操作系統(tǒng)期末復習材料(操作系統(tǒng)-精髓與設計原理(第五版))

操作系統(tǒng)期末復習材料(操作系統(tǒng)-精髓與設計原理(第五版))操作系統(tǒng)期末復習材料(操作系統(tǒng)-精髓與設計原理(第五版))操作系統(tǒng)期末復習材料(操作系統(tǒng)-精髓與設計原理(第五版))資料僅供參考文件編號：2022年4月操作系統(tǒng)期末復習材料(操作系統(tǒng)-精髓與設計原理(第五版))版本號：A修改號：1頁次：1.0審核：批準:發(fā)布日期：第一章：計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)基本組成I．處理器：控制計算機的操作，執(zhí)行數據處理功能。當只有一個處理器時，它通常指中央處理器（CPU）。II.主存儲器：存儲數據和程序。iii．輸入/輸出模塊：在計算機和外部環(huán)境之間移動數據。iv．系統(tǒng)總線：為處理器、主存儲器和輸入輸出模塊提供通信的設施。什么是中斷？中斷是指計算機的處理機用來處理外來請求或內部錯誤的一種機制，該機制軟硬件結合，使得計算機的處理機能夠暫停當前指令系列的執(zhí)行而轉向請求指令系列的執(zhí)行。將計算機的處理機正在執(zhí)行的指令系列稱為當前指令系列，當前指令系列通常是用戶程序。將計算機為處理各類突發(fā)（非預期）事件請求（I/O請求,時鐘請求，程序錯誤，硬件錯誤）而有待執(zhí)行的指令系列稱為請求指令系列，通常稱為中斷處理程序，是操作系統(tǒng)的一部分。請求指令系列執(zhí)行期間，可以被其它事件中斷（在允許多重中斷的情況下）。執(zhí)行請求指令系列完畢后，可以返回被暫停的原始指令系列，也可以不返回（在多道程序設計環(huán)境中）。中斷處理程序與社會事務中的應急事件的預案類似。進程與程序的區(qū)別：進程程序1.進程是執(zhí)行中的程序，還涉及數據和上下文環(huán)境，因而有動態(tài)性。1．程序具有穩(wěn)健性。2.一個進程可包含多個程序段。2.一個程序可對應多個進程（不同時間，不同機器，不同數據，不同上下文）。3.進程中的程序是指可執(zhí)行程序。3．廣泛意義下的程序可以是任何意義上的程序。4.進程中的數據是“值”。4.程序中的數據是指數據結構，是“型”，“名”，聯系。5.進程中涉及上下文（基本性質是與進程本身以及資源有關的狀態(tài)信息）。5.程序不涉及上下文。6.進程失去邏輯封閉性（原因是多個進程間是異步，并發(fā)或并行的），需要一定的互斥機制才能保證邏輯封閉性。6.程序具有邏輯封閉性，輸入決定輸出。中斷處理中斷的發(fā)生激活了很多事情，包括處理器硬件中的事件及軟件中的事件。設備給處理器發(fā)出一個中斷信號。處理器在響應中斷前結束指令系列的執(zhí)行。處理器對中斷進行測定，確定存在未響應的中斷，并給提交中斷的設備發(fā)送確認信號，確認信號允許該設備取消它的中斷信號。處理器需要把處理權轉移到中斷程序中去做準備。首先，需要保存從中斷點恢復當前程序所需要的信息，要求的最少信息包括程序狀態(tài)字（PSW）和保存在程序計數器中的下一條執(zhí)行的指令地址，它們被壓入系統(tǒng)控制棧中（參見附錄1B）。處理器把響應此中斷的中斷處理器入口地址裝入程序的計數器中。在這一點，與被中斷程序相關的程序計數器和PSW被保存到系統(tǒng)棧中。此外，還有一些其他信息被當作正在執(zhí)行程序的狀態(tài)的一部分。中斷處理器現在可以開始處理中斷，其中包括檢查與I/O操作相關的信息或其他引起中斷的事件，還可能包括給I/O設備發(fā)送附加命令或應答。當中斷處理結束后，被保存的寄存器值從棧中釋放并恢復到寄存器中。最后的操作是從棧中恢復PSW和程序計數器的值，其結果是下一條要執(zhí)行的指令來自被中斷的程序。處理多重中斷的方法： 處理多重中斷有兩中方法：當正在處理一個中斷時，禁止再發(fā)生中斷。禁止中斷的意思是處理器將對任何新的中斷請求信號不予理睬。定義中斷優(yōu)先級，允許高優(yōu)先級的中斷打斷優(yōu)先級低的中斷處理器的運行。第二章：操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)通常提供的服務：程序開發(fā)程序運行I/O設備訪問文件訪問控制系統(tǒng)訪問錯誤檢測和響應審計作為資源管理器的操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)與普通的計算機軟件作用相同，也就是說，它由處理器執(zhí)行的一段程序或一組程序。操作系統(tǒng)經常會釋放可控制，而且必須以來處理器才能恢復。