第10章 操作系统
10.1 操作系统的角色
- 现代软件（反映了不同的程序设计目的）：即应用软件与系统软件两类。
- 应用软件（application software）:帮助我们解决现实世界问题的程序。
- 系统软件（system software）:管理计算机系统并与硬件进行交互的程序。
- 操作系统（operating system):管理计算机资源并与系统交互提供界面的系统软件。
- 一台计算机通常只有一个活动的操作系统，在系统运行中负责控制工作。
- 任何时候都只有一个操作系统在控制计算机。
- 双引导或多引导系统：计算机可以具备两个或者更多个操作系统，用户在计算机开机时可以选择使用哪个操作系统。
10.1.1 内存、进程与CPU管理
- 多道程序设计（multiprogramming）:同时在主存中驻留多个程序，由它们竞争CPU的技术。
- 内存管理（memory management）:了解主存中载有多少个程序以及它们的位置的动作。
- 进程（process）:程序执行过程中的动态表示法。
- 进程管理（process management）:了解活动进程的信息的动作。
- CPU调度（CPU scheduling）:确定主存中的哪个进程可以访问CPU以便执行的动作。
- 操作系统自身也是必须执行的程序，所以在内存中也要和其他系统软件及应用程序一起管理和维护OS进程。
- 执行OS的CPU就是执行其他程序的CPU，因此也要把OS进程排入竞争CPU的队列中。
10.1.2 批处理
- 作业：程序和系统指令集合在一起。
- 一个分批包含一组需要相同或相似资源的作业，这样操作员就不必反复地载入和准备相同的资源。
- 现代操作系统中的批处理概念允许用户把一组OS命令定义为一个批文件，以控制一个大型程序或一组交互程序的处理。
10.1.3 分时
- 分时（timesharing）:多个交互用户同时共享CPU时间的系统。
- 虚拟机（virtual machine）:分时系统创建的每个用户都有专有机器的假象。
- 主机（mainframe）:一个大型的多用户计算机，通常与早期的分时系统相关。
- 哑终端（dumb terminal）:在早期的分时系统中用户用于访问主机的一套显示器和键盘。
- 每个用户由主机上运行的一个登录进程表示。
- CPU时间由所有用户创建的所有进程共享，每个进程将顺次得到一小段CPU时间。
10.1.4 其他OS要素
- 小型机成为分时系统的基础硬件平台。
- 微型机第一次采用单个的集成芯片作为CPU，成为真正可以放在书桌上的计算机，从而引发了个人计算机（PC）的想法。
- 实时系统（real-time system）:应用程序的特性决定了响应时间至关重要的系统。
- 响应时间（response time）:收到信号和生成响应之间的延迟时间。
10.2 内存管理
- 所有程序在执行时都存储在主存中，这些程序引用的数据也都存储在主存中，以便程序能够访问它们。
- 主存可被看作一个大块的连续空间，这些空间被分为8位、16位或32位的组。
- 主存中的每个字节或字有一个对应的地址，这个地址只是一个整数，唯一标识了内存中的一个特定部分。
- 因为多道程序设计环境，操作系统必须采用下列技术：
1.跟踪一个程序驻留在内存的什么位置以及是如何驻留的
2.把逻辑程序地址转换成实际的内存地址 - 逻辑地址（logical address）：对一个存储值的引用，是相对于引用它的程序的。
- 物理地址（physical address）:主存储设备中的真实地址。
- 内存是由特定地址引用的连续的位集合。
- 地址联编（address binding）:逻辑地址和物理地址间的映射。
10.2.1 单块内存管理
- 单块内存管理（single contiguous memory management）:把应用程序载入一段连续的内存区域的内存管理方法。
- 要生成物理地址，只要用逻辑地址加上程序在物理主存中的起始地址即可。
- 只要知道程序的起始地址，就可以把逻辑地址转换成物理地址。
- 单块内存管理法的优点：实现和管理都很简单。
- 单块内存管理法的缺点：大大浪费了内存空间和CPU时间。
10.2.2 分区内存管理
- 一旦多个程序在内存中，操作系统的工作就是确保一个程序不会访问另一个程序的内存空间。
- 固定分区法（fixed-partition technique）:把内存分成特定数目的分区以载入程序的内存管理方法。
- 动态分区法（dynamic-partition technique）:根据容纳程序的需要对内存分区的内存管理方法。
- 基址寄存器（base register）:存法当前分区的起始地址的寄存器。
- 界限寄存器（bounds register）：存法当前分区的长度的寄存器。
- 三种常用的分区选择法：
1.最先匹配， 即把第一个足够容纳程序的分区分配给它。
2.最佳匹配， 即把最小的能够容纳程序的分区分配给它。
3.最差匹配， 即把最大的能够容纳程序的分区分配给它。
10.2.3 页式内存管理
- 页式内存管理法（paged memory technique）:把进程划分为大小固定的页，载入内存时存储在帧中的内存管理方法。
- 帧（frame）:大小固定的一部分主存，用于存放进程页。
- 页（page）：大小固定的一部分进程，存储在内存帧中。
- 页映射表（Page Map Table,PMT）:操作系统用于记录页和帧之间的关系的表。
- 注意：有两种逻辑地址时是无效的，一种是越过了进程的界限，一种是偏移量 大于 帧大小。
