操作系统知识点整理

《操作系统》知识点总结

Chap 1

1. What is an Operating System

(OS 运行在内核态的软件)

an operating system is as an extended machine and a resource manager

2. The program that users interact with, usually called the shell when it is text based and the GUI (Graphical User Interface).

3. Most computers have two modes of operation: kernel mode and user mode. The operating system is the most fundamental piece of soft-ware and runs in kernel mode (also called supervisor mode).In this mode it has complete access to all the hardware and can execute any instruction the machine is capable of executing. The rest of the software runs in user mode, in which only a subset of the machine instructions is available.

内核态中，OS拥有对所有的硬件的完全访问权，可以执行机器能够运行的任何指令。软件的其余部分运行在用户态下，只使用了机器指令中的一个子集。

4. To obtain services from the operating system, a user program must make a system call, which traps into the kernel and invokes the operating system.

Chap 2: Processes and Threads

Process

1. A process is just an executing program, including the current values of the

program counter, registers and variables.

2.进程的三态模型：

1) Running（运行）：该时刻进程实际占有CPU

2) Ready（就绪）：可运行，但因为其他进程正在运行而暂时停止

3) Block（阻塞）：除非某种外部事件发生，否则进程不能运行

3.进程表(process table)：每个进程占有一个进程表项(process entry)（也叫进程

控制块, PCB），该表项包含了进程状态的所有信息

4.CPU利用率

CPU utilization = 1 –pn（n个进程，每个等待io的时间与停留在内存中时间的比为p）

Threads

1. 允许在同一个进程空间中存在多个线程，这些线程之间有较大的独立性

一个进程中所有线程共享的内容（进程的属性）：

每个线程独有的内容：

（每个线程有自己的堆栈）

2. 线程实现的两种方式——用户空间和内核中

①在用户空间中实现线程

内核对线程包一无所知，从内核角度考虑，就是按正常的方式管理，即单线程进程（存在运行时系统）

②在内核中实现线程

在某个线程希望创建一个新线程或撤销一个已有线程时，它进行一个系统调用，这个系统调用通过对线程表的更新完成线程创建和撤销工作。

③混合实现

在此模型中，每个内核级线程有一个可以轮流使用的用户级线程集合。

Inter Process Communication/ IPC

1.Situations like this, where two or more processes are reading or writing some shared data and the final result depends on who runs precisely when（进程运行的精确时序）, are called race conditions.

2. Critical Regions（临界区）

prohibit（阻止）more than one process from reading and writing the shared data at the same time——mutual exclusion（互斥）

That part of the program where the shared memory is accessed is called the critical region or critical section.对共享内存进行访问的程序片段

3. Mutual Exclusion with Busy Waiting忙等待的互斥

1）Disabling Interrupts屏蔽中断

2）Lock Variables锁变量

3）Strict Alternation严格轮换法

4）Peterson's Solution

5）The TSL Instruction TSL指令

a proposal that requires a little help from the hardware. have an instruction like TSL REGISTER,LOCK (Test and Set Lock)

Both Peterson's solution and the solutions using TSL or XCHG are correct, but both

have the defect of requiring busy waiting. In essence, what these solutions do is this: when a process wants to enter its critical region, it checks to see if the entry is allowed. If it is not, the process just sits in a tight loop waiting until it is.

waste CPU time

4.Semaphores信号量

P/V down/up

对一个信号量执行Down操作，检查其值是否大于0，若大于0，其值减去1，若为0，则进程睡眠。Up操作对信号量值加1.若其上有一个或多个进程睡眠，其值仍为0，但唤醒其中一个进程。

信号量实现了同步。信号量full和empty用来保证当缓冲区满时生产者停止，当缓冲区空时消费者停止。

6.Mutexes互斥量

信号量的简化版本。仅适用于管理共享资源或一小段代码。两态：解锁和加锁。不会忙等待。

Mutexes in Pthreads Pthread中的互斥

一些与互斥量相关的pthread调用。除此外，还提供了一种同步机制：condition variables条件变量。互斥量在允许或阻塞对临界区的访问上很有用，条件变量则允许线程由于一些未达到的条件而阻塞。

