操作系統(tǒng)原理總結(jié)

1、1、 操作系統(tǒng)概論1、 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：可以按照用戶的要求接受和存儲(chǔ)信息，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并輸出結(jié)果信息的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)賴以工作的實(shí)體；軟件系統(tǒng)則是保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按照用戶指定的要求協(xié)調(diào)工作。這兩部分構(gòu)成了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源。因此計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源包括硬件資源和軟件資源。2、 操作系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)中的一個(gè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件及軟件資源，合理地組織計(jì)算機(jī)的工作流程，控制程序的執(zhí)行，并向用戶提供各種服務(wù)功能，使用戶能夠靈活、方便、有效的使用計(jì)算機(jī)，并使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高效的運(yùn)行。3、 特征1） 并發(fā)性（若干個(gè)程序同時(shí)運(yùn)

2、行）2） 共享性（資源共享）3） 隨機(jī)性4、 功能1） 進(jìn)程管理A、 進(jìn)程控制（創(chuàng)建、撤銷以及進(jìn)程運(yùn)行時(shí)各種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換）B、 進(jìn)程同步C、 進(jìn)程間通信（相互協(xié)作的進(jìn)程之間）D、 調(diào)度（進(jìn)程、線程、作業(yè)）2） 存儲(chǔ)管理A、 內(nèi)存的分配與回收B、 存儲(chǔ)保護(hù)C、 內(nèi)存擴(kuò)充3） 文件管理A、 文件存儲(chǔ)空間的管理B、 目錄管理C、 文件系統(tǒng)的安全性4） 設(shè)備管理5） 用戶接口 5、 分類1） 批處理操作系統(tǒng)2） 分時(shí)系統(tǒng)（彌補(bǔ)批處理方式不能向用戶提供交互式快速服務(wù)的缺點(diǎn)）3） 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)4） 嵌入式操作系統(tǒng)5） 個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)6） 網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)1

3、） 整體式結(jié)構(gòu)（模塊組合）2） 層次結(jié)構(gòu)（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(jī)/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)（適用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下分布式處理）客戶機(jī)進(jìn)程和服務(wù)器進(jìn)程之間的通信是采用發(fā)送消息進(jìn)行的，這是因?yàn)槊總€(gè)進(jìn)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(jìn)行，而內(nèi)核則是被映射到每個(gè)進(jìn)程的虛擬地址空間內(nèi)的，它可以操作所有進(jìn)程?？蛻魴C(jī)進(jìn)程發(fā)出消息，內(nèi)核將消息傳給服務(wù)進(jìn)程。服務(wù)進(jìn)程執(zhí)行相應(yīng)的操作，其結(jié)果又通過內(nèi)核用發(fā)消息方式返回給客戶機(jī)進(jìn)程，這就是客戶機(jī)/服務(wù)器的運(yùn)行模式。2、 操作系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制1、 中央處理器（CPU）構(gòu)成：運(yùn)算器、控制器、一系列寄存器以及

4、高速緩存2、 特權(quán)指令和非特權(quán)指令（多用戶多任務(wù)的多道程序）：特權(quán)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(quán)指令不允許一般的用戶使用。 非特權(quán)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(shí)執(zhí)行用戶程序，有時(shí)執(zhí)行操作系統(tǒng)程序。在執(zhí)行不同的程序時(shí)，根據(jù)運(yùn)行的程序?qū)Y源和機(jī)器指令的使用權(quán)限而將此時(shí)的處理器設(shè)置為不同的狀態(tài)。管態(tài)：一般指操作系統(tǒng)管理程序運(yùn)行的狀態(tài)，具有較高的特權(quán)級(jí)別，又稱為特權(quán)態(tài)、系統(tǒng)態(tài)。目態(tài)：用戶程序運(yùn)行的狀態(tài)，具有較低的特權(quán)級(jí)別，又稱為普通態(tài)，用戶態(tài)。2) CPU狀態(tài)的轉(zhuǎn)換（動(dòng)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(shè)置PSW指令（

5、修改程序狀態(tài)字）系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，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(shí)，讓用戶程序在目態(tài)執(zhí)行。4、 存儲(chǔ)體系1） 存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)（寄存器、高速緩存、內(nèi)存儲(chǔ)器、硬盤存儲(chǔ)器、光盤）A、 容量、速度和成本的匹配B、 存儲(chǔ)訪問局部性原理2） 存儲(chǔ)保護(hù)A、 界地址寄存器（界限寄存器） B、 存儲(chǔ)鍵5、 中斷與異常機(jī)制1） 中斷與異常的概念中斷是指CPU對(duì)系統(tǒng)中或系統(tǒng)外發(fā)生的異步事件的響應(yīng)。中斷：當(dāng)發(fā)生某個(gè)異步事件后，中斷了處理器對(duì)當(dāng)前程序的執(zhí)行，而轉(zhuǎn)去處理異步事件。在該異步事件處理完之后，處理器再轉(zhuǎn)回源程序的中斷點(diǎn)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(shí)鐘中斷B、 輸入輸出中斷C、 控制臺(tái)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(yīng)中斷、保護(hù)中斷現(xiàn)場(chǎng)、分析中斷向量、調(diào)用中 斷處理程序、中斷處理結(jié)束恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、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(jí)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(jī)器指令實(shí)現(xiàn)的。除了提供對(duì)操作系統(tǒng)子程序的調(diào)用外，這條指令還將系統(tǒng)轉(zhuǎn)入特權(quán)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(yùn)行在

