操做系統知識點梳理

操做系統

簡單地梳理一下操做系統課程的脈絡，回憶用。

目錄

• 操做系統
  • 概述
  • 進程管理
    • 進程
    • 線程
    • 處理機調度
    • 進程同步
    • 死鎖
  • 內存管理
    • 基本概念
    • 內存分配方式
    • 虛擬內存
  • 文件管理
    • 文件系統
    • 文件系統實現
    • 磁盤組織與管理
  • I/O管理
    • 概述
    • 控制方式
    • IO內核子系統

概述

• 特徵：併發、共享、虛擬、異步，前兩者爲最基本
• 目標
  • 管理計算機資源
  • 爲用戶提供接口：命令、程序、GUI
• 發展
  • 批處理系統
  • 分時操做系統
  • 實時操做系統
  • 網絡和分佈式操做系統
• 運行機制
  • 中斷、異常
  • 系統調用
  • 核心態，用戶態
• 體系結構

進程管理

進程

• 概念：程序段、數據段、PCB
• 資源分配和調度的單位
• 狀態：建立，就緒，運行，阻塞，結束
• 通訊
  • PV操做
  • 共享存儲區
  • 消息傳遞：消息隊列（直接），信箱（間接）
  • 管道通訊

線程

• CPU資源分配的單位
• 不擁有系統資源
• 實現方式：
  • 用戶級線程
  • 內核級線程
• 多線程模型：
  • 多對一（用戶級） 併發性不高
  • 一對一（內核級） 切換開銷
  • 多對多（折衷） 集二者長處

處理機調度

• 三級調度
  • 做業（高級）調度：內存與輔存
  • 內存（中級）調度：內存與外存，掛起
  • 進程（低級）調度：就緒隊列中調度 頻率高
• 調度方式
  • 非剝奪調度
  • 剝奪調度
• 調度指標
  • CPU利用率、系統吞吐
  • 週轉時間、平均週轉、帶權週轉
  • 等待時間
  • 響應時間
• 調度算法
  • 先來先服務FCFS
  • 短做業優先：飢餓
  • 優先級調度：剝奪非剝奪，靜態動態
  • 高相應比優先：非搶佔式，響應比=(等待+要執行)/要執行
  • 時間片輪轉
  • 多級反饋隊列：隊列優先級逐級下降，優先級越高時間片越小

進程同步

• 基本概念：臨界資源、同步、互斥
• 基本實現方法
  • 軟件方法
  • 硬件方法
• 信號量
  • 整型
  • 記錄型
  • signal，wait
• 管程
• 經典同步問題
  • 生產者消費者
  • 讀者寫者
  • 哲學家進餐

死鎖

• 概念
• 產生緣由
  • 資源競爭、推動順序非法
  • 產生的必要條件及破壞
    • 互斥 改造資源爲可共享 e.g. spooling技術
    • 不可剝奪 按優先級強制剝奪
    • 請求並保持 靜態分配一次所有分配到位
    • 循環等待 順序資源分配法
• 處理策略
  • 預防（破壞四個必要條件）見上
  • 避免
    • 安全狀態與不安全狀態
    • 銀行家算法 Available Max Allocation Need
  • 檢測與解除
    • 資源分配圖
    • 死鎖定理（化簡資源分配圖）
    • 死鎖解除：資源剝奪、撤銷進程、進程回退法

內存管理

內存管理的功能：內存分配與回收，地址轉換，內存空間擴充，存儲保護

基本概念

• 程序的執行
  • 編譯：源代碼->目標模塊
  • 連接：目標模塊和庫函數->裝入模塊
    • 靜態連接：運行前組合
    • 轉入時動態連接：邊裝入邊連接
    • 運行時動態連接：便於實現模塊共享
  • 裝入：裝入程序將 裝入模塊->內存
    • 絕對裝入：編譯時直接肯定地址
    • 可重定位裝入：裝入時修改地址，地址變換一次完成，裝入後不發生移動
    • 動態運行時裝入：重定位寄存器；程序可分配到不連續的區域；只裝入部分代碼便可
• 邏輯地址空間、物理地址空間
• 內存保護
  • 上下限寄存器
  • 重定位寄存器（物理地址最小值）、界地址寄存器（邏輯地址最大值）
• 覆蓋與交換
  • 覆蓋 僅一道程序，在同一程序中進行
  • 交換 不一樣進程間進行；交換整個程序；與虛擬內存的調入調出不一樣
  • 調入調出

