11、操作系统

概述

• 操作系统提供了人机操作的接口，应用软件与硬件之间的接口。简称OS（Operating System），管理系统的硬件、软件、数据资源，控制程序运行。
• 结构层次 硬件->操作系统->语言处理程序->应用程序

进程管理

进程状态（*）

• 三态模型

  运行、就绪、阻塞三个状态
  调度过程
  优先考虑非CPU资源的使用，在准备完成后，再分配CPU资源，就绪态在分配的CPU资源后，进行运行态，等待某事件时进入阻塞态，等待的事件发生了，就进入就绪态；在运行态如果CPU分配的时间片到了，也进入就绪态。阻塞态不可进入运行态。就绪态不可进入阻塞态。

前趋图（****）

• 是让进程以节点的一种表示，表达进程与进程之间的活动的逻辑关系，即执行顺序，先完成的程序为前趋，后面的进程后继
• 以箭线表示->={（A，D）（B，D），…，（C，D）（D，E）}

进程的同步与互斥

• 互斥

  由于资源有限，某资源只允许一个进程访问，在多个进程之间存在互斥关系，资源共享
  间接制约关系

• 同步

  在速度上有差异，在一定情况下停止等待
  直接制约关系

• 信号量（*）

  临界资源：诸进程间需要互斥方式对其进行共享的资源，如打印机、磁带机等
  临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区
  信号量：是一种特殊的变量
  缓冲区:单缓冲区,多缓冲区

• PV操作（*）

  P：荷兰语的
Passeren
  V：荷兰语的
Verhoog
  S：Singal，
  S

0表示可用资源数
  S
<
0表示等的进程数
  P：S=S-1
锁定资源，S<0进入阻塞队列，检查资源是否可用
  V：S=S+1 S>0，释放资源，唤醒一个阻塞队列中的一个进程，释放资源一个可用的资源

  • 生产者与消费者
    • 未使用PV操作

      生产者生产一个产品，送产品到缓冲区
      消费者从缓冲区取产品，消费产品
      会产生爆仓或无中生有

    • 使用了PV操作

      生产者：生产一个产品；P（S1）送产品到缓冲区；V（S2）
      消费者：P（S2）从缓冲区取产品；V（S1）消费产品
      S1初始值为1，代表存储空间，
      S2初始值为0，代表产品数量

  • 在前驱图中，一个箭线一个信号量，一般在后继起始处会有一P操作，前驱的完成处有一个V操作。

死锁及银行家算法

• 前置：进程死锁

  进程管理是操作系统的核心，但如果设计不当，就会出现死锁的问题。如果一个进程在等待一个不可能的事件，则进程就死锁了。而如果一个或多个进程产生死锁，就会造成系统死锁。k个进程，每个进程执行至少需要w个资源，则形成无锁的最大值为
K(W-1)，当资源数为
k(w-1)+1时，则肯定不会死锁
  无锁的条件：互斥（独占）、保持和等待、不剥夺、环路等待
  无锁的预防->打破四大条件
  死锁的避免：
  有序资源分配法（一个一个进程的执行）
  银行家算法

• 银行家算法：分配资源的原则

  1、当一下进程对资源的最大需求量不超过系统中的资源数时，可以接纳该进程
  进程可以分期请求资源，但请求的总数不能超过最大需求量
  2、当系统现有的资源不能满足进程尚需资源数时，
  3、对进程的请求可以推迟分配，但总能使进程在有限的时间里得到资源

存储管理

页式存储

• 优点：利用率高，碎片小，分配及管理简单

• 缺点：增加了系统开销；可能产生抖动现象（频繁产生缺页中断）

• 将内存按页表进行划分，每页对应一个内存块

  将程序与内存均划分为同样大小的块，以页为单位将程序调入内存。
  物理块号又称为页帧号
  页内偏移又称为页内地址

• 高级程序语言使用逻辑地址：运行态，内存中使用物理地址。逻辑地址=页号+页内地址。物理地址=页帧号+页内地址
  页式存储系统中，每个页的大小为4KB。
  逻辑地址：
10
1100
1101
1110
  物理地址：110
1100
1101
1110
  4K需要使用12位的二进制位进行表示

• 当查找的内容不在内存中时，会产生缺页中断

• 页面淘汰

  优先淘汰方位为0的内存页
  其次考虑修改位为0的页面
  页面交换表的结构：
  状态位：1表示在内存中，0表示不在内存中。
  访问位：1最近被访问，0最近未被访问。
  修改位：1内容被修改过，0内容未被修改。
  页侦号：代表的物理块号
  页号：逻辑地址
  页面被替换后，原页面则不在内存中

段式存储

• 概念

  按用户作业中的自然段来划分逻辑空间，然后调入内存，段的长度可以不一样

• 优点

  多道程序共享内存，各段程序修改互不影响

• 缺点

  内存复用率低，内存碎片浪费大

• 段表结构

  段号、段长、基址

• 逻辑地址用（段号，段内偏移）表示

段页式存储

• 概念

  段式与页式的综合体。先分段，再分布。一个程序有若干个段，每个段中有若干个页，每个页的大小相同，但每个段的大小不同

• 优点

  空间浪费小、存储共享容易、存储保护容易、能动态连接

• 缺点

  由于管理软件的增加，复杂性和开销也随之增加，需要的硬件以及占用的内容也有所增加，使执行速度大大降低

• 段表结构

  段号、状态、页表大小、页表地址

快表

• 快表：将页表存于Cache上；

  快表是一块小容量的相联存储器（Associative Memory），由高速缓存器组成，速度快，并且可以从硬件上保证按内容并行查找，一般用来存放当前访问最频繁的少数活动页面的页号

• 慢表：将页表存于内存上

文件管理

作业管理

设备管理

微内核操作系统

嵌入式操作系统