操作系统知识

6分,选择题

操作系统

传统计算机系统资源分为硬件资源和软件资源。硬件资源包括中央处理器、存储器和输入/输出设备等物理设备;软件资源是以文件形式保存在存储器上的程序和数据等信息。

定义及作用

  • 能有效地组织和管理系统中的各种软/硬件资源,合理地组织计算机系统哦你工作流程、控制程序的执行。并且向用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。
  • 作用
  • 通过资源管理提高计算机系统的效率;
  • 改善人机界面向用户提供友好的工作环境;

特征与功能

  • 4个特征是并发性、共享性、虚拟性和不确定性
  • 功能可分为处理机管理(进程管理)、文件管理、存储管理、设备管理和作业管理5大部分

分类及作用

操作系统可分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、微型计算机操作系统和嵌入式操作系统等类型。

  • 批处理操作系统
    • 批处理操作系统分为单道批处理和多道批处理;
    • 单道批处理操作系统是一种早期的操作系统,该系统可以提交多个作业,单道的含义是指一次只有一个作业装入内存执行。
    • 多道批处理操作系统允许多个作业装入内存执行,在任意一个时刻,作业都处于开始点和终止点之间。
  • 分时操作系统
    • 分时操作系统是将CPU的工作时间划分为许多很短的时间片,轮流为各个终端的用户服务。
    • 分时系统主要有4个特点:多路性、独立性、交互性和及时性。
  • 实时操作系统 实时是指计算机对于外来信息能够足够快的速度进行处理,并在被控对象允许的时间范围内做出快速反映。实时系统对交互能力要求不高,但要求可靠性有保障。为了提供系统的响应时间,对随机发生的外部时间应及时做出响应并对其进行处理。实时系统分为实时控制系统和实时信息处理系统;
  • 网络操作系统 网络操作系统是使联网计算机能方便而有效地共享网络资源,为网络用户提供各种服务的软件和有关协议的集合。
  • 功能主要包括高效、可靠的网络通讯;对网络中共享资源(在LAN中有硬盘、打印机等)的有效管理;提供电子邮件、文件传输、共享硬盘和打印机等服务;网络安全管理;提供互操作能力。
  • 计算机网络系统除了硬件外,还需要有系统软件,二者结合构成计算机网络的基础平台。
  • 一个典型的网络操作系统的特征包括硬件独立性、多用户支持等。
  • 网络操作系统可分为三类:集中模式、客户端/服务器模式、对等模式(peer-to-peer)
  • 分布式操作系统 分布式计算机系统是由多个分散的计算机经连接而成的计算机系统,系统中的计算机无主、次之分,任意两台计算机可以通过通讯交换信息。 分布式操作系统能直接对系统中的各类资源进行动态分配和调度、任务划分、信息传输协调工作,并为用户提供一个统一的界面、标准的接口,用户通过这一界面实现所需要的操作和使用系统资源,使系统中若干台计算机相互协作完成共同的任务,有效地控制和协调诸任务的并行执行,并向系统提供统一、有效的接口的软件集合。
  • 微型计算机操作系统 微型计算机操作系统简称微机操作系统,常用的有Windows、Mac OS、Linux。
  • 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统运行在嵌入式智能芯片环境中,对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一的协调、处理、指挥和控制。
    • 主要特点有:微型化、可定制、实时性、可靠性、易移植性。

发展促使操作系统发展的因素主要有3个方面:第一,硬件的不断升级与新的硬件产品出现,需要操作系统提供更多、更复杂的支撑;第二,新的服务需求,操作系统为了满足系统管理者和用户需求,需要不断扩大服务范围;第三,修补操作系统自身的错误,操作系统在运行的过程中其自身的错误也会不断地被发现,因此需要不断地修补操作系统自身的错误。