操作系統(tǒng)開發(fā)中的五個主要理論成就進程內存管理信息保護和安全調度和資源管理系統(tǒng)結構 進程 進程的概念是操作系統(tǒng)結構的基礎。一個正在執(zhí)行的程序計算機中正在運行的程序的一個實例可分配給處理器并由處理器執(zhí)行的一個實體由單一的順序的執(zhí)行線索、一個當前狀態(tài)和一組相關的系統(tǒng)資源所描述的活動單元計算機系統(tǒng)發(fā)展的三條主線： 多道程序批處理操作、分時和實時事務系統(tǒng)，它們在時間和同步中所產生的問題推動了進程概念的發(fā)展。多道程序設計是為了讓處理器和I/O設備（包括存儲設備）同時保持忙狀態(tài)，以實現最大效率。其關鍵機制是，在響應表示I/O事務結束的信號時，操作系統(tǒng)將對主存中駐留的不同程序進行處理器切換。通用的分時。其主要設計目標是能及時響應單個用戶的要求，但是由于成本原因，又要可以同時支持多個用戶。由于用戶反應時間相對較慢，因此這兩個目標是可以同時實現的。實時事務處理系統(tǒng)。在這種情況下，很多用戶都在對數據庫進行查詢或修改，此時系統(tǒng)響應時間是最終要的。進程的組成：一段可執(zhí)行的程序程序所需要的相關數據（變量、工作空間、緩沖區(qū)等）程序的執(zhí)行上下文最后一部分是根本。執(zhí)行上下文又稱為進程狀態(tài)，是操作系統(tǒng)用來管理和控制進程所需的內部數據。這種內部信息是分開的，因為操作系統(tǒng)信息不允許被進程直接訪問。上下文包括操作系統(tǒng)管理進程以及處理器正確執(zhí)行進程所需要的所有信息，包括處理器的內容，如程序計數器和數據寄存器。他還包括操作系統(tǒng)使用的信息，如進程優(yōu)先級以及進程是否在等待特定I/O事件的完成。操作系統(tǒng)擔負的五個基本的存儲器管理責任:進程隔離：操作系統(tǒng)必須保護獨立的進程，防止互相干涉數據和存儲空間。自動分配和管理：程序應該根據需要在存儲層間動態(tài)地分配，分配對程序員來說是透明的。支持模塊化程序設計：程序員應該能夠定義程序模塊，并且動態(tài)地創(chuàng)建、銷毀模塊，改變模塊大小。保護和訪問控制長期存儲操作系統(tǒng)的幾種不同方法和設計要素：微內核體系結構多線程對稱多處理分布式操作系統(tǒng)面向對象設計多線程 多線程技術是指把執(zhí)行一個應用程序的進程劃分程可以同時執(zhí)行的多個線程。線程和進程的區(qū)別：線程： 可分派的工作單元。它包括處理器上下文（包括程序計數器和棧指針，）和棧中自己的數據區(qū)域（為允許子程序分支）。線程順序執(zhí)行，并且是可中斷的，這樣處理器就可以轉到另一線程。進程： 一個或多個線程和相關系統(tǒng)資源（如包含相互據和代碼的存儲器空間、打開的文件和設備）的集合。這緊密對應于一個正在執(zhí)行的程序的概念。通過把一個應用程序分解成多個線程，程序員可以在很大程度上控制應用程序的模塊性和應用程序相關事件的時間安排。對稱多處理(SymmetricMultiProcessing,SMP)：對稱多處理可定義為具有以下特征的一個獨立的計算機系統(tǒng)：有多個處理器。這些處理器共享同一個主存儲器和I/O設備，它們之間通過通信總線或其他內部連接方案互相連接。所有處理器都可以執(zhí)行相同的功能（因此稱為對稱）。對稱多處理操作系統(tǒng)可以調度進程或線程得到所有的處理器運行。對稱多處理器結構比單處理器結構具有更多的潛在優(yōu)勢。第三章進程描述和控制在進程執(zhí)行時，任意給定一個時間，進程都可以唯一地表征為以下元素：標識符：跟這個進程相關的唯一標識符，用來區(qū)別其他進程。狀態(tài)：如果進程正在執(zhí)行，那么進程處于執(zhí)行態(tài)。優(yōu)先級：相對于其他進程的優(yōu)先級。程序計數器：程序中即將被執(zhí)行的下一條指令的地址。內存指針：包括程序代碼和進程相關數據的指針，還有其他進程共享內存塊的指針。上下文數據：進程執(zhí)行的處理器的寄存器中的數據。I/O狀態(tài)信息：包括顯示的I/O請求、分配給進程的I/O設備（例如磁帶驅動器）和被進程使用的文件列表等。審計信息：可包括處理器時間總和、使用的時鐘數總和、時間限制、審計號等。導致進程創(chuàng)建的原因：新的批處理作業(yè)：通常位于磁帶或磁盤中的批處理作業(yè)控制流被提供給操作系統(tǒng)。當操作系統(tǒng)準備接納新工作是，它將讀取下一個作業(yè)控制命令。交互登錄：終端用戶登錄到系統(tǒng)。操作系統(tǒng)因為提供一項服務而創(chuàng)建：操作系統(tǒng)可以創(chuàng)建也個進程，代表用戶程序執(zhí)行一個功能，使用戶無需等待（如控制打印的任務）。