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操作系统-速记版（个人幕布导出）

發(fā)布時間：2023/12/16 windows 30 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了操作系统-速记版（个人幕布导出）小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

緒論
- OS硬件模型：馮,諾伊曼模型5部分：內存（MDR和MAR），處理單元（ALU和TEMP），控制單元（PC程序計數器和IR指令寄存器），輸入，輸出
- OS的形成與發(fā)展
  - 手工操作階段
  - 脫機輸入輸出（緩沖區(qū)或者spooling技術）
  - 批處理技術
  - 多道程序設計
- OS基本類型
  - 技術：
    - 單道批處理技術
      - 解決人機矛盾中，CPU和I/O設備不匹配的矛盾中形成的
    - 多道批處理技術
      - 高效利用CPU的資源
      - 特點：多道，宏觀上并行，微觀上串行；
      - 優(yōu)點：資源利用率高，系統(tǒng)吞吐量大；缺點：用戶響應的時間比較長，不提供人機交互能力
  - 批處理OS：用戶脫機使用計算機或者批處理
  - 分時OS：多路性，交互性，獨占性
  - 實時OS：提供及時響應和高可靠性
  - 其他類型OS：嵌入式，集群，網路，分布式OS(統(tǒng)一，共享，透明，自治)
- OS特征
  - 并發(fā)性
  - 共享性（互斥共享和同時訪問）
  - 虛擬性
  - 異步性
- OS分層
  - 內部層次結構
  - 軟件分層
- 操作系統(tǒng)的性能指標：
  - 資源利用率，吞吐量，周轉時間，平均周轉時間
- 進程的處理機制
  - 持續(xù)透明，殺死或重新執(zhí)行；等待或持續(xù)
- 系統(tǒng)調用和函數調用的區(qū)別：
  - 系統(tǒng)調用比函數調用更加安全，但開銷會增加
  - 系統(tǒng)啟動時，堆棧切換和權限的切換，常用調用時無堆棧切換
  - X86中斷處理：iret與ret，retf
    - iret彈出EFI,AGS和SS/ESP
    - ret彈出EIP
    - retf彈出CS（code Segement）與EIP
- OS的體系結構
  - 模塊組合結構
  - 層次結構
  - 微內核結構：適合分布式系統(tǒng)
進程和線程管理（作業(yè)管理，處理器管理）：控制，同步，通信，調度，死鎖
- 進程
  - 定義：執(zhí)行中的文件，即程序和程序運行的狀態(tài)
  - 特點：動態(tài)性，并發(fā)性，獨立性，異步性和結構性
  - 組成：進程控制塊（PCB），程序段和數據段
  - 進程轉換圖（省略）
  - 操作系統(tǒng)的內核功能:中斷，時鐘和原語相關
  - 進程間通信：
    - 共享存儲器系統(tǒng)：內存
    - 消息傳遞系統(tǒng)
      - 定義：以消息為單位，直接利用一組通信命令（原語或者信號量）來實現通信
      - 直接通信：直接把消息發(fā)送給接收進程，接收進程從消息緩存隊列中取得消息
      - 間接通信:發(fā)送給某個中間件實體，類似于程序中的MQ
    - 管道通信系統(tǒng)（pipe）：
      - 類似于一個OS類
      - 特點：半雙工通信，數據只能單向流動，只能存在于子父進程中，如linux的kill命令
      - 只有一個線程時可臨時放棄，進程則不同放棄，原語也不可中斷
      - 特征：
        管程類的數據只能被局限于管程內進行訪問
        進程只有通過調用管程才能
        每次僅允許一個進程在管程內執(zhí)行某個過程
    - 信號量（Semophore）：
      - 信號量是一個計數器，可以用來控制多個進程對共享資源的訪問。它常作為一種鎖機制，防止某進程正在訪問共享資源時，其他進程也訪問該資源。因此，主要作為進程間以及同一進程內不同線程之間的同步手段；
      - OS是管理者，優(yōu)先級高于進程
      - 信號量可表示系統(tǒng)資源二代數量，由Dijsktra提出
      - 主要由一個整型變量(sem)和兩個原子（記錄型信號量）操作
      - P, V->wait(S),signal(S)；表示資源信號量，前者保證互斥，后者保證釋放
      - P過程：
        檢查s.value>=0是否成立
        成立：表示存在該類資源，則將該資源分配給進程，將s.value-1；
        不成立:表示該資源已經分配完畢，進程自我阻塞，放棄處理機；
      - V過程：
        釋放一個資源，執(zhí)行操作s.value+1
        執(zhí)行后，若s.value>0,表示存在該資源；
        s.value<=0表示信號量在等待隊列中，仍然繼續(xù)等待；
      - 實現進程同步：V(s)完成后進行釋放，P(s)檢查是否互斥；
      - 實現進程互斥：在一個進程中先P(s)進行加鎖和進入臨界區(qū)，結束和用V(s)進行釋放相應的資源；
      - 實現前驅關系:用P(s)檢測前者是否已經完成，用V(s)表示前者已經完成；
    - 信號（signal）：與信號配合使用，用于通知接收進程某個事件已經發(fā)生
    - 套接字（socket）：與其他通信機制不同的是，它可用于不同進程間的通信
  - 線程間通信（與同步互斥的方法有交叉）：
    - 鎖機制：
      - 互斥鎖：提供了以排他方式防止數據結構被并發(fā)修改的方法
      - 條件變量：條件變量可以以原子的方式阻塞進程。對條件的測試是在互斥鎖的保護下進行的，條件變量始終與互斥鎖一起使用
      - 讀寫鎖：允許多個線程同時讀共享數據，而對寫操作是互斥的
    - 信號量機制（Semaphone）:包括無線線程信號量和命名線程信號量
    - 信號機制（Signal）類似進程間的信號處理，但是主要用于線程同步，所以線程沒有數據通信機制
- 作業(yè)：計算機完成某項任務而要求計算機所做的工作集合，可由多個進程組成，一般存在于批處理OS
