电子科技大学 操作系统 期末考试
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2022-08-19
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作用
操作系统
概述
小知识点
驱动程序与操作系统与硬件的关系？
目标
对软硬件进行控制
根据不同场景选择不同的策略
硬件通过适配程序来适配操作系统
冷补丁需要重启，热补丁不用
进程管理
存储管理
设备管理
文件系统
发展史
主要成就
基本特征
体系特征
体系结构
主流操作系统
方便：便于计算机使用
有效：更有效的使用计算机系统资源
扩展能力：便于引入新系统功能
提供服务
程序开发：编辑器和调试器
程序运行：加载到内存、初始化I/O设备
I/O设备访问：隐藏具体的I/O操作指令
文件访问控制：屏蔽存储介质细节
系统访问：提供接口，防止未授权访问行为
错误检测和响应：软硬件错误
记账：收集资源的利用率信息、监控性能特性
作为资源器的操作系统，会经常对硬件进行控制和释放操作
串行处理
课程目标
CO1：能对操作系统主流架构特点进行分析；能从系统级角度掌握分析和设计计算
机操作系统的基本思路，对操作系统核心管理功能具有全面的认识与理解。
CO2：理解操作系统的设计原理、框架、目标、各部分工作原理；具备理解、分析
特定功能在实际操作系统中的展现形式和实现方式。
CO3：深刻理解操作系统中的经典问题和典型应用，具备搭建实验环境，编写程序
代码，分析和研究经典问题在实际操作系统中的解决方案。
CO4：具备将操作系统设计思想、核心组件应用于系统设计和应用优化中，培养从
系统级选择研究路线和设计方案的能力。
简单批处理系统
多道批处理系统
分时系统
实时系统
处理机制
- 无操作系统
- 程序员 通过控制台来运行程序（显示灯、触发器、输入设备、打印机）
- 程序 通过输入设备载入计算机（卡片阅读器）
问题
- 调度：使用硬拷贝登记来预订机器时间
- 准备时间：加载编译器、源程序、保存目标程序、加载目标程序、链接公用函数
如何理解硬拷贝？
处理机制
操作员将若干个作业合成一批，并将其安装在输入设备上，开启监控程序，其自动
将一个个作业放到内存中运行，全部结束后将结果给到用户
- 作业的自动续接
- 内存保护：保护监控程序所在的内存区域
- 定时器：防止某个作业独占系统
- 特权指令：只能由监控程序执行的指令
- 中断：早期计算机模型无此能力
监控程序
功能
运行模式
用户模式：不允许执行特权指令
内核模式：可执行特权，可执行和访问受保护的内存区域
处理机制
内存中保存多个作业，处理器交替处理这些作业
特点
- 内存中同时存放多个作业
- 多个作业可并发执行
- 作业调度程序负责作业的调度
硬件支持
中断
DMA
特征 多道性、调度性、无序性、无交互能力
问题
产生原因：人机交互、共享主机、方便上机 （第一个分时系统CTSS）
特点
- 采用多道程序设计技术处理多个交互作业
- 多个用户共享处理器
- 多个用户通过不同终端同时访问系统
特征 多路性、独立性、及时性、交互性
比较
机制
多台终端使用一台主机的资源
处理机制
系统可及时响应外部事件请求，在规定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
特征
确定性、响应性、用户控制、可靠性、故障弱化能力
操作系统的主要功能
进程
内存管理
信息保护和安全
调度和资源管理
概念 一个正在执行的程序
设计协调不同活动的系统软件非常困难
- 不正确的同步
- 失败的互斥
- 不确定的程序操作
- 死锁
组成
一段可执行程序 + 程序需要的数据(变量、工作空间、缓冲区) + 程序的执行上下文
（进程状态、操作系统用来管理和控制进程所需的所有数据）
任务
- 进程隔离：每个进程拥有独立的地址空间，互不干扰
- 自动分配和管理：动态分配，对程序员透明
- 支持模块化程序设计：能够动态加载、销毁程序员定义的模块
- 保护和访问控制：一个应用程序不能任意访问其他程序的存储空间
- 长期存储：关机后仍能长时间存储信息
实现方式 文件系统 + 虚拟存储