7、不同的系統(tǒng)狀態(tài)B、 狀態(tài)的轉(zhuǎn)換C、 返回問題D、 嵌套調(diào)用3） 分類A、 進(jìn)程控制類B、 文件操作類C、 進(jìn)程通信類D、 設(shè)備管理類E、 信息維護(hù)類4） 處理過程A、 操作系統(tǒng)必須有事先編制好的實(shí)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(jī)構(gòu)。當(dāng)用戶使用操作系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，產(chǎn)生一條相應(yīng)的指令，處理機(jī)在執(zhí)行到該指令是發(fā)生相應(yīng)的中斷，并發(fā)出有關(guān)的信號(hào)給處理機(jī)構(gòu)C、在系統(tǒng)中控制系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)的機(jī)構(gòu)稱為陷入或異常處理機(jī)構(gòu)。陷入處理程序把陷入指令中所包含的功能號(hào)與該入口地址表中的有關(guān)項(xiàng)對(duì)應(yīng)起來，從而由系統(tǒng)調(diào)用功能號(hào)驅(qū)動(dòng)有關(guān)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(shí)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(shù)1） I/O結(jié)構(gòu)：早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，外部設(shè)備的控制器通過I/O硬件結(jié)構(gòu)與中央處理器連接。對(duì)設(shè)備控制器的操作是由處理器直接發(fā)出的I/O指令來實(shí)現(xiàn)的。2） 通道：通道是獨(dú)立于中央處理器的，專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)I/O傳輸工作的處理單元?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上，設(shè)備控制器通過通道連接在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的公共系統(tǒng)總線上。采用通道這種I/O結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)中央處理器與各種外部設(shè)備的并行工作。操作系統(tǒng)可以讓多個(gè)程序同時(shí)執(zhí)行，并在同一時(shí)刻讓各個(gè)程序分別使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不同資源。3） DMA技術(shù)直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）技術(shù)通過系統(tǒng)總線的一個(gè)獨(dú)立控制單元，即

9、DMA控制器，自動(dòng)的控制成塊數(shù)據(jù)在內(nèi)存和I/O單元之間的傳送。當(dāng)處理器需要讀寫一整塊數(shù)據(jù)的時(shí)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(shè)備的編址、開始讀或?qū)懙闹鞔婢幹贰⑿枰獋魉偷臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度、是否請(qǐng)求一次讀或?qū)懙?。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(dòng)管理整塊數(shù)據(jù)的傳送。當(dāng)傳送過程完成后，他會(huì)給處理器一個(gè)中斷。4） 緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)是用在外部設(shè)備與其他硬件部件之間的一種數(shù)據(jù)暫存技術(shù)。它利用存儲(chǔ)器件在外部設(shè)備中設(shè)置了數(shù)據(jù)的一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，稱為緩沖區(qū)。緩沖技術(shù)一般有兩種用途：一是用在外部設(shè)備與外部設(shè)備之間的通信上，而是用在外部設(shè)備與處理器之

10、間。采用緩沖技術(shù)的原因：CPU處理數(shù)據(jù)速度與設(shè)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(jìn)程模型1、 進(jìn)程模型1) 概念進(jìn)程可分為系統(tǒng)進(jìn)程和用戶進(jìn)程兩類。系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)程運(yùn)行用戶程序，直接為用戶服務(wù)。系統(tǒng)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)通常高于一般用戶進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。2） 進(jìn)程與程序的聯(lián)系與區(qū)別聯(lián)系：程序是構(gòu)成進(jìn)程的組成部分之一，一個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行目標(biāo)是 執(zhí)行它所對(duì)應(yīng)的程序。靜態(tài)角度看，進(jìn)程是由程序、數(shù)據(jù) 和進(jìn)程控制塊（PCB）三部分組成。區(qū)別：程序是靜態(tài)的，進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的。 進(jìn)程具有創(chuàng)建其他進(jìn)程 的功能。被創(chuàng)建的進(jìn)程成為子進(jìn)程，創(chuàng)建者稱為父進(jìn)程。3） 進(jìn)程的