Answer：C

Answer：B

7. Monitors管程

8.消息传递Message Passing

9.设置屏障Barriers

调度Schedule

1.非抢占式(nonpreemptive)调度算法：挑选一个进程，让该进程运行直至被

阻塞，或者直到该进程自动释放CPU

抢占式(preempive)调度算法：挑选一个进程，并让该进程运行某个固定时段的最大值，如果在该时段结束时，该进程仍然运行，它就被挂起，而调度程序挑选另一个进程运行

2.三级调度：

①long-term schedule（长期调度，又称作业调度）：哪个程序被系统选中并

创建进程运行它

②medium-term schedule（中期调度，又称内存调度）：决定是否将进程调

入内存

③short-term schedule（短期调度，又称CPU调度）：哪个进程获得处理器

资源（通常所说的调度）

3.Throughput吞吐量is the number of jobs per hour that the system completes.

Turnaround周转时间time is the statistically average time from the moment that a batch job is submitted until the moment it is completed.

Average turnaround time/meantime（平均周转时间）：每个进程周转时间的算术平均值

4.批处理系统中的调度Scheduling in Batch Systems

1）First-Come First-Served先来先服务

非抢占式的。有一个就绪进程的单一序列。先来后到依次排队。当前如阻塞，运行下一个。阻塞的变为就绪时，排在队尾等待。

2）Shortest Job First最短作业优先

适用于运行时间可预知的非抢占式。只有在所有作业都可同时运行情况下，平均周转时间最短，该算法最优。

3）Shortest Remaining Time Next最短剩余时间优先

最短作业优先的抢占式版本。调度程序总是选择剩余运行时间最短的进程运行。运行时间已知。新作业来时，整个时间同当前进程的剩余时间作比较，若短，当前进程挂起，运行新进程。

5.交互式系统中的调度Scheduling in Interactive Systems

1）Round-Robin Scheduling轮转调度

抢占式。Each process is assigned a time interval时间段,called its quantum（时间片）,during which it is allowed to run.到时间不完，剥夺CPU分配给下一个进程，当前进程排到队尾。在时间片结束前完了或者阻塞了，CPU立即切换。

2）Priority Scheduling优先级调度

轮转调度暗含假设所有进程同等重要。优先级调度赋予每个进程一个优先级，允许优先级最高的可运行进程先运行。

3）Multiple Queues多级队列

设置优先级类。

ass4）Shortest Process Next最短进程优先

5）Guaranteed Scheduling保证调度

6）Lottery Scheduling彩票调度

7）Fair-Share Scheduling公平分享调度（关注进程的所有者用户）

Chap 3 Memory Management

1.address space（地址空间）：一个进程可以使用的合法地址

(1)动态重定位(dynamic relation)

基址寄存器(base) + 限界寄存器(limit register)

(2) 解决内存过载(memory overload)：

①swapping（对换）：程序完整调入内存运行(entirely)

内存紧缩(memory compact)：swapping creates holes(空闲区), combine them，耗费大量CPU时间（每个进程地址空间都得变）

②virtual memory（虚拟存储器）：使程序只有一部分调入内存的情况下运行

(partially)

2.管理空闲内存

(1) bitmaps（位图）——如图b

memory is divided up into allocation unit (分配单元)

(2) free list（空闲表）：通常用链表实现——如图c

空闲链表为新创建的进程分配空间——空间适配算法

①first fit（首次适配）：每次都从头开始扫描，找到大于等于所需空间的节

点

②next fit（下次适配）：从上次结束的地方开始，而不是每次从头开始

③best fit（最佳适配）：搜索整个链表，找到恰好够用的最小空闲区

④worst fit（最差适配）：总是分配最大的空闲区

⑤quick fit（快速适配）：为那些常用大小的空闲区维护单独的链表

3. 虚拟内存(Virtual memory)

每个程序拥有自己的地址空间，这些空间被分割为许多块，每一块叫做一页或页面。每一页有连续的地址范围。这些页被映射到物理内存，但并不是所有的页都必须在内存中才可运行程序。当程序引用到一部分在物理内存中的地址空间时，由硬件立即执行必要的映射。当程序引用到不在物理内存中的地址空间时，由OS负责将缺失的部分装入物理内存并重新执行失败的指令。

4. 分页(paging)

The virtual address space is divided into fixed-size units called pages（页面）.