操作系统通过驱动程序控制硬件接口
一般不和人，人反应时间长
硬实时：一般为控制类
软实时：一般为服务类，影响较小
概念 是程序的集合
文件系统
虚拟存储
作用 实现了长期存储
文件
- 一个有名称的对象
- 访问控制和保护的基本单元
- 程序以逻辑方式访问存储器
- 多个作业同时驻留内存
- 每个作业部分驻留
- 换入、换出机制
什么是逻辑方式？操作系统满足一些逻辑功能
换入、换出？
分页机制
- 进程由若干个固定大小的块组成一页
- 虚地址由页号+页内偏移量组成
- 进程中的每一页均可置于内存中任何位置
- 提供虚地址和实地址之间的动态映射机制
四大安全问题
- 可用性：保护系统不被中断
- 机密性：保证用户不能读取未授权的数据
- 完整性：保护数据不被未授权修改
- 认证：涉及用户身份的正确性和消息数据的合法性
考虑因素
- 公平性：所有进程享有同等公平访问资源的机会
- 有差别的响应性：区分进程类型且可动态调整
- 有效性：折中处理矛盾需求
*并发
共享
不确定性（异步性）
虚拟
- 并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生
- 并行：两个或多个事件在同一时刻发生
- 程序：静态实体，无法并发
- 进程：动态实体，可并发执行
- 单处理机系统：进程可并发执行，无法并行执行
- 多处理机系统：进程既可并发又可并行
并发性：在多道程序环境下，在一段时间内，有多个任务同时运行
优点：让CPU、I/O设备并行工作，提高效率
概念 系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用
共享资源类型
- 临界资源：在一段时间内，只允许一个进程访问
- 非临界资源：在一段时间内，允许多个进程访问
共享方式
- 互斥共享方式：对临界资源的访问，打印机
- 同时访问方式：对非临界资源的访问，磁盘
概念 通过某种技术把一个物理实体转变为若干个逻辑上的对应物
实现方式
- 时分复用技术：虚拟处理机、打印机
- 空分复用技术：虚拟磁盘、虚拟内存
空分如何理解？
场景 多道程序环境下，程序的执行过程
无结构
模块化结构
分层式结构
微内核结构
重点
- 功能的实现
- 效率的提高
- 服务于调度
系统结构（整体式系统）
- 过程的集合
- 过程之间相互调用
缺点
- 难以调试与维护
- 扩展性很差
定义 按功能划分成多个模块，模块之间通过接口实现交互
模块独立性衡量标准
- 内聚性：模块内部各部分间联系紧密程度
- 耦合度：模块间相互联系和影响程度
优点 OS设计正确性高，易于理解和维护
缺点
- 接口难定义
- 模块之间存在复杂的依赖关系
定义
按功能调用顺序划分成若干层
- 每层只能使用直接下层提供的服务
- 每层对其上层隐藏其下各层的存在
（单向依赖关系）
优点
- 易保证系统的正确性
- 易于理解和维护
- 易于扩充
缺点 - 系统效率较低
思考
进程调度程序、时钟中断处理程序、命令解释程序在哪种模式下执行？
系统调用时的模式切换过程？
进程调度：内核模式
时钟中断：内核模式
命令解释：用户模式
定义 将操作系统内核分为 基本功能内核+其他功能 实现客户/服务器模式
机制与策略
机制：实现某一功能的具体执行机构
策略：方法或原则，用于优化功能实现
基本功能
- 进程管理
- 低级存储器管理
- 中断和陷入处理
陷入处理？
优点
缺点
- 运行效率有所降低
- 消息传递开销+模切换开销
- 提高系统的可扩展性
- 增强了系统的可靠性
- 可移植性好（代码少）
- 提供对分布式系统的支持
UNIX
Linux
Windows
思考
总结操作系统基本功能
理解操作系统为什么引入进程、进程的概念、进程上下文含义？ 进程上下文：可执行程序代码
当进程是固定执行的时候才可以固定分配内存地址
目的是提高程序的利用率，外设和CPU可以并发是前提
目的 方便管理
定义 是程序执行的顺序不确定，而不是结果的不确定性
也就是按重要性划分的分层结构
进程的描述与控制
代码段＋数据段＋PCB＋栈
调度
同步
死锁
目标
1. 理解进程、线程，及其区别
2. 理解进程结构、PCB
