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OS概述

OS的定義

操作系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)的一個系統(tǒng)軟件，它是這樣一些程序模塊的集合 ——它們能有效地組織和管理計算機(jī)系統(tǒng)中的硬件及軟件資源舀瓢，合理地組織計算機(jī)工作流程廷雅，控制程序的執(zhí)行耗美，并向用戶提供各種服務(wù)功能撩满，使得用戶能夠靈活喜最，方便韵卤，有效地使用計算機(jī)型将，并使整個計算機(jī)系統(tǒng)能高效地運行树绩。

OS的特性

• 并發(fā)性
• 共享性
• 隨機(jī)性

OS的功能

• 進(jìn)程管理
• 存儲管理：內(nèi)存分配曙搬，地址映射硬耍，內(nèi)存保護(hù)影所，內(nèi)存擴(kuò)充灿巧；
• 文件管理：文件存儲空間的管理赶袄，文件操作的一般管理，目錄管理抠藕，文件的存取控制饿肺；
• 設(shè)備管理：緩沖區(qū)管理，設(shè)備分配盾似，設(shè)備驅(qū)動敬辣，設(shè)備無關(guān)性；
• 作業(yè)管理
• 其他功能

OS的發(fā)展歷史

OS的分類

• 批處理操作系統(tǒng)
• 分時操作系統(tǒng)：將一臺計算機(jī)很好的提供給多個用戶同時使用，提高計算機(jī)的利用率溉跃。
• 實時操作系統(tǒng)：是計算機(jī)系統(tǒng)可以立即對用戶程序要求或者外部信號作出反應(yīng)的系統(tǒng)村刨，它可以分為硬實時系統(tǒng)和軟實時系統(tǒng)。
• 嵌入式操作系統(tǒng)
• 個人計算機(jī)操作系統(tǒng)

OS硬件環(huán)境

特權(quán)指令

特權(quán)指令是指在指令系統(tǒng)中那些只能由操作系統(tǒng)使用的指令撰茎。
處理器工作狀態(tài)劃分成：管態(tài)和目態(tài)

管態(tài)

操作系統(tǒng)管理程序運行的狀態(tài)嵌牺，具有較高的特權(quán)級別，又稱為特權(quán)態(tài)乾吻，系統(tǒng)態(tài)髓梅。

目態(tài)

用戶程序運行時的狀態(tài)，具有較低的特權(quán)級別绎签，又稱為普通態(tài)枯饿，用戶態(tài)。

程序狀態(tài)字

程序狀態(tài)字是指指示處理器狀態(tài)的寄存器

PSW通常包括以下狀態(tài)代碼

• CPU的工作狀態(tài)碼：指明管態(tài)還是目態(tài)诡必，用來說明當(dāng)前在CPU上執(zhí)行的是操作系統(tǒng)還是一般用戶奢方。
• 條件碼：反映指令執(zhí)行后的結(jié)果特征。
• 中斷屏蔽碼：指出是否允許中斷爸舒。

多級存儲體系

計算機(jī)存儲系統(tǒng)的設(shè)計主要考慮三個問題：容量蟋字，速度，成本扭勉。

多級存儲體系.png

沿著層次下降時鹊奖，每比特的價格將下降，容量將增大涂炎，速度將變慢忠聚，處理器的訪問頻率下降！

用戶接口與作業(yè)管理

作業(yè)的概念

用戶在一次計算過程中唱捣，或一次事務(wù)處理過程中两蟀，要求計算機(jī)系統(tǒng)所做工作的總稱。

用戶與操作系統(tǒng)之間的接口分為：作業(yè)級接口和程序級接口

作業(yè)級接口

操作系統(tǒng)為用戶對作業(yè)運行全過程控制提供的功能震缭。

• 聯(lián)機(jī)接口（交互式）
• 脫機(jī)接口（批處理）

程序級接口

系統(tǒng)為用戶在程序一級提供有關(guān)服務(wù)而設(shè)置的赂毯，由一組系統(tǒng)調(diào)用命令組成。

• 負(fù)責(zé)管理和控制運行的程序拣宰。
• 并在這些程序與系統(tǒng)控制的資源和提供的服務(wù)間實現(xiàn)交互作用党涕。

JCB

作業(yè)控制塊是批處理作業(yè)存在的標(biāo)志，其中保存有系統(tǒng)對于作業(yè)進(jìn)行管理所需要的全部信息巡社，它們被保存于磁盤區(qū)域中膛堤。

• 記錄系統(tǒng)管理作業(yè)所需要的全部信息
• 作業(yè)控制塊是批處理作業(yè)存在的標(biāo)志
• 位于磁盤固定區(qū)域中（長度固定）

作業(yè)的狀態(tài)及轉(zhuǎn)換

個作業(yè)從進(jìn)入系統(tǒng)到運行結(jié)束經(jīng)歷四個不同的狀態(tài)

• “進(jìn)入狀態(tài)”
• “后備狀態(tài)”
• “執(zhí)行狀態(tài)”

• “完成狀態(tài)”

  
  
  