- 線程（多個組成進程）：為了更好使多道程序并發(fā)，共享相同的地址空間。指令執(zhí)行流量最小單位，CPU調度的基本單位。
- 線程與進程的比較
  - 資源
    - 進程是資源分配單位，線程是CPU的調度單位；
    - 進程擁有完整資源平臺，而線程只獨立指令流執(zhí)行的必要資源
  - 調度：三態(tài)狀況幾乎一致
  - 并發(fā)性：線程能減少并發(fā)的時空開銷，共享內存和文件資源，可直接通信。
- 線程的實現方式：
  - 多對多模型（輕量級進程）
    - 優(yōu)點：開發(fā)者能夠創(chuàng)建所用的用戶級線程
    - 舉例：SOLARIS2,IRIX,HP-UX
  - 多對一模型（用戶-線程級）
    - 優(yōu)點：線程在用戶空間進行管理，效率相對較高
    - 缺點：只要一個用戶阻塞則全部阻塞
    - 舉例：POSIX,PTHREDS，Solaris Thread
  - 一對一模型（內核級線程）
    - 優(yōu)點：相對獨立，并發(fā)性好
    - 缺點：創(chuàng)建，終止和切換相對較大，創(chuàng)建用戶線程，同時創(chuàng)建內核線程，以線程為單位耗費更多時間
    - 舉例：Windows，Solaris，Linux
- 不同os對線程的支持：
  - 單進程系統(tǒng)。MSDOS
  - 單進程多線程。PSOS，如路由器
  - 多進程系統(tǒng)。傳統(tǒng)unix
  - 多進程系統(tǒng)。現代UNIX
- 為什么PCB是進程存在的唯一標志？
  - PCB是一個能與其他進程并發(fā)執(zhí)行的數據結構，因此，PCB是為了保證程序的并發(fā)執(zhí)行能力。
- 調度
  - 處理器的三級調度：高級調度（作業(yè)：一組進程）->中級調度（內存管理與擴充）->低級調度（運行頻率很高）
  - 進程切換調度程序SWITCH主要任務：
    - 保存現運行進程的現場信息
    - 就緒隊列中選擇一個在內存且最優(yōu)資格運行的進程，以免使其占用CPU
    - 為新選中的進程恢復現場
  - 調度的基本準則：CPU使用率，吞吐量，周轉時間，等待時間，響應時間
  - 進程調度的方式：搶占式（剝奪），非搶占式（非剝奪）
  - 引起進程調度的原因:
    - 進程結束
    - 因某種原因：如I/O請求，P操作，阻塞原語
    - 執(zhí)行完系統(tǒng)調用等系統(tǒng)程序后返回用戶進程
    - 高優(yōu)先級的進程進入
    - 分時系統(tǒng)中，分配給進程的時間片已用完
  - 帶權周轉時間 = 作業(yè)周轉時間/作業(yè)實際運行時間
  - 典型調度算法：
    - 作業(yè)調度
      - 先來先服務FCFS
      - 短進程優(yōu)先SPN
        優(yōu)點：具有最優(yōu)平均周轉時間
        缺點：可以產生饑餓；預估未來
      - 最高相應比
        相應比 = 作業(yè)響應時間 /估計運行時間
        特點：不可搶占，關注進程的等待時間
      - 優(yōu)先級調度算法
        靜態(tài)優(yōu)先級：按進程類確定，按作業(yè)的資源要求確定，按用戶類型和要求確定
        動態(tài)優(yōu)先級：根據進程占有CPU時間的長短來確定，根據就緒進程等待CPU時間的長短確定
    - 進程調度
      - 時間片輪RR
        時間片：分配處理機資源的時間基本單位
        時間片結束，按FCFS切換到下一個片
        缺點：時間片太長退化成FCFS，時間片太小產生大量切換影響系統(tǒng)的吞吐量，時間片長度合適
      - 多級反饋隊列MFQ
        定義：就緒隊列分成獨立的隊列，每一個隊列一個策略，前臺交互，后臺批量處理
        固定優(yōu)先級：無前臺，無后臺可能會導致饑餓
        時間片輪轉：每個都得到一些隊列分配
      - 公平共享調度 Fair Sharing Schedule
        一些用戶組比其他更重要，保證不重要無法形成壟斷
        未使用按比例，沒有達到資源使用率目標優(yōu)先級更高
    - 處理機調度：
      - 定義：每個處理器運行自己的程序，調度程序對共享資源的訪問需要同步
      - 特點：多個處理機組成，處理機間可以共享
      - 動態(tài)進程分配：
        特點：可以任意分配，共享公共隊列
        缺點：調度開銷
        優(yōu)點：負載均衡
- 同步
  - 定義：不同進程之間存在著相互制約的關系，為了協(xié)調進程之間的相互制約關系，引入了進程同步的概念
  - 并發(fā)進程的正確性：共享性，不確定性，不可重現性，間歇性程序錯誤
  - 臨界資源的訪問過程
    - entry section //進入區(qū)
    - critical section //臨界區(qū)
    - exit section //退出區(qū)
    - reminder section //剩余區(qū)
  - 臨界資源：把一次僅允許一個進程使用的資源
  - 臨界區(qū)：訪問臨界資源的那段程序
  - 同步互斥（互斥鎖）：OS在利用同步機制在并發(fā)的同時，保證一部分是原子操作；
  - 同步互斥應該遵循的原則：空閑讓進，忙則等待，有限等待，讓權等待；
  - 實現臨界區(qū)域互斥的方法：
    - 1.硬件實現方法【中斷屏蔽，硬件指令等方法】
      - 缺點：不滿足讓權等待；
        關閉中斷，進程也無法停止，導致饑餓發(fā)生；
        臨界區(qū)時間太長無法確定中斷所需要的時間，要小心使用；
      - 優(yōu)點：適用于任意數目的進程，不管是單處理機還是多處理機，簡單容易驗證其正確性，可以支持進程內有多個臨界點，只需要給臨界點設置一個布爾變量
    - 2.軟件實現方法【單標算法->雙標算法->雙標后檢查算法->Perterson算法】
      - 單標算法
        缺陷：空閑讓進
        特點：設置一個標志位turn，每次執(zhí)行前檢測
        偽代碼：一個
        while(turn!=0){
        critical section;