进程管理

进程管理也称处理机管理。进程是资源分配和独立运行的基本单位。进程管理重点需要研究诸进程之间的并发特性,以及进程之间相互合作与资源竞争产生的问题。

基本概念

  1. 程序与进程
    1. 程序顺序执行主要特征:顺序性,封闭性和可再现性。
    2. 程序并发执行主要特征:失去了程序的封闭性;程序和机器的执行程序的活动不再一一对应;并发程序间的相互制约性;
  2. 进程的组成
    1. 进程是程序的一次执行,该程序可以和其他程序并发执行。进程通常是由程序、数据和进程控制块(PCB)组成的。
  1. 进程的状态及其状态间的切换
    1. 三态模型:运行、就绪、阻塞
    2. 五态模型:运行、就绪、阻塞、新建、终止

进程的控制

进程控制就是对系统中的所有进程从创建道消亡的全过程实施有效的控制。进程控制是由操作系统内核中的原语实现的。

进程间的通信

在多道程序环境的系统中存在多个可以并发执行的进程,故进程间必然存在资源共享和相互合作的问题。进程通信时指各个进程交换信息的过程。

  1. 同步与互斥
  • 同步是合作进程间的直接制约问题,互斥是申请临界资源进程间的间接制约问题。
  1. 信号量机制
  • 信号量机制是一种有效的进程同步与互斥工具。目前信号量机制有了很大的发展,主要有整形信号量、记录型信号量和信号量集机制。
  • PV操作是实现进程同步与互斥的常用方法,P操作和V操作是低级通信原语,在执行期间不可分割。其中,P操作表示申请一个资源,V操作表示释放一个资源。
  1. 高级通信原语
  • 高级通信方式主要分为共享存储模式、消息传递模式和管道通信

管程

若信号量和P、V操作来解决进程的同步与互斥问题,需要在程序中的适当位置安排P、V操作,否则会造成死锁错误。为解决分散编程带来的困难,提出了另一种同步机制–管程。其基本思路是采用资源集中管理的方法,将系统中的资源用某种数据结构抽象地表示出来。由于临界区是访问共享资源的代码段,建立一个管程管理进程提出的访问请求。

进程调度

进程调度方式是指当有更高优先级的进程到来时如何分配CPU。调度方式分为可剥夺式和不可剥夺两种。

  • 三级调度:高、中、低三级调度
  • 调度算法:先来先服务、时间片轮转、优先级调度和多级反馈调度算法

死锁

所谓死锁,是指两个以上的进程互相都要求对方已经占有的资源导致无法继续运行下去的现象。

  • 产生死锁的4个必要条件是互斥条件、请求保持条件、不可剥夺条件和环路条件。
  • 死锁处理策略主要有4种:鸵鸟策略(即不理睬策略)、预防策略、避免策略和检测与解除死锁

线程

线程是进程种的一个实体,是被系统独立分配和调度的基本单位。线程基本上不拥有资源,只拥有一点运行中必不可少的资源(如程序计数器、一组寄存器和栈),它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。

  • 线程也具有就绪、运行和阻塞3种基本装啊嚏。
  • 线程分为用户级线程和内核支持线程

存储管理

存储器管理的对象是主存存储器简称主存或内存。存储器是计算机系统中的关键性资源,是存放各种信息的主要场所。

基本概念

  1. 存储器结构:常用的存储器的结构有寄存器-主存-外存结构和寄存器-缓存-主存-存储组织的功能外存结构。
  2. 地址重定位:指将逻辑地址变换成主存物理地址的过程。地址重定位分为静态地址重定位和动态地址重定位。

存储管理方案

分区存储管理

其基本思想是把主存的用户区划分成若干个区域,每个区域分配给一个用户作业使用,并限定它们只能在自己的区域中运行,这种主存分配方案就是分区存储管理方式。按划分方式不同分区可分为固定分区、可变分区和可重定位分区。

分页存储管理

  • 分页原理:将一个进程的地址空间划分成为若干个大小相等的区域,称为页。相应地,将主存空间划分成为与页相同大小的若干个物理块,称为块或页框。在为进程分配主存时,将进程中若干页分别装入多个不相邻接的块中。
  • 地址结构:由两部分组成:前一部分为页号P;后一部分为偏移量W,即页内地址。
  • 页表:当进程的多个页面离散地分配到主存的多个物理块时,系统应能保证在主存中找到进程要访问的页面所对应的物理块。为此,系统为每个进程建立了一张页面映射表,简称页表。每个页在页表中占一个表项,记录该页在主存中对应的物理块号。
  • 两级页表机制:将页表进行分页,每个页面的大小与主存物理块的大小相同,并为它们进行编号,可以离散地将各个页面分别存放在不同的物理块中。为此需要建立一张页表,称为外层页表(页表目录),即第一级是页目录表,其中的每个表目是存放某个页表的物理地址;第二级是页表,其中的每个表目所存放的是页的物理块号。