  作業(yè)的狀態(tài)及轉(zhuǎn)換.png

作業(yè)調(diào)度算法

• 先來先服務(wù)算法（FCFS：First Come First Serve）
• 最短作業(yè)優(yōu)先算法（SJF：Shortest Job First）
• 最高響應(yīng)比優(yōu)先算法（HRN：Highest Response Ratio Next）
  響應(yīng)比R
  = 作業(yè)周轉(zhuǎn)時間 / 作業(yè)處理時間
  =（作業(yè)處理時間+作業(yè)等待時間）/ 作業(yè)處理時間
  = 1 +（作業(yè)等待時間 / 作業(yè)處理時間）

系統(tǒng)調(diào)用

用戶在程序中調(diào)用操作系統(tǒng)提供的一些子功能。

• 一種特殊的過程調(diào)用重贺，由特殊的機(jī)器指令實現(xiàn)（每種機(jī)器的機(jī)器指令集中都有一條系統(tǒng)調(diào)用指令——訪管指令）
• 系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給編程人員的唯一接口
• 從目態(tài)轉(zhuǎn)入管態(tài)
• 系統(tǒng)調(diào)用是一個低級過程骑祟，只能由匯編語言直接訪問
• 利用系統(tǒng)調(diào)用回懦，動態(tài)請求和釋放系統(tǒng)資源，完成與硬件相關(guān)的工作以及控制程序的執(zhí)行等

進(jìn)程管理

程序順序執(zhí)行的特點

• 順序性

處理機(jī)嚴(yán)格按照程序所規(guī)定的順序執(zhí)行次企，即每個操作必須在下一個操作開始之前結(jié)束怯晕。

• 封閉性

程序一旦開始執(zhí)行，其計算結(jié)果不受外界的影響缸棵，當(dāng)程序的初始條件給定之后舟茶，其后的狀態(tài)只能由程序本身確定，即只有本程序才能改變它堵第。

• 可再現(xiàn)性

程序執(zhí)行的結(jié)果與初始條件有關(guān)吧凉，而與執(zhí)行時間無關(guān)。即只要程序的初始條件相同踏志，它的執(zhí)行結(jié)果是相同的阀捅，不論它在什么時間執(zhí)行，也不管計算機(jī)的運行速度针余。

多道程序并發(fā)執(zhí)行的特點

程序并發(fā)執(zhí)行（定義）

若干個程序段同時在系統(tǒng)中運行饲鄙，這些程序的執(zhí)行在時間上是重迭的，一個程序段的執(zhí)行尚未結(jié)束圆雁，另一個程序段的執(zhí)行已經(jīng)開始忍级，即使這種重迭是很小的，也稱這幾個程序段是并發(fā)執(zhí)行的伪朽。

程序并發(fā)執(zhí)行.png

多道程序環(huán)境具有以下特點

• 獨立性
• 隨機(jī)性
• 資源共享性

進(jìn)程的概念

進(jìn)程是具有獨立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合上的一次運行活動轴咱，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的獨立單位。

進(jìn)程的狀態(tài)及變遷

進(jìn)程的狀態(tài)及變遷.png

進(jìn)程調(diào)度算法

1. 先進(jìn)先出進(jìn)程調(diào)度算法（FIFO）：按照進(jìn)程就緒的先后次序來調(diào)度進(jìn)程烈涮。
2. 基于優(yōu)先數(shù)的調(diào)度（HPF—Highest Priority First）：優(yōu)先選擇就緒隊列中優(yōu)先級最高的進(jìn)程投入運行朴肺。
3. 時間片輪轉(zhuǎn)程序調(diào)度算法：把CPU劃分成若干時間片,并且按順序賦給就緒隊列中的每一個進(jìn)程，進(jìn)程輪流占有CPU跃脊，當(dāng)時間片用完時宇挫，即使進(jìn)程未執(zhí)行完畢苛吱，系統(tǒng)也剝奪該進(jìn)程的CPU酪术，將該進(jìn)程排在就緒隊列末尾。同時系統(tǒng)選擇另一個進(jìn)程運行翠储。

進(jìn)程控制

原語：創(chuàng)建绘雁、撤消進(jìn)程以及完成進(jìn)程各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，由具有特定功能的原語完成援所。

• 創(chuàng)建進(jìn)程原語
• 撤消進(jìn)程原語
• 阻塞原語
• 喚醒原語
• 掛起原語
• 激活原語

進(jìn)程撤銷

收回進(jìn)程所占有的資源庐舟，撤消該進(jìn)程的PCB。

進(jìn)程阻塞

處于運行狀態(tài)的進(jìn)程住拭，在其運行過程中期待某一事件發(fā)生挪略，如等待鍵盤輸入历帚、等待磁盤數(shù)據(jù)傳輸完成、等待其它進(jìn)程發(fā)送消息杠娱，當(dāng)被等待的事件未發(fā)生時挽牢，由進(jìn)程自己執(zhí)行阻塞原語，使自己由運行態(tài)變?yōu)樽枞麘B(tài)摊求。阻塞是因為要等待某個資源而無法運行禽拔。

