操作系统概念
操作系统
操作系统的引导
启动计算机时，操作系统的核心程序及其它需 要经常使用的指令就被从硬盘装入内存。操作 系统的核心部分的功能就是管理存储器和其它 设备，维持计算机的时钟，调配计算机的设备、 程序、数据和信息等资源。操作系统的核心部 分是常驻内存的，而其它部分通常存放在硬盘 上，当需要的时候才调入内存。
1) 内存分配
内存分配的主要任务是为每道程序分配一定的 内存空间。为此，操作系统必须记录整个内存 的使用情况，处理用户提出的申请，按照某种 策略实施分配，接收系统或用户释放的内存空 间。
单一连续分区存储 页式存储 段式存储 段页式存储
2)地址映射
用户在编写程序时不可能知道程序运行过程中程序和 数据存放在内存中的具体位置,各程序中用到的其他地 址都分别相对起始地址计算。这样一来，在多道程序 环境下，用户程序中所涉及的相对地址与装入内存后 实际占用的物理地址就不一样。CPU执行用户程序时， 要从内存中取出指令或数据，为此就必须把所用的相 对地址(这种地址称为逻辑地址)转换成内存的实际地 址(这种地址称为物理地址)。这就是操作系统的地址 映射功能(一般需要有硬件支持)。
进程被调度 就绪状态 时间片到 等待事件已发生 阻塞状态 等待某事件发生 执行状态
处理机管理程序功能
作业 调度 进程调度 作业 调度
进入 状态
后备 状态
就绪状态
执行状态
完成 状态
阻塞状态
交通控制
2. 存储管理
存储器资源是计算机系统中最重要的资源之一，而 存储器的容量总是有限的，存储管理的主要目的就 是合理高效地管理和使用存储空间，为多道程序的 运行提供安全可靠的运行环境，合理利用内存的有 限空间来满足各种作业的需求。 存储管理就是对计算机内存的分配、回收、保护和 扩充进行协调管理，随时掌握内存的使用情况，根 据用户的不同请求，按照一定的策略进行存储资源 的分配和回收。同时保证内存中不同程序和数据之 间彼此隔离、互不干扰。并保证数据不被破坏和丢 失。
操作系统概念
实时系统：用于对处理器操作和数据流动有严格时间控制，分硬实时系统和软实时系统。硬实时系统保证关键任务按时完成。软实时系统保证关键任务的优先级要高于其他任务的优先级且在完成之前保持其高优先级
特点：系统分层采用模块化，简化了系统的设计和实现，每层都是利用较低层所提供的功能来实现的，但是对层的仔细认证的定义比较困难，与其他方法相比效率略差。
微内核：将所有非基本部分从内核中移走，并将它们实现为系统程序或用户程序，剩余部分即为微内核。
优点：便于扩充操作系统，具有更好的安全性和可靠性，操作系统很容易从一种硬件平台设计移植到另一种硬件平台设计。
1.操作系统：操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度以及方便用户的程序集合，并充当计算机硬件和计算机用户的中介，控制和协调各用户的应用程序对硬件的使用。
2.DMA（直接内存存取）
3.存储设备层次金字塔：寄存器、高速缓存、主存、电子磁盘、磁盘、光盘、磁带。（都是双向）
4.OS（操作系统）三种基本类型：批处理系统、分时系统、实时系统
批处理系统：脱机输入系统，批量送入执行，自动运行作业表
优点：节省作业装入时间
缺点：CPU经常空闲，人机交互性差
多道程序设计系统：同时在内存中驻留多个程序，当一个进程等待时，系统会自己切换到另一个进程执行。
优点：通过组织作业使CPU中总有一个作业可执行，充分利用CPU
缺点：引起作业调度，CPU调度和内存磁盘管理的问题
PCB：进程控制块，能感知进程的存在，是进程存在的唯一标识。包括许多与一个特定进程相关的相关信息。如进程状态，程序计数器，CPU寄存器，CPU调度信息，内存管理信息。
第三章 计算机操作系统
3.3 进程管理
信号量的使用：
• • • 必须置一次且只能置一次初值 初值不能为负数 只能执行Down、Up操作
用Down、Up操作解决进程间互斥问题
进程 P1 进程 P2 进程 P3 Down(S) Down(S) Down(S) Up(S) Up(S) Up(S)
