手册之操作系统.pdf

操作系统操作系统 目目 录录第一章第一章 操作系统的基础知识操作系统的基础知识.2 1.1 操作系统的基本特征.2 1.2 操作系统的接口.3 1.3 操作系统的用户态和核心态.3 1.4 三种基本操作系统的特性.4 第二章第二章 进程管理进程管理.4 2.1 进程的基本概念.4 2.2 进程的状态及转换.5 2.3 进程同步.8 2.4 进程通信.10 2.5 线程.11 第三章第三章 处理机调度与死锁处理机调度与死锁.12 3.1 处理机调度的基本概念.12 3.2 调度算法.14 3.3 产生死锁的原因和必要条件.15 3.4 死锁的预防和避免.16 3.5 死锁的检测与解除.17 第四章第四章 存储管理存储管理.17 4.1 内存管理概念.17 4.2 程序的装入和链接.18 4.3 连续分配管理方式.18 4.4 非连续分配管理方式.19 4.5 虚拟内存管理.23 4.6 相关概念.25 第五章第五章 文件管理文件管理.26 5.1 文件系统基础.26 5.2 文件系统实现.30 5.3 磁盘组织与管理.32 第六章第六章 设备管理设备管理.34 6.1 I/O 管理概述.34 6.2 I/O 核心子系统.39 第七章第七章 总结总结.44 第一章第一章 操作系统的基础知识操作系统的基础知识 1.1 1.1 操作系统的基本特征操作系统的基本特征 1）并发（最重要的特性）：两个或两个以上的程序在同一时间间隔内得到执行。2）共享：指系统中的资源供内存中的多道程序所共同使用。具体又分为：互斥共享方式，同时访问方式。3）虚拟：指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。4）异步性（不确定性）：多道程序环境下，各个进程是以不可预知的速度执行的，但只要运行环境不变，作业经多次运行都会有相同的结果，这就是进程的异步性。1.21.2 操作系统的接口操作系统的接口 操作系统提供了 3 种类型的接口供用户使用：1）联机命令接口提供一组命令供用户直接或间接操作。根据作业的方式不同，命令接口又分为联机命令接口和脱机命令接口。2）程序接口程序接口由一组系统调用命令组成，提供一组系统调用命令供用户程序使用。3）图形界面接口通过图标、窗口、菜单、对话框及其他元素，和文字组合，在桌面上形成一个直观易懂、使用方便的计算机操作环境。1.3 操作系统的用户态和核心态操作系统的用户态和核心态 用户态（目态）：运行于用户态的代码要受到处理器的诸多检查，它们只能执行用户程序，只能访问映射其地址空间的页表项中规定的在用户态下可访问页面的虚拟地址。核心态（管态）：在处理器的存储保护中，核心态，或者特权态是操作系统内核所运行的模式。运行在该模式的代码，可以无限制地对系统存储、外部设备进行访问。用户态切换到内核态的 3 种方式：1）系统调用。这是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式，用户态进程通过系统调用申请使用操作系统提供的服务程序完成工作。系统调用机制其核心是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现。2）异常。当 CPU 在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如缺页异常。3）外围设备的中断。当外围设备完成用户请求的操作后，会向 CPU 发出相应的中断信号。这时，CPU会暂停执行下一条即将要执行的指令，转而去执行与中断信号对应的中断处理程序。如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。这 3 种方式是系统在运行时由用户态转到内核态的最主要方式。其中，系统调用可以认为是用户进程主动发起的，异常和外围设备中断则是被动的。1.4 三种基本操作系统的特性三种基本操作系统的特性 三种基本操作系统的特性。