由現有的進程派生：基于模塊化的考慮，或者為了開發(fā)并行性，用戶程序可以指示創(chuàng)建多個進程。進程派生 當操作系統(tǒng)為另一個進程的顯示請求創(chuàng)建一個進程時，這個動作稱為進程派生。 當一個進程派生另一個進程時，前一個進程稱為父進程，被派生的進程稱為子進程。在典型情況下，相關進程需要相互之間的通訊和合作。導致進程終止的原因：正常完成：進程自行執(zhí)行一個操作系統(tǒng)服務調用，表示它已經結束運行超過時限：進程運行時間超過規(guī)定的時限。無可用內存：系統(tǒng)無法滿足系統(tǒng)需要的內存空間越界：進程試圖訪問不允許訪問的內存單元。保護錯誤：進程試圖使用不允許使用的資源或文件，或者試圖以一種不正確的方式使用，如：往制度文件中寫。算術錯誤：進程試圖進行被禁止的計算，如除以零或者存儲大于硬件可以接納的數字時間超出：進程等待某一事件發(fā)生的時間超過了規(guī)定的最大值。I/O失?。涸谳斎牖蜉敵銎陂g發(fā)生錯誤，如找不到文件、在超出規(guī)定的最多努力次數后仍然讀寫失敗。無效指令：進程試圖執(zhí)行一個不存在的指令。特權指令：進程試圖使用為操作系統(tǒng)保留的指令。數據誤用：錯誤類型或未初始化的一塊數據。操作員或操作系統(tǒng)干涉：由于某些原因，操作員或操作系統(tǒng)終止進程（例如，如果存在死鎖）。父進程終止：當一個父進程終止時，操作系統(tǒng)可自動終止該進程的所有后代進程。父進程請求：父進程通常具有終止其任何后代進程的權利。進程狀態(tài)轉換圖掛起狀態(tài)進程： 掛起狀態(tài)進程的概念與不再主存中的進程概念是等價的。 掛起狀態(tài)進程的特點如下所示：進程不能立即執(zhí)行。進程可能是或不是正在等待一個事件。如果是，阻塞條件不依賴于掛起條件，阻塞事件的發(fā)生不會使進程立即被執(zhí)行。為阻止進程執(zhí)行，可以通過代理把這個進程至于掛起狀態(tài)，代理可以是進程自己，也可以是父進程或操作系統(tǒng)。除非代理顯示地命令系統(tǒng)進行狀態(tài)轉換，否則進程無法從這個狀態(tài)中轉移。進程掛起的原因：交換：操作系統(tǒng)需要釋放足夠的主存空間，以調入并執(zhí)行處于就緒態(tài)的進程。其他OS原因：操作系統(tǒng)可能掛起后臺進程或工具程序進程，或者被懷疑導致問題的進程。交互式用戶請求：用戶可能希望掛起一個程序的執(zhí)行，目的是為了調試或者與一個資源的使用進行連接。定時：一個進程可能會周期性地執(zhí)行（例如審計或系統(tǒng)監(jiān)視進程），而且可能在等待下一個時間間隔時被掛起。父進程請求：父進程可能會希望掛起后代進程的執(zhí)行，以檢查或修改掛起的進程，或者協(xié)調不同后代進程之間的行為。進程控制塊PCB(ProcessControlBlock)：存放進程的管理和控制信息的數據結構稱為進程控制塊。它是進程管理和控制的最重要的數據結構，每一個進程均有一個PCB，在創(chuàng)建進程時，建立PCB，伴隨進程運行的全過程，直到進程撤消而撤消。在不同的操作系統(tǒng)中對進程的控制和管理機制不同，PCB中的信息多少也不一樣，通常PCB應包含如下一些信息。1、進程標識符name：每個進程都必須有一個唯一的標識符，可以是字符串，也可以是一個數字。UNIX系統(tǒng)中就是一個整型數。在進程創(chuàng)建時由系統(tǒng)賦予。2、進程當前狀態(tài)status：說明進程當前所處的狀態(tài)。為了管理的方便，系統(tǒng)設計時會將相同的狀態(tài)的進程組成一個隊列，如就緒進程隊列，等待進程則要根據等待的事件組成多個等待隊列，如等待打印機隊列、等待磁盤I/O完成隊列等等。3、進程相應的程序和數據地址，以便把PCB與其程序和數據聯系起來。4、進程資源清單。列出所擁有的除CPU外的資源記錄，如擁有的I/O設備，打開的文件列表等。5、進程優(yōu)先級priority：進程的優(yōu)先級反映進程的緊迫程序，通常由用戶指定和系統(tǒng)設置。UNIX系統(tǒng)采用用戶設置和系統(tǒng)計算相結合的方式確定進程的優(yōu)先級。6、CPU現場保護區(qū)cpustatus：當進程因某種原因不能繼續(xù)占用CPU時（等待打印機），釋放CPU，這時就要將CPU的各種狀態(tài)信息保護起來，為將來再次得到處理機恢復CPU的各種狀態(tài)，繼續(xù)運行。7、進程同步與通信機制用于實現進程間互斥、同步和通信所需的信號量等。8、進程所在隊列PCB的鏈接字根據進程所處的現行狀態(tài)，進程相應的PCB參加到不同隊列中。PCB鏈接字指出該進程所在隊列中下一個進程PCB的首地址。9、與進程有關的其他信息。如進程記賬信息，進程占用CPU的時間等。