        turn = 1;
        }
        
        remainder section
      - 雙標算法
        缺陷：忙則等待，兩個線程可以同時進入
        優(yōu)點：不用交替進入，可持續(xù)使用
        特點：標志位：2個線程設置兩個標志位，執(zhí)行前檢測其他線程標志位，執(zhí)行前將自身設置為true，執(zhí)行完成后將自身設置為false
        偽代碼：Pi
        while(flag[j]){
        flag[i] = true;
        critical section;
        flag[i] = false;
        }
        
        remainder section;
      - 雙標后檢查
        缺陷：有限等待
        特點：將自身標志位設置為true的放在檢測前
        偽代碼：Pi
        flag[i] = true;
        while(flag[j]){
        critical section;
        flag[i] = false;
        }
      - Peterson算法
        結合雙標和單標
        單標用來控制進入turn，雙標用來表示想進入flag[i]
        偽代碼：Pi
        flag[i] = TRUE; turn=j;
        while(flag[j] && turn =j)
        critical section
        flag[i] = false;
        }
        
        remainder section
    - 3.高級抽象方法【信號量，鎖】
      - 信號量（Semophone）：
  - 經典同步問題：
    - 分析進程同步和進程互斥的方法與步驟：
      - 1.關系分析。找出進程數并分析關系，同步，互斥，前驅后進行改寫
      - 2.整理思路。確定PV順序
      - 3設置信號量。根據上面兩步，設置需要的信號量，確定初值，完善整理。
    - 1.生產者-消費者問題
      - 關系分析：生產者與消費者對互斥訪問是互斥關系；生產者生產后，消費者才能消費，是同步關系。
      - 兩個進程：
      - 信號量設置：設置3個信號量。mutex作為互斥信號量,初始為1；full記錄滿緩沖數，初始0；empty記錄對于當前的空緩沖區(qū)，記錄為0，
      - 實現思路:
        生成者：produce->P(empty)->P(mutex)->add data to buffer->V(mutex)->V(full)；
        消費者: P(full)->P(mutex)->get data from buffer ->V(mutex)->V(empty)->consume；
        注意：P（mutex）要緊挨著buffer不然會阻塞；
    - 2.讀者-寫者問題
      - 關系分析：讀者和寫者是互斥的，寫者和讀者也是互斥的，讀者和讀者無同步互斥問題
      - 整理思路: 寫者和任何進程都是互斥的，讀者則會占用一個文件
      - 信號量設置：設置3個信號量。count為計數器，初值為0；mutex為互斥信號量，rw用于保護讀寫互斥訪問。##寫者優(yōu)先##將原來的rw分成兩個信號量wmutex，cmutex，表示正在寫或者等待寫
      - 實現思路：
        讀者優(yōu)先：
        writer:P(rw)->writting->V(rw)
        reader:前半部分是為了檢測并阻止寫進程寫，后半部分是讀完后進行處理
        P(mutex)->P(rw)->count+±>V(mutex)->Reading->P(mutex)->count-- ->V(rw)->V(mutex)
        
        寫者優(yōu)先（公平算法，更安全）：
        reader:P(wmutex)->P(mutex)->count+±>V(mutex)->V(wmutex)->reading->P(mutex)->count-- ->V(mutex)->V(cmutex);
        writer:P(wmutex)->P(mutex)->writting->V(mutex)->V(wmutex);
    - 3.哲學家進餐問題
      - 關系分析：與貪心算法相反，在取筷時獲得互斥信號量
      - 整理思路:如奇數號則先拿左筷子，偶數號則先拿右筷子
      - 信號量設置：設置一組信號量表示筷子chopsticks[i]，和一個取筷子的信號量
      - 實現思路：P（mutex）-> P(chopsticks[i])(左筷子)->P(chopstick[(i+1)%5])（右筷子）->V(mutex)->V(chopsticks[i])->V(chopsticks[(i+1)%5])
    - 4.理發(fā)師問題
      - 關系分析：與生成者和消費者關系類似
      - 整理思路：顧客->若顧客人數大于n+1，則離開，否則等待，找凳子坐下->理發(fā)->離開，等待人數-1
      - 信號量設置：設置mutex為互斥信號量，bchair代表理發(fā)師信號量，wchair代表凳子的信號量，用于同步理發(fā)師與顧客的信號量，ready,finish同步理發(fā)師與顧客的信號量
- 死鎖
  - 原因：
    - 1.系統(tǒng)資源的競爭
    - 2.進程推進順序非法
  - 必要條件：
    - 1.互斥條件
    - 2.不可剝奪條件
    - 3.請求和保持條件
    - 4.循環(huán)等待條件
  - 處理策略：破壞4個必要條件
    - 死鎖預防：一次請求所有資源，資源剝奪，【突發(fā)式處理進程】
    - 死鎖避免：尋找可能安全運行的順序【不必剝奪】
      - 銀行家算法：
        變量:
        Avaliable可利用的最大資源,Max最大需求矩陣,Allocation分配矩陣,Need需求矩陣
        
