)管理。交換過(guò)程由換入和換出兩個(gè)過(guò)程組成：換入過(guò)程將外存交換區(qū)的數(shù)據(jù)和程序代碼換至內(nèi)存，而換出過(guò)程將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)換到外存交換區(qū)中。操作系統(tǒng)將暫時(shí)不執(zhí)行的程序代碼保存在外存中，并將這些進(jìn)程排入進(jìn)程請(qǐng)求的長(zhǎng)期調(diào)度隊(duì)列。隊(duì)列中的一部分進(jìn)程被調(diào)到主存中執(zhí)行。當(dāng)由于輸入/輸出操作等原因使得存儲(chǔ)器中無(wú)進(jìn)程處于就緒狀態(tài)時(shí)，操作系統(tǒng)將部分進(jìn)程換出至外存，并排入中期隊(duì)列。騰出的內(nèi)存空間則換入中期隊(duì)列或長(zhǎng)期隊(duì)列中的一個(gè)可執(zhí)行的進(jìn)程。交換技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是增加了并發(fā)運(yùn)行的進(jìn)程數(shù)目。缺點(diǎn)是換入和換出操作增加了處理機(jī)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)；而且交換的單位為整個(gè)進(jìn)程的地址空間，沒(méi)有考慮程序執(zhí)行過(guò)程中地址訪(fǎng)問(wèn)的統(tǒng)計(jì)特性。交換技術(shù)和早期采用的覆蓋技術(shù)一樣，雖然都是從邏輯上利用外存擴(kuò)大主存空間，但并沒(méi)有將主存和外存組成一個(gè)有機(jī)的整體。分頁(yè)技術(shù)引申出一種非常重要的存儲(chǔ)管理策略——虛擬存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱(chēng)虛存)。在存儲(chǔ)管理部件(MMU)的支持下，虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)可以徹底解決存儲(chǔ)器的調(diào)度與管理問(wèn)題。第八章 虛擬內(nèi)存分頁(yè)和分段的特點(diǎn)：（見(jiàn)課本P240表8.1）關(guān)于替換策略的算法：（課本P256->……圖8.16）虛擬存儲(chǔ)器的基本概念實(shí)地址與虛地址用戶(hù)編制程序時(shí)使用的地址稱(chēng)為虛地址或邏輯地址，其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間稱(chēng)為虛存空間或邏輯地址空間；而計(jì)算機(jī)物理內(nèi)存的訪(fǎng)問(wèn)地址則稱(chēng)為實(shí)地址或物理地址，其對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間稱(chēng)為物理存儲(chǔ)空間或主存空間。程序進(jìn)行虛地址到實(shí)地址轉(zhuǎn)換的過(guò)程稱(chēng)為程序的再定位。虛存的訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程虛存空間的用戶(hù)程序按照虛地址編程并存放在輔存中。程序運(yùn)行時(shí)，由地址變換機(jī)構(gòu)依據(jù)當(dāng)時(shí)分配給該程序的實(shí)地址空間把程序的一部分調(diào)入實(shí)存。每次訪(fǎng)存時(shí)，首先判斷該虛地址所對(duì)應(yīng)的部分是否在實(shí)存中：如果是，則進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換并用實(shí)地址訪(fǎng)問(wèn)主存；否則，按照某種算法將輔存中的部分程序調(diào)度進(jìn)內(nèi)存，再按同樣的方法訪(fǎng)問(wèn)主存。由此可見(jiàn)，每個(gè)程序的虛地址空間可以遠(yuǎn)大于實(shí)地址空間，也可以遠(yuǎn)小于實(shí)地址空間。前一種情況以提高存儲(chǔ)容量為目的，后一種情況則以地址變換為目的。后者通常出現(xiàn)在多用戶(hù)或多任務(wù)系統(tǒng)中：實(shí)存空間較大，而單個(gè)任務(wù)