表 1.1 三种基本操作系统的比较 多路性 独立性 及时性 交互性 可靠性 批处理系统 无 无 差(天,时)差 一般 分时系统 多终端服务 有 好(分,秒)好 可靠 实时系统 多路采集、多路控制 有 最好(ms,s)一般 高度 可靠 第二章第二章 进程管理进程管理2.1 进程的基本概念进程的基本概念 进程概念是操作系统中最基本、最重要的概念之一。（1）进程的定义：进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。（2）进程的特征：结构特征：进程控制块(PCB)+程序+数据=进程实体。动态性：进程是进程实体的一次执行过程，生命周期。动态性是进程最基本的特征。并发性：多个进程实体同存于内存中，且能在一段时间内同时运行。独立性：进程实体是一个能独立运行、独立分配资源和独立接受调度的基本单位。异步性：进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。（3）进程与程序的区别：从结构上看每个进程包含程序段,数据段和 PCB；而程序只是一组有序指令的集合。进程是一个动态的概念，进程的实质是程序的一次执行过程，是动态的；而程序只是一组有序指令的集合，本身并无运动的含义，是静态的。程序可以作为一种软件资料长期存在，而进程是有一定生命期的。程序是永久的，进程是暂时的。并发性。并发性是进程的重要特征，引入进程的目的正是为了使其程序和其它程序并发执行；而程序(没有建立进程)是不能并发执行的。独立性。是指进程是一个能独立运行、独立分配资源和独立调度的基本单位；凡未建立进程的程序，都不能作为一个独立的单位参加运行。进程和程序不一一对应。不同的进程可以包含同一个程序，同一个程序在执行中也可以产生多个进程。2.2 进程的状态及转换进程的状态及转换（1）进程的三种基本状态：就绪状态：进程已获得除 CPU 之外的所有必需的资源，一旦得到 CPU 控制权，立即可以运行。执行状态：进程已获得运行所必需的资源，其程序正在处理机上执行。阻塞状态：正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法执行时，便放弃处理机而处于暂停状态，称该进程处于阻塞状态或等待状态。说明：处于执行状态的进程只能有一个；处于就绪状态和阻塞状态的进程有多个，分别形成就绪队列与阻塞队列。（2）三种基本状态间的转换进程的三种基本状态间可以互相转换，如图 2.1 所示。并发执行进程可以从一种状态转换为另一种状态，三种基本状态可能的转换及其原因如下：就绪状态执行状态。处于就绪状态的进程在进程调度中获得 CPU 后就进入执行状态；执行状态阻塞状态。处于执行状态的进程在执行过程中需要等待某事件（如因 I/O 请求而等待I/O 地完成）的发生，才能继续执行，则进入阻塞状态；执行状态就绪状态。处于执行状态的进程由于分配给它的时间片用完而被暂停执行时，就回到就绪状态；阻塞状态就绪状态。处于阻塞状态的进程在 I/O 等事件完成后重新进入就绪状态等待 CPU 的分配。（3）引入挂起状态后进程的状态及转换当引入挂起状态后，进程的状态及转换变为图 2.2。2.2.1 进程控制块 PCB 就绪阻塞执行时间片完进程调度I/O完成I/O请求图 2.1 进程的三种基本状 态及其转换图 2.2 具有挂起状态的进程状态图执行静止 就绪活动 就绪静止 阻塞活动 阻塞挂起激活挂起请求 I/O 释放激活挂起释放调度挂起时间片完 PCB 是进程存在的唯一标志。（1）PCB 的作用：存放进程管理和控制信息的数据结构称为进程控制块。它是进程管理和控制的最重要的数据结构，在进程创建时，建立 PCB，并伴随进程运行的全过程，直到进程撤消而撤消。（2）PCB 的内容：主要包括四方面的信息。进程标识符：每个进程都必须有一个唯一的标识符。处理机状态：处理机状态信息主要由处理机的各种寄存器中的内容组成。处理机运行时的信息存放在寄存器中，当被中断时这些信息要存放在 PCB 中。进程调度信息：存放与进程调度和对换有关的信息，包括进程当前的状态、优先级、进程调度所需的其他信息、事件。进程控制信息：包括程序和数据的地址、进程同步和通信机制、资源清单、PCB 组成队列所需的链接指针。