3. 理解进程的基本状态及转换规则与原因
4. 理解进程挂起与阻塞状态的区别
5. 理解OS内核模式及其主要功能
6. 理解进程控制原语
7. 理解进程切换与模式切换
什么是进程
进程的状态
进程描述
进程控制
Unix SVR4 进程管理
线程
并发基于进程（为了控制多道程序能够正确的并发执行）
进程
并发
类型
顺序执行程序的特征
- 顺序性
- 封闭性
- 可再现性
并发执行程序的特征
- 间断性
- 无封闭性
- 不可再现性
特征
- 动态性：本质特性（存在生命周期）
- 并发性：重要特征
- 独立性
- 异步性
进程与程序比较
- 程序是静态实体，进程是动态的
- 两者间不是一一对应关系
引入进程的挑战
- 空间开销：为进程建立的数据结构
- 时间开销：管理进程
- 控制复杂性：进程对资源的竞争
五状态模型
- 就绪状态：分配到除CPU以外所有必要资源
- 执行状态：获得CPU，程序正在执行
- 阻塞状态：正在执行的进程由于等待发生某事件而暂停的状态
- 新建状态：OS构造了进程标识符、管理进程所需的表格
- 终止状态：不再有执行资格，表格和其他信息暂时保留
挂起状态
将内存中处于阻塞、就绪、执行状态的进程放到外存，不再参与CPU的竞争的状态
原因
- 进程全部阻塞，处理机空闲
- 交换，如系统负荷过重，内存空间紧张
- OS需要
- 终端用户的请求
- 父进程请求
特征
- 不能立即执行
- 挂起条件独立于阻塞条件
- 自身、父进程、OS
阻塞与否：进程是否等待事件
挂起与否：进程是否被换出内存
就绪：进程在内存，准备执行
阻塞：进程在内存，等待事件
就绪/挂起：进程在外存，只要调入内存并获得CPU即可执行
阻塞/挂起：进程在外存，等待事件
操作系统是资源的管理者
进程属性
ID、状态、内存中的位置
进程映像 程序段+数据段+进程控制块（PCB）+栈
PCB
进程标识
处理机状态
进程控制信息
- 进程标识符
- 内部标识符
- 父进程标识符
- 用户标识符
- 通用寄存器
- 控制和状态寄存器
- 栈指针
- 调度和状态信息
- 链接指针
- 进程间通信
- 程序和数据的地址
- 资源所有权和使用情况
组织方式
索引：系统根据所有进程的状态建立几张索引表
链接：通过链接指针将PCB块链接起来，形成队列
调度程序往往有很多调度策略
内核
理解
功能
- 操作系统中包含重要系统功能的部分
- 常驻内存
资源管理
支撑功能
- 进程管理
- 存储管理
- I/O设备管理
- 中断处理
- 时钟管理
- 监测
执行模式
模式
内核模式：与操作系统相关的处理器模式
用户模式：与用户程序相关的处理器执行模式
采用两种模式的原因 保护操作系统和操作系统表（如PCB）不受程序干扰
处理器怎么知道它在哪个模式下 程序状态字PSR寄存器中存在指示执行模式的位
模式切换一定会导致进程切换？ 不一定（如IO中断不一定伴随进程切换）
进程创建与撤销
进程阻塞与唤醒
挂起与激活
进程切换
实现方式
由原语实现
- 原语：用于完成一定功能过程的原子操作，其不允许被打断
创建进程步骤
1. 给新进程分配一个唯一的进程标识符
2. 为进程分配空间
3. 初始化进程控制块
4. 建立链接
5. 建立或扩充其他数据结构
进程终止过程
1. 根据被终止进程的标识符找到其PCB，读出该进程的状态
2. 若该进程为执行状态，则终止其执行，调度下一个就绪进程执行
3. 若该进程还有子孙进程，还应将其所有子孙进程终止，以防他们成为不可控进程
4. 将该进程所拥有的全部资源，归还给其父进程或系统
5. 将被终止进程从所在队列中移除，等待其他程序来搜集信息
但是管理不了事件
不用IO的事件很少
体系结构限制了CPU使用方式
引起阻塞事件
- 请求系统服务而得不到满足
- 启动某种操作而需要同步时，而临界区暂时被锁定
- 新数据未到达时
- 无新工作可做
阻塞过程
1. 使用block()把自身阻塞
2. 把进程控制块状态改为阻塞态，并将其插入阻塞队列
3. 调度程序把处理器分给另一个就绪进程
唤醒过程
1. 使用wakeup()，将进程从阻塞队列中移出
2. 把程序控制块状态改为就绪态，并将其插入就绪队列