        核心矩陣：Need[i][j]=Need[i][j]-Allocation[i][j]
        思路：Request<=Need -> Request <=Avaliable -> Avaliable -= Request ;Allocation += Request;Need -= Request -> (安全檢查)->確認分配否則回滾
      - 安全檢查算法：
        思路：Work= Avaliable, Finish = false->Need[i]<Work(確認重新分配)->Finish=true?->安全，不安全
    - 死鎖檢測及解除：定期檢查死鎖是否已經發(fā)生；
      - 死鎖解除：
        1.資源剝奪法。掛起（suspend）某些進程，并搶占其資源
        2.撤銷進程法。強制撤銷部分，甚至全部進程并剝奪其資源
        3.進程回退法。讓一個或多個回退志足以回避死鎖的辦法
存儲器管理（內存管理）：內存分配，保護，和擴充
- 內存管理
  - 內存管理方式：重定位（relocation）,分段（segmention）,分頁（paging）, 虛擬存儲（virtual memory)
- 交換和覆蓋(Swapping & Overlay)：
  - 定義：多道程序環(huán)境用來擴充內存的兩種方法
  - 交換：
    - 主要介于外存和內存之間進行；
    - 把暫時不用的某個程序以及數據部分（或全部）從內存移到外存中去，以便于騰出不必要的內存空間；
    - 不要求程序員給出程序段之間的覆蓋結構，而且交換主要在進程和作業(yè)之間；
    - 打破一個程序一旦進入主存運行直到結束的限制。
  - 覆蓋：
    - 大的程序段進行的一系列覆蓋，每個覆蓋是相對獨立的東西
- 連續(xù)分配的管理方式：
  - 單一連續(xù)分配
    - 特點：適合單道程序，采用覆蓋技術，不需要硬件支持，無法實現多道程序共享內存
    - 優(yōu)點：簡單，無外部碎片，可采用覆蓋技術；【靜態(tài)重定位裝入】
    - 缺點：單用戶，單任務的操作中，內部碎片，存儲器的利用率極低。
  - 固定分區(qū)分配
    - 特點：通常采用靜態(tài)重定位方式裝入內存
    - 劃分分區(qū)的方法：
      - 分區(qū)大小相等。缺乏靈活性，用一臺計算機控制多個相同對象的場合。
      - 分區(qū)大小不等。
    - 內存分配：
      - 分區(qū)號：大小：地址（起始地址）：狀態(tài) = 1：20KB ：100KB：是否分配
  - 動態(tài)分區(qū)分配
    - 特點：用鏈接指針將內存中的空閑分區(qū)鏈接起來，形成空閑分區(qū)鏈塊
    - 分區(qū)鏈頭指針352KB -> 32KB ->520KB
    - 動態(tài)分區(qū)分配算法：
      - 首次適應算法（First Fit）：每次都從最開始進行掃描
        優(yōu)點：簡單，保留了高地址部分大的空閑分區(qū)，無內部碎片
        缺點：外部碎片增加，分配大塊變慢
      - 下次適應（Next Fit）：也叫循環(huán)首次適應算法，下一次尋找分塊自動從上一次結束時進行尋找
        優(yōu)點：分塊分區(qū)更加均勻，減少查找的開銷；
        缺點：導致缺乏大的空閑分區(qū)
      - 最佳適應算法（Best Fit）：先從小到大進行排序再分配
        優(yōu)點：避免大的空閑分配被拆分
        缺點：五拆分難以利用
      - 最差適應算法（Worst Fit）
        優(yōu)點：中等大小分配時效果最好
        缺點：釋放過于緩慢
    - 分區(qū)的回收：在空閑分區(qū)表中檢查是否有相鄰的空閑分區(qū)，如有則合并成一個大的空閑分區(qū)
    - 四種情況：
      - 回收上下鄰接的空閑分區(qū)
      - 回收下一個鏈接的空閑分區(qū)
      - 回收上下鄰接一個空閑分區(qū)
      - 回收不與任何分區(qū)相鄰的分區(qū)
    - 分區(qū)分配的動態(tài)管理：
      - 拼接技術：時機問題
        在某個分區(qū)回收時立即進行拼接，這樣在主體中總是有一個連續(xù)的空閑區(qū)；
        當找不到足夠大的空閑分區(qū)總是滿足作業(yè)要求時進行拼接，這樣可降低拼接的頻率
      - 動態(tài)重定位分區(qū)分配技術
        緊湊（compaction）: 所有的應用程序可動態(tài)重定位，等待狀態(tài)以利用。
        分區(qū)兌換（swapping in/out）：通過搶占并回收等待狀態(tài)進程的分區(qū)，以增大可用內存空間
        優(yōu)點：
        實現了多道程序共用主存；
        管理方案相對簡單，不需要更多時間；
        實現存儲保護的手段比較簡單；
        
        缺點：
        主存利用不夠充分，存在外部碎片；
        無法實現多進程共存存儲器信息；
        無法實現主存的擴充，進程地址空間受實際存儲空間的限制；
- 非連續(xù)分配的設計：分頁和分段
  - 分頁
    - 分頁表存儲管理系統(tǒng)中的邏輯地址：頁號：頁內位移w = P：W
    - 物理地址：Pysical Address = 2^w x P + A(偏移地址)
    - 分頁管理存在的2個問題：
      - 每次訪存都要進行邏輯到物理地址的轉換，過程必須足夠快，否則會降低訪存速度
      - 頁表不能太大，否則內存利用率會降低；
    - 具有塊表地址變換的機構：頁表緩存（TLB，Translation Lookside Buffer）-> 直接頁號和表號的映射
    - 地址變換的過程：
      - \1. LA(CPU)->Page（頁表）->Cache, page與快表中的page進行比較；
      - 2.1 命中->直接形成物理地址PA，存取數據僅一次訪存便可以實現；
      - 2.2 未命中 -> 進入將主存中的頁表存入快表，訪問2次
      - 順序：TLB（LA只負責計算） -> 頁表 ->cahce ->主存
