軟體設計師25-作業系統
思維導圖，不存在的
作業系統
看圖，其他掠過
1 作業系統定位
2 作業系統作用
- 作為使用者和計算機間的介面
- 作為實現計算機系統資源的管理者
- 實現了對計算機資源的抽象
3 作業系統分類
批處理系統、分時作業系統、實時作業系統、網路作業系統、分散式作業系統
4 作業系統的功能（2.2）
處理機管理功能、儲存器管理功能、裝置管理功能、檔案管理功能、使用者介面
處理機管理
又稱程序管理（4.1）
程序
1 程序概念：程式關於某個資料集合的一次執行過程
2 程序特徵
1）結構：程序控制塊（PCB）+程式+資料=程序實體
2）動態性：程序是實體的一次執行過程，有生命週期
程式是一組有序指令的集合，是靜態的
3 程序的三種基本狀態
就緒態萬事俱備，只欠CPU
執行態正在CPU執行
阻塞態/等待態 正執行的程序由於發生某事而無法執行
4 程序的互斥與同步
1）程序制約關係
間接相互制約關係--資源共享(臨界/獨佔資源，如印表機)
直接相互制約關係--程序合作（訪問同一變數，如倉庫的賣生產者和消費者）
5 臨界資源
1） 臨界資源 ：把一段時間內只允許一個程序訪問的資源稱為臨界資源或獨佔資源
2） 臨界區：每個程序中訪問臨界資源的那段程式碼
訊號量
6 訊號量機制
1）訊號量使所有的程序互斥的訪問臨界資源
2）訊號量是當前可使用資源數（大於零時），小於零阻塞
7 訊號量的應用
1）利用訊號量實現程序互斥
訊號量為資源個數
2）利用訊號量實現前驅關係
- 訊號量0
- 程序p1在p2前執行
程序p1 S1; signal(S);V(S) 程序p2 wait(S);P(S) S2;
3） 利用訊號量實現同步
確保存取不同時執行，兩個變數
程序排程
程序排程：決定哪個CPU獲得處理機，所有作業系統都有
8 排程方式
1）非搶佔方式
當前程序完成，才能執行其他程序
簡單、開銷小，僅適合批處理OS
2）搶佔方式
根據某一原則，搶佔正在執行的程序的CPU
搶佔原則：時間片原則、短作業（程序）優先原則、優先權原則
9 排程演算法
1） 先來先服務FCFS
永遠給隊首的作業，利於長作業，不利於短作業
2） 短作業優先SJ（P）F
同一時間誰短誰先來
降低平均等待時間，對長作業不利，未考慮緊迫程度，估計的作業時間（不一定做到短作業優先）
3） 高優先權優先
靜態優先權：建立程序時確定，值越小優先順序越高
動態優先權：建立程序時的優先順序在執行過程中變化
如 高響應比優先演算法
優先權=（等待時間+要求服務時間）
即系統響應時間
/要求服務時間（值越大優先順序越高）等待時間相同，利於短作業；要求服務時間相等，先來先服務；長作業
4） 時間片輪轉
時間片結束，程序未完成置於隊尾；時間片內程序結束或阻塞，CPU切換。
死鎖
10 死鎖概念：執行過程中因爭奪資源而造成的僵局，無外力作用則無法繼續執行
11 死鎖產生原因
1）競爭資源不足
資源分類：
可剝奪性資源：高優先順序程序搶佔，如CPU、主存
不可剝奪性資源：（臨界資源）必須程序用完後才能釋放，如磁帶、印表機
只有不可剝奪性資源才會引起死鎖
2）程序間推進順序非法
12 產生死鎖必要條件
1）互斥條件
程序訪問的是 臨界資源 ，其他程序只能等待當前程序完成
2）請求和保持條件
程序在 請求新資源 的同時， 保持 對已有資源的 佔有
3）不剝奪條件
程序獲得的資源，只能由程序使用完成後 主動釋放
4）環路等待條件
發生死鎖時，必定存在一個程序-資源環（ 互相等待對方資源 ）
13 處理死鎖
1）預防死鎖