進程執(zhí)行模式： 非特權模式通常稱為用戶模式，這是因為用戶程序通常在該模式下運行；特權模式可稱為系統(tǒng)模式、控制模式或內核模式，內核模式指的是操作系統(tǒng)的內核，這是操作系統(tǒng)中包含重要系統(tǒng)功能的部分。操作系統(tǒng)內核的典型功能：進程管理：進程的創(chuàng)建和終止。進程的調度和分配。進程切換。進程同步以及對進程間通信的支持。進程控制塊的管理。內存管理：給進程分配地址空間。交換。頁和段的管理。I/O管理：緩沖區(qū)管理。給進程分配I/O通道和設備。支持功能：中斷處理審計監(jiān)視進程的創(chuàng)建：給新進程分配一個唯一的進程標識號。給進程分配空間。初始化進程控制塊。設置正確的連接。創(chuàng)建或擴充其他數據結構。UNIX下進程創(chuàng)建的方法：（摘自：/gnu/linux/fork.html）在UNIX系統(tǒng)中，用戶創(chuàng)建一個新進程的唯一方法就是調用系統(tǒng)調用fork。調用fork的進程稱為父進程，而新創(chuàng)建的進程叫做子進程。系統(tǒng)調用的語法格式： pid=fork();在從系統(tǒng)調用fork中返回時，兩個進程除了返回值pid不同外，具有完全一樣的用戶級上下文。在子進程中，pid的值為零。在系統(tǒng)啟動時由核心內部地創(chuàng)建的進程0是唯一不通過系統(tǒng)調用fork而創(chuàng)建的進程。核心為系統(tǒng)調用fork完成下列操作：為新進程在進程表中分配一個空項。為子進程賦一個唯一的進程標識號(PID)。做一個父進程上下文的邏輯副本。由于進程的某些部分，如正文區(qū)，可能被幾個進程所共享，所以核心有時只要增加某個區(qū)的引用數即可，而不是真的將該區(qū)拷貝到一個新的內存物理區(qū)。增加與該進程相關聯的文件表和索引節(jié)點表的引用數。對父進程返回子進程的進程號，對子進程返回零。理解系統(tǒng)調用fork的實現是十分重要的，因為子進程就象從天而降一樣地開始它的執(zhí)行序列。下面是系統(tǒng)調用fork的算法。核心首先確信有足夠的資源來成功完成fork。如果資源不滿足要求，則系統(tǒng)調用fork失敗。如果資源滿足要求，核心在進程表中找一個空項，并開始構造子進程的上下文。算法：fork輸入：無輸出：對父進程是子進程的PID 對子進程是0{ 檢查可用的核心資源 取一個空閑的進程表項和唯一的PID號 檢查用戶沒有過多的運行進程 將子進程的狀態(tài)設置為“創(chuàng)建”狀態(tài) 將父進程的進程表中的數據拷貝到子進程表中 當前目錄的索引節(jié)點和改變的根目錄(如果可以)的引用數加1 文件表中的打開文件的引用數加1 在內存中作父進程上下文的拷貝 在子進程的系統(tǒng)級上下文中壓入虛設系統(tǒng)級上下文層 /*虛設上下文層中含有使子進程能 *識別自己的數據，并使子進程被調度時 *從這里開始運行 */ if(正在執(zhí)行的進程是父進程){ 將子進程的狀態(tài)設置為“就緒”狀態(tài) return(子進程的PID) //從系統(tǒng)到用戶 } else{ 初始化計時區(qū) return0; }}我們來看看下面的例子。該程序說明的是經過系統(tǒng)調用fork之后，對文件的共享存取。用戶調用該程序時應有兩個參數，一個是已經有的文件名，另外一個是要創(chuàng)建的新文件名。該進程打開已有的文件，創(chuàng)建一個新文件，然后，假定沒有遇見過錯誤，它調用fork來創(chuàng)建一個子進程。子進程可以通過使用相同的文件描述符而繼承地存取父進程的文件(即父進程已經打開和創(chuàng)建的文件)。當然，父進程和子進程要分別獨立地調用rdwrt函數，并執(zhí)行一個循環(huán)，即從源文件中讀一個字節(jié)，然后寫一個字節(jié)到目標文件中區(qū)。當系統(tǒng)調用read遇見文件尾時，函數rdwrt立即返回。#include<fcntl.h>int fdrd,fdwt;char c;main(intargc,char*argv[]){ if(argc!=3){ exit(1); } if((fdrd=open(argv[1],O_RDONLY))==-1){ exit(1); } if((fdwt=creat(argv[2],0666))==-1){ exit(1); } fork(); //兩個進程執(zhí)行同樣的代碼 rdwrt(); exit(0);}rdwrt(){ for(;;){ if(read(fdrd,&c,1)!=1){ return; } write(fdwt,&c,1); }}在這個例子中，兩個進程的文件描述符都指向相同的文件表項。