分段存储管理

段页式存储管理

虚拟存储管理

设备管理

设备管理是操作系统中最繁杂而且与硬件紧密相关的部分。设备管理不仅要管理实际I/O操作的设备,还要管理诸如设备控制器、DMA控制器、中断控制器和I/O处理机等支持设备。设备管理包括各种设备分配、缓冲区管理和实际物理I/O设备操作,通过管理达到提高设备利用率和方便用户的目的。

概述

  1. 设备分类
  2. 按数据组织分类:分为块设备和字符设备
  3. 按照设备的功能分类:分为输入设备、输出设备、存储设备、网络联网设备、供电设备等等。
  4. 从资源分配角度分类:分为独占设备、共享设备和虚拟设备
  5. 按数据传输率分类:分为低速设备、中速设备和高速设备
  6. 设备管理的目标与任务
  7. 目标:主要是如何提高设备的利用率,为用户提供方便、统一的界面。提高设备的利用率,就是提高CPU与I/O设备之间的并行操作程度。再设备管理中,主要利用的技术有中断技术、DMA技术、通道技术和缓冲技术。
  8. 任务:保证在多道程序环境下,当多个进程竞争使用设备时,按一定的策略分配和管理各种设备,控制设备的各种操作,完成I/O设备与主存之间的数据交换。
  9. 功能:动态地掌握并记录设备的状态、设备分配和释放、缓冲区管理、实现物理I/O设备的操作、提供设备使用的用户接口及设备的访问和控制。

I/O软件

I/O设备管理软件一般分为4层:中断处理程序、设备驱动程序、与设备无关的系统软件和用户级软件。

操作系统知识插图1

设备管理采用的相关技术

  1. 通道技术 引入通道的目的是使数据的传输独立于CPU,使CPU从烦琐的I/O工作中解脱出来 根据信息交换方式的不同,将通道分为字节多路通道、数组选择通道和数组多路通道三类。
  2. DMA技术 直接主存存取(DMA)是指数据在主存与I/O设备间直接成块传送,即在主存与I/O设备间传送一个数据块的过程中不需要CPU的任何干涉,只需要CPU在过程开始启动与过程结束时的处理,实际操作由DMA硬件直接执行完成,CPU在此传送过程中可做别的事情。
  3. 缓冲技术 缓冲技术可以采用硬件缓冲和软件缓冲。硬件缓冲是利用专门的硬件寄存器作为缓冲,软件缓冲是通过操作系统来管理的。引入缓冲的主要原因有一下几个方面:
  • 1.缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾
  • 2.减少对CPU的中断频率,放宽对中断响应时间的限制。
  • 3.提高CPU和I/O设备之间的并行性
  1. Spooling技术 Spooling是外围设备联机操作的简称。实际上是用一类物理设备模拟另一类物理设备的技术,是使独占使用的设备变成堕胎虚拟设备的一种技术,也是一种速度匹配的技术。Spooling系统是由预输入程序和井管理程序以及输入和输出井组成的。
操作系统知识插图3

磁盘调度

磁盘使可以被多个进程共享的设备。当有多个进程请求访问磁盘时,为了保证信息的安全,系统在每一时刻只允许一个进程启动磁盘进行I/O操作,其余的进程只能等待。因此,操作系统应采用一种适当的调度算法,使各进程对磁盘的平均访问(主要使寻道)时间最小。磁盘调度分为移臂调度和旋转调度两类,并且是先进行移臂调度,然后进行旋转调度。由于访问磁盘最耗时的是寻道时间,因此,磁盘调度的目标是使磁盘的平均寻道时间最少。