（3）PCB 的组织方式：链接方式、索引方式。链接方式：是把具有同一状态的 PCB，用其中的链接字链接成一个队列。这种方式可以获得较高的内存利用率。索引方式：对于各种状态的 PCB，先建立相应的索引表，并把各索引表在内存的首地址记录在内存的一些专用单元中，通过索引表来找到某个 PCB。索引方式可以比链接方式更快的找到所需的 PCB。2.2.2 进程控制 进程控制是进程管理中最基本的功能，用于创建和撤销进程并对进程各状态之间的转换进行控制。大多数计算机系统将 CPU 执行状态分为管态和目态。CPU 的状态属于程序状态字 PSW 的一位。CPU 交替执行操作系统程序和用户程序。管态又叫特权态，系统态或核心态。CPU 在管态下可以执行指令系统的全集。通常，操作系统内核在管态下运行。目态又叫常态或用户态。机器处于目态时，程序只能执行非特权指令。用户程序只能在目态下运行，如果用户程序在目态下执行特权指令，硬件将发生中断，由操作系统获得控制，特权指令执行被禁止，这样可以防止用户程序有意或无意的破坏系统。2.2.3 进程的创建（1）进程图：描述进程的家族关系的有向树。（2）引起创建进程的事件：用户登录、作业调度、提供服务、应用请求。（3）进程的创建过程包括以下四个步骤：申请空白 PCB；为新进程分配资源；初始化进程控制块；将新进程插入到就绪队列。2.2.4 进程的终止（1）引起进程终止的事件：正常结束、异常结束、外界干预。（2）进程的终止过程包括以下五个步骤：找出被终止进程的 PCB；若进程状态为运行态，置 CPU 调度标志为真；若其有子孙进程，终止其子孙进程并回收其资源；回收终止进程的资源；回收终止进程的 PCB。2.2.5 进程的阻塞与唤醒（1）引起进程阻塞和唤醒的事件：请求系统服务、启动某种操作、新数据尚未到达、无新工作可做等。（2）进程阻塞过程：调用阻塞原语阻塞自己-将 PCB 中的状态改为阻塞，并加入阻塞队列-转进程调度。（3）进程唤醒过程：把阻塞进程从等待该事件的阻塞队列中移出-置进程状态为就绪态，将 PCB 插入到就绪队列中。2.3 进程同步进程同步 2.3.1 进程同步的基本概念 进程同步的主要任务是使并发执行的诸进程之间能有效地共享资源和相互合作，从而使程序的执行 具有可再现性。（1）进程间两种形式的制约关系间接相互制约关系（源于资源共享）和直接相互制约关系（源于进程合作）。（2）临界资源：一次仅允许一个进程访问的资源称为临界资源，例如打印机、公共变量等。对临界资源要采用互斥访问方式。每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。访问临界区的程序设计为以下模式：（3）进程互斥：两进程不能同时进入同一临界资源的临界区，称为进程互斥。（4）进程同步：某进程未获得合作进程发来消息之前该进程等待，消息到来之后方可继续执行的合作关系。（5）进程同步机制:系统用来实现进程间同步与互斥的机制。同步机制应遵循的规则：空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待。2.3.2 信号量机制 信号量机制由“信号量”和“wait 操作（P 操作）、signal 操作(V 操作)”两部分组成，可用来解决进程的互斥与同步。P、V 操作是原子操作，不可中断。（1）整型信号量定义：表示资源的个数的整型量 S。除初始化外，仅能通过以下两个原子操作来访问。（2）记录型信号量 wait(S)（P 操作）:While(S=0);S=S-1;signal(S)（V 操作）:S=S+1;对要访问的临界资源进行检查，若此刻未被访问，设正在访问的标志 进入区 访问临界资源 临界区 将正在访问的标志恢复为未被访问的标志 退出区 其余部分 剩余区 定义：在记录型信号量中，引入了代表资源数目的整型变量 value 和用于链接所有等待该资源的进程链表 L，记录型数据结构如下所示：Typedef struct int value;Queue L;semaphore;若有 semaphore S;相应的 wait(S)和 signal(S)操作可描述为：