內存分配方式

• 連續分配
  • 單一連續分配 系統區，用戶區，一道程序
  • 固定分區分配 分區大小相等or不等；無外碎片；有內碎片
  • 動態分區分配
    • 不預先劃份內存
    • 外碎片無內碎片；緊湊
    • 分配算法：首次適應、最佳適應（產生最多的外碎片）、最壞適應、臨近適應（循環首次適應）
• 非連續分配
  • 基本分頁存儲管理
    • 頁面、頁面大小
    • 地址結構：頁號，頁內偏移
    • 頁表：頁號->塊號
    • 地址變換機構
    • 快表 TLB
    • 多級頁表 一級頁號；二級頁號；頁內偏移
    • 一維地址空間
  • 基本分段存儲管理
    • 分段：段號，段內偏移
    • 段表：段號->段長，段起始地址
    • 地址變換機構
    • 段的共享與保護 可重入代碼；越界保護
    • 二維地址空間
  • 段頁式存儲管理方式
    • 邏輯地址：段號，頁號，頁內偏移
    • 同一個進程 只有一個段表；可能有多個頁表
    • 地址變換機構
• 有效訪存時間 EAT 計算
• 位視圖

虛擬內存

• 基本概念
  • 傳統存儲管理：一次性、駐留性
  • 局部性原理：時間局部性、空間局部性
  • 虛擬存儲器：屢次行、對換性、虛擬性（邏輯上擴充）
  • 實現：請求分頁/段/段頁存儲管理
  • 頁表，中斷機構，地址變換機構
• 請求分頁管理
  • 頁表 加入 狀態位（是否在內存）、修改位、訪問字段等
  • 缺頁中斷機構
  • 地址變換機構 變換過程
• 頁面置換算法
  • 最佳置換算法（理想）
  • 先進先出
  • 最近最久未使用 LRU 須要硬件支持
  • 時鐘置換算法（二次機會算法）
• 頁面分配策略
  • 駐留集大小
    • 固定分配
    • 可變分配全局置換
    • 可變分配局部置換
  • 調入頁面的時機
    • 預調頁
    • 請求調頁
  • 從何處調入頁面
    • 對換區
    • UNIX 未運行從文件區調入，運行過換出至對換區
  • 抖動
  • 工做集

文件管理

文件系統

• 文件
  • 操做：建立、讀寫、指針重定位、刪除、截斷
  • 文件指針
  • 文件打開計數
• 邏輯結構
  • 無結構文件（流式）
  • 有結構文件（記錄式）
    • 順序
    • 索引
    • 索引順序
    • 散列文件
• 目錄結構
  • 文件控制塊FCB
  • 索引結點
  • UNIX 索引節點和FCB
  • 目錄
    • 單級目錄
    • 兩級
    • 多級目錄（樹形目錄）
    • 無環圖目錄 （文件共享）
• 文件共享
  • 硬連接：索引節點共享 UNIX
  • 軟鏈接：符號連接 windows
• 文件保護
  • 訪問類型 rwx
  • 訪問控制 用戶組

文件系統實現

• 文件系統層次結構
• 目錄實現
  • 線性列表
  • 哈希表
• 文件實現
  • 分配方式
    • 連續分配：尋道數最小 時間最短；FCB：起始地址，長度
    • 連接分配：隱式連接（只能順序訪問盤塊 FCB起始和尾巴地址）、顯式連接（一張FAT表）
    • 索引分配：FCB指索引塊
    • UNIX 混合索引分配法
  • 存儲空間管理（空閒塊）
    • 空閒表法
    • 空閒鏈表法
    • 位示圖法
    • 成組連接法

磁盤組織與管理

• 磁盤結構：磁頭、磁道、扇區、盤面、柱面
• 讀寫時間：尋道時間（磁臂移動）、延遲時間（旋轉）、傳輸時間
• 磁盤調度算法
  • 先來先服務
  • 最短尋找時間優先（飢餓）
  • 掃描 SCAN LOOK(不到頂部 只到最遠的請求處)
  • 循環掃描 C-SCAN C-LOOK
• 磁盤管理
  • 初始化
  • 引導塊
  • 壞塊

I/O管理

概述

• 基本功能
  • 隱藏物理設備細節
  • 設備無關性
  • 提升處理機 IO涉筆的李永利
  • 控制IO設備
  • 錯誤處理
• 設備獨立性
  • 邏輯設備 應用請求邏輯設備名
  • 物理設備 執行時系統轉換
• 控制設備方法
  • 直接IO指令
  • 內存映射IO
• IO設備分類
  • 速度：低、中、高
  • 信息交換單位：塊、字符
  • 共享屬性：獨佔、共享

控制方式

• 控制方式
  • 輪詢
  • 中斷
  • 直接訪問存儲器 DMA
  • IO通道
• 中斷機制 中斷向量表 中斷優先級
• DMA 繞過CPU直接在IO和內存間傳輸

IO內核子系統

• IO調度
• 緩衝
  • 匹配速度差別
  • 協調數據大小不一致
  • cache與緩衝區別 前者是拷貝 後者是惟一副本
• 假脫機SPOOLing
  • CPU高速 IO低速
  • 輸入輸出進程，輸入輸出緩衝區，輸入輸出井（磁盤），井管理程序
  • 獨佔設備改造爲共享設備
• 錯誤處理 恢復 讀寫錯誤；請求失敗時候返回錯誤；出錯日誌
• IO保護 防止非法命令執行