互斥区
用信号量实现互斥
S的初始值为1 进程 P Down(s) {对共享内存操作} up(s) 进程 Q Down(s) {对共享内存操作} up(s)
3.3 进程管理 3.3.6 进程的同步与互斥
进程的同步就是指相互协作的进程不断调整它们之间的相 对速度，以实现共同有序地推进。 换句话说,在操作系统中，允许多个进程并发运行。然而， 有些进程之间本身存在某种联系，它们在系统中需要一种协作， 以保证进程能正确有序地执行并维护数据的一致性。
例:A、B两进程同步工作如下图（A进程负责从键盘读数据到缓冲区，B进程从缓冲 区取数据并计算。 A进程
• Linux内核源代码情景分析
– 毛德操，胡希明 浙大出版社
• 莱昂斯unix源代码
3.1 操作系统概念及构成 3.1.1 操作系统的概念
操作系统：是管理计算机软硬件资源的程序，同 时它又是用户与计算机硬件的接口。
没有操作系 统，应用软 件如同空中 楼阁，无法 运行。
用户 系统程序和应用程序 操 作 系 统 硬 件 层
用信号量实现互斥解决竞争问题
x, y初始值为10
进程 P: x=x+1 P0. DOWN( S )
S的初始值为1
进程 Q: y=y-1 Q0. DOWN( S )
P1. MOV R0, X
P2. INC R0 P3. MOV X, R0 P4. UP( S ) 此时x=11, y=9
操作系统概念第七版第一部分知识点整理
Cpu 可直接访问
电源+硬盘
每上一层都是下一层的高速缓存
操作系统保持在一套体系中的一致性★
操作系统主要管 内存+磁盘
6. I/O 结构
Synchronous（同步）:CPU 发出 I/0 请求后等待 I/0 完成 会出现等待和阻塞
Asynchronous（异步）：CPU 不用等待 I/O
设备有状态表（state table）——type address state（idle/busy） 由 kernel 管理
Java API
② 参数存在内存中，将地址写入寄存器
③ 压栈（程序）出栈（操作系统）方式
3. 系统调用类型（进程控制 文件管理 设备管理 信息维护 通信）
MS-DOS 执行状态
4. 系统结构 单体结构
多程序
分层方法：易维护 耗费大 微内核：不是完整的操作系统，只是为构建通用操作系统提供基础
好处：便于扩充操作系统 容易从一种硬件平台设计转移到另一种硬件设计平台 安全性和可靠性
定时器（timer）:减到 0 发生中断或归位（周期 timer） 10. 进程管理 内存管理 存储管理（文件系统管理 大容量存储器管理 高速缓存） 保护和
安全。。。。。略
第二章 操作系统结构
1. 操作系统服务： 用户界面：命令解释程序（command-line interface CLI） 图形用户界面（GUI） 程序执行
进程（process）：装入到内存并执行的程序。是资源分配的基本单位，资源面向进
程分配 作业（job）：在外存中的作业池，需要执行的程序 作业调度（job scheduling）:多个作业需要调入内存但没有足够的内存 CPU 调度（CPU scheduling）:在内存中有多个任务同时需要执行 虚拟内存（virtual memory）：存在于外存 但其编制，管理，结构与内存一样。允 许将一个执行的作业不完全放在内存中。通过 I/O 与内存交换。 8. 双重模式操作（dual-mode operation） 用户模式 user mode（1） 内核模式 kernel mode（0） 9. 系统调用（system call）
操作系统概念
操作系统概念操作系统概念1.引言操作系统是计算机系统中最重要的软件之一。
它负责管理和控制计算机的硬件资源，提供用户与计算机之间的接口，同时也执行各种任务调度和资源分配的工作。
本文将介绍操作系统的基本概念和原理。
2.操作系统的定义操作系统是一种系统软件，它是在计算机硬件基础上开发的一层软件，用于管理和控制计算机的各种资源，为用户和应用程序提供一个友好和高效的运行环境。