進(jìn)程喚醒

一個正在運行的進(jìn)程會因等待某事件（例如，等待打印機(jī)）的發(fā)生室叉，由運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換成阻塞狀態(tài)睹栖，當(dāng)它等待的事件發(fā)生后，這個進(jìn)程將由阻塞狀態(tài)轉(zhuǎn)換成就緒狀態(tài)茧痕。這種轉(zhuǎn)換由進(jìn)程喚醒操作完成野来。

進(jìn)程掛起

掛起則是可以運行，但被臨時置為睡眠踪旷。

※ 進(jìn)程的互斥

一組并發(fā)進(jìn)程中的一個或多個程序段梁只，因共享某一公有資源而導(dǎo)致它們必須以一個不允許交叉執(zhí)行的單位執(zhí)行。

※ 臨界資源

一次僅允許一個進(jìn)程使用的資源稱為臨界資源埃脏。

※ 臨界區(qū)

在每個進(jìn)程中搪锣，訪問臨界資源的那段程序，稱為臨界區(qū)或臨界段彩掐。

※ 信號量

信號燈是一個確定的二元組（s,q）构舟，s是一個具有非負(fù)初值的整型變量，s是信號量堵幽，q是一個初始狀態(tài)為空的隊列狗超。

• 信號量s代表資源實體或并發(fā)進(jìn)程的狀態(tài)，初值只能為０或正整數(shù)朴下。
• S>0努咐，代表可供并發(fā)進(jìn)程使用的資源個數(shù)（臨界資源則只有1個）。
• S=0殴胧，空閑資源數(shù)為０渗稍。
• S<0，代表有|s|個進(jìn)程等待臨界資源以進(jìn)入臨界區(qū)团滥。
• S的值只能由p竿屹、v原語改變；其他改變s值的指令均為非法灸姊。

※ PV操作

• p拱燃、v操作用以改變信號量的值；
• 是通過PV原語來完成的：p(s)和v(s)力惯。
• p(s)：使信號量s的值減１碗誉；
• v(s) ：使信號量s的值加１召嘶；
• 既，P減V加

p(s)操作的主要動作如下
- s值減1
- 若相減結(jié)果大于或等于0哮缺，則進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行
- 若相減結(jié)果小于零苍蔬，該進(jìn)程被封鎖，并將它插入到該信號燈的等待隊列中蝴蜓，然后轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度程序

v(s)操作的主要動作如下
- s值加1
- 若相加結(jié)果大于零碟绑，進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行
- 若相加結(jié)果小于或等于零，則從該認(rèn)號燈的等待隊列中移出一個進(jìn)程茎匠，解除它的等待狀態(tài)格仲，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫途w狀態(tài)，并將其加入就緒隊列诵冒，然后使本操作的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行凯肋。

※ 進(jìn)程的互斥與同步

• 互斥——間接制約，共享臨界資源引發(fā)的并發(fā)進(jìn)程間的制約汽馋。
• 同步——直接制約侮东，并發(fā)進(jìn)程間相互共享對方私有資源引發(fā)的。

※ 生產(chǎn)者-消費者問題

• 生產(chǎn)者——把系統(tǒng)中釋放某一類資源的進(jìn)程統(tǒng)稱為生產(chǎn)者豹芯。
• 消費者——把系統(tǒng)中使用某一類資源的進(jìn)程統(tǒng)稱為消費者悄雅。
• 生產(chǎn)者——消費者問題：一個長度為n的有界緩沖區(qū)被一組生產(chǎn)者和一組消費者共享，形成生產(chǎn)者消費者問題铁蹈。

進(jìn)程間通信

又稱高級通信宽闲；進(jìn)程之間直接以較高的效率傳送較多的數(shù)據(jù)的信息交換方式稱為進(jìn)程間通信。

常用的進(jìn)程通信方式有管道握牧、共享內(nèi)存容诬、消息機(jī)制。

線程

進(jìn)程內(nèi)一個相對獨立的沿腰，可獨立調(diào)度和指派的執(zhí)行單元览徒；是進(jìn)程中的一個執(zhí)行路徑。

進(jìn)程與線程的區(qū)別與聯(lián)系

1. 進(jìn)程是資源分配和處理機(jī)調(diào)度的基本單位颂龙。
2. 線程與資源分配無關(guān)习蓬；一個進(jìn)程內(nèi)的多個線程共享該進(jìn)程的資源。
3. 進(jìn)程具有完整獨立的虛地址空間厘托，而線程則只能繼承和共享這個空間友雳。
4. 一個進(jìn)程可以包含一個以上的線程

一個進(jìn)程可以包含一個以上的線程.jpg

存儲管理

存儲管理的目的

• 充分利用內(nèi)存稿湿，為多道程序并發(fā)執(zhí)行提供存儲基礎(chǔ)铅匹。
• 盡可能方便用戶使用，即用戶程序中不必考慮硬件細(xì)節(jié)饺藤。
• 解決程序比實際內(nèi)存大的問題包斑。
• 解決內(nèi)存保護(hù)與安全流礁。
• 解決共享問題。