事先預防，破壞產生思索的一個或幾個條件（互斥條件除外）
2）避免死鎖
銀行家演算法、採取事先預防的策略，防止系統進入不安全狀態
3）檢測死鎖（檢查）
4）解除死鎖（有則改之）
撤銷或掛起一些程序再將這些程序分配給阻塞狀態的程序
有可能是系統獲得較好的資源利用率和吞吐率，但難度較大
記憶體管理
1 主要指對 記憶體 的管理，負責記憶體分配和回收，記憶體的保護和擴充
2 目的：儘量提高記憶體的使用率
3 分配方式
-
連續的分配方式
使用者程式分配在連續的記憶體空間
1）單一連續分配
DOS 分為作業系統和使用者，且只能分配給一個作業（單使用者單任務）
2）固定分割槽分配
分為作業系統和若干個大小不等的區域（按作業大小分配，每個區域存在浪費（ 內缺陷 ））
3）動態分割槽分配
分為作業系統和使用者區域，來一個劃出一部分空間
首次適應演算法（從低地址開始找能盛下作業的空閒分割槽，劃出）
迴圈首次適應演算法（從上次分配過的地方往下搜尋）
最佳適應演算法（找出與作業差值相差最小的（把分割槽按從小到大的順序排序），太小會無法分配，產生 外缺陷 ）
最壞適應演算法（找出與作業差值相差最大的）
4）可重新定位分割槽分配
把記憶體中所有作業向低地址移動，使他們全部臨界，原來的小分割槽變成大分割槽（拼接）
對換
1 概念：把記憶體中暫時不能執行的程序或暫時不能使用的程式、資料，調到外存，把具備執行條件的從外存呼叫記憶體
2 分類
1 整體對換：整個程序為單位對換
2 頁內對換/分段對換 以頁或段為單位
離散分配方式
允許將一個程序直接分散的裝入許多不相鄰的分割槽中
1 分類
分頁儲存管理方式
1 分頁式儲存管理的原理
頁面
將一個程序分為若干個大小相等的片稱為頁面或頁（暑假數學作業，有5張卷子）；加以編號（從0開始）（分別為數學1、數學2..）；把記憶體空間分配成與頁面相同大小的若干個儲存塊，稱為塊或頁框( 頁和塊大小相同 )（裡面為許多透明袋檔案袋（一個透明袋可以裝一份卷子））
將卷子隨機裝入這些透明袋中（多個不相鄰的物理塊），程序的最後一頁經常裝不滿一塊而形成 頁內碎片
地址變換
實現
頁表 實現了從頁號到物理塊號的地址對映
地址變換機構實現了從邏輯地址到實體地址的轉換
所以實體地址= b x 頁大小/塊大小+頁內地址
具有塊表的地址變換機構
訪問兩次記憶體（訪問頁面，計算實體地址；根據實體地址找資料）
存取器利用率高，CPU處理速度低
分段儲存管理方式
段表 作用類似頁表，區別（組成）： 段號；段在業內中的起始地址；段長
段頁式儲存管理方式
頁面置換演算法
- 最佳置換演算法
效能最好，最難實現：選以後再也不用的或未來最長時間不用的
可以用來衡量其他演算法，與此演算法越接近越好 - 先進先出（ FIFO ）置換演算法 最直觀，效能最差，可能會出現踢出先進（經常使用的頁面）的
- 最近最久未使用（ LRU ）
過去預測未來，為每個頁面增加一個訪問欄位，訪問一次，欄位值加1
裝置管理
I/O系統組成：輸入、輸出裝置；儲存功能的裝置；裝置控制器
1 裝置管理概念
-
裝置管理程式功能
1）提供和程序管理系統的介面
2）進行裝置分配
3）實現裝置和裝置之間、裝置和CPU之間的並行操作
4）進行緩衝區管理
2 I/O控制方式
1）程式I/O方式
2）中斷控制方式
3）直接儲存器訪問（DMA）方式 分塊傳
4）I/O通道（專門小型CPU）控制方式
位元組多路通道 選擇通道 成組多路通道
3 緩衝管理
1）單緩衝 類似 生產者-消費者
2）雙緩衝
要求輸入輸出速度匹配 兩個桶（始終有桶在接水）交替倒水