2.1 操作系统的基本功能2.1.1 进程管理2.1.1.1 进程调度2.1.1.2 进程同步2.1.1.3 进程通信2.1.2 内存管理2.1.2.1 内存分配2.1.2.2 内存释放2.1.2.3 虚拟内存管理2.1.3 文件系统管理2.1.3.1 文件的创建和删除2.1.3.2 文件的读写2.1.3.3 文件的权限管理2.1.4 设备管理2.1.4.1 设备的分配和释放2.1.4.2 设备的驱动程序3.操作系统的主要概念3.1 进程进程是指计算机中执行的一个程序，它包括了程序执行时所需要的资源和上下文信息。
操作系统通过进程管理来对应用程序进行调度和执行，实现多任务的并发执行。
3.2 线程线程是进程的一部分，它是进程中的一个独立的执行单元。
一个进程可以包含多个线程，它们共享进程的资源和上下文信息。
线程可以实现并发执行和多任务的效果。
3.3 内存管理内存管理是指操作系统对计算机的内存空间进行分配和释放的过程。
它负责维护进程之间的内存隔离和保护，以及实现虚拟内存的功能，提供更大的内存空间。
3.4 文件系统文件系统是操作系统用来管理计算机存储设备上的文件和目录的一种机制。
它提供了对文件的创建、读写和删除等操作，以及对文件的权限管理和文件系统的完整性保护。
3.5 设备管理设备管理是指操作系统对计算机设备的管理和控制。
它负责分配和释放设备资源，并提供驱动程序来与计算机设备进行交互和通信。
4.附件本文档涉及的附件一共有X个，包括相关图表、代码示例和参考文献等。
操作系统概念——
操作系统概念——操作系统概念——计算机世界的基石在当今数字化的时代，计算机已经成为我们生活和工作中不可或缺的一部分。
而在计算机系统中，操作系统扮演着至关重要的角色，它就像是一个大管家，默默地管理着计算机的各种资源，为用户和应用程序提供了一个稳定、高效的运行环境。
那么，什么是操作系统呢？简单来说，操作系统是管理计算机硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石。
它负责控制和协调计算机的各个部件，使得计算机能够正常运行，并为用户提供各种服务。
操作系统的首要任务是管理计算机的硬件资源。
这包括中央处理器（CPU）、内存、硬盘、输入输出设备（如键盘、鼠标、显示器、打印机等）。
它需要合理地分配这些资源，确保每个正在运行的程序都能够得到足够的资源来完成其任务，同时避免资源的浪费和冲突。
以 CPU 资源为例，操作系统会通过一种叫做进程调度的机制来决定哪个程序在什么时候使用 CPU。
当多个程序同时需要 CPU 时，操作系统会根据一定的算法，如优先级、时间片轮转等，来安排它们的执行顺序和时间，以保证系统的响应性和公平性。
内存管理也是操作系统的一项关键任务。
计算机的内存是有限的，而操作系统需要确保不同的程序能够安全、有效地使用内存。
它会为每个程序分配内存空间，并在程序不再需要时及时回收这些空间，以防止内存泄漏和浪费。
同时，操作系统还会采用虚拟内存技术，将部分硬盘空间作为内存的扩展，从而让计算机能够运行更大的程序。
除了硬件资源，操作系统还负责管理软件资源。
它提供了一个平台，让各种应用程序能够在上面运行。
操作系统会为应用程序提供一系列的服务和接口，例如文件系统、网络通信、图形用户界面等。
文件系统是操作系统用于管理存储在硬盘等存储设备上的文件和目录的机制。
它使得用户能够方便地创建、读取、写入、删除和组织文件。
用户可以通过直观的文件名和目录结构来访问和操作文件，而无需关心文件在物理存储设备上的具体位置和存储方式。
网络通信功能则让计算机能够与其他计算机进行数据交换和通信。
操作系统概念
第一章五大功能部件：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
操作系统是控制和管理计算机系统内各种硬件和软件资源，有效的组织多道程序运行的系统软件，是用户与计算机之间的接口。
