操作系统
简单地梳理一下操作系统课程的脉络，回忆用。
概述
- 特征：并发、共享、虚拟、异步，前二者为最基本
- 目标
- 管理计算机资源
- 为用户提供接口：命令、程序、GUI
- 发展
- 批处理系统
- 分时操作系统
- 实时操作系统
- 网络和分布式操作系统
- 运行机制
- 中断、异常
- 系统调用
- 核心态，用户态
- 体系结构
进程管理
进程
- 概念：程序段、数据段、PCB
- 资源分配和调度的单位
- 状态：创建，就绪，运行，阻塞，结束
- 通信
- PV操作
- 共享存储区
- 消息传递：消息队列（直接），信箱（间接）
- 管道通信
线程
- CPU资源分配的单位
- 不拥有系统资源
- 实现方式：
- 用户级线程
- 内核级线程
- 多线程模型：
- 多对一（用户级） 并发性不高
- 一对一（内核级） 切换开销
- 多对多（折衷） 集两者长处
处理机调度
- 三级调度
- 作业（高级）调度：内存与辅存
- 内存（中级）调度：内存与外存，挂起
- 进程（低级）调度：就绪队列中调度 频率高
- 调度方式
- 非剥夺调度
- 剥夺调度
- 调度指标
- CPU利用率、系统吞吐
- 周转时间、平均周转、带权周转
- 等待时间
- 响应时间
- 调度算法
- 先来先服务FCFS
- 短作业优先：饥饿
- 优先级调度：剥夺非剥夺，静态动态
- 高相应比优先：非抢占式，响应比=(等待+要执行)/要执行
- 时间片轮转
- 多级反馈队列：队列优先级逐级降低，优先级越高时间片越小
进程同步
- 基本概念：临界资源、同步、互斥
- 基本实现方法
- 软件方法
- 硬件方法
- 信号量
- 整型
- 记录型
- signal，wait
- 管程
- 经典同步问题
- 生产者消费者
- 读者写者
- 哲学家进餐
死锁
- 概念
- 产生原因
- 资源竞争、推进顺序非法
- 产生的必要条件及破坏
- 互斥 改造资源为可共享 e.g. spooling技术
- 不可剥夺 按优先级强制剥夺
- 请求并保持 静态分配一次全部分配到位
- 循环等待 顺序资源分配法
- 处理策略
- 预防（破坏四个必要条件）见上
- 避免
- 安全状态与不安全状态
- 银行家算法 Available Max Allocation Need
- 检测与解除
- 资源分配图
- 死锁定理（化简资源分配图）
- 死锁解除：资源剥夺、撤销进程、进程回退法
内存管理
内存管理的功能：内存分配与回收，地址转换，内存空间扩充，存储保护
基本概念
- 程序的执行
- 编译：源代码->目标模块
- 链接：目标模块和库函数->装入模块
- 静态链接：运行前组合
- 转入时动态链接：边装入边链接
- 运行时动态链接：便于实现模块共享
- 装入：装入程序将 装入模块->内存
- 绝对装入：编译时直接确定地址
- 可重定位装入：装入时修改地址，地址变换一次完成，装入后不发生移动
- 动态运行时装入：重定位寄存器；程序可分配到不连续的区域；只装入部分代码即可
- 逻辑地址空间、物理地址空间
- 内存保护
- 上下限寄存器
- 重定位寄存器（物理地址最小值）、界地址寄存器（逻辑地址最大值）
- 覆盖与交换
- 覆盖 仅一道程序，在同一程序中进行
- 交换 不同进程间进行；交换整个程序；与虚拟内存的调入调出不同
- 调入调出
内存分配方式
- 连续分配
- 单一连续分配 系统区，用户区，一道程序
- 固定分区分配 分区大小相等or不等；无外碎片；有内碎片
- 动态分区分配
- 不预先划分内存
- 外碎片无内碎片；紧凑
- 分配算法：首次适应、最佳适应（产生最多的外碎片）、最坏适应、临近适应（循环首次适应）
- 非连续分配
- 基本分页存储管理
- 页面、页面大小
- 地址结构：页号，页内偏移
- 页表：页号->块号
- 地址变换机构
- 快表 TLB
- 多级页表 一级页号；二级页号；页内偏移
- 一维地址空间