    - 多級的目的在于建立索引，不用浪費主存儲空間去存儲無用的頁表項，也不用盲目地順序式查找頁表。
    - 兩級頁表：為了查詢方便，頂級頁表最多只有一個頁面
    - 分頁為內存提供兩種方式的保護：
      - 地址越界保護
      - 通過頁表訪問信息對內存提供保護
  - 分段
    - 目的：方便編程，信息共享和信息保護；通過指向相同的頁表，可實現內存間的段共享；
    - 段式管理按照用戶進程中的的自然劃分邏輯空間
    - 定義：段號：段內偏移量=S:W;
    - PA=段起始地址+88(A),注意不是W
    - 分段保護和分頁保護類似：
      - 一種是地址越界保護;
      - 另一種是存取控制保護；
      - 環(huán)保護機構（OS處于內核內，APP和S處于中間環(huán)）
    - 分段與分頁的區(qū)別：
      - 分段是信息的物理單位，分頁是信息的邏輯單位；
      - 分段的目的為了更好地滿足用戶的需要；分頁的目的是系統(tǒng)管理所需，為了提高內存；
      - 段的長度不固定，不同的段有不同的段長；頁的大小固定且系統(tǒng)確定；
      - 分段的作業(yè)地址空間是一維的，分頁的地址空間是二維的；
      - 有內部碎片，無外部碎片；無內部碎片，有外部碎片
    - 分段和分頁的優(yōu)點：
      - 便于程序模塊化處理和便于處理變換的DS；
      - 便于動態(tài)鏈接
      - 便于共享分段
      - 可實現虛擬存儲，不受主存容量的控制
      - 無內部碎片
    - 分段和分頁的缺點：
      - 處理機變換地址花費的時間，要為段提供附加存儲空間
      - 減少碎片采用拼接技術；
      - 分段的最大尺寸受到主存可用限制
      - 有外部碎片
  - 段頁式管理
    - 無外部碎片，訪問一次需要經過三次(先獲取段，再獲取頁，再獲取塊)；
    - 段號S：頁號P：頁內偏移；
    - b(塊號) = d（起始頁）+P* 頁表項大小（2^w）,即分段和分頁前兩項的組合；
    - PA = b x 頁表大小L + w；
    - 分頁提高內存利用率，分段反映邏輯利于共享；
    - 優(yōu)點：
      - 分散存儲
      - 內存利用率較高
      - 便于代碼和數據
      - 無外部碎片
    - 缺點 :
      - 訪問效率下降
      - 一次訪問轉換成了三次訪問，有內部碎片
- 程序的局部性原理
  - 時間局部性原理
  - 空間局部性原理
  - 分支局部性原理：一條跳轉指令的兩項執(zhí)行，很可能跳轉到相同的內存位置
- 虛擬內存
  - 原理：
    - 裝載程序時，只將當前指令執(zhí)行需要的頁面或段載入內存；
    - 指令執(zhí)行中時，處理器通知OS將相應頁面或者段保存到虛擬存儲；
  - 特征：多次性，對換性，虛擬性，離散性（程序離散性存儲）
  - 常用技術：請求分頁管理；請求分段管理，請求段頁式管理
  - 需要的硬件支持：
    - 一定容量的內存和外存，頁表機制。作為主要的數據結構；
    - 中斷機構，當用戶程序要訪問的部分未調入內存，則產生中斷；
    - 地址變換機構，邏輯地址到物理地址的變換
- 請求分頁式管理：
  - 定義;頁號:物理塊號:狀態(tài)位P：訪問位A：修改位A：外存地址
    - 頁號:基本定義同基本分頁存儲管理
    - 訪問位A：提供給置換算法
    - 修改位M：頁面修改則不需寫到外存
    - 外存地址：請求分頁系統(tǒng)中的頁表項
  - 缺頁中斷:當訪問的頁面不在內存時，便產生一個缺頁中斷
  - 與一般中斷的兩個明顯區(qū)別：在指令執(zhí)行期間產生和處理中斷信號，屬內部中斷；一條指令在執(zhí)行期間，可能產生多次缺頁中斷。
  - 地址變換機構：
    - 若找到要訪問的頁，便修改頁表項中的訪問位（寫指令則還須重置修改位）；然后利用頁表項中給出的物理塊號和頁內地址形成物理地址；
    - 若未找到該頁的頁表項->內存中查找頁表項-> 對比頁表項中的狀態(tài)位p，看該頁是否已調入內存，未調入則產生缺頁終端，請求外存調入內存中
    - 修改訪問位和修改位進而產生物理地址【地址變換結束】
  - 在何處保存未被映射的頁？
    - 交換空間（文件或磁盤）采用特殊格式存儲未被映射的頁面。
    - 尋址路徑：TLB（Translation Lookaside Buffer，即頁表緩存）->頁表->cache->主存->外存
    - 1.考慮命中率和缺頁率的有效訪問時間的計算
      - 訪問頁在主存且存在塊表中：E=e(查找快表時間)+t（形成物理地址并訪問內存物理數據時間）
      - 訪問頁在主存中（不缺頁）但是不存在于快表當中：EAT=e（快表）+t（頁表）+e（修改）+t（快表
      - 訪問頁表不存在主存中，設缺頁中斷時間為t1：EAT=e（快表）+t（頁表）+e（修改）+t（快表
    - 2.考慮缺頁率和命中率的有效訪問時間的計算
    - EAT=查找快表的時間+a x 形成物理地址并訪問內存數據時間+（1-a）x [查找頁表時間+f x （處理缺頁中斷時間+查找快表時間+形成物理地址并訪問+（1-f）x（修改快表時間+形成物理地址并訪問內存時間））]
    - 處理缺頁中斷時間;t1=p+ta+(1-p)t6;
    - e=0,a=0時，則有效訪問時間為;EAT = t+ f(t1+t)+（1-f）t
    - EAT（有效訪問時間）計算
      - 無快表，訪問內存所需時間t，EAT= t+2t（對應物理地址訪問）；
      - 有快表，設表tlb的查找需要時間e，訪問內存一次需要時間t，命中率為a，則有效訪問時間分別為：查頁表項的平均時間為ea+(t+e)(1-a)；
      - EAT=ea+(t+e)(1-a)+t=2t+e-ta；
  - 請求調換頁功能
  - 頁面置換算法OPT, FIFO, LFU, LRU, CLOCK
    - 評價標準：
      - 盡可能減少頁面的調入次數；
      - 把不再訪問或短期頁面調出；
    - OPT 所淘汰頁面是以后永不使用的或者是長時間不再被訪問的
    - FIFO 優(yōu)先淘汰最早進入內存的頁面，會產生bleady現象