主要功能：存储管理、作业和进程管理、设备管理、文件管理和用户接口服务。
推动发展动力：1硬件技术更新2应用需求扩大。
基本类型：批处理、分时、实时、网络和分布式系统。
批处理流程：1把作业卡片放读卡机，通过SPOOLing输入程序把作业送入后缓存储器2调度程序根据情况和特点和调度原则装入内存准备运行3内存中作业交替执行，完成把结果交给SPOOLing输出程序，收回资源。
特点：多道，成批（优点：利用率高，吞吐量大。
缺点：等待时间长，没交互能力。
操作系统特征：并发、共享、不确定性。
并发：两个或多个活动在同一给定的时间间隔中进行。
共享：资源被多个进程共用。
不确定性：事件发生顺序的不可预测性。
第二章顺序程序活动特点：顺序性（一个结束一个开始）、封闭性（程序本身动作才能改遍程序运行环境）、可再现性（结果与运行的速度无关）。
程序并发执行的特征：失去封闭性、程序与计算不再一一对应、并发程序在执行期间互相制约进程队列描述了对进程控制块的组织方法进程的基本状态:运行状态Running就绪状态Ready阻塞状态Blocked新建状态New 终止状态Terminated进程状态的转换新建—就绪、就绪—运行、运行—阻塞、阻塞—就绪、运行—就绪、运行—终止。
进程控制块Process Control Block，PCB进程组成中最关键部分，其中含有进程的描述信息和控制信息。
作用：每个进程有唯一的进程控制块，操作系统根据PCB对进程实施控制和管理。
进程的动态、并发等特征是利用PCB表现出来的。
PCB是进程存在的唯一标识。
创建新进程的操作：申请空闲的PCB、分配资源、PCB初始化、加到就绪队列。
进程间的相互关系：互斥（各个进程彼此不知道对方的存在，逻辑上没有关系，由于竞争统一资源而发生相互制约）、同步（各个进程不知对方的名字，但通过对某些对象的共同存取来协同完成一项任务）、通信（各个进程可以通过名字彼此之间直接进行通信，交换信息，合作完成一项工作）。
操作系统概念
操作系统概念操作系统是计算机系统中最核心的软件之一，负责管理和控制计算机的硬件资源，并提供用户与计算机之间的接口。
本文将介绍操作系统的概念、组成和功能。
一、概念操作系统是一个软件系统，它是计算机硬件和其他软件之间的桥梁，为用户提供了一个友好的界面，使得用户可以方便地使用计算机。
二、组成操作系统由多个组件组成，包括内核（kernel）、文件系统、设备驱动程序等。
内核是操作系统的核心部分，它负责管理和分配计算机的资源。
文件系统是操作系统用于管理文件和存储设备的组件，它提供了对文件的访问和操作功能。
设备驱动程序是连接硬件设备和操作系统的重要环节，它负责将硬件设备的操作转化为操作系统能够理解的命令。
三、功能1. 管理资源：操作系统负责管理计算机的硬件资源，包括内存、处理器、磁盘等。
它通过分配和调度这些资源，使得多个程序可以同时运行，并且能够有序地访问和利用这些资源。
2. 提供界面：操作系统提供了用户与计算机之间的接口，使得用户可以通过命令行或图形界面与计算机进行交互。
用户可以通过操作系统来执行程序、访问文件、管理设备等。
3. 文件管理：操作系统负责管理计算机的文件系统，使得用户可以方便地存储、查找和操作文件。
它提供了文件的创建、删除、复制、移动等功能，同时还通过权限管理来保护文件的安全性。
4. 进程管理：操作系统管理着计算机上运行的各个进程。
它通过进程调度算法来决定哪些进程优先执行，确保计算机资源的高效利用。
操作系统还提供了进程间通信的机制，使不同进程之间能够相互协作。
5. 设备管理：操作系统管理计算机的硬件设备，包括输入输出设备、网络设备等。
它负责设备驱动程序的加载和管理，以及设备的分配和控制。
6. 安全性管理：操作系统通过访问控制和权限管理来确保计算机系统的安全性。
它对用户进行身份验证，控制用户的访问权限，并监控系统中的异常行为，防止未经授权的访问和恶意攻击。
7. 故障处理：操作系统负责检测和处理计算机系统中的各种故障和异常情况。