這兩個進程永遠不會讀或寫到相同的文件偏移量，因為核心在每次read和write調用之后，都要增加文件的偏移量。盡管兩個進程似乎是將源文件拷貝了兩次，但因為他們分擔了工作任務，因此，目標文件的內容依賴于核心調度兩個進程的次序。如果核心這樣調度兩個進程：使他們交替地執(zhí)行他們的系統(tǒng)調用，或甚至使他們交替地執(zhí)行每對read和write調用，則目標文件的內容和源文件的內容完全一致。但考慮這樣的情況：兩個進程正要讀源文件中的兩個連續(xù)的字符"ab"。假定父進程讀了字符"a"，這時，核心在父進程寫之前，做了上下文切換來執(zhí)行子進程。如果子進程讀到字符"b"，并在父進程被調度前，將它寫到目標文件，那么目標文件將不再含有字符串"ab"，而是含有"ba"了。核心并不保證進程執(zhí)行的相對速率。再來看看另外一個例子：#include<string.h>char string[]="Hello,world";main(){ int count,i; int to_par[2],to_chil[2]; //到父、子進程的管道 char buf[256]; pipe(to_par); pipe(to_chil); if(fork()==0){ //子進程在此執(zhí)行 close(0); //關閉老的標準輸入 dup(to_child[0]); //將管道的讀復制到標準輸入 close(1); //關閉老的標準輸出 dup(to_par[1]); //將管道的寫復制到標準輸出 close(to_par[1]); //關閉不必要的管道描述符 close(to_chil[0]); close(to_par[0]); close(to_chil[1]); for(;;){ if((count=read(0,buf,sizeof(buf))==0) exit(); write(1,buf,count); } } //父進程在此執(zhí)行 close(1); //重新設置標準輸入、輸出 dup(to_chil[1]); close(0); dup(to_par[0]); close(to_chil[1]); close(to_par[0]); close(to_chil[0]); close(to_par[1]); for(i=0;i<15;i++){ write(1,string,strlen(string)); read(0,buf,sizeof(buf)); }}子進程從父進程繼承了文件描述符0和1(標準輸入和標準輸出)。兩次執(zhí)行系統(tǒng)調用pipe分別在數組to_par和to_chil中分配了兩個文件描述符。然后該進程執(zhí)行系統(tǒng)調用fork，并復制進程上下文：象前一個例子一樣，每個進程存取自己的私有數據。父進程關閉他的標準輸出文件(文件描述符1)，并復制(dup)從管道線to_chil返回的寫文件描述符。因為在父進程文件描述符表中的第一個空槽是剛剛由關閉騰出來的，所以核心將管道線寫文件描述符復制到了文件描述符表中的第一項中，這樣，標準輸出文件描述符變成了管道線to_chil的寫文件描述符。父進程以類似的操作將標準輸入文件描述符替換為管道線to_par的讀文件描述符。與此類似，子進程關閉他的標準輸入文件(文件描述符0)，然后復制(dup)管道線to_chil的讀文件描述符。由于文件描述符表的第一個空項是原先的標準輸入項，所以子進程的標準輸入變成了管道線to_chil的讀文件描述符。子進程做一組類似的操作使他的標準輸出變成管道線to_par的寫文件描述符。然后兩個進程關閉從pipe返回的文件描述符。上述操作的結果是：當父進程向標準輸出寫東西的時候，他實際上是寫向to_chil--向子進程發(fā)送數據，而子進程則從他的標準輸入讀管道線。當子進程向他的標準輸出寫的時候，他實際上是寫入to_par--向父進程發(fā)送數據，而父進程則從他的標準輸入接收來自管道線的數據。兩個進程通過兩條管道線交換消息。無論兩個進程執(zhí)行的順序如何，這個程序執(zhí)行的結果是不變的。他們可能去執(zhí)行睡眠和喚醒來等待對方。父進程在15次循環(huán)后退出。然后子進程因管道線沒有寫進程而讀到“文件尾”標志，并退出。進程的切換： 進程切換的功能是很簡單的。在某一時刻，一個正在運行的進程被中斷，操作系統(tǒng)制定另一個進程為運行態(tài)，并把控制權交給這個進程。進程切換的步驟：保存處理器上下文，包括程序計數器和其他寄存器。更新當前處于運行太的進程的進程控制塊，包括進程狀態(tài)改變?yōu)榱硪粻顟B(tài)（就緒態(tài)、阻塞太、就緒/掛起態(tài)或退出態(tài)）。還必須更新其他相關域，包括離開運行態(tài)的原因和審計信息。