    - LRU 選擇最長時間未被引用的頁面進行置換
    - CLOCK 原理：即最近未使用nru
      - 1.增加訪問位，描述過去的訪問時間；
      - 2.各頁面形成環(huán)鏈表；
      - 3.指針指向最先調入；
      - 簡單clock算法：
        入口->p所指頁面訪問位=0？
        =0，選擇淘汰掉該頁面，后移；
        ！=0 ，將頁面訪問位置換位0，后移；
      - 改進clock算法：
        1.掃描過程中不改變訪問位A,淘汰A=0,M=0;
        2.1不成立，則淘汰A=0,M=1,將所有a置為0
        3.2不成立，將所有a置為0重復
        4種類型頁面：
        a=0,m=0;未被訪問，未被修改
        a=0,m=1;未被訪問，被修改
        a=1,m=0;被訪問，但未被修改
        a=1,m=1;被訪問也被修改
  - 頁面分配策略
    - 物理塊的分配策略：固定的分配局部置換，可變分配全局置換，可變分配局部置換；
    - 頁面調入策略：
      - 請求調頁策略：缺：每次調入一頁，需花費較大的開銷；
      - 預調頁策略：缺：一次性調入多個相鄰頁面無法保證會被訪問到；
    - 從何處調入：
      - 擁有足夠的對換空間：全部從對換區(qū)調入所需頁面
      - 缺少足夠的對換空間：可能被修改的部分，換出時需調至對換區(qū)
      - unix方式：與進程有關的文件放在文件區(qū)，故未運行的應從文件區(qū)調入
- Bleady現象：
  - 產生：缺頁率隨著分配的物理塊數的增加而增加
  - 出現；被歸類為堆棧算法的頁面置換算法不可能出現, 如LRU，OPT
- 抖動
  - 請求分頁系統(tǒng)中的每個進程只能分配所需內存一部分
  - 預防抖動：
    - 局部置換原則
    - 引入工作集算法
      - 工作集原理：當局部隨之穩(wěn)定，工作集頁隨之穩(wěn)定，位置改變，工作集則快速擴大或收縮過渡到另一穩(wěn)定值
      - 調解常駐集
        若進程缺失率過高，常駐集增加；
        若缺失率過低，常駐集減少；
    - l=s準則（產生缺頁平均時間與系統(tǒng)處理頁時間相等），掛起若干進程
  - 缺頁率=所需調入次數[OPT] / 共需要的次數[實際運行狀況]
- 虛擬地址如何轉換為物理地址
  - 1.利用虛擬頁號查找頁表，在TLB中（從前向后取）
    - TLB+頁內偏移->查找data cache
    - TLB形式：虛擬頁號（TLB標記：TLB索引）：頁內
  - 2.利用虛擬頁號查找TLB->頁表
    - 頁表+頁內偏移->查找data cache表
  - 3.除以上兩種產生缺頁中斷
文件管理：文件管理，目錄管理，邏輯結構，操作管理，文件保護
- 文件系統(tǒng)：文件的基礎
  - 有結構的文件：
    - 基本數據項：數據元素+字段
    - 組合數據項：若干基本數據項
  - 無結構的文件（由若干字符組成，可以看作是一個字符流，即流式文件）
  - 文件的分類：
    - 用途;系統(tǒng)文件，庫文件，用戶文件
    - 數據形式：源文件，目標文件，可執(zhí)行文件
    - 文件存取控制：只讀文件，讀寫文件，只執(zhí)行文件
    - 組織形式和處理方式分類：普通文件，目錄文件，特殊文件（系統(tǒng)中的各類I/O設備）
  - 文件的操作：
    - 創(chuàng)建文件，刪除文件，讀文件，寫文件，截斷文件，設置文件的讀寫位置
  - 其他文件操作：
    - 以提供有關文件操作的系統(tǒng)調用
    - 關于目錄
  - 文件邏輯結構
    - 有結構的記錄式文件
      - 順序文件
        串結構;各記錄的順序與關鍵字無關
        順序結構：所有記錄按關鍵字排序，可遞增排列，也可遞減
      - 索引文件
      - 索引順序文件
      - 直接文件和哈希文件
        優(yōu):提高存取速度；
        缺;可以出現沖突；
    - 無結構的流式文件
- 目錄結構
  - 主要功能；
    - 實現按名存取；
    - 提高對目錄的檢索速度；
    - 文件共享；
    - 允許文件重名；
    - FCB（文件控制塊）；
    - 基本信息類；
    - 存取控制信息類；
    - 通用信息類
  - 單級目錄結構：
    - 目錄結構：FCB1:FCB2:FCB3…:FCBn:數據文件；
    - 優(yōu)點：簡單且能實現目錄管理的按名存取的基本功能；
    - 缺點：查找速度慢，不允許重名；不便于實現文件共享；
  - 兩級目錄結構：
    - 建立一個單獨的用戶目錄UFD（User File Directory）,在系統(tǒng)再建立一個文件目錄MFD（Master File Directory）;類似于 windows下的用戶/文檔
    - 優(yōu)點:提高了檢索目錄的速度，可以解決重命名的問題，不同用戶可使用不同的文件夾進行共享內存
    - 缺點：兩級目錄結構缺乏靈活性，不能對文件分類
  - 多級目錄結構：
    - 結構:樹形名+多級目錄
    - 優(yōu)點：就多級目錄與兩級目錄相比而言，其查詢速度更快，同時層次更加清晰，能夠更加有效地進行文件的管理與保護
    - 缺點：在多級目錄中查找一個文件，需按路徑訪問中間結點，這就增加了磁盤的訪問速度，將影響查詢速度
  - 圖形目錄結構：（無環(huán)圖形目錄結構）
    - 主目錄分為：AB兩個部分；A部分為頭文件，另外一部分為偏移部分
    - 優(yōu)點：方便文件共享，兩個不同目錄中的同一文件僅在磁盤上保存一份
    - 缺點：增加系統(tǒng)實現的難度
  - 目錄查詢技術：
    - 線性檢索法：搜索目錄，優(yōu)點是編程簡單，執(zhí)行耗時
    - Hash法：hash數據結構，優(yōu)點是減少搜索時間。缺點是：可能存在2個沖突文件的hash值相同
- 文件共享：
  - 索引節(jié)點
    - 優(yōu)點:能夠實現文件的異名共享