存儲管理任務(wù)

▼ 內(nèi)存空間的管理罗丰、分配與回收

▼ 存儲共享

▼ 存儲保護(hù)

▼ 內(nèi)存擴(kuò)充

▼ 地址映射

• 邏輯地址（相對地址神帅，虛地址）

用戶程序經(jīng)過匯編或編譯后形成目標(biāo)代碼，目標(biāo)代碼通常采用相對地址的形式萌抵，其首地址為0找御，其余指令中的地址都相對于首地址而編址。不能用邏輯地址在內(nèi)存中讀取信息绍填。

• 物理地址（絕對地址霎桅，實地址）

內(nèi)存中存儲單元的實際地址，可直接尋址讨永。

• 地址映射

邏輯地址轉(zhuǎn)換為運行時由機(jī)器直接尋址的物理地址滔驶，這一過程稱為地址映射。

• 靜態(tài)地址轉(zhuǎn)換

當(dāng)用戶程序被裝入內(nèi)存時卿闹，一次性實現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換揭糕，以后不再轉(zhuǎn)換，一般在裝入內(nèi)存時由軟件完成锻霎。

• 動態(tài)地址轉(zhuǎn)換

在程序運行過程中要訪問數(shù)據(jù)時再進(jìn)行地址變換著角。

虛擬存儲器

程序、數(shù)據(jù)旋恼、堆棧的大小可以超過內(nèi)存的大小雇寇，操作系統(tǒng)把程序當(dāng)前使用的部分保留在內(nèi)存，而把其它部分保存在磁盤上蚌铜，并在需要時在內(nèi)存和磁盤之間動態(tài)交換锨侯。得到一個容量很大的“內(nèi)存”，這就是虛存冬殃。

目的

提高內(nèi)存利用率

1.分區(qū)式存儲管理

系統(tǒng)把內(nèi)存用戶區(qū)劃分為若干分區(qū)囚痴，分區(qū)大小可以相等，也可以不等审葬。一個進(jìn)程占據(jù)一個分區(qū)深滚。

• 固定分區(qū)

預(yù)先把可分配的內(nèi)存空間分割成若干個連續(xù)區(qū)域，每一區(qū)域稱為分區(qū)涣觉。
每個分區(qū)的大小可以相同也可以不同痴荐，分區(qū)大小固定不變，每個分區(qū)裝一個且只能裝一個作業(yè)官册。

缺點：內(nèi)存利用率不高

• 可變分區(qū)

內(nèi)存不是預(yù)先劃分好的生兆，作業(yè)裝入時，根據(jù)作業(yè)的需求和內(nèi)存空間的使用情況來決定是否分配膝宁，若有足夠的空間鸦难，則按需要分割一部分分區(qū)給該進(jìn)程根吁；否則令其等待內(nèi)存空間。

內(nèi)存管理

空閑塊表——記錄了空閑區(qū)起始地址和長度合蔽。

已分配區(qū)表击敌。

內(nèi)存分配

三種分配算法：首先適應(yīng)分配算法、最佳適應(yīng)分配算法拴事、最壞適應(yīng)分配算法

內(nèi)存回收

當(dāng)某一塊歸還后沃斤，前后空間合并，修改內(nèi)存空閑塊表刃宵『渲Γ考慮：上鄰、下鄰组去、上下相鄰鞍陨、上下不相鄰。

“碎片”問題

經(jīng)過一段時間的分配回收后从隆，內(nèi)存中存在很多很小的空閑塊诚撵。它們每一個都很小，不足以滿足分配要求键闺；但其總和滿足分配要求寿烟。這些空閑塊被稱為碎片。

分區(qū)存儲管理缺點

1. 分區(qū)式作業(yè)必須連續(xù)存儲辛燥。
2. 分區(qū)式方式下當(dāng)作業(yè)的地址空間大于內(nèi)存可用分區(qū)空間時筛武，作業(yè)不能馬上運行，必須等到空閑分區(qū)和其他分區(qū)釋放后融合成為更大的空閑分區(qū)后才能全部載入內(nèi)存挎塌。
3. 碎片問題(外碎片)徘六，內(nèi)存利用率不高，受實際內(nèi)存容量限制榴都。

2.分頁式存儲管理

頁是信息的物理單位待锈，進(jìn)行分頁是出于系統(tǒng)管理的需要；段是信息的邏輯單位嘴高，分段是出于用戶的需要竿音。

基本思想（工作原理）

• 用戶程序劃分

把用戶程序按邏輯頁劃分成大小相等的部分，稱為頁拴驮。從0開始編制頁號春瞬，頁內(nèi)地址是相對于0編址。

• 頁表

OS為每個進(jìn)程建立的一張表套啤，存放在主存的固定區(qū)域中宽气，也有可能放在高速緩沖存儲器，或部分放在主存，部分放在高速緩存中抹竹，最簡單的頁表只包含兩方面的信息：頁號线罕、頁面對應(yīng)的塊號止潮。