11、特性A、 并發(fā)性B、 動(dòng)態(tài)性C、 獨(dú)立性D、 交往性E、 異步性2、 進(jìn)程的狀態(tài)及其狀態(tài)轉(zhuǎn)換1） 三狀態(tài)進(jìn)程模型A、 運(yùn)行狀態(tài)：進(jìn)程已獲得CPU，并在CPU上執(zhí)行的狀態(tài)，一個(gè)單CPU 系統(tǒng)最多只有一個(gè)進(jìn)程處于運(yùn)行態(tài)。B、 就緒狀態(tài)：一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)具有運(yùn)行條件，但沒有獲得CPU而不能 運(yùn)行所處的狀態(tài)，一旦CPU分配給它，該進(jìn)程就可運(yùn) 行。C、 等待狀態(tài)：也稱阻塞狀態(tài)或封鎖狀態(tài)。是指進(jìn)程因等待某種事件 發(fā)生而暫時(shí)不能運(yùn)行的狀態(tài)。三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換：就緒-運(yùn)行 運(yùn)行-就緒 運(yùn)行-等待 等待-就緒 2） 五狀態(tài)進(jìn)程模型A、 運(yùn)行狀態(tài)B、 就緒狀態(tài)C、 阻塞狀態(tài)：由于進(jìn)程等待I/O操作或進(jìn)程同步等條件而暫

12、停運(yùn)行 時(shí)處于阻塞狀態(tài)。D、 創(chuàng)建狀態(tài)：分配和建立進(jìn)程控制塊表項(xiàng)、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(jié)束狀態(tài)：進(jìn)程已結(jié)束運(yùn)行，回收除進(jìn)程控制塊之外的其他資源。五狀態(tài)進(jìn)程模型之間轉(zhuǎn)換：（1）創(chuàng)建進(jìn)程：創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程，以運(yùn)行一個(gè)程序。（2）提交：完成一個(gè)新進(jìn)程的創(chuàng)建過程，新進(jìn)程進(jìn)入就緒狀態(tài)。（3）調(diào)度運(yùn)行：從就緒進(jìn)程表中選擇一個(gè)進(jìn)程，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。（4）釋放：進(jìn)程完成或失敗而終止進(jìn)程運(yùn)行，進(jìn)入結(jié)束狀態(tài)。（5）超時(shí)：由于用完時(shí)間片或高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程就緒等原因?qū)е逻M(jìn)程暫停運(yùn)行。（6）事件等待：進(jìn)程要求的事件未出現(xiàn)而進(jìn)入阻塞。（7）事件出現(xiàn)：進(jìn)程等待的事件出現(xiàn)。 3）

13、 七狀態(tài)進(jìn)程模型（區(qū)分進(jìn)程地址位于內(nèi)存還是外存）A、 與五狀態(tài)進(jìn)程模型相比，七狀態(tài)進(jìn)程模型把原來的就緒狀態(tài)和阻 塞狀態(tài)進(jìn)行了細(xì)分，增加了就緒掛起和阻塞掛起兩個(gè)狀態(tài)（1） 就緒：進(jìn)程在內(nèi)存且可立即進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)（2） 阻塞：進(jìn)程在內(nèi)存并等待某事件的出現(xiàn)（3） 阻塞掛起：進(jìn)程在外存并等待某事件的出現(xiàn)（4） 就緒掛起：進(jìn)程在外存，但只要進(jìn)入內(nèi)存，即可運(yùn)行掛起：把一個(gè)進(jìn)程從內(nèi)存轉(zhuǎn)到外存激活：把一個(gè)進(jìn)程從外存轉(zhuǎn)到內(nèi)存3、 進(jìn)程控制塊1） 概念為便于系統(tǒng)控制和描述進(jìn)程的活動(dòng)過程，在操作系統(tǒng)核心中為進(jìn)程定義了一個(gè)專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱為進(jìn)程控制塊（PCB）。2） PCB的內(nèi)容調(diào)度信息：供進(jìn)程調(diào)度時(shí)使用，描述了當(dāng)前

14、所處的狀況，它包含進(jìn)程名、進(jìn)程號(hào)、存儲(chǔ)信息、優(yōu)先級(jí)、當(dāng)前狀態(tài)、資源清單、家族關(guān)系、消息隊(duì)列指針、進(jìn)程隊(duì)列指針和當(dāng)前打開文件等?，F(xiàn)場(chǎng)信息：只記錄那些可能會(huì)被其他進(jìn)程改變的寄存器，如程序狀態(tài)寄存器、時(shí)鐘、界地址寄存器等，一旦中斷進(jìn)程的運(yùn)行，必須把中斷時(shí)刻的內(nèi)容記入PCB的現(xiàn)場(chǎng)信息。3） 進(jìn)程的組成程序、進(jìn)程控制塊和數(shù)據(jù)三部分組成。PCB是進(jìn)程的“靈魂”，由于PCB中保存進(jìn)程的地址信息，通過它可以得到進(jìn)程程序的存儲(chǔ)位置，也可以找到整個(gè)進(jìn)程。程序和數(shù)據(jù)是進(jìn)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(jìn)程隊(duì)列1） 就緒隊(duì)列2） 等待隊(duì)列3） 運(yùn)行隊(duì)列6、 進(jìn)程控制1）

