计算机操作系统 (第四版汤小丹老师) 复习笔记完整版

教材为西安电子科技大学 汤小丹老师 第四版 视频/图片来源：https://www.bilibili.com/video/BV1jv41147h8?p=1 操作系统系列目录： 第一章：操作系统引论 第二章：进程的描述与控制 第三章：处理机调度与死锁 第四章：存储器管理 第五章：虚拟存储器 第六章：输入输出系统 第七章：文件管理

目前存在着多种类型的OS，不同类型的OS，其目标各有所侧重。通常在计算机硬件上配置的OS，其目标有以下几点：

1.人工操作方式。这种人工操作方式有以下两方面的缺点： (1) 用户独占全机。 (2) CPU等待人工操作。

2.脱机输入/输出(Off–Line I/O)方式 这种脱机I/O方式的主要优点如下： (1) 减少了CPU的空闲时间。 (2) 提高I/O速度。

1.单道批处理系统 单道批处理系统是最早出现的一种OS，严格地说，它只能算作是OS的前身，而并非是现在人们所理解的OS。尽管如此，该系统比起人工操作方式的系统已有很大进步。

批处理是指用户将一批作业提交给操作系统后就不再干预，由操作系统控制它们自动运行。 单道批处理系统在内存中只保持一道作业的批处理系统。

特征: (1) 自动性 (2) 顺序性 (3) 单道性

缺点: 系统资源利用不充分。

多道程序设计：多个作业存放在主存中，使它们同时处于运行状态，这些作业共享处理机时间和外围设备等资源

好处:

缺点：

多道批处理系统是一种十分有效，但又非常复杂的系统，为使系统中多道程序间能协调地运行，系统必须解决下述一系列问题：

(1) 处理机争用问题。既要能满足各道程序运行的需要，又要能提高处理机的利用率。　 (2) 内存分配和保护问题。系统应能为每道程序分配必要的内存空间，使它们“各得其所”，且不会因某道程序出现异常情况而破坏其它程序。　 (3)  I/O设备分配问题。系统应采取适当的策略来分配系统中的I/O设备，以达到既能方便用户对设备的使用，又能提高设备利用率的目的 (4) 文件的组织和管理问题。系统应能有效地组织存放在系统中的大量的程序和数据，使它们既便于用户使用，又能保证数据的安全性。 (5) 作业管理问题。系统中存在着各种作业(应用程序)，系统应能对系统中所有的作业进行合理的组织，以满足这些作业用户的不同要求。 (6) 用户与系统的接口问题。为使用户能方便的使用操作系统，OS还应提供用户与OS之间的接口。

在操作系统中加入了分时技术：即将处理机的运行时间分为时间片，将时间片轮流分配给各联机作业使用。

用户的需求表现： 人—机交互。 共享主机。 便于用户上机。

特征 1.多路性 2.独立性 3.及时性 4.交互性

所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统(RealTime System)是指系统能及时(或即时)响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。

如： 1、实时控制系统 要求计算机能尽快处理测量系统测得的数据，以尽快实施响应控制。如：工业控制；导弹发射；飞机飞行 2、实时信息系统 要求计算机能对终端设备发来的服务请求及时予以正确的回答。如：订票系统；股票交易系统

按任务执行时是否呈现周期性来划分

根据对截止时间的要求来划分

特征： 多路性 独立性 及时性 交互性 可靠性

区别并行和并发

并行是指这一个时刻上面有着多个事件在执行，是一个瞬间的状态。   并发是指在某一段时间间隔以内有着多个事件同时进行。 在多道程序环境下，并发性是指在一段时间内，宏观上有多个程序在同时运行，但在单处理机系统中，每一时刻却仅能有一道程序执行，故微观上这些程序只能是分时地交替执行。

引入进程 程序为静态的，进程为程序的执行 引入线程 进程的更小的可执行单位，一个进程可以包含若干个线程

在操作系统环境下，所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。由于资源属性的不同，进程对资源共享的方式也不同，目前主要有以下两种资源共享方式：

互斥共享方式

系统中的某些资源，如打印机、磁带机，虽然它们可以提供给多个进程(线程)使用，但为使所打印或记录的结果不致造成混淆，应规定在一段时间内只允许一个进程(线程)访问该资源，我们把这种资源共享方式称为互斥式共享。 如a老师打印a试卷，b老师打印b试卷，他们共享打印机这个设备     临界资源或独占资源：一段时间内只允许一个进程访问的资源。计算机系统中的大多数物理设备，以及某些软件中所用的栈、变量和表格，都属于临界资源，它们要求被互斥地共享。

同时访问方式

允许在一段时间内由多个进程 “同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问。 并发和共享是多用户(多任务)OS的两个最基本的特征。它们又是互为存在的条件。