把進程的進程控制塊移到相應的隊列（就緒、在事件i處阻塞、就緒/掛起）。選擇另一個進程執(zhí)行。更新所選擇進程的進程控制塊，包括把進程的狀態(tài)變?yōu)檫\行態(tài)。更新內存管理的數據結構，這取決于如何管理地址轉換?；謴吞幚砥髟诒贿x擇的進程的最后一次切換出運行態(tài)時的上下文，這可以通過載入程序設計數據和其他寄存器以前的值來實現。進程切換涉及到狀態(tài)變化，比模式切換需要做更多的工作，顯然，模式切換與進程切換是不同的。發(fā)生模式切換可以不改變正處于運行態(tài)的進程狀態(tài)，在這種情況ixa，保存上下文和以后恢復上下文只需要很少的開銷。但是如果當前正在運行的進程被切換到另一個狀態(tài)（就緒、阻塞等），則操作系統(tǒng)必須使其環(huán)境產生實質性的變化。UNIX進程狀態(tài)轉換圖：進程控制： UNIX中的進程創(chuàng)建是通過內核系統(tǒng)調用fork()實現的。當一個進程產生一個fork()請求時，操作系統(tǒng)執(zhí)行以下功能[BACH86]:為新進程表中分配一個空項。為子進程賦一個唯一的進程標識號。為一個父進程上下文的邏輯副本，不包括共享內存區(qū)。添加父進程擁有的所有文件的計數器，以表示有一個另外的進程現在也擁有這些文件。把子進程置為就緒態(tài)。向父進程返回子進程的進程號；對子進程返回零。 當父進程的內核模式下完成以上操作后，會繼續(xù)下面三種操作之一：在父進程中繼續(xù)執(zhí)行?？刂品祷赜脩裟Ｊ较赂高M程進行fork調用處。處理器控制權轉交給子進程。子進程開始執(zhí)行代碼，執(zhí)行點與父進程相同，也就是說在fork調用的返回處?？刂茩噢D交給另一個進程。父進程和子進程都置于就緒態(tài)。第四章 線程、對稱多處理和微內核多線程： 多線程是指操作系統(tǒng)支持在一個進程中執(zhí)行多個線程的能力，每個進程中只有一個線程在執(zhí)行的傳統(tǒng)方法（還沒有明確線程的概念）稱為單線程方法。 資源只能分配給進程（進程調用資源），而一個進程可以有一個或者多個線程。在一個進程中的每個線程有：線程執(zhí)行狀態(tài)（運行，就緒）在未運行時保存的線程上下文；可以把線程看做進程中的一個獨立的程序計數器在操作。一個執(zhí)行的棧。用于每個線程局部變量靜態(tài)存儲空間。對所屬進程的內存和資源的訪問，并與該進程中的其它線程共享這些資源。在多線程環(huán)境中，仍然有與進程相關聯的進程控制塊和用戶地址空間，但是每個線程都有一個獨立的棧，還有獨立的控制塊用于包含寄存器值、優(yōu)先級和其他與線程相關的狀態(tài)信息。線程的重要優(yōu)點：在一個已有的進程中創(chuàng)建一個新線程比創(chuàng)建一個進程所需的時間要少許多。終止一個線程比終止一個進程花費的時間少。同一進程內線程間切換比進程間切換花費的時間少。線程提高了不同的執(zhí)行程序間通訊效率。在大多數操作系統(tǒng)中，獨立進程間的通信需要內核的介入，以提供保護和通信所需要的機制。但是由于在同一個進程中的線程共享內存和文件，他們無需調用內核就可以互相通信。在支持線程的操作系統(tǒng)中，調度和分派是在線程基礎上完成的；因此大多數與執(zhí)行相關的信息可以保存在線程級的數據結構中。但是，有些活動影響著進程中的所有線程，操作系統(tǒng)必須在進程一級對他們進行管理。掛起涉及到把一個進程的地址空間換出主存并為其他進程的地址空間騰出位置。因為一個進程中的所有線程共享同一個地址空間，所以他們都會同時被掛起。類似的，進程終止也會導致其中的線程的終止。線程同步： 一個進程中所有線程共享同一個地址空間和諸如打開的文件之類的其他資源。一個線程對資源的任何修改都會影響同一個進程中其他線程的環(huán)境。因此需要同步各種線程的活動，以便他們互不干涉且不破壞數據結構。線程同步的方法主要有互斥鎖和信號量:1．互斥鎖方法：互斥鎖是一種簡單的加鎖方法來控制對共享資源的存取。它只有兩種狀態(tài)：上鎖和解鎖。在同一時刻只能有一個線程掌握某個已經上鎖的互斥鎖，擁有上鎖狀態(tài)的線程能夠對共享資源進行操作。若其他的線程希望上鎖一個已經上鎖了的互斥鎖，則該線程會被掛起，直到上鎖的線程釋放互斥鎖為止。2．信號量方法：信號量本質上是一個非負的整數計數器，它可以用來控制對公共資源的訪問，如果信號量的值大于0，則表示資源可用，否則表示資源不可用。信號量可以用于進程或者線程之間的同步和互斥兩種情況。如果用于互斥，一般只需要設置一個公共信號量sem。如果用于同步，一般需要設置多個公共/私有信號量，并安排不同的初始值來實現他們之間的順序執(zhí)行。用戶級線程： 在一個純粹的用戶級線程中，有關線程管理的所有工作都由應用程序完成，內核沒有意識到有線程的存在。