磁盘驱动调度

  • 常用的磁盘调度算法:先来先服务,最短寻道时间优先,扫描算法,单向扫描调度算法。

旋转调度算法

  1. 进程请求访问的是同一磁道上不同编号的扇区
  2. 进程请求访问的是不同磁道上不同编号的扇区
  3. 进程请求访问的是不同磁道上具有相同编号的扇区 对于1和2,旋转调度总是让首先到达读/写磁头位置下的扇区先进行传送操作;对于3,旋转调度可以任选一个读/写磁头位置下的扇区进行传送操作。

文件管理

文件与文件系统

文件

  • 文件是具有符号名的、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的集合。
  • 信息项时构成文件内容的基本单位,可以是一个字符,也可以是一个记录,记录可以等长,也可以不等长。
  • 一个文件包括文件体和文件说明。文件体是文件真实的内容。文件说明是操作系统为了管理文件所用到的信息,包括文件名、文件内部标识、文件的类型、文件存储地址、文件的长度、访问权限、建立时间和访问时间等。

文件系统

  • 操作系统中实现文件统一管理的一组软件和相关数据的集合,专门负责管理和存取文件信息的软件机构,简称文件系统。

文件类型

  1. 按文件性质和用途可将文件分为系统文件、库文件和用户文件
  2. 按信息保存期限分类可将文件分为临时文件、档案文件和永久文件
  3. 按文件的保护方式分类可将文件分为只读文件、读/写文件、可执行文件和不保护文件
  4. UNIX系统将文件分为普通文件、目录文件和设备文件(特殊文件)

文件的结构和组织

文件的逻辑结构

文件的逻辑结构可分为两大类:一是有结构的记录式文件;二是无结构的流式文件 1. 有结构的记录式文件 1. 定长记录:指文件中所有记录的长度相同 2. 变长记录:指文件中各记录的长度不相同 2. 无结构的流式文件 – 文件体为字节流,不划分记录。无结构的流式文件通常采用顺序访问方式,并且每次读/写访问可以指定任意数据长度,其长度以字节为单位。

文件的物理结构

文件的物理结构是指文件的内部组织形式,即文件在物理存储设备上的存放方法。由于文件的物理结构决定了文件的存储设备上的存放位置,所以文件的逻辑块号到物理块号的转换也是由文件的物理结构决定的。

常见的文件物理结构 – 连续结构,也称顺序结构 – 链接结构,也称串联结构 – 索引结构 – 多个物理块的索引表

文件目录

文件目录是由文件控制块组成的,专门用于文件的检索。文件控制块也称为文件的说明或文件目录项(简称目录项)

文件控制块

文件控制块中包含三类信息: – 基本信息类:例如文件名、文件的物理地址、文件长度和文件块数等。 – 存取控制信息类:文件的存取权限,像UNIX用户分成文件主、同组用户和一般用户三类,这三类用户的读/写执行RWX权限。 – 使用信息类:文件建立日期、最后一次修改日期、最后一次访问的日期、当前使用的信息(如打开文件的进程数、在文件上的等待队列)等。

目录结构

文件目录结构的组织方式直接影响到文件的存取速度,关系到文件的共享性和安全性,因此组织好文件的目录是设计文件系统的重要环节。

常见的目录结构: – 一级目录结构:一级目录的整个目录组织是一个线性结构,在整个系统中只需要建立一张目录表,系统为每个文件分配一个目录项。缺点是查找速度慢,不允许重名和不便于实现文件共享等,因此它主要用在单用户环境中。 – 二级目录结构:由主文件目录(MFD)和用户目录(UFD)组成的。提高了检索目录的速度,较好的解决了重名问题。缺点在于不便于多用户之间共享文件。 – 多级目录结构:这种目录结构像一颗倒置的有根树,也称为树形目录结构。MS-DOS和UNIX等操作系统均采用多级目录结构。访问一个文件,必须指出文件所在的路径名。路径名是从根目录开始到该文件的通路商所有各级目录名拼起来得到的。

存取方法和存储空间的管理

文件的存取方法

文件的存取方法是指读/写文件存储器上的一个物理块的方法。通常有顺序存取和随机存取两个种方法。 文件存取空间的管理 要将文件保存到外部存储器(简称外存或辅存)上首先必须知道空间的使用情况,即哪些物理块是被占用,哪些是空闲。