是指通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实的， 即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的东西。相应地，用于实现虚拟的技术，称为虚拟技术。在OS中利用了多种虚拟技术，分别用来实现虚拟处理机、虚拟内存、 虚拟外部设备和虚拟信道等。

时分复用技术（即分时使用方式）

⑴虚拟处理机技术：在虚拟处理机技术中，是通过多道程序设计技术，让多道程序并发执行的方法，来分时使用一台处理机的。 ⑵虚拟设备技术：将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑上的I/O设备，并允许每 个用户占用一台逻辑上的I/O设备，这样便可使原来仅允许在 一段时间内由一个用户访问的设备(即临界资源)，变为在一 段时间内允许多个用户同时访问的共享设备。 在操作系统中，虚拟的实现主要是通过分时使用的方法。显然，如果 n 是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的平均速度必然是物理设备速度的1 / n

空分复用技术

⑴虚拟磁盘技术：将硬盘划分为若干个卷，机器上便会有若 干个虚拟盘。 ⑵虚拟存储器技术：将一台机器的物理存储器变为虚拟存储器，以便从逻辑上来扩充存储器的容量。

由于资源等因素的限制，使进程的执行通常都不是“一气呵成”， 而是以“停停走走”的方式运行。

内存中的每个进程在何时能获得处理机运行，何时又因提出某种资源请求而暂停，以及进程以怎样的速度向前推进，每道程序总共需多少时间才能完成，等等，都是不可预知的。 由于各用户程序性能的不同，比如，有的侧重于计算而较少需要 I/O；而又有的程序其计算少而I/O多，这样，很可能是先进入内存的作业后完成；而后进入内存的作业先完成。或者说，进程是以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性。

尽管如此，但只要运行环境相同，作业经多次运行，都会获得完全相同的结果。因此，异步运行方式是允许的，是操作系统的一个重要特征。

在传统的多道程序环境下，要使作业运行，必须先为它创建一个或几个进程，并为之分配必要的资源。当进程运行结束时，立即撤消该进程，以便能及时回收该进程所占用的各类资源。进程控制的主要功能是为作业创建进程、撤消已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。

为使多个进程能有条不紊地运行，系统中必须设置进程同步机制。进程同步的主要任务是为多个进程(含线程)的运行进行协调。有两种协调方式： ① 进程互斥方式， 这是指诸进程(线程)在对临界资源进行访问时， 应采用互斥方式； ② 进程同步方式，指在相互合作去完成共同任务的诸进程(线程)间，由同步机构对它们的执行次序加以协调。

在多道程序环境下，为了加速应用程序的运行，应在系统中建立多个进程，并且再为一个进程建立若干个线程，由这些进程(线程)相互合作去完成一个共同的任务。而在这些进程(线程)之间，又往往需要交换信息。 例如，有三个相互合作的进程， 它们是输入进程、计算进程和打印进程。输入进程负责将所输入的数据传送给计算进程；计算进程利用输入数据进行计算， 并把计算结果传送给打印进程；最后，由打印进程把计算结果打印出来。进程通信的任务就是用来实现在相互合作的进程之间的信息交换。

在后备队列上等待的每个作业，通常都要经过调度才能执行。在传统的操作系统中，包括作业调度和进程调度两步。   ① 作业调度的基本任务，是从后备队列中按照一定的算法，选择出若干个作业，为它们分配其必需的资源(首先是分配内存)。 在将它们调入内存后，便分别为它们建立进程，使它们都成为可能获得处理机的就绪进程，并按照一定的算法将它们插入就绪队列。 ② 而进程调度的任务，则是从进程的就绪队列中选出一新进程，把处理机分配给它，并为它设置运行现场， 使进程投入执行。

OS在实现内存分配时，可采取静态和动态两种方式。 在静态分配方式中，每个作业的内存空间是在作业装入时确定的；在作业装入后的整个运行期间， 不允许该作业再申请新的内存空间，也不允许作业在内存中“移动”； 在动态分配方式中，每个作业所要求的基本内存空间， 也是在装入时确定的，但允许作业在运行过程中，继续申请新的附加内存空间，以适应程序和数据的动态增涨，也允许作业在内存中“移动”。

内存保护的主要任务，是确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。 为了确保每道程序都只在自己的内存区中运行，必须设置内存保护机制。一种比较简单的内存保护机制，是设置两个界限寄存器，分别用于存放正在执行程序的上界和下界。系统须对每条指令所要访问的地址进行检查，如果发生越界，便发出越界中断请求，以停止该程序的执行。