使用用戶級線程代替內核級線程的優(yōu)點：由于所有線程管理數據結構都在一個進程的用戶地址空間中，線程切換不需要內核模式特權，因此，進程不需要為了線程管理而切換到內核模式，者節(jié)省了在者兩種模式間進行切換（從用戶模式到內核模式；從內核模式返回到用戶模式）的開銷；調用可以是應用程序裝用的。一個應用程序可能傾向于簡單的輪詢調度算法，而另一個一個用程序可能傾向于基于優(yōu)先級的調度算法。調度算法可以去適應應用程序，而不會擾亂底層操作系統(tǒng)的調度器；用戶級線程可以在任何操作系統(tǒng)中運行，不需要對底層內核進行修改以支持用戶級線程。線程庫是一組供所有應用程序共享的應用級軟件包。用戶級線程相對于內核級線程的兩個明顯缺點：在典型的操作系統(tǒng)中，許多系統(tǒng)調用都會引起阻塞。因此，當用戶級線程執(zhí)行一個系統(tǒng)調用時，不僅這個線程會被阻塞，進程中的所有線程都會被阻塞；在純粹的用戶級線程策略中，一個多線程應用程序不能利用多處理技術。內核一次只能一個進程分配給一個處理器，因此一次進程中只有一個線程可以執(zhí)行。實際上，在一個進程內有應用級的多道程序。雖然多道程序會使得應用程序的速度明顯提高，但是同時執(zhí)行部分代碼更會使得應用程序受益。內核級線程： 在一個純粹的內核級線程軟件中，有關線程管理的所有工作都是由內核完成的，應用程序部分沒有進行線程管理的代碼，只有一個到內核級線程實施的應用程序編程接口（API）。使用內核級線程的優(yōu)點（克服了用戶級線程方法的兩個基本缺陷）：內核可以同時把同一個進程中的多個線程調度到多個處理器中；如果進程中的一個線程被阻塞，內核可以調度同一個進程中的另一個線程。內核級線程的另一個優(yōu)點是內核例程自身也可以使用多線程。相對與用戶級線程，內核級線程方法的的主要缺點：同一個進程在把控制從一個線程時傳送到另一個線程時需要到內核的模式切換。 因此，從表面上看，雖然使用內核級線程多線程技術會比使用單線程的進程有明顯的速度上提高，但是使用用戶級線程比內核級線程又有額外的提高。不過這個額外的提高是否真的能夠實現則要取決與應用程序的性質。 如果應用程序中的大多書線程切換都需要內核模式的訪問，那么基于用戶級線程的方案不會比基于內核級線程的方案好多少。第五章 并發(fā)性：互斥和同步操作系統(tǒng)設計中的核心問題是關于進程和線程的管理：多道程序設計技術：管理但處理器系統(tǒng)中的多個進程；多處理技術：管理多處理器系統(tǒng)中的多個進程；分布式處理技術：管理多臺分布式計算機系統(tǒng)中多個進程的執(zhí)行。并發(fā)是所有問題的基礎，也是操作系統(tǒng)設計的基礎。其產生的問題不僅會出現在多處理環(huán)境和分布式處理環(huán)境中，也會出現在單處理器的多道程序設計中。并發(fā)包括的設計問題：進程間通訊資源共享與競爭多個進程活動的同步以及分配給進程的處理器時間。并發(fā)出現的上下文：多個應用程序：多道程序設計技術允許在多個活動的應用程序間動態(tài)共享處理時間。結構化程序設計：作為模塊化設計和結構化程序設計的擴展，一些應用程序可以有效地設計成一組并發(fā)進程；操作系統(tǒng)結構：同樣的結構化程序設計有點可以用于系統(tǒng)程序員，且我們已經知道操作系統(tǒng)滋生常常作為一組進程或線程來實現。和并發(fā)相關的關鍵術語：臨界區(qū)：是一段代碼，在這段代碼中進程將訪問共享資源，當另一個進程已經在這段代碼中運行時，這個進程就不能在這段代碼中執(zhí)行。死鎖： 兩個或兩個以上的進程因為其中的每個進程都在等待其他進程昨完某些事情而不能繼續(xù)執(zhí)行，這樣的情形叫死鎖?；铈i： 連個或兩個以上的進程為了響應其他進程中的變化而繼續(xù)改變自己的狀態(tài)但不做有用的工作，這樣的情形叫做活鎖?；コ猓?當一個進程在臨界區(qū)訪問共享資源時，其他進程不能進入該臨界區(qū)訪問任何共享資源，這種情形叫互斥。競爭條件： 多個線程或者進程在讀寫一個共享數據時結果依賴于他們執(zhí)行的相對時間，這種情形叫做競爭條件。饑餓： 是指一個可運行的進程盡管能繼續(xù)執(zhí)行，但被調度器無限期地忽視，而不能被調度執(zhí)行的情況?；コ獾囊螅?為了提供對互斥的支持，必須滿足一下要求：必須強制實施互斥：在具有關于相同資源或共享對象的臨界區(qū)的所有進程中，一次只允許一個進程進入臨界區(qū)。一個在非臨界區(qū)停止的進程必須不干涉其他的進程。決不允許出現一個需要訪問臨界區(qū)的進程被無限延時的情況，即不會出現死鎖和饑餓。當沒有進程在臨界區(qū)中時，任何需要進入臨界區(qū)的進程必須能夠立即進入。當相關進程的速度和處理器的數目沒有任何要求和限制。一個進程駐留在臨界區(qū)中的時間必須是有限的。