常用的空闲空间的管理方法有空闲区表、位示图、空闲块链和成组链接法4种

文件的使用

文件系统将用户的逻辑文件按一定的组织方式转换成物理文件存放到文件寄存器上,也就是说,文件系统为每个文件与该文件在磁盘上的存放位置建立了对应关系。操作系统在操作级向用户提供的命令有目录管理类命令、文件操作类命令(如复制、删除和修改)和文件管理类命令(如设置文件权限)等。

文件的共享和保护

文件的共享

文件共享是指不同用户进程使用同一文件,它不仅是不同用户完成同一任务所必须的功能,还可以节省大量的主存空间,减少由于文件复制而增加的访问外存的次数。

常见的文件链接有硬链接和符号链接两种 1. 文件的硬链接是指两个文件目录表目指向同一个索引节点的链接,该链接也称基于索引节点的链接。 2. 符号链接建立新的文件或目录,并于原来文件或目录的路径进行映射,当访问一个符号链接时,系统通过该映射找到原文件的路径,并对其进行访问。

文件的保护

文件系统对文件的保护常采用存取控制方式进行。所谓存取控制,就是不同的用户对文件的访问规定不同的权限,以防止文件被未经文件主同意的用户访问。

  1. 存取控制矩阵 它是一个二维矩阵,一维列出计算机的全部用户,另一维列出系统种的全部文件。存取权限有可读R、可写W、可执行X以及它们的组合。
  2. 存取控制表 存取控制矩阵由于太大往往无法实现。一个改进的办法时按用户对文件的访问权力的差别对用户进行分类。UNIX系统就是使用了这种存取控制表方法。把用户分为三类:文件主、同组用户和其他用户,每类用户的存取权限为可读、可写、可执行以及它们的组合。
  3. 用户权限表 改进存取控制矩阵的另一种方法是以用户或用户组为单位将用户可存取的文件集中起来存入表中。
  4. 密码

文件系统的安全与可靠性

系统的安全

文件系统的安全设计两类不同的问题,一类涉及技术、管理、法律道德和政治等问题,另一类涉及操作系统的安全机制。一般从4个级别上对文件进行安全管理:系统级、用户级、目录级和文件级

文件系统的可靠性

文件系统的可靠性是指系统抵抗和预防各种物理性破坏和人为性破坏的能力。尽管文件系统无法防止设备和存储介质的物理损坏,但至少应能保护信息。常用手段如:转储和恢复、日志文件、文件系统的一致性。

作业管理

作业是系统为完成一个用户的计算任务(或一次事务处理)所做的工作总和。

作业与作业控制

作业控制

通常,可以采用脱机和联机两种控制方式控制用户作业的运行。 作业由程序、数据和作业说明书3个部分组成。作业说明书包括作业基本情况、作业控制、作业资源要求的描述,它体现用户的控制意图。

作业状态及转换

作业状态分为4种:提交、后备、执行和完成。

作业控制块和作业后备队列

作业控制块(JCB)是记录与该作业有关的各种信息的登记表。JCB是作业存在的唯一标志,包括用户名、作业名和状态标志等信息。 由于在输入井中有较多的后备作业,为了标语作业调度程序调度,通常将作业控制块排成一个或多个队列,这些队列称为作业后备队列。

作业调度

选择调度算法需要考虑如下因素:与系统的整个设计目标一致,均衡地使用系统资源,以及平衡系统和用户的要求。

作业调度算法

常用的作业调度算法如下:先来先服务、短作业优先、响应比高优先、优先级调度算法、均衡调度算法

作业调度算法性能的衡量指标

在一个以批量处理为主的系统中,通常用平均周转时间或平均带权周转时间来衡量调度性能的优劣。

用户界面

用户界面是计算机中实现用户与计算机通信的软/硬件部分的总称。用户界面也称用户接口,或人机界面。常用的人机通信方法有命令语言、选项、表格填充及直接操纵等。从计算机用户界面的发展过程来砍,可分为如下阶段:控制面板式用户界面、字符用户界面、图形用户界面、新一代用户界面。

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