一个应用程序(源程序)经编译后，通常会形成若干个目标程序；这些目标程序再经过链接便形成了可装入程序。这些程序的地址都是从“0”开始的，程序中的其它地址都是相对于起始地址计算的； 由这些地址所形成的地址范围称为“地址空间”。“其中的地址称为“逻辑地址”或“相对地址”。此外，由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为“内存空间”， 其中的地址称为“物理地址”。   在多道程序环境下，每道程序不可能都从“0”地址开始装入(内存)， 这就致使地址空间内的逻辑地址和内存空间中的物理地址不相一致。使程序能正确运行，存储器管理必须提供地址映射功能，以将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能应在硬件的支持下完成。

存储器管理中的内存扩充任务，并非是去扩大物理内存的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多； 或者是让更多的用户程序能并发运行。这样，既满足了用户的需要，改善了系统的性能，又基本上不增加硬件投资。 为了能在逻辑上扩充内存，系统必须具有内存扩充机制， 用于实现下述各功能： (1) 请求调入功能。 (2) 置换功能。

设备管理用于管理计算机系统中所有的外围设备， 而设备管理的主要任务是，完成用户进程提出的I/O请求； 为用户进程分配其所需的I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备。为实现上述任务，设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理，以及虚拟设备等功能。

CPU运行的高速性和I/O低速性间的矛盾自计算机诞生时起便已存在。 而随着CPU速度迅速、大幅度的提高，使得此矛盾更为突出，严重降低了CPU的利用率。如果在I/O设备和CPU之间引入缓冲，则可有效地缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率，进而提高系统吞吐量。 因此，在现代计算机系统中， 都毫无例外地在内存中设置了缓冲区，而且还可通过增加缓冲区容量的方法，来改善系统的性能。 最常见的缓冲区机制有单缓冲机制、能实现双向同时传送数据的双缓冲机制，以及能供多个设备同时使用的公用缓冲池机制。

设备分配的基本任务，是根据用户进程的I/O请求、系统的现有资源情况以及按照某种设备分配策略，为之分配其所需的设备。如果在I/O设备和CPU之间，还存在着设备控制器和I/O通道时，还须为分配出去的设备分配相应的控制器和通道。 为了实现设备分配，系统中应设置设备控制表、控制器控制表等数据结构，用于记录设备及控制器的标识符和状态。据这些表格可以了解指定设备当前是否可用，是否忙碌，以供进行设备分配时参考。在进行设备分配时，应针对不同的设备类型而采用不同的设备分配方式。对于独占设备(临界资源)的分配，还应考虑到该设备被分配出去后，系统是否安全。 设备使用完后，还应立即由系统回收。

设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任务是用于实现CPU和设备控制器之间的通信，即由CPU向设备控制器发出I/O命令，要求它完成指定的I/O操作；反之由CPU接收从控制器发来的中断请求，并给予迅速的响应和相应的处理。 处理过程是：设备处理程序首先检查I/O请求的合法性，了解设备状态是否是空闲的，了解有关的传递参数及设置设备的工作方式。然后，便向设备控制器发出I/O命令，启动I/O设备去完成指定的I/O操作。设备驱动程序还应能及时响应由控制器发来的中断请求，并根据该中断请求的类型，调用相应的中断处理程序进行处理。对于设置了通道的计算机系统， 设备处理程序还应能根据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。

由文件系统对诸多文件及文件的存储空间，实施统一的管理。其主要任务是为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的运行速度。 为此，系统应设置相应的数据结构，用于记录文件存储空间的使用情况，以供分配存储空间时参考；系统还应具有对存储空间进行分配和回收的功能。为了提高存储空间的利用率，对存储空间的分配，通常是采用离散分配方式，以减少外存零头，并以盘块为基本分配单位。盘块的大小通常为512 B~8 KB。

为了使用户能方便地在外存上找到自己所需的文件，通常由系统为每个文件建立一个目录项。目录项包括文件名、文件属性、文件在磁盘上的物理位置等。由若干个目录项又可构成一个目录文件。目录管理的主要任务，是为每个文件建立其目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现方便的按名存取。即用户只须提供文件名，即可对该文件进行存取。其次，目录管理还应能实现文件共享，这样，只须在外存上保留一份该共享文件的副本。此外，还应能提供快速的目录查询手段，以提高对文件的检索速度。

(1) 文件的读/写管理。该功能是根据用户的请求，从外存中读取数据；或将数据写入外存。在进行文件读(写)时，系统先根据用户给出的文件名，去检索文件目录，从中获得文件在外存中的位置。然后，利用文件读(写)指针，对文件进行读(写)。一旦读(写)完成，便修改读(写)指针，为下一次读(写)做好准备。由于读和写操作不会同时进行，故可合用一个读/写指针。   (2) 文件保护。① 防止未经核准的用户存取文件； ② 防止冒名顶替存取文件； ③ 防止以不正确的方式使用文件。