• 頁表始址寄存器

用于保存正在運行進(jìn)程的頁表的始址

• 頁表長度寄存器

用于保存正在運行進(jìn)程的頁表的長度

• 邏輯地址：（虛地址）

分頁式存儲管理邏輯地址.png

• 內(nèi)存空間

按頁的大小劃分為大小相等的區(qū)域窃判，稱為內(nèi)存塊（物理頁面，頁框）喇闸。

• 內(nèi)存分配

以頁為單位進(jìn)行分配袄琳，并按進(jìn)程的頁數(shù)多少來分配。邏輯上相鄰的頁燃乍，物理上不一定相鄰唆樊。

缺頁中斷處理

• 在地址映射過程中，在頁表中發(fā)現(xiàn)所要訪問的頁不在內(nèi)存刻蟹，則產(chǎn)生缺頁中斷逗旁。操作系統(tǒng)接到此中斷信號后，就調(diào)出缺頁中斷處理程序舆瘪，根據(jù)頁表中給出的外存地址片效，將該頁調(diào)入內(nèi)存，使作業(yè)繼續(xù)運行下去英古。

• 如果內(nèi)存中有空閑塊淀衣，則分配一頁，將新調(diào)入頁裝入內(nèi)存召调，并修改頁表中相應(yīng)頁表項目的駐留位及相應(yīng)的內(nèi)存塊號膨桥。

• 若此時內(nèi)存中沒有空閑塊，則要淘汰某頁唠叛，若該頁在內(nèi)存期間被修改過只嚣，則要將其寫回外存

頁式存儲管理地址變換過程

頁式存儲管理地址變換過程.png

頁式管理的優(yōu)缺點

優(yōu)點

• 實現(xiàn)了作業(yè)或進(jìn)程的非連續(xù)存放，有效解決了碎片問題艺沼。
• 實現(xiàn)了內(nèi)外存統(tǒng)一管理的虛存方式介牙，用戶可利用的存儲空間大大增加。

缺點

• 硬件開銷加大（地址變換澳厢，缺頁中斷等）环础。
• 增加了系統(tǒng)開銷（缺頁中斷處理）。
• 抖動現(xiàn)象剩拢。
• 每個作業(yè)或進(jìn)程的最后一頁總有一部分空間得不到利用线得。

頁面置換（淘汰）算法

• 理想置換算法—最佳頁面算法（OPT）

淘汰以后不再需要的或最遠(yuǎn)的將來才會用到的頁面。

• 最近未使用頁面置換算法（NRU——Not Recently Used）

選擇在最近一段時間內(nèi)未使用過的一頁并淘汰之徐伐。

• 先進(jìn)先出頁面置換算法（FIFO）

選擇在內(nèi)存中駐留時間最長的頁并淘汰之贯钩。

3.段式存儲管理

基本思想（工作原理）

• 用戶程序劃分

按程序自身的邏輯關(guān)系劃分為若干個程序段，每個程序段都有一個段名，且有一個段號角雷。段號從0開始祸穷，每一段也從0開始編址，段內(nèi)地址是連續(xù)的勺三。

• 邏輯地址

  
  
  

  分段式存儲管理邏輯地址.png

• 內(nèi)存劃分

內(nèi)存空間被動態(tài)的劃分為若干個長度不相同的區(qū)域雷滚，稱為物理段，每個物理段由起始地址和長度確定吗坚。

• 內(nèi)存分配

以段為單位分配內(nèi)存祈远，每一個段在內(nèi)存中占據(jù)連續(xù)空間（內(nèi)存隨機(jī)分割，需要多少分配多少）商源，但各段之間可以不連續(xù)存放车份。

段式虛擬地址是二維的，包括（段號牡彻，段內(nèi)地址）扫沼。

OS為每個段指定一個唯一的段號，段號與段號之間無順序關(guān)系庄吼。

段式地址變換

• 段表

包括段號缎除，段長，段首址霸褒。

• 段表始址寄存器

用于保存正在運行進(jìn)程的段表的始址伴找。

• 段表長度寄存器

用于保存正在運行進(jìn)程的段表的長度。

段式存儲管理地址變換過程.png

段式存儲管理的優(yōu)缺點

優(yōu)點

• 實現(xiàn)了內(nèi)废菱、外存統(tǒng)一管理的虛擬存儲技矮。
• 段長可以動態(tài)增長。
• 便于信息的共享殊轴。

缺點

• 更多的硬件開銷衰倦。
• 出現(xiàn)碎片。
• 段長受內(nèi)存可用區(qū)大小限制旁理。
• 段的置換過程中出現(xiàn)抖動現(xiàn)象樊零。

段式存儲管理、頁式存儲管理的比較

1. 段式存儲管理按程序邏輯結(jié)構(gòu)劃分孽文，頁式存儲管理按內(nèi)驻襟、外存物理結(jié)構(gòu)劃分。
2. 段式存儲管理的程序地址是二維的芋哭，頁式存儲管理的程序地址是一維的沉衣。
3. 段式存儲管理面向用戶，頁式存儲管理面向系統(tǒng)减牺。
4. 段長由用戶決定豌习，可能不相等存谎；頁長由系統(tǒng)決定，一定相等肥隆。