The corresponding units in the physical memory are called page frames（页帧）. The pages and page frames are generally the same size.

在有虚拟内存的机上，虚拟地址被送到Memory Management Unit /MMU，内存管理单元上，MMU把虚拟地址映射为物理内存地址。

页面失效(page fault): 调用运行未在内存映射的页面，指令无法执行，页面失效

5. 将虚拟地址映射为物理地址的一般过程为：

a.把虚拟地址划分为两部分：页面号+页内偏移

b.以页面号为索引查找页表，找到该页面对应的页帧号

c.用页帧号替换虚拟地址中的页面号，得到物理地址

若给定虚拟地址为十进制，则：

6.页表项

7.加速分页过程Speeding Up Paging

1）The mapping from virtual address to physical address must be fast.

2）If the virtual address space is large, the page table will be large.

1.Translation Lookaside Buffers转换检测缓冲区

大多数程序总是对少量的页面进行多次的访问。

解决：小型的硬件设备将虚拟地址直接映射到物理地址，不必再访问页表。设备称为TLB (Translation Lookaside Buffer) or sometimes an associative memory 相连存储器，对TLB的管理和失效处理由MMU硬件实现

2．Software TLB Management软件TLB管理：当一个页面访问在内存中不在TLB 中时，产生软失效soft miss，更新一下TLB。当页面不在内存中（当然也不在TLB中），硬失效hard miss。需要一次磁盘存取以装入该页面。

8.针对大内存的页表Page Tables for Large Memories

1.多级页表Multilevel Page Tables

顶级页表二级页表···级别越大，灵活性越高。但超过三级更加复杂。

2.倒排页表Inverted Page Tables

每一个页框有一个表项，而不是前面的每一个虚拟页面有一个表项。存储空间小了，但地址转换很困难。可使用TLB解决两难局面。

9.页面置换算法PAGE REPLACEMENT ALGORITHMS

解决：发生缺页中断时，决定替换哪一页的问题。

1）最优置换算法The Optimal Page Replacement Algorithm

计算机和人一样，希望把不愉快的事情尽可能地往后拖延。

Computers, like people, try to put off unpleasant events for as long as they can.

每个页面有一个标记，标记该页面首次被访问时所要执行的指令数。置换掉标记最大的页面。

该算法唯一的问题就是不可实现。

The only problem with this algorithm is that it is unrealizable.

2）最近未使用页面置换算法The Not Recently Used Page Replacement Algorithm

每个页面两个状态位R访问/M修改。缺页中断时，检查页面的标记位。

4类情况：

Class 0: not referenced, not modified.

Class 1: not referenced, modified.

Class 2: referenced, not modified.

Class 3: referenced, modified.

NRU算法随机从类编号最小的非空类中选择一个页面替换。隐含：淘汰一个没有被访问的已被修改页面比淘汰一个被频繁访问的“干净”页面好。易于理解好实现，性能不是最好但已够用。

3）先进先出页面置换算法The First-In, First-Out (FIFO) Page Replacement Algorithm

OS维护着一个所有当前在内存中的页面的链表，最新进入的表尾，最久进入的在表头。发生缺页中断时，淘汰表头的，把新调入的页面加到表尾。开销较小。但有可能淘汰了常用页面，因此很少用纯粹的该算法。

4）第二次机会页面置换算法The Second-Chance Page Replacement Algorithm 对FIFO做一个修改。检查最老页面的R位，若为0，立刻置换。若为1，R 位清0，将该页面放入链表的尾端，修改装入时间就如刚装入的一样。查看原链表的下一位。该法寻找一个在最近的时间间隔以来未被访问的页面。5）时钟页面置换算法The Clock Page Replacement Algorithm