- 请求分页（demand paging）：页式内存管理法的扩展，只有当页面被引用（请求）时才会被载入内存。
- 页面交换（page swap）:把一个页面从二级存储设备载入内存，通常会使另一个页面从内存中删除。
- 虚拟内存（virtual memory）:由于整个程序不必同时处于内存而造成的程序大小没有限制的假象。
- 系统颠簸（thrashing）：频繁的页面交换造成的低效处理，会严重降低系统的性能。
10.3 进程管理
10.3.1 进程状态
- 进程状态（proccess state）:在操作系统的管理下，进程历经的概念性阶段。
- 每个状态发生的不同的事情：
1.在创建阶段，将创建一个新进程。
2.在准备就绪状态中，进程没有任何执行障碍。
3.运行状态下的进程是当前CPU执行的进程。
4.等待状态下的进程是当前在等待资源（除了CPU以外的资源）的进程。
5.终止状态下的进程已经完成了它的执行，不再是活动进程。
10.3.2 进程控制块
- 进程控制块（process control block）:操作系统管理进程信息使用的数据结构。
- 通常，每个状态由一个PCB列表表示，处于该状态的每个进程对应一个PCB。
- 上下文切换（context switch）：当一个进程移出CPU，另一个进程取代它时发生的寄存器信息交换。
10.4 CPU调度
- CPU调度：确定把哪个处于准备就绪状态的进程移入运行状态。
- 非抢先调度（nonpreemptive scheduling）:当当前执行的进程自愿放弃了CPU时发生的CPU调度。
- 抢先调度（preemptive scheduling）:当操作系统决定照顾另一个进程而抢占当前执行进程的CPU资源时发生的CPU调度。
- 周转周期（turnaround time）:从进程进入准备就绪状态到它最终完成之间的时间间隔，时评估CPU调度算法的标准。
10.4.1 先到先服务
- 该调度方法是非抢先的。
- 一旦进程获得了CPU的访问权，那么除非它强制请求转入等待状态，否则将一直占用CPU。
10.4.2 最短作业优先
- 最短作业优先CPU调度算法将查看所有处于准备就绪状态的进程，并分派一个具有最短服务时间的。
- 和FCFS一样，它也是非抢先算法。
10.4.3 轮询法
- CPU轮询法将把处理时间平均分配给所有准备就绪的进程。
- 时间片（time slice）:在CPU轮询算法中分配给每个进程的时间量。
- 轮询算法是抢先的。
- 它一般支持所有的作业，被公认为是最公平的算法。
第11章 文件系统和目录
11.1 文件系统
- 磁盘上的数据都存储在文件中，这是在电子媒介上组织的一种机制。
- 文件（file）：数据的有名集合，用于组织二级存储设备。
- 文件系统（file system）:操作系统为它管理的文件提供的逻辑视图。
- 目录（directory）：文件的有名分组。
- 可以把文件看作位序列、字节序列、行序列或记录序列。
11.1.1 文本文件和二进制文件
- 文本文件（text file）:包含字符的文件。
- 二进制文件（binary file）：包含特定格式的数据的文件，要求给位串一个特定的解释。
11.1.2 文件类型
- 文件类型（file type）:文件（如Java程序或Microsoft文档）中存放的关于类型的信息。
- 文件扩展名（file extension）:文件名中说明文件类型的部分。
11.1.3 文件操作
- 在操作系统协助下，可以对文件进行下列操作：
1.创建文件
2.删除文件
3.打开文件
4.关闭文件
5.从文件中读取数据
6.把数据写入文件
7.重定位文件中的当前文件指针
8.把数据附加到文件结尾
9.删减文件（删除它的内容）
10.重命名文件
11.复制文件
11.1.4 文件访问
- 顺序文件访问（sequential file access）：以线性方式访问文件中的数据的方法。
- 直接文件访问（direct file access）:通过指定逻辑记录编号直接访问文件中的数据的方法。
11.1.5 文件保护
- 确保合法的文件访问是操作系统的责任。
11.2 目录
- 大多数操作系统都用文件表示目录。
- 目录文件存放的是关于目录中的其他文件的数据。
11.2.1 目录树
- 目录树（directory tree）:展示文件系统的嵌套目录组织的结构。
- 根目录（root directory）:包含其他所有目录的最高层目录。
- 任何一个目录下的所有文件的名字都必须是唯一的，但不同目录或子目录下的文件则可以是同名的。
- 工作目录（working directory）:当前活动的子目录。
11.2.2 路径名
- 路径（path）：文件或子目录在文件系统中的位置的文本名称。
- 绝对路径（absolute path）:从根目录开始，包括所有后继子目录的路径。
- 相对路径（relative））：从当前工作目录开始的路径。
11.3 磁盘调度
- 磁盘调度（disk scheduling）:决定先满足哪个磁盘I/O请求的操作。
11.3.1 先到先服务磁盘调度法
11.3.2 最短寻道时间优先磁盘调度法
- 这一方法将通过尽可能少的读写头移动满足所有未解决的请求。
11.3.3 SCAN磁盘调度法
- 这种方法只是在磁盘调度法中没有上下移动，而是读写头向轴心移动，然后再向盘片边缘移动，就这样在轴心和盘片边缘之间来回移动
- 这种算法的一些变体能用各种方法提高它的性能。
- 另一种变体则是最小化到轴心和到盘片边缘的移动极限。