1 操作系统引论

1.1.2 操作系统的作用

  1. 用户与计算机之间的接口
    • 也可以说是"向上层提供方便易用的服务"
  2. 系统资源的管理者
  3. 对计算机资源的抽象
    • 也可以说是"最接近硬件的一层软件"

1.2.4 分时系统

操作性较好

1.2.4.1 引入原因

由于以下需求

  • 人机交互

    能够方便地进行独占全机并直接控制，方便进行修改

  • 共享主机 多个用户希望独占全机

1.2.4.2 关键问题

  1. 及时接收

    比如配置多路卡，实现分时多路复用，不停高速扫描所有终端，终端还要配置缓冲区

  2. 及时处理

    用户能及时对自己的作业进行控制运行，采用以下方案

    • 作业直接进入内存
    • 轮转运行，每个任务占用一个时间片(如30ms)

1.2.4.3 特征

  1. 多路性

    允许多个用户共享一台计算机，提高资源利用率降低费用

  2. 独立性

    每个用户互不干扰

  3. 及时性

    用户请求在很短时间内响应

  4. 交互性

    用户通过终端与系统进行广泛的人机对话，可以请求系统提供多方面的服务

1.2.5 实时系统

实时性较好

  • 将时间作为关键参数，它必须对所接收的某些信号做出“及时”或“实时”的反应

  • 与分时系统不同的是需要在规定的时间内完成特定的任务，否则可能会导致系统故障或严重后果

1.2.5.2 任务类型

  1. 周期性和非周期性
    • 按指定周期循环执行
    • 反之，非周期性实时任务无明显的周期性，但都必须联系着一个截止时间(开始/完成截止时间)
  2. 硬实时和软实时
    • 硬实时: 系统必须满足任务对截止时间的要求
    • 软实时: 也联系着一个截止时间，但并不严格

1.3 OS基本特征

  1. 并发
    • 并行是两个或多个事件在同一时刻发生
    • 并发是指在一段时间内宏观上有多个程序在同时运行
  2. 共享
    • 互斥共享
    • 同时共享
  3. 虚拟
    • 时分复用: 令某设备在为一个用户服务的空闲时间转去为其他用户服务
    • 空分复用: 例:利用存储器的空闲空间来存放其他程序以提高内存的利用率
  4. 异步
    • 进程的执行通常不可能“一气呵成”，而是会以“停停走走”的方式运行

1.4.2 操作系统内核

1.4.2.1 支撑功能

  • 中断处理
  • 时钟管理
  • 原语操作

1.4.2.2 资源管理

  • 进程管理
  • 存储器管理
  • 设备管理

1.5 操作系统的主要功能(四大管理功能)

1.5.1 处理机管理功能

  1. 进程控制
  2. 进程同步
  3. 进程通信
  4. 调度

1.5.2 存储器管理功能

  1. 内存分配和回收
  2. 内存保护
  3. 地址映射
  4. 内存扩充

1.5.4 文件管理功能

  1. 文件存储空间管理
  2. 目录管理
  3. 文件的读 / 写管理和保护

1.5.5 接口管理功能(设备管理)

  1. 用户接口
  2. 程序接口

1.6 操作系统的结构

  1. 简单结构
  2. 模块化结构
  3. 分层式结构
  4. 微内核结构
  5. 外核结构

2 进程的描述与控制

2.1.1 前趋图

P40 自己看课本

2.2 进程的描述

进程是动态的，程序是静态的

进程定义: “进程是程序的执行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位”

组成:

  • PCB: 进程存在的唯一标志
  • 程序段
  • 数据段

2.2.2 进程的基本状态和转换

  1. 创建状态: 正在被创建
  2. 就绪: 准备好执行的状态
  3. 执行: 其程序“正在执行”这一状态
  4. 阻塞: 在执行的进程由于发生某事件（如I/O请求、申请缓冲区失败等）而暂时无法继续执行(事件未到来)
    • 阻塞 -> 就绪: 等待事件的到来
  5. 结束状态

转换

flowchart TB
    ready[就绪]
    run[运行]
    block[阻塞]
    create[创建]
    ter[终止]

    create --> | 提交 | ready
    subgraph 调度过程
        direction RL
        ready --> | 调度 | run
        run --> | 超时 | ready
        run --> | 等待事件 | block
        block --> | 事件发生 | ready
    end
    run --> | 撤销 | ter

2.2.4 进程管理中的数据结构(PCB)

2.2.4.2 作用

  • 作为独立运行基本单位的标志
  • 实现间断性运行方式
  • 提供进程管理所需要的信息
  • 提供进程调度所需要的信息
  • 实现与其他进程的同步与通信

2.2.4.3 包含的信息

  1. 进程标识符: 外部(方便访问)或内部
  2. 处理机状态: 寄存器信息等
  3. 进程调度信息: 进程状态，进程优先级，CPU时间，事件(阻塞原因)
  4. 进程控制信息: 程序和数据地址，资源清单等

2.2.4.4 PCB组织方式

  1. 线性: 将PCB全部组织在一张线性表中
  2. 链接: 将相同状态的PCB分别链接成一个队列
  3. 索引: 根据进程状态建立多张索引表，表记录内存中PCB起始地址

2.4.2 消息传递通信的实现方式

2.4.2.1 直接通信

  • 对称寻址

    send(receiver, message)：发送一个消息给接收进程。

    receive(sender, message)：接收发送进程发来的消息。

    一但改变进程名称，就需要检查所有其他进程的定义

  • 非对称

    通过源进程的参数来完成通信，但发送进程仍需命名接收进程

    send(P, message)：发送一个消息给进程P。

    receive(id, message)：接收来自任何进程的消息，id变量可设置为进行通信的发送方进程id或其名字。

2.4.2.2 间接通信(信箱通信)

进程间通信通过某种中间实体(如共享数据结构)实现，实体建立在随机存储器的共享缓冲区上

  • 信箱结构分为信箱头(存放描述信息)和信箱体(存放消息)
  • 通信原语包括
    1. 信箱创建和撤销
    2. 消息发送接收
      • send(mailbox, message)：将一个消息发送到指定信箱。
      • receive(mailbox, message)：从指定信箱中接收一个消息。
  • 信箱类型有
    • 私用: 用户进程创建，进程的一部分
    • 公用: 由OS创建，供给系统中的所有核准进程使用
    • 共享：由某进程创建，须指明它是可共享的，同时须指出共享进程（用户）的名字

2.5 线程

程序执行最小单位(调度基本单位)

P63