第二次机会算法要在链表里移动页面，降低效率。该法将所有页面保存在一个类似钟面的环形链表中，一个指针指向最老的页面。发生page fault时，检查当前的，若为0，该位置换新的，指针前移一位。不为0，R位清0，指针前移一位。

6）最近最少使用页面置换算法The Least Recently Used (LRU) Page Replacement Algorithm

缺页中断发生时，置换未使用时间最长的算法。为完全实现，需在内存中维护一个所有页面的链表，表头是最近最多的，表尾是最近最少的。每次访问都必须更新整个链表。费时的操作。

7）工作集页面置换算法The Working Set Page Replacement Algorithm

请求调页demand paging：页面是在需要时被调入的，而不是预先装入的。一个进程当前正在使用的页面的集合称为它的工作集working set。

若每执行几条指令就发生一次缺页中断，称这个程序发生了颠簸thrashing。确保进程运行前，它的工作集就已经在内存中。称为工作集模型working set model。目的在于减少缺页中断率。在进程运行前预先装入其工作集页面称为预先调页prepaging。

8）工作集时钟页面置换算法The WSClock Page Replacement Algorithm

工作集算法是费时的。改进为WSClock。所需的数据结构是以页框为元素的循环表。与前类似。

当R位为1时：把该页面的R位置为0，指针指向下一个页面。R位为0时：如果生存时间大于τ且该页面是干净的，该页面也不在工作集中，（磁盘上有其副本）则申请此页框，并把新页面放在其中。若不干净，为避免写操作的切换，指针继续走。

走了一圈返回起始点：要么至少经历过一次写操作（这时指针仅是寻找干净页面，既已调度写操作，就置换遇到的第一个干净页面），要么没经历过（都在工作集里，随便挑置换一个干净页面。实在没有就置换当前的页面）。

10.分页系统中的设计问题

局部分配策略和全局分配策略Local versus Global Allocation Policies

局部算法可以有效地为每个进程分配固定的内存片段。全局算法在可运行的进程之间动态的分配页框，因此分配给各个进程的页框数是随时间变化的。

Chap 4 : File System

Files are logical units of information created by processes.

文件是进程创建的信息逻辑单元。文件受OS管理。OS中处理文件的部门称为文件系统。

1.文件结构File Structure

字节序列记录序列树

2.文件类型File Types

普通文件Regular files 目录Directories

UNIX还包括字符特殊文件Character special files和块特殊文件Block special files

3.File Access文件存取

早期：顺序存取sequential access 磁带

磁盘：按照关键字key存取。random access files能够以任何次序读取其中字节或记录的文件称之。

4.文件属性File Attributes/ metadata元数据

5.目录

层次目录系统Hierarchical Directory Systems

a tree of directories

路径名Path Names

绝对路径名absolute path name。从根目录到文件的目录组成。第一个字符为分隔符。

相对路径名relative path name。常与工作目录working directory/当前目录current directory一起使用。所有不从根目录开始的路径名都是相对于工作目录的。

‘.’是当前目录，‘..’是其父目录。

目录操作

Link：hard link硬连接。增加了该文件的i节点计数器的计数。

符号连接symbolic link。

6.文件系统的实现FILE SYSTEM IMPLEMENTATION

1）File System Layout文件系统布局

(Sector 0) MBR：主引导记录Master Boot Record。is used to boot the computer。When the computer is booted, the BIOS reads in and executes the MBR. The first thing the MBR program does is locate the active partition活动分区, read in its first block, called the boot block引导块, and execute it. The program in the boot block loadsthe operating system contained in that partition.

2）Implementing Files文件的实现

连续分配Contiguous Allocation

简单高新能。但随时间推移，磁盘会变的零碎。现在应用于CD-ROM和DVD等一次性写光学介质里。

作者的哲学蕴语：

History often repeats itself in computer science as new generations of technology occur. It is thus important to study old systems and ideas that were conceptually clean and simple because they may be applicable to future systems in surprising ways.