15、 概念進(jìn)程控制：進(jìn)程有一個(gè)從創(chuàng)建到消亡的生命周期，進(jìn)程控制的作用就是對(duì)進(jìn)程在整個(gè)生命周期的各種狀態(tài)之間進(jìn)行有效的控制。進(jìn)程控制通過原語實(shí)現(xiàn)。原語：通常由若干條指令所組成，用來實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定的操作，通過一段不可分割的或不可中斷的程序?qū)崿F(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(jié)束。原語是操作系統(tǒng)核心的一個(gè)組成部分，他必須在管態(tài)下執(zhí)行，并常駐內(nèi)存。2） 進(jìn)程控制原語A、 創(chuàng)建原語：創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程主要任務(wù)是創(chuàng)建進(jìn)程控制塊PCB。具體 操作是先申請(qǐng)一空閑PCB區(qū)域，將有關(guān)信息填入PCB， 設(shè)置該進(jìn)程為就緒態(tài)，最后把它插入就緒隊(duì)列。B、 撤銷原語：撤銷PCBC、 阻塞原語：把進(jìn)程從運(yùn)行狀

16、態(tài)轉(zhuǎn)換為阻塞狀態(tài)D、 喚醒原語：在等待隊(duì)列中找到該進(jìn)程，置進(jìn)程的當(dāng)前狀態(tài)為就緒 態(tài)，然后將它從等待隊(duì)列撤出并插入到就緒隊(duì)列中排 隊(duì)，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(jìn)程通過調(diào)用fork（）函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程。父進(jìn)程與子進(jìn)程的區(qū)別在于它們有不同的PID。fork()函數(shù)執(zhí)行的特點(diǎn)是：只被調(diào)用一次卻返回兩次：一次是在調(diào)用進(jìn)程（父進(jìn)程）中，一次是在新創(chuàng)建的子進(jìn)程中。在父進(jìn)程中，fork（）返回子進(jìn)程的PID。在子進(jìn)程中，fork（）返回0.因?yàn)樽舆M(jìn)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(jìn)程還是在子進(jìn)程中執(zhí)行。4、 線程模型1、 概念線程產(chǎn)生原因：

17、由于進(jìn)程是一個(gè)資源擁有者，因而在進(jìn)程創(chuàng)建、撤銷和切換過程中，系統(tǒng)必須為之付出較大時(shí)空開銷。正因如此，系統(tǒng)中所設(shè)置的進(jìn)程數(shù)目不宜太多，進(jìn)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(shí)作為獨(dú)立分配資源的單位，使之輕裝運(yùn)行；而對(duì)擁有資源的基本單位不頻繁的對(duì)之進(jìn)行切換，正是在這種思想指導(dǎo)下產(chǎn)生線程。線程：線程是進(jìn)程中的一個(gè)實(shí)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(diǎn)在運(yùn)行中必不可少的資源，但它可與同屬一個(gè)進(jìn)程的其它線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源。2、 屬性A、 每個(gè)線程有一個(gè)唯一標(biāo)示符和一張線程描述表B、 不同的線程可以執(zhí)行相同的程序C、 同一進(jìn)程中的各個(gè)線程共

18、享該進(jìn)程的內(nèi)存地址空間D、 線程是處理器獨(dú)立調(diào)度單位，多個(gè)線程可并發(fā)執(zhí)行E、 一個(gè)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(huì)經(jīng)歷等待，就緒和運(yùn)行等各種狀態(tài)轉(zhuǎn)變。3、 優(yōu)點(diǎn)A、 創(chuàng)建一個(gè)新線程花費(fèi)時(shí)間少B、 兩個(gè)線程切換花費(fèi)時(shí)間少C、 由于共享進(jìn)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(jī)制。D、 線程能獨(dú)立執(zhí)行，能充分利用和發(fā)揮處理器和外圍設(shè)備的并行工作能力。4、線程與進(jìn)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(jìn)程作為資源擁有 的基本單位，從而使兩個(gè)屬性分開，線程能輕裝運(yùn)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(jìn)程之間可以并發(fā)執(zhí)行，而且在一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)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(jìn)程都是擁有資源的一個(gè)獨(dú)立單位，線程不擁有系統(tǒng)資源，但它可以訪問隸屬進(jìn)程的資源。4）系統(tǒng)開銷：線程