进程挂起 使用suspend()将指定进程挂起
进程激活 使用active()将进程从外存调入内存
理解 调度另一个就绪进程占用处理器执行
发生场景
- 时钟中断
- IO中断
- 内存失效
- 陷阱
- 系统调用
步骤
处理器：移出移入进程的上下文
进程：更新进程控制块的状态，将其移入移出队列
- 拥有资源的独立单位- 调度 / 执行的基本单位
理解 一堆堆小弟
目的 增强程序的并发执行
特征 - 不具有挂起状态
基本操作
- 派生
- 阻塞
- 解除阻塞
- 结束
类型
用户级
内核级
混合
特征 操作系统内核仍然以进程为调度单位操作
优点
特征 操作系统内核以线程为调度单位操作
- 开销小
- 调度灵活
- 线程库独立于系统内核
缺点
- 容易引起阻塞，削弱了并发性
- 无法利用多处理器技术
优点
- 将同一个进程中的线程调度到多个处理器中
- 一个线程阻塞，内核可以调度其他线程
- 内核例程可以是多线程的
缺点 - 开销大
特征
问答
1.论述程序、进程、线程的区别与联系。
2.论述进程控制块(PCB)的作用、存储内容。
3.论述进程的基本特征。
4.以图为例，分析五状态进程模型。
5.为什么引入挂起状态，其与阻塞状态的本质区别是什么？
6.论述进程切换与模式切换的区别。什么情况下会发生进程 切换，什么情况下会
发生模式切换。
7.什么是中断？中断的处理过程如何？
8.什么是系统调用？
9.比较不同类型线程的优缺点。
1. 程序拥有资源和执行代码，而将其放在内存中执行叫进程，而线程就是给进程打
工的小弟，它们利用进程的资源并发的执行进程
2. 作用：使多程序环境下，每个程序成为一个能独立运行的基本单位
存储内容：进程标识、处理机状态、进程控制信息、组织方式
3. 动态性、并发性、独立性、 异步性
4.
- 就绪状态：分配到除CPU以外所有必要资源
- 执行状态：获得CPU，程序正在执行
- 阻塞状态：正在执行的进程由于等待发生某事件而暂停的状态
- 新建状态：OS构造了进程标识符、管理进程所需的表格
- 终止状态：不再有执行资格，表格和其他信息暂时保留
5. 引入原因：内存空间有限
挂起是将进程放到外存上，而阻塞只是进程暂停执行其还在内存当中
6. 进程切换是调度另一个进程占用CPU，模式切换是用户态和内核态的切换
进程切换场景： 时钟中断、O中断、内存失效、陷阱、系统调用
模式切换场景：要执行些特别的指令
7. 中断：系统用来响应硬件设备请求的一种机制
中断处理过程：获取中断请求，暂停正在执行的程序，处理中断响应，关中断返回
正在执行的程序
8. 系统调用：一组用于实现各种系统功能的子程序
9. 用户级线程：灵活开销小线程库独立于系统内核，容易阻塞无法利用多处理器技
术
内核级线程：将同一个进程中的线程调度到多个处理器中、不怕阻塞、内核例程可
以是多线程，开销大
混合模式：
类型
规则
决策模式
算法
实时系统和实时调度
概述 多个进程竞争CPU，OS确定下一个运行的进程
目标 满足系统目标的方式，将进程分配到一个或多个处理器上执行
长程调度
中程调度
短程调度
周转时间可以反应系统性能，响应时间不能
响应时间
周转时间
截止时间
系统吞吐量
分类
面向用户的规则
面向系统的规则
响应时间
周转时间
截止时间
吞吐量
利用率
公平性
优先级
从用户提交请求开始，到系统首次产生响应为止 输入传送时间 ＋ 处理时间 ＋ 响应传送时间
从交给系统到完成这段时间 驻外存等待调度时间 ＋ 驻内存等待时间 ＋ 执行时间 ＋ 阻塞时间
开始／完成的最迟时间
单位时间内系统完成的任务数
非剥夺方式 只在执行完毕或申请IO阻塞自己才会停
剥夺方式
先来先服务（FCFS）
时间片轮转（RR）
短作业优先（SJF）
剩于时间最短优先
响应比高优先（HRRN）
按进入就绪队列的顺序来使用CPU
- 平均周期长
- 不利于IO繁忙性进程
- 不能直接用于分时系统,通常与其它调度算法混合使用
公平分配时间片给进程使用 - 综合考虑 最大用户数目 ＋ 响应时间 ＋ 系统效率
前提是已知执行时间
反馈调度 多个队列，每个队优先级不同，时间片不同
- 有利于终端型作业用户
- 利于短作业用户
- 长批处理作业用户
主题