链表分配Linked List Allocation

随机存取缓慢

◆在内存中采用表的链表分配Linked List Allocation Using a Table in Memory 取出每个磁盘块的指针字，放在内存的一个表中。如上右图所示。

内存中这样一个表格称为文件分配表FAT (File Allocation Table)。在目录项中只要记录一个整数（起始块号），就可以找到文件的全部块。缺点是必须把整个表都存放在内存中。

◆i节点

最后一个记录各个文件分别包含哪些磁盘块的方法是给每个文件赋予一个称为i 节点（index-node）的数据结构，其中列出了文件属性和文件块的磁盘地址。只有对应的文件打开时，其i节点才在内存中。比FAT占用的空间小，因为表的大小正比于磁盘大小。而i节点需要在内存中有一个数组，大小正比于可能要同时打开的最大文件个数，与磁盘大小无关。

3）共享文件

C的一个文件出现在B的目录下。B的目录与该共享文件的联系称为一个link连接。

文件系统本身是一个Directed Acyclic Graph, or DAG, rather than a tree有向无环图问题：若目录中包含磁盘地址，则连接文件时，C目录的磁盘地址复制到B目录中，若B或C后又加内容，则新的数据块只会列入进行添加工作的目录中。他人哪知？违背共享精神。

方法一：磁盘块不列入目录，列与文件本身无关联的入i节点中。目录指向i节点。硬连接。

方法二：B的目录下建立新一个名为LINK的新文件。它包含了它所连接的文件的路径名。符号连接。当B读该连接文件时，OS根据LINK类型找到连接文件的名字，去读它即可。

均有缺点：硬连接中，见上图4-17。若以后C试图删除这个文件。问题有了。符号连接不会有这样的问题。真正的文件所有者才有一个指向i节点的指针。需要额外开销。

Chap 5: I/O

1.I/O设备大致分为两类：块设备block device（例如磁盘，包含多个可以独立

寻址的数据块）和字符设备character device（例如键盘和打印机，生成或接受字符流）。

2.内存映射I/O

3.中断向量interrupt vector。

精确中断precise interrupt将机器留在一个明确状态的中断上。

四个特性four properties

不满足的叫做imprecise interrupt。

4. A key concept in the design of I/O software is known as device independence.

What it means is that it should be possible to write programs that can access any I/O device without having to specify the device in advance. 可以访问任意设备而无需事先指定设备。

5.I/O方式

1）Programmed I/O程序控制I/O

CPU要不断查询设备以了解它是否就绪。称为轮询polling或忙等待busy waiting。简单低效。

2）Interrupt-Driven I/O中断控制I/O

允许CPU在等待打印机变为就绪的同时做某些其他事情的方式为之。缺点：中断发生在每个字符上。字符好了你发中断就行了。

3）I/O Using DMA使用DMA的I/O

让DMA控制器一次给打印机提供一个字符，不必打扰CPU。将中断次数从打印每个字符一次变为打印每个缓冲区一次。

6.I/O软件层次I/O SOFTWARE LAYERS

中断处理程序设备驱动程序

如何给I/O设备命名是统一接口问题的另一方面。与设备无关的软件负责把符号化的设备名映射到适当的驱动程序上。UNIX中，像/dev/dev0这样的设备名唯一确定了一个特殊文件i节点，这个i节点包含了主设备号major device number，主设备号用于定位相应的驱动程序。i节点还包括次设备号minor device number，作为参数传递给驱动程序，用来确定要读或写的具体单元。所有设备都具有主次设备号，并且所有驱动程序通过主设备号选择驱动程序而得到访问。

I/O系统的层次及每一层的功能

箭头表明控制流。

7.盘DISKS

1）磁盘RAID cd-rom DVD

A device feature that has important implications for the disk driver is the possibility of a controller doing seeks on two or more drives at the same time. These are known as overlapped seeks.重叠寻道。

2）磁盘格式化Disk Formatting

each platter盘片must receive a low-level format低级格式化done by software. The format consists of a series of concentric tracks, each containing some number of sectors扇区, with short gaps间隔between the sectors.