    - 缺點；文件擁有者不能刪除他人共享的文件；由于每一個共享文件具有文件名，遍歷時可能多次遍歷該共享文件
  - 符號鏈
    - 如果目錄項標記為鏈，那么就獲取真正文件（或目錄的文件），再搜索目錄。
    - 共享該文件的其他用戶則只有該文件的路勁名，并不擁有其指向其索引節(jié)點的指針。
  - 語義：
    - 一致性語義，保證多進程能同時訪問共享文件；
    - UNIX語義：用戶可見和允許多人同時寫入；
    - 會話語義：
      - AFS文件系統(tǒng)使用
        一旦用戶打開文件的寫不能同時被其他用戶看見
        一旦文件關閉，對其修改只能從以后打開的會話所看見
    - 永久共享文件語義
      - 一旦創(chuàng)建者聲明為共享，那么不能再被修改
- 文件保護：
  - 作用;用來防止文件受到物理破壞和非法訪問等
  - 訪問類型：R,W，執(zhí)行，ADD，Delete，列表清單，其他操作
  - 訪問控制
  - 訪問控制矩陣
  - 訪問控制列表（ACL），用戶權限表，密碼
- 文件系統(tǒng)與實現
  - 文件系統(tǒng)的層次結構圖;
    - 應用程序->邏輯文件系統(tǒng)->文件組織模塊->基本文件系統(tǒng)->I/o控制->設備
  - 文件實現
    - 外存分配方式
      - 連續(xù)分配
      - 鏈接分配
        隱式鏈接，必須含有指向鏈接文件第一個盤塊號和最后一個盤塊的指針。如jeep 9 25,表示9->16->1->10->25
        顯式鏈接（類似于TlB表的Fat表）
      - 索引分配
        單索引分配
        兩級索引分配
        混合索引分配
    - 文件記錄的成組與分解
      - 優(yōu)點：可以提高磁盤的空間利用率，減少磁盤的啟動次數
      - 缺點;成組與分解操作必須使用主存中的緩沖區(qū)，從而增加系統(tǒng)開銷
      - 空閑空表法：適于連續(xù)分配
      - 空閑快鏈法;當所有空閑盤區(qū)拉成一條空閑鏈，稱為空閑盤塊鏈，其中每個盤區(qū)上含有用于指示下一個空閑盤區(qū)的指針外，還應能指明本盤區(qū)大小的信息
      - 位示圖法
        當其值為“0”時，表示對應的盤塊空閑；
        當為"1時’，表示已分配
      - 成組鏈表法
        空閑盤塊號棧的內容 N=100->S.free[99],前者指明區(qū)域和區(qū)域大小，后面是具體存儲；
    - 文件需要被掛載才能被訪問，未掛載的文件被掛載到掛載點上
  - 操作系統(tǒng)常見的文件系統(tǒng)類型
  - 磁盤文件系統(tǒng)： FAT->NTFS(>=64)
  - 數據庫文件系統(tǒng)；可被尋址，如winFS
  - 日志文件系統(tǒng)；記錄文件系統(tǒng)的修改
  - 網絡分布式文件系統(tǒng)：NFS，SMB,AFS
  - 標準文件共享系統(tǒng):NFS for unix
  - 特殊/虛擬文件系統(tǒng);管道（pipe）
- 磁盤的組織與管理：
  - 磁盤結構的信息：引導控制塊，分區(qū)控制塊，目錄結構，文件控制塊
  - 磁盤的訪問時間計算Ta=Ts+Tr+Tt=m x n +s +1/2r+b/rN
    - Ts尋道時間
    - Tr旋轉延遲時間
    - Tt傳輸時間
    - n磁道
    - s啟動磁道時間
    - r轉速
    - b讀寫字節(jié)數
    - N磁道上的字節(jié)數
  - 磁盤的管理：格式化，壞塊
  - 提高磁盤io速度的方法：提前讀，延遲寫，優(yōu)化物理盤分布，虛擬寫
  - 磁盤調度算法：
    - FCFS：
    - SSTF最短尋道時間優(yōu)先
    - SCAN電梯調度算法：單方向移動，沿著磁頭去尋找離當前最近的
    - CSCAN：單方向移動，在移動到最末尾時，移動點從最開始進行開始
    - N-step-Scan N步掃描算法
      - 解決以上三個出現的磁頭黏著現象
      - 主要步驟：
        將磁盤請求隊列分成長度為n的子隊列
        按fifo算法依次處理所有子隊列
        掃描算法處理每個隊列
    - F-Scan 簡化N步掃描算法
      - 將隊列數目減少到2個隊列，交替使用算法
    - 磁盤緩存：磁盤扇區(qū)在內存中的緩存區(qū)，比虛擬存儲復雜，且頻率更低
    - 單緩存：io設備-輸入-緩存區(qū)-傳送-工作區(qū)
    - 雙緩存：io設備-緩存1，工作區(qū)-緩存2
  - UFS多級索引分配
    - 文件頭包含13個指針
    - 10th指向數據塊
    - 11th指向索引塊
    - 12th指向二級索引
    - 效果：提高了文件大小限制的閾值，動態(tài)分配數據塊，方便文件擴展
  - 多磁盤
    - 通過并行提高吞吐量，通過冗余提高可靠性和可用性
    - RAID
      - 軟件：OS內部的文件卷管理
      - 硬件：RAID硬件控制器(I/0)
    - RAID0:磁盤條帶化，通過獨立磁盤并行數據提高訪問速度
    - RAID1：磁盤鏡像：可靠成倍，讀取線性增加
    - RAID3：基于位
    - RAID4/5：基于數據塊，帶校驗的磁盤條帶化
      - -4;帶校驗的磁盤條帶化（允許從任意一個故障中恢復）
      - -5；帶分布式校驗的磁盤條帶化（檢驗和分布式存儲）
設備管理（I/O管理）：分配，傳輸控制，獨立性
- 分類
  - 使用特性：人機交互外部設備，存儲設備，網絡通信設備
  - 傳輸速率：低速設備，中速設備，高速設備
  - 信息交換單位：
    - 塊設備：文件接口和訪問定義
    - 字符設備：內存映射文件訪問
- IO控制方式
  - 程序直接方式
    - 設置標志位busy
    - busy=1表示輸入尚未完成，busy=0表示將輸入數據送入設備控制
    - 優(yōu)：實現簡單；缺：CPU的利用率相當低，因為CPU執(zhí)行指令速度高出io幾個數量級
  - 中斷驅動方式
    - 提高了CPU的利用率
    - 在每臺設備每輸入輸出一個數據都要求中斷CPU，這樣在一次數據傳送的過程中，中斷次數過多而耗費大量的CPU處理時間。