实时系统
概述
系统能及时响应外部事件的请求，在规定时间内完成对该事件的处理，并控制所有
实时任务协调运行
构成 实时控制系统 + 实时信息处理系统
注意 对于实时系统而言，系统的正确性取决于 计算结果和产生结果的时间
实时任务
概述 在实时系统中具有及时性要求并且常被重复执行的进程
分类
截止时间
周期性
硬实时任务
软实时任务
周期性实时任务
非周期实时任务
实时操作系统 特点
- 可确定性
- 可响应性
- 用户控制
- 可靠性
- 失效弱化
实时进程 调度方式
基于时间片的轮转抢占式调度
基于优先级的非抢占式调度
基于优先级的抢占点抢占调度
立即抢占调度
实时调度方法分类
静态表驱动调度法
静态优先级抢占调度法
基于动态规划的调度法
动态尽力调度法
作业
高响应比优先调度算法的主要优点是什么？
为什么说多级反馈队列调度算法能较好地满足各种用户需求？
理解算法 是把CPU分配给就绪队列中响应比最高的进程
优点 兼顾长短作业
分配的时间片长度都相同，对于终端型作业用户在第一级队列规定的时间片完成，
对于短批处理作业用户，最多在第二三级队列完成响应时间也短，对于长批处理作
业用户则使用时间片轮转方式
基础概念
- 临界资源：一次仅允许一个进程访问的资源为临界资源
- 临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区，代码作为一个共享资
源一次只允许一个进程访问
- 死锁：两个或两个以上的进程相互等待导致都不能执行
- 互斥：当一个进程在临界区访问临界资源时，其他进程不能进入该临界区访问共
享资源
- 竞争：多个进程读写一个共享数据时依赖它们执行的相对时间
- 饥饿：一个进程已经具备执行条件，但没得到CPU资源
进程的并发会导致程序执行结果不封闭
- 全局资源：对全局资源的访问秩序非常重要
- 资源分配：不好的分配算法可能导致死锁
同步与互斥
主题
同步机制遵循的准则
- 空闲让进
- 忙则等待
- 有限等待
- 让权等待
如何实现互斥访问
- 严格轮换
- 屏蔽中断
- 专用机器指令
- 软件方法
- 信号量
硬件解决同步互斥方法
中断屏蔽方法
TestAndSet(TS指令/TSL指令)
Swap指令(XCHG指令)
优点 简单高效
缺点
- 不适合用于多处理机
- 只适用于操作系统内核进程，不适用于用户进程
优点 实现简单，适用于多处理机环境
缺点
不满足让权等待原则，无法进入临界区的进程会占用CPU并循环TSL指令，从而导
致忙等
优点 实现简单，适用于多处理机环境
缺点 不满足让权等待原则
管程 特点
- 局部数据变量只能被管程的过程访问，任何外部过程都不能访问
- 一个进程通过调用管程的一个过程进入管程
- 在任何时候，只能有一个进程在管程中执行，调用管程的任何其他进程都被挂
起，以等待管程变成可用的
关于P、V操作 解决P、V操作问题的关键
理解临界资源与临界区的概念
准确理解问题的同步互斥过程与要求
建立信号量，准确定义信号量的意义和初始值
同步：多个进程在执行顺序上的协调，相互等待消息
互斥：对临界资源的使用
信号量的定义根据同步和互斥要求来定
临界资源：一次仅允许一个进程访问的资源
临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码
产生的原因
竞争资源
进程间推进顺序不当
- 可剥夺和非剥夺性资源
- 竞争非剥夺性资源
- 竞争临时性资源
产生死锁的必要条件
- 互斥条件
- 请求和保持条件
- 不剥夺条件
- 环路等待条件
处理死锁的基本方法
- 预防死锁
- 避免死锁
- 检测死锁
- 解除死锁
进程间通信
问题
P、V操作可否用于进程通信？
P、V操作对于哪些进程通信不适用？
PV操作用于进程的同步与互斥，是低级进程通信
- 网络进程通信
- 数据交换量较大的单机进程通信
解决办法
共享存储器
消息传递
管道
- 公用某个数据结构实现信息交换（难、低效、数据量少）
- 划分一块存储空间作为公用
- 直接消息传递
- 间接消息传递
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