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操作系统：是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合.提供一个计算机用户与计算机硬件系统之间的接口，使计算机系统更易于使用，有效地控制和管理计算机系统中的各种硬件和软件资源，使之得到更有效的利用合理地组织计算机系统的工作流程，以改善系统性能（如响应时间、系统吞吐量）。
功能：处理机管理存储器管理设备管理文件管理作业控制
特点：并发，共享，虚拟，不确定
系统调用：也视作同步异常，或trap。
它是某一特定指令执行的结果。
在相同条件下，异常可以重现。
例如内存访问错误、调试指令以及被零除。
（Synchronous exceptions)
进程：进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
进程与程序的区别：
进程是动态的，程序是静态的：程序是有序代码的集合；进程是程序的执行。
通常进程不可在计算机之间迁移；而程序通常对应着文件、静态和可以复制。
进程是暂时的，程序的永久的：进程是一个状态变化的过程，程序可长久保存。
进程与程序的组成不同：进程的组成包括程序、数据和进程控制块（即进程状态信息）。
进程与程序的对应关系：通过多次执行，一个程序可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可包括多个程序。
进程同步：指多个相关进程在执行次序上的协调，用于保证这种关系的相应机制称为同步机制
一次只允许一个进程使用的资源称为临界资源，如打印机变量
每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区
原语：由若干条指令所组成的指令序列，来实现某个特定的操作功能，指令序列执行是连续的，不可分割，是操作系统核心组成部分，必须在管态（内核态）下执行，且常驻内存。
信号量是一种新的变量类型（semaphore）只能通过初始化和两个标准的原语来访问，作为OS核心代码执行，不受进程调度的打断。
P(S) :while S<=0 do skip；S:=S-1；V(S) :S:=S+1；
信号量的使用：必须置一次且只能置一次初值，只能由P、V操作来改变，物理意义：S.value为正时表示资源的个数，S.value为负时表示等待进程的个数，P操作分配资源，V操作释放资源。
管程是管理进程间同步的机制，它保证进程互斥地访问共享变量，并方便地阻塞和唤醒进程。
管程可以函数库的形式实现。
相比之下，管程比信号量好控制。
一个管程定义了一个数据结构和能为并发进程所执行（在该数据结构上）的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中的数据。
线程：进程中的一个实体，是一个CPU调度和分派的单位。
基本上不拥有资源，只有必不可少的少量资源。
可以与其他同进程的线程共享进程拥有的所有资源
死锁的定义一组并发进程彼此等待对方所拥有的资源，且这些并发进程在得到对方的资源之前不会释放自己所拥有的资源，从而造成无休止的等待而不能继续向前推进的状态，称为进程死锁，这一组进程就称为死锁进程。
死锁发生条件： 1.互斥：任一时刻只允许一个进程使用资源2.请求和保持：进程在请求其余资源时，不主动释放已经占用的资源3.不剥夺：进程已经占用的资源，不会被强制剥夺4.环路等待：环路中的每一条边是进程在请求另一进程已经占有的资源。
死锁的预防：破坏必要条件
重定位：把装入模块中的相对地址转换为绝对地址的过程称为重定位–静态重定位：地址变换只是在装入时一次完成，以后不再改变，即由装入程序负责完成–动态重定位：地址变换推迟到程序要真正运行时进行，既由地址变换机构负责完成
地址变换机构：实现逻辑地址到物理地址的转换机构
虚拟存储器：具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储器系统