常用3 4
3）迴圈緩衝
n個大小相同的緩衝區，分為
裝入資料的空緩衝區R 裝滿資料的緩衝區G 正在輸出的緩衝區C(繞成圈)
4）緩衝池
既可輸入又可輸出的公用緩衝池，分為
空緩衝區 裝滿輸入資料的緩衝區 裝滿輸出資料的緩衝區
4 引入緩衝目的
1）緩和CPU與I/O裝置之間的速度不匹配
2）減少CPU的終端頻率，放寬對CPU中斷響應的時間限制
3）提高CPU和I/O裝置之間的並行性
5 裝置分配
1）裝置分配原則
靜態分配 執行前分配好，不會造成死鎖
動態分配 需要時提出申請（按需分配），易造成死鎖
2）裝置分配策略
先請先分配、優先順序高者先分配
磁碟管理
6 磁碟
儲存位置：由柱面號（磁軌號）、盤面號（第幾個磁碟）（磁頭號）、扇區組成
7 磁碟訪問時間（1+2+3）
1）尋道時間Ts：把磁臂從當前位置移到指定磁軌上所經歷的時間
2）旋轉延遲時間Tr：市面流通10000轉/min 7200轉/min 5200轉/min，指定扇區移動到磁頭下面所經歷的時間
1 2 機械結構時間，佔比大；集中有利於減少此時間
3）傳輸時間Tt：資料從磁碟都出或向磁碟寫u他資料所經歷的時間 電氣時間
8 磁碟排程演算法
1）先來先服務（FCFS）
2）最短尋道時間優先SSTF
優先滿足與磁頭最近，會出現 程序飢餓 （離磁頭遠的得不到滿足），平均時間不一定最短
3）掃描（SCAN）演算法（電梯排程演算法）
從初始磁軌開始，向磁軌號遞增方向訪問（上樓）。然後再從大向小（下樓）
錯過電梯，只能等待下來時帶上自己
4）CSAN 迴圈掃描演算法
電梯向上，降到最低，迴圈
9 虛裝置與SPOOLing技術/假離線技術
1）作用：提高I/O速度、將獨佔裝置改為共享裝置、實現了虛擬裝置功能
檔案管理
1 檔案：具有檔名的若干相關元素的集合
2 檔案系統
1）負責管理檔案的系統軟體
2）被管理的物件-檔案
3 檔案的結構
1）檔案的邏輯結構
1 有結構的檔案 由一條條資料構成 包括：順序檔案、索引檔案、索引順序檔案、直接檔案 2 無結構的檔案 由字元流構成（如mp3） 源程式、可執行檔案、庫函式、mp3等，UNIX系統把所有檔案都看作流式檔案
2）檔案的物理結構
磁碟可直接訪問
外存分配方法（一個系統通常只採用一種）：
1 連續分配 順序檔案儲存，每個檔案分配一組相鄰的盤塊，緊湊消除建立刪除善生的碎片 2 連結分配 連結檔案：通過每個盤塊上的連結指標，將一個檔案的多個離散的盤塊連結成一連結串列 缺點：不支援高效存取、FAT佔用記憶體較大 3 索引分配 單級索引 多級索引 混合索引
3 磁碟的空間管理
1）空閒表法 空閒連結串列法
2）位檢視法
用一個位表示磁碟塊的空閒狀態
如 用0表示未使用，1表示已使用
0-31是第一個字
4096/32=128
200 x 1024x1024/1 x 1024 x 32 =6400
3）成組連結法
作業管理
1 作業狀態
批處理型作業經歷：提交 後備 執行 完成
2 排程層次
1）高階排程/作業排程/長程排程
決定後備佇列中哪幾個作業呼叫記憶體，僅用於多道批處理系統，週期最長
2）中級排程/對換排程
提高記憶體利用率和系統吞吐率。將不用的從 記憶體調出外存，用的調回來
3）低階排程/程序排程/短程排程
根據某種演算法，決定就緒佇列中的哪個程序應獲得CPU，分給他，基本排程，應用於所有系統（多道批處理系統、分時、實時），週期最短
3 排程演算法
先來先服務、短作業優先、高優先權優先、高響應比優先
4 使用者介面
作業系統介面：命令介面、程式介面