4.段頁式存儲管理

基本思想（工作原理）

在段式存儲管理中結(jié)合分頁式存儲管理技術(shù)既荚，在一個分段內(nèi)劃分頁面，即形成段頁式存儲管理栋艳。具體而言恰聘，將程序按內(nèi)容或過程（函數(shù)）關(guān)系分成段，每個分段有自己的段名嘱巾，每個段再劃分成若干大小相等的頁憨琳；內(nèi)存以與頁相等的大小劃分成若干塊诫钓；用戶程序的一頁裝入到內(nèi)存的一塊中旬昭，如此，一個段可以裝入到若干個不連續(xù)的內(nèi)存塊中菌湃，段的大小不再受內(nèi)存可用的限制了问拘。

段頁式地址空間

段頁式用戶虛擬地址仍然是二維的，按段劃分惧所；地址結(jié)構(gòu)由段號骤坐、段內(nèi)頁號、頁內(nèi)偏移地址組成下愈；用戶使用的仍然是段號和段內(nèi)偏移地址纽绍，由地址變換機(jī)構(gòu)將段內(nèi)偏移地址解釋成頁號和頁內(nèi)偏移地址。

存儲管理中的快表是指聯(lián)想存儲器

顛簸（抖動）

在虛存中势似，頁面在內(nèi)存與外存之間頻繁調(diào)度拌夏，以至于調(diào)度頁面所需時間比進(jìn)程實際運行的時間還多，此時系統(tǒng)效率急劇下降履因，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰障簿。這種現(xiàn)象稱為顛簸或抖動

原因

• 頁面置換算法不合理。
• 分配給進(jìn)程的物理頁面數(shù)太少

局部性原理

程序局部性原理

在一段時間內(nèi)一個程序的執(zhí)行往往呈現(xiàn)出高度的局部性栅迄，表現(xiàn)在時間與空間兩方面

• 時間局部性

一條指令被執(zhí)行了站故，則在不久的將來它可能再被執(zhí)行。

• 空間局部性

若某一存儲單元被使用毅舆，則在一定時間內(nèi)西篓，與該存儲單元相鄰的單元可能被使用。

覆蓋與交換的技術(shù)

交換技術(shù)與覆蓋技術(shù)的共同點

進(jìn)程的程序和數(shù)據(jù)主要放在外存憋活，當(dāng)前需要執(zhí)行的部分放在內(nèi)存岂津，內(nèi)外存之間進(jìn)行信息交換

交換技術(shù)與覆蓋技術(shù)的不同點

與覆蓋技術(shù)相比，交換技術(shù)不要求用戶給出程序段之間的邏輯覆蓋結(jié)構(gòu)余掖，交換發(fā)生在進(jìn)程或作業(yè)之間寸爆，而覆蓋發(fā)生在同一進(jìn)程或作業(yè)內(nèi)礁鲁。覆蓋只能覆蓋那些與覆蓋段無關(guān)的程序段。

文件系統(tǒng)

文件的概念

一組帶標(biāo)識的在邏輯上有完整意義的信息項的序列赁豆，這個標(biāo)識為文件名.

• 信息項

構(gòu)成文件內(nèi)容的基本單位仅醇。

• 長度

單個字節(jié)，或多個字節(jié)魔种。

文件系統(tǒng)的概念

操作系統(tǒng)中統(tǒng)一管理信息資源的一種軟件析二，管理文件的存儲、檢索节预、更新叶摄，提供安全可靠的共享和保護(hù)手段，并且方便用戶使用安拟。

文件的分類

1.按文件性質(zhì)和用途分類

• 系統(tǒng)文件（關(guān)OS及有關(guān)系統(tǒng)所組成文件）
• 用戶文件
• 庫文件（標(biāo)準(zhǔn)子程序及常用應(yīng)用程序組成文件蛤吓，允許用戶使用但不能修改
  ）

2.按信息保存期限分類

• 臨時文件
• 永久文件
• 檔案文件

3.按文件的保護(hù)方式分類

• 只讀文件
• 讀寫文件
• 可執(zhí)行文件

4.按文件的邏輯結(jié)構(gòu)分類

• 流式文件
• 記錄式文件

5.按文件的物理結(jié)構(gòu)分類

• 順序文件
• 鏈接文件
• 索引文件

文件的邏輯結(jié)構(gòu)

指從用戶觀點看到的文件組織形式

流式文件

構(gòu)成文件的基本單位是字符，文件是有邏輯意義的糠赦、無結(jié)構(gòu)的一串字符的集合会傲。

文件：一個無結(jié)構(gòu)字節(jié)序列。

好處：提供很大的靈活性拙泽。

記錄文件

文件是由若干個記錄組成淌山，每個記錄有一個鍵，可按鍵進(jìn)行查找顾瞻。

記錄式文件是有結(jié)構(gòu)的文件泼疑。

文件：一個固定長度記錄的序列，每條記錄有其內(nèi)部結(jié)構(gòu)荷荤。

文件的存取方法

順序存取

最后一次存取總是在前一次存取的基礎(chǔ)上進(jìn)行退渗，不必給出具體的存取位置。

隨機(jī)存取

在請求對某個文件進(jìn)行存取時要指出具體的存取位置（如記錄號梅猿、字符序號等）氓辣。

文件的物理結(jié)構(gòu)