生產者消費者： 有一個或多個生產者產生某種類型的數據（記錄，字符），并放置在緩沖區(qū)中；有一個消費者從緩沖區(qū)中取數據，每次取一項；系統(tǒng)保證避免對緩沖區(qū)的重復操作，也就是說，在任何時候只有一個代理（生產者或消費者）可以訪問緩沖區(qū)。讀者寫者問題： 有一個許多進程共享的數據區(qū)，這個數據區(qū)的進程（reader）和一些只往數據區(qū)中寫數據的進程（writer）；此外還需要如下條件：任意多的讀進程可以同時讀這個文件；一次只有一個進程可以往文件中寫；如果一個寫進程正在往文件中寫時，則禁止任何進程讀文件；生產者-消費者&&讀者-寫者讀者-寫者生產者-消費者一次可以有多個讀者同時讀取只有一個消費者去消費一次只允許一個寫者進行寫可以有多個生產者第六章 并發(fā)性：死鎖和饑餓第七章 內存管理內存管理的五點需求：

重定位保護共享邏輯組織物理組織內存管理技術：（具體見課本P221表7.1）動態(tài)分區(qū)的放置算法：最佳適配：選擇與要求的大小最接近的塊。首次適配：從開始掃描內存，選擇大小足夠的第一個可用塊；臨近適配：從上一次放置的位置開始掃描內存，選擇下一個大小足夠的可用塊。三種算法的優(yōu)劣：分區(qū)式存儲管理早期的單用戶、單任務的操作系統(tǒng)將內存空間簡單地分為兩個區(qū)域：系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)。操作系統(tǒng)使用系統(tǒng)區(qū)；應用程序則裝入到用戶區(qū)，并使用用戶區(qū)全部空間。這種方式管理簡單，但浪費內存空間。為了支持多個程序并發(fā)執(zhí)行，現代操作系統(tǒng)引入了分區(qū)式存儲管理。內存被分為若干個區(qū)域，操作系統(tǒng)占用其中一個分區(qū)，其余的分區(qū)則提供給應用程序使用，每個應用程序占用其中一個或幾個分區(qū)。根據分區(qū)的大小是否固定，可以將分區(qū)式存儲管理機制分為固定分區(qū)和動態(tài)分區(qū)兩種類型。動態(tài)分區(qū)在進程申請內存空間時按其要求的容量分配內存，或根據進程的要求在其執(zhí)行過程中動態(tài)改變分區(qū)大小。分區(qū)存儲管理的優(yōu)點是易于實現，但缺點是容易造成空間浪費，產生碎片。交換技術和分頁技術根據程序的局部性原理，在一個較短的時間間隔內，程序所訪問的存儲器地址在很大比例上集中在存儲器地址空間的很小范圍內。交換技術正是利用了程序的局部性原理實現多任務并發(fā)環(huán)境中的存儲管理。交換過程由換入和換出兩個過程組成：換入過程將外存交換區(qū)的數據和程序代碼換至內存，而換出過程將內存中的數據換到外存交換區(qū)中。操作系統(tǒng)將暫時不執(zhí)行的程序代碼保存在外存中，并將這些進程排入進程請求的長期調度隊列。隊列中的一部分進程被調到主存中執(zhí)行。當由于輸入/輸出操作等原因使得存儲器中無進程處于就緒狀態(tài)時，操作系統(tǒng)將部分進程換出至外存，并排入中期隊列。騰出的內存空間則換入中期隊列或長期隊列中的一個可執(zhí)行的進程。交換技術的優(yōu)點是增加了并發(fā)運行的進程數目。缺點是換入和換出操作增加了處理機的時間開銷；而且交換的單位為整個進程的地址空間，沒有考慮程序執(zhí)行過程中地址訪問的統(tǒng)計特性。交換技術和早期采用的覆蓋技術一樣，雖然都是從邏輯上利用外存擴大主存空間，但并沒有將主存和外存組成一個有機的整體。分頁技術引申出一種非常重要的存儲管理策略——虛擬存儲器(簡稱虛存)。在存儲管理部件(MMU)的支持下，虛擬存儲器技術可以徹底解決存儲器的調度與管理問題。第八章 虛擬內存分頁和分段的特點：（見課本P240表8.1）關于替換策略的算法：（課本P256->……圖8.16）虛擬存儲器的基本概念實地址與虛地址用戶編制程序時使用的地址稱為虛地址或邏輯地址，其對應的存儲空間稱為虛存空間或邏輯地址空間；而計算機物理內存的訪問地址則稱為實地址或物理地址，其對應的存儲空間稱為物理存儲空間或主存空間。程序進行虛地址到實地址轉換的過程稱為程序的再定位。虛存的訪問過程虛存空間的用戶程序按照虛地址編程并存放在輔存中。程序運行時，由地址變換機構依據當時分配給該程序的實地址空間把程序的一部分調入實存。每次訪存時，首先判斷該虛地址所對應的部分是否在實存中：如果是，則進行地址轉換并用實地址訪問主存；否則，按照某種算法將輔存中的部分程序調度進內存，再按同樣的方法訪問主存。由此可見，每個程序的虛地址空間可以遠大于實地址空間，也可以遠小于實地址空間。前一種情況以提高存儲容量為目的，后一種情況則以地址變換為目的。后者通常出現在多用戶或多任務系統(tǒng)中：實存空間較大，而單個任務