- 基本分段存储管理
- 分段：段号，段内偏移
- 段表：段号->段长，段起始地址
- 地址变换机构
- 段的共享与保护 可重入代码；越界保护
- 二维地址空间
- 段页式存储管理方式
- 逻辑地址：段号，页号，页内偏移
- 同一个进程 只有一个段表；可能有多个页表
- 地址变换机构
- 基本分页存储管理
- 有效访存时间 EAT 计算
- 位视图
虚拟内存
- 基本概念
- 传统存储管理：一次性、驻留性
- 局部性原理：时间局部性、空间局部性
- 虚拟存储器：多次行、对换性、虚拟性（逻辑上扩充）
- 实现：请求分页/段/段页存储管理
- 页表，中断机构，地址变换机构
- 请求分页管理
- 页表 加入 状态位（是否在内存）、修改位、访问字段等
- 缺页中断机构
- 地址变换机构 变换过程
- 页面置换算法
- 最佳置换算法（理想）
- 先进先出
- 最近最久未使用 LRU 需要硬件支持
- 时钟置换算法（二次机会算法）
- 页面分配策略
- 驻留集大小
- 固定分配
- 可变分配全局置换
- 可变分配局部置换
- 调入页面的时机
- 预调页
- 请求调页
- 从何处调入页面
- 对换区
- UNIX 未运行从文件区调入，运行过换出至对换区
- 抖动
- 工作集
- 驻留集大小
文件管理
文件系统
- 文件
- 操作：创建、读写、指针重定位、删除、截断
- 文件指针
- 文件打开计数
- 逻辑结构
- 无结构文件（流式）
- 有结构文件（记录式）
- 顺序
- 索引
- 索引顺序
- 散列文件
- 目录结构
- 文件控制块FCB
- 索引结点
- UNIX 索引节点和FCB
- 目录
- 单级目录
- 两级
- 多级目录（树形目录）
- 无环图目录 （文件共享）
- 文件共享
- 硬链接：索引节点共享 UNIX
- 软连接：符号链接 windows
- 文件保护
- 访问类型 rwx
- 访问控制 用户组
文件系统实现
- 文件系统层次结构
- 目录实现
- 线性列表
- 哈希表
- 文件实现
- 分配方式
- 连续分配：寻道数最小 时间最短；FCB：起始地址，长度
- 链接分配：隐式链接（只能顺序访问盘块 FCB起始和尾巴地址）、显式链接（一张FAT表）
- 索引分配：FCB指索引块
- UNIX 混合索引分配法
- 存储空间管理（空闲块）
- 空闲表法
- 空闲链表法
- 位示图法
- 成组链接法
- 分配方式
磁盘组织与管理
- 磁盘结构：磁头、磁道、扇区、盘面、柱面
- 读写时间：寻道时间（磁臂移动）、延迟时间（旋转）、传输时间
- 磁盘调度算法
- 先来先服务
- 最短寻找时间优先（饥饿）
- 扫描 SCAN LOOK(不到顶部 只到最远的请求处)
- 循环扫描 C-SCAN C-LOOK
- 磁盘管理
- 初始化
- 引导块
- 坏块
I/O管理
概述
- 基本功能
- 隐藏物理设备细节
- 设备无关性
- 提高处理机 IO涉笔的李永利
- 控制IO设备
- 错误处理
- 设备独立性
- 逻辑设备 应用请求逻辑设备名
- 物理设备 执行时系统转换
- 控制设备方法
- 直接IO指令
- 内存映射IO
- IO设备分类
- 速度：低、中、高
- 信息交换单位：块、字符
- 共享属性：独占、共享
控制方式
- 控制方式
- 轮询
- 中断
- 直接访问存储器 DMA
- IO通道
- 中断机制 中断向量表 中断优先级
- DMA 绕过CPU直接在IO和内存间传输
IO内核子系统
- IO调度
- 缓冲
- 匹配速度差异
- 协调数据大小不一致
- cache与缓冲区别 前者是拷贝 后者是唯一副本
- 假脱机SPOOLing
- CPU高速 IO低速
- 输入输出进程，输入输出缓冲区，输入输出井（磁盘），井管理程序
- 独占设备改造为共享设备
- 错误处理 恢复 读写错误；请求失败时候返回错误；出错日志
- IO保护 防止非法命令执行