順序結(jié)構(gòu)

文件的信息存放在若干連續(xù)的物理塊中。

優(yōu)點

• 簡單袱蚓。
• 支持順序存取和隨機(jī)存取钞啸。
• 順序存取速度快。
• 所需的磁盤尋道次數(shù)和尋道時間最少喇潘。

缺點

• 文件不能動態(tài)增長体斩。
• 不利于文件插入和刪除。
• 外部碎片問題颖低。

鏈接結(jié)構(gòu)

一個文件的信息存放在若干不連續(xù)的物理塊中絮吵，各塊之間通過指針連接，前一個物理塊指向下一個物理塊忱屑。

優(yōu)點

• 提高了磁盤空間利用率蹬敲，不存在外部碎片問題暇昂。
• 有利于文件插入和刪除。
• 有利于文件動態(tài)擴(kuò)充伴嗡。

缺點

• 存取速度慢急波，不適于隨機(jī)存取。
• 可靠性問題瘪校，如指針出錯澄暮。
• 更多的尋道次數(shù)和尋道時間。
• 鏈接指針占用一定的空間阱扬。

索引結(jié)構(gòu)

一個文件的信息存放在若干不連續(xù)物理塊中泣懊，系統(tǒng)為每個文件建立一個專用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)--索引表，并將這些塊的塊號存放在一個索引表中麻惶。一個索引表就是磁盤塊地址數(shù)組,其中第i個條目指向文件的第i塊馍刮。

優(yōu)點

• 保持了鏈接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，又解決了其缺點用踩。
• 即能順序存取渠退，又能隨機(jī)存取忙迁。
• 滿足了文件動態(tài)增長脐彩、插入刪除的要求。
• 能充分利用外存空間姊扔。

缺點

• 較多的尋道次數(shù)和尋道時間惠奸。
• 索引表本身帶來了系統(tǒng)開銷。

UNIX文件系統(tǒng)采用的是多級索引結(jié)構(gòu)(綜合模式)

• 每個文件的索引表為15個索引項恰梢，每項2個字節(jié)佛南。最前面12項直接登記存放文件信息的物理塊號（直接尋址）。

• 如果文件大于12塊嵌言，則利用第13項指向一個物理塊嗅回，該塊中最多可放256個文件物理塊的塊號（一級索引）。對于更大的文件還可利用第14和第15項作為二級和三級索引摧茴。

  
  
  

  UNIX多級索引結(jié)構(gòu).png

文件目錄

把所有的FCB組織在一起绵载，就構(gòu)成了文件目錄，即文件控制塊的有序集合苛白。

FCB

文件控制塊（File Control Block）：是操作系統(tǒng)為管理文件而設(shè)置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)娃豹，存放了為管理文件所需的所有有關(guān)信息（文件屬性）。文件控制塊是文件存在的標(biāo)志购裙。

多級目錄結(jié)構(gòu)

一級目錄結(jié)構(gòu)

為所有文件建立一個目錄文件（組成一線性表）懂版。

優(yōu)點

簡單，易實現(xiàn)躏率。

缺點

• 限制了用戶對文件的命名疼鸟。
• 文件平均檢索時間長蜒蕾。
• 限制了對文件的共享屉来。

二級目錄結(jié)構(gòu)

為改變一級目錄文件目錄命名沖突，并提高對目錄文件檢索速度而改進(jìn)摹察。

目錄分為兩級

一級稱為主文件目錄，給出用戶名倡鲸，用戶子目錄所在的物理位置供嚎。

二級稱為用戶文件目錄（又稱用戶子目錄），給出該用戶所有文件的FCB峭状。

優(yōu)點

• 解決了文件的重名問題問題 —— 用戶名 | 文件名克滴。
• 查找時間降低。

缺點

增加了系統(tǒng)開銷优床。

多級目錄結(jié)構(gòu)（樹型目錄）

優(yōu)點

• 層次結(jié)構(gòu)清晰劝赔，便于管理和保護(hù)。
• 有利于文件分類胆敞。
• 解決重名問題着帽。
• 提高文件檢索速度。
• 能進(jìn)行存取權(quán)限的控制移层。

缺點

查找一個文件按路徑名逐層檢查仍翰，由于每個文件都放在外存，多次訪盤影響速度观话。

文件的共享

文件的共享是指不同的用戶同時使用一個文件予借。

有三種文件的共享形式

• 文件被多個用戶使用，由存儲權(quán)限控制频蛔。
• 文件被多個程序使用灵迫，但分別使用自己的讀寫指針。
• 文件被多個程序使用晦溪，但共享讀寫指針瀑粥。

文件共享的目的：節(jié)省時間和存儲空間，減少用戶工作量三圆，進(jìn)程間通過文件交換信息狞换。

文件的保護(hù)