前导码数据ECC/Error Correction Code 纠错码

在设置低级格式时，每个磁道上第0扇区的位置与前一个磁道存在偏移，为柱面斜进cylinder skew。可改进性能，让磁盘在一次连续的操作中读取多个磁道而不丢失数据。

以交错方式对扇区进行编号解决读数据来不及的问题。

无交错单交错双交错

低级格式化后，要分区。逻辑上，每个分区就像是一个独立磁盘。下来，对每一分区进行一次高级格式化high-level format。设置引导块，空闲存储管理，根目录和一个空文件系统。要将一个代码设置在分区表项中，以表明在分区中使用的是哪个文件系统。

3）磁盘臂调度算法Disk Arm Scheduling Algorithms

读或写一个磁盘块需要的时间取决于三个因素：

寻道时间Seek time：将磁盘臂移动到适当的柱面上所需时间

旋转延迟Rotational delay：等待适当扇区旋转到磁头下所需时间实际数据传输时间Actual data transfer time

寻道时间占主导地位。讨论之。

a.First Come First Serve(FCFS) 先来先服务

10+35+20+18+25+3=111

b.Shortest Seek First (SSF)

1+3+7+15+33+2=61

c.The elevator algorithm

1+4+18+2+27+8=60

Chap 6 : Deadlock

1.Both processes are blocked and will remain so for ever. This situation is called a

deadlock.

2.资源RESOURCES

Preemptable Resources 可抢占资源

is one that can be taken away from the process owning it with no ill effects可以从拥有它的进程中抢占而不会产生任何副作用。存储器为例。

Nonpreemptable Resources不可抢占资源

Is one that cannot be taken away from its current owner without causing the computation to fail.在不引起相关的计算失败的情况下，无法把它从占有它的进程处抢占过来。如CD刻录机。

请求资源→使用资源→释放资源

3.INTRODUCTION TO DEADLOCKS

Deadlock can be defined formally as follows:规范定义

A set of processes is deadlocked if each process in the set is waiting for an event that only another process in the set can cause.

如果一个进程集合中的每个进程都在等待只能由该进程集合中的其他进程才能引发的事件，那么，该进程集合就是死锁的。

资源死锁resource deadlock

In most cases, the event that each process is waiting for is the release of some resource currently possessed by another member of the set.

资源死锁的四个必要条件four conditions must hold for there to be a (resource) deadlock：

1）互斥条件。每个资源要么已经分配给了一个进程，要么就是可用的。

2）占有和等待条件。已经得到了某个资源的进程可以再请求新的资源。

3）不可抢占条件。已经分配给一个进程的资源不能强制性的被抢占，它只能被占有它的进程显式的释放。

4）环路等待条件。死锁发生时，系统中一定有由两个或两个以上的进程组成的一条环路，该环路中的每个进程都在等待着下一个进程所占有的资源。

死锁发生时，四个条件全部满足。

4.THE OSTRICH ALGORITHM鸵鸟算法ostrich

5.死锁避免DEADLOCK AVOIDANCE

安全状态和不安全状态Safeand Unsafe States

安全状态：存在一个分配序列使得所有的进程都能完成。

不安全状态：并不是死锁。任何分配资源的序列都无法保证工作的完成。从安全状态出发，系统可以保证所有进程都能完成。从不安全状态出发，不敢保证。银行家算法banker’s algorithm

6.死锁预防DeadlockPrevention

破坏四个条件。

假脱机技术

在开始就请求全部资源

抢占资源

对资源按序编号

7.其他问题

1）两阶段加锁Two-Phase Locking使用场合：数据库系统

2）A给B发消息，阻塞直至B回复。消息丢失，B也阻塞等待。→通信死锁

中断方法：超时。Timeout

3）活锁livelock→Busy waiting (polling) that can lead to livelock.

不管哪一个进程运行，不会有任何进展，但是哪一个进程也没有被阻塞。

4）饥饿Starvation

由于策略，某进程饥饿而死，无限制地推后，尽管它没有阻塞。例如总考虑小的，大的就回饥饿。解决：先来先服务。

Chap 8:多处理机系统Multiple Processor System

1.三种模型

?Share-memory multiprocessor（共享存储器多处理机，简称多处理机）?Message-passing multicomputer（消息传递多计算机，简称多计算机）互连

?Wide area distributed system（广域分布式系统）