地址空间：源程序经过编译后得到的目标程序，存在于它所限定的地址范围内，这个范围称
为地址空间。
简言之，地址空间是逻辑地址的集合
存储空间：存储空间是指主存中一系列存储信息的物理单元的集合，这些单元的编号称为物
理地址或绝对地址。
简言之，存储空间是物理地址的集合
工作集：在某段时间间隔里，进程实际要访问的页面集合局部性原理:指程序在执行过程中的一个较短时期，所执行的指令地址和指令的操作数地址，分别局限于一定区域。
还可以表现为：•时间局部性，即一条指令的一次执行和下次执行，一个数据的一次访问和下次访问都集中在一个较短时期内；•空间局部性，即当前指令和邻近的几条指令，当前访问的数据和邻近的数据都集中在一个较小区域内。
文件：具有文件名的一组相关信息的集合,结构文件（记录集合）,无结构文件（字符流）
数据项：基本数据项：字段
组合数据项：由若干个数据项组成
记录:一组相关数据项的集合
文件系统:文件+对文件进行操纵和管理的软件集合+存放文件的介质
文件的组织:•逻辑结构:从用户角度所观察到的文件组织形式(记录式、流式)•物理组织:文件的存储结构,即文件在外存上的存储组织形式（连续、链接、索引）
目录的作用、内容、结构:文件目录的内容主要是文件访问和控制的信息,文件的共享、保护、保密
文件控制块,基本信息文件名：字符串，通常在不同系统中允许不同的最大长度。
可以修改。
物理位置•文件逻辑结构：有/无结构（记录文件，流式文件）•文件物理结构（如顺序，索引等）访问控制信息,文件所有者（属主）：通常是创建文件的用户，或者改变已
有文件的属主；•访问权限（控制各用户可使用的访问方式）：如读、写、执
行、删除等；使用信息：创建时间；上一次修改时间；当前使用信息。
快表：存在于地址变换机构中的一个由高速寄存器组成的小容量的联想寄存器，构成的一张表。
设备无关性：程序可以通过一组统一的操作过程来操作设备，这种操作接口与具体的设备无关。
临界资源：某段时间内只允许一个进程使用的资源。
进程是程序的一次执行。
进程由“进程控制块+程序+数据”构成，用进程控制块描述进程。
死锁：两个以上的进程相互等待一个永远不可能发生的条件，这种僵持的局面成为死锁。
死锁产生的必要条件：互斥条件；不剥夺条件；请求和保持条件；循环等待条件。
尽管产生了中断源和发出了中断请求，但CPU内部的处理机状态字的中断允许位已被清除，从而不允许CPU响应中断，这种情况称为关中断。
CPU禁止中断后只有等到处理机状态字的中断允许位被重新设置后才能接收中断，处理机状态位的设置被称为开中断。
先进先出(FIFO)；
最近最少使用淘汰算法(LRU)；
最近不经常使用淘汰算法(LFU)；
最优算法(OPT)
1、并行：指多个任务在多个处理机上正在同时运行。
并发：指多个任务在单处理机下分时运行。
3、系统调用：在操作系统核心设置的一组用于实现各种系统功能的子程序（过程）。
4、进程互斥：指在多道程序环境中，每次只允许一个进程对临界资源进行访问。
5、中断屏蔽：指在中断请求产生之后，系统用软件方式有选择地封锁部分中断而允许其余部分的中断仍能得到响应。
1、缓冲区是使用专用硬件缓冲器或在内存中划出一个区域用来暂时存放输入/输出数据的地方。
引入缓冲是为了匹配外设和CPU之间的处理速度，减少中断次数和CPU的中断处理时间。
3、DMA方式与中断方式的不同点：
1) 中断方式在每个数据传送完后中断CPU，而DMA方式则是在所要求传送的一批数据全部传送结束时中断CPU；
2) 中断方式的数据传送是在中断处理时由CPU控制完成，而DMA方式则是在DMA控制器的控制下完成。
4、所谓重定位是把作业的地址空间中的相对地址转换成内存空间的物理地址的调整过程。
在程序实际运行前，由操作系统把程序在内存的开始地址送入重定位寄存器；在程序运行期间，凡遇到访问内存的操作，就由硬件机制自动把用户程序的相对地址加上重定位寄存器的内容，相加之和就是实际访问内存的有效地址。