文件的保護(hù)是用于提供文件安全性的特定的一種操作系統(tǒng)機(jī)制。

文件系統(tǒng)的安全

確保未經(jīng)授權(quán)的用戶不能存取某些文件嫌术。

安全性的兩個重要方面

• 數(shù)據(jù)丟失哀澈。
• 入侵者。

設(shè)備管理

設(shè)備的分類

1.按功能特性分

• 存儲型設(shè)備
• 輸入輸出型設(shè)備（交互型設(shè)備）
• 數(shù)據(jù)通信設(shè)備

2.按數(shù)據(jù)組織分

• 塊設(shè)備

以數(shù)據(jù)塊為單位存儲度气、傳輸信息割按；傳輸速率較高、可尋址（隨機(jī)讀寫）磷籍。

• 字符設(shè)備

以字符為單位存儲适荣、傳輸信息现柠；傳輸速率低、不可尋址弛矛。

3.按資源分配角度分

• 獨占設(shè)備

在一段時間內(nèi)只能有一個進(jìn)程使用的設(shè)備够吩，一般為低速I/O設(shè)備（如打印機(jī)，磁帶等）丈氓。

• 共享設(shè)備

在一段時間內(nèi)可有多個進(jìn)程共同使用的設(shè)備周循，多個進(jìn)程以交叉的方式來使用設(shè)備，其資源利用率高（如硬盤）万俗。

• 虛設(shè)備

在一類設(shè)備上模擬另一類設(shè)備湾笛，常用共享設(shè)備模擬獨占設(shè)備，用高速設(shè)備模擬低速設(shè)備闰歪，被模擬的設(shè)備稱為虛設(shè)備嚎研。

目的：將慢速的獨占設(shè)備改造成多個用戶可共享的設(shè)備，提高設(shè)備的利用率库倘。（實例：SPOOLing技術(shù)临扮，利用虛設(shè)備技術(shù)——用硬盤模擬輸入輸出設(shè)備）。

設(shè)備管理的功能

設(shè)備管理的主要任務(wù)是控制設(shè)備和CPU之間進(jìn)行I/O操作教翩。

虛擬設(shè)備技術(shù)

是在一類物理設(shè)備上模擬另一類物理設(shè)備的技術(shù)杆勇，是將獨占設(shè)備轉(zhuǎn)換成共享設(shè)備的技術(shù)。

SPOOLing技術(shù)

是一個虛擬設(shè)備迂曲，一個資源轉(zhuǎn)換技術(shù)（用空間靶橱，如輸入，輸出等換取CPU時間）路捧。

解決問題：在進(jìn)程所需物理設(shè)備不存在或被占用時使用該設(shè)備。

設(shè)備獨立性

用戶在編制程序時使用的設(shè)備與實際使用的設(shè)備無關(guān)传黄。

緩沖技術(shù)及緩沖的種類

緩沖技術(shù)的引入

最早引入：CPU與I/O設(shè)備之間凡是數(shù)據(jù)到達(dá)和離去速度不匹配的地方均可采用緩沖技術(shù)杰扫。

目的

• 緩解CPU與I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾。
• 提高CPU與I/O設(shè)備之間的并行性膘掰。
• 減少了I/O設(shè)備對CPU的中斷請求次數(shù)章姓，放寬CPU對中斷響應(yīng)時間的要求。

緩沖區(qū)設(shè)置

• 硬緩沖

由硬件寄存器實現(xiàn)（例如：設(shè)備中設(shè)置的緩沖區(qū)）识埋。

• 軟緩沖

在內(nèi)存中開辟一個空間凡伊，用作緩沖區(qū)。

緩沖區(qū)管理

• 單緩沖

當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出I/O請求時窒舟，操作系統(tǒng)在內(nèi)存的系統(tǒng)空間為該操作分配一個緩沖區(qū)系忙，可以實現(xiàn)預(yù)讀和滯后寫。

• 雙緩沖

可以實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)區(qū)—緩沖區(qū)之間交換數(shù)據(jù)和緩沖區(qū)—外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)的并行惠豺。

• 緩沖池

緩沖區(qū)的設(shè)置可分為單緩沖 银还、雙緩沖风宁、和緩沖池。 其中關(guān)于緩沖池的操作有提取輸入蛹疯、提取輸出戒财、收容輸入和收容輸出。

死鎖

死鎖

一組進(jìn)程中捺弦，每個進(jìn)程都無限等待被該組進(jìn)程中另一進(jìn)程所占有的資源饮寞，因而永遠(yuǎn)無法得到的資源，這種現(xiàn)象稱為進(jìn)程死鎖列吼，這一組進(jìn)程就稱為死鎖進(jìn)程骂际。

產(chǎn)生死鎖的四個必要條件

• 互斥條件
• 不可剝奪條件
• 請求和保持條件
• 循環(huán)等待條件

通道

是一塊能控制一臺或多臺外圍設(shè)備與CPU并行工作的硬件。

原文地址：http://www.iooy.com/Operating-System-Overview