  - DMA方式
    - 主機與控制器之間成數據塊的方式進行直接交換，必須在DMA控制器中設置。
    - 命令狀態(tài)寄存器CR：用于接受IO有關控制信息或設備的狀態(tài)
    - 內存地址寄存器MAR：輸入時，它存放把數據從設備傳送到內存的的起使目標地址
    - 數據寄存器DR：內存的啟始目標地址，用于暫存從設備到內存，或內存到設備
    - 數據計數奇 DC：存放本次要傳送的字節(jié)數
- 通道控制方式：
  - 定義：專門用于負責輸入輸出工作的處理機制，它獨立于CPU，有自己的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)比較簡單，一般至于數據傳送指令，設備控制指令等
  - 字節(jié)多路通道
  - 數組選擇通道：傳輸速率很高，只含有一個分配型的子通道
  - 數組多路通道：存放本次要傳送的字節(jié)數
- io通道與一般處理機的區(qū)別：無自己的內存，通道與CPU共享內存
- Io通道與DMA控制方式的區(qū)別：DMA需要CPU來控制傳輸的數據大小，傳輸的內存位置，而通道控制方式中這些信息由通道控制，一個通道可以控制多個設備
- IO軟件層次結構
  - IO請求:用戶層軟件->設備獨立性軟件->設備驅動程序->中斷處理程序
  - IO響應：當IO結束時喚醒驅動程序->建立設備寄存器，檢查狀態(tài)->命名，保護，阻塞，緩沖，分配->進行IO調用；格式化IO，Spooling等
  - 中斷處理程序：喚醒被阻塞的驅動程序進程->保護被中斷進程的CPU環(huán)境->分析中斷原因->進行中斷處理->恢復中斷進程的現象
  - 設備處理程序：讀抽象要求轉換為具體要求->檢查io請求的合法性->讀出和檢查設備的狀態(tài)->傳遞必要參數->設置工作方式->啟動IO設備
- Io調度
- 高速緩存與緩沖區(qū)
  - 緩沖的實現
    - 硬件緩沖器實現，但由于成本太高，除一些關鍵部位外，一般情況下不采用
    - 內存劃出一塊存儲區(qū)，專門用來臨時存放輸入輸出數據
  - 緩沖的分類
    - 單緩沖
    - 雙緩沖
    - 循環(huán)緩沖：將雙緩沖中特定區(qū)域進行循環(huán)
    - 緩沖池：緩沖池中緩沖區(qū)按使用狀況可形成以下三個隊列：空緩沖隊列，裝滿輸入數據的緩沖隊列，裝滿輸出數據的緩沖隊列
    - 除以上外，有用于收容輸入數據，提取輸入數據，收容輸出數據，提取輸出數據的工作緩沖區(qū)
- 設備分配
  - 設備管理中的數據結構
    - 設備控制表（DCT）
    - 設備控制器控制表（COCT）：反映通道狀態(tài)
    - 設備控制表（CHCT）
    - 系統(tǒng)設備表（SDT）
  - 設備分配策略
    - 使用性質：獨享設備，共享設備，虛擬分配
    - 設備分享算法：先來先服務，優(yōu)先級高者優(yōu)先
    - 設備分享的安全性：
      - 安全分配方式
        一旦進程已經獲得某種設備后便阻塞，使進程不可能請求任何資源
      - 不安全的分配方式
        僅當進程所請求設備被另一半進程占用才進入阻塞狀態(tài)
  - 設備分配的獨立性
    - 用戶程序的設備獨立性
      - 用戶程序不直接使用物理設備名，而只能使用邏輯設備名。
      - 執(zhí)行；邏輯設備名轉換物理設備名
    - I/O軟件的設備獨立性
      - 除了直接與設備打交道外，其他部分的軟件不依賴于硬件，I/0軟件獨立于設備，就可提高設備管道軟件的設計效率
- 設備分配程序
  - 單IO系統(tǒng)的設備分配:分配設備->分配設備控制器->分配通道；
  - 多IO系統(tǒng)的設備分配;
    - 1.根據設備類型,檢索設備控制表，找到第一個空閑設備并檢測分配設備的安全性，如安全，則分配，反之，插入該設備的等待隊列。
    - 2.設備分配后，檢索設備控制器控制表，找到第一個與已分配設備相連的空閑設備控制器，若無空閑，則返回步驟D查找下一個空閑設備。
    - 3.設備控制器分配后，同樣查找與其相連的通道，找到第一個空閑通道，若無則返回2，查找下一個設備控制器，若有，則分配成功
- 設備回收:設備使用完后對占有設備，設備控制器以及通道，系統(tǒng)進行回收，修改對應的數據結構，以便下次分配時進行使用
- 假脫機技術（spooling）
  - 外部設備同時聯機的操作
  - 特點：
    - 提高了IO的速度
    - 將獨占設備改造為共享設備
    - 實現了虛擬設備的功能
    - 應用：打印機的多文件打印
- CPU與設備之間的數據傳輸：
  - load/store傳輸指令
  - 直接訪問內存（DMA）：設備控制器可直接訪問系統(tǒng)總線
- 訪問頻率置換算法：短期用LRU，長期用LFU
- 新區(qū)域（new session）:引用計數不變，中間區(qū)域（middle section）,舊區(qū)域（old section）(計數都+1)
分布式系統(tǒng)：
- 中間件（midware）:標準接口和協(xié)議；一組驅動程序，應用編程接口或用于改善C/S之間的連接件
- C/S分類：
  - 基于主機的處理（傳統(tǒng)大型機環(huán)境）
  - 基于服務器的處理(易維護，提升效果不明顯)
  - 基于客戶的處理（拋開驗證服務，其余都在本地進行）
  - 合作處理
    - 胖客戶端 fat client
    - 瘦客戶端 thin client
- 中間件在C/S的結構
  - 表示服務
  - 應用服務
  - 應用邏輯
  - 中間件
  - 通信服務
  - os
  - 硬件平臺
- 集群：集群與對稱多處理技術swap是相對的，這種方法提供了高性能和高可用性
- 開發(fā)swap主要難點：故障管理，負載平衡，并行計算（并行編譯，參數化計算）
用戶接口：命令接口，程序接口，圖形接口

總結

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统-速记版（个人幕布导出）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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