自制思维导图

操作系统

基础

概述

• 概念（定义）

  • 负责管理协调硬件、软件等计算机资源的工作
  • 为上层用户、应用程序提供简单易用的服务
  • 是一种系统软件

• 基本特征

  • 共享

    所谓的“同时”往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问的（即分时共享）
    生活实例：
    互斥共享方式：使用QQ和微信视频。同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。
    同时共享方式：使用QQ发送文件A，同时使用微信发送文件B。宏观上看，两边都在同时读取并发送文件，
    说明两个进程都在访问硬盘资源，从中读取数据。微观上看，两个进程是交替着访问硬盘的。

    • 互斥共享-对摄像头的共享使用

      • 一个时间段内只允许一个进程访问该资源

    • 同时共享-对硬盘资源的共享使用

      • 允许一个时间段内由多个进程“同时”对它们进行访问

  • 并发

    • 并发：老渣分开约两个
    • 并行：小渣一次约两个

  • 虚拟

    虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体（前者）是实际存在的，而逻辑上对应物（后者）是用户感受到的。

    • 空分复用技术-虚拟存储技术

    • 时分复用技术-虚拟处理器技术

      虚拟技术中的“时分复用技术”。微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务

  • 异步

    异步是指，在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，
    而是走走停停，以不可预知的速度向前推进，这就是进程的异步性。

功能和目标

• 资源的管理者

  • 处理机管理-qq的正常运行
  • 存储器管理-打开qq.exe,进程进内存
  • 文件管理-文件夹里qq.exe
  • 设备管理-qq聊天开摄像头

• 向上层提供服务

  • 给普通用户的

    • GUI用户图形界面

    • 命令接口

      • 联机命令接口

        • 交互命令接口：用户说一句，系统做一句

      • 脱机命令接口

        • 批处理命令接口：用户说一堆，系统做一堆

  • 给程序员的

    • 程序接口

      • 即系统调用

• 对硬件机器的扩展

  没有任何软件支持的计算机成为裸机。在裸机上安装的操作系统，
  可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能，将裸机改造成功能
  更强、使用更方便的机器
  通常把覆盖了软件的机器成为扩充机器，又称之为虚拟机

发展阶段

• 手工阶段

  • 人机速度矛盾

• 批处理阶段

  • 单道批处理

    • 优：缓解人机速度矛盾
    • 缺：资源利用率低

  • 多道批处理（操作系统开始出现）

    • 优：资源利用率高
    • 缺：不能人机交互

• 分时操作系统

  • 优：提供人机交互
  • 缺：不能优先处理紧急业务

• 实时操作系统

  • 硬实时操作系统

    • 必须在绝对严格的规定时间内完成处理-导弹控制系统，自动驾驶系统

  • 软实时操作系统

    • 能接受偶尔违反时间的规定-12306火车订票系统

• 其他

  • 网络操作系统
  • 分布式操作系统
  • 个人操作系统

中断和异常

• 中断的作用

  • 让操作系统强行夺回CPU的控制权
  • 使CPU从用户态变为内核态

• 中断的分类

  • 内中断（也称“异常、例外”）

    与当前执行的指令有关，
    中断信号的来自CPU内部

    • 陷阱

      由陷入指令引发，是应
      用程序故意引发的，用于系统调用

    • 故障

      由错误条件引起的，可能被
      内核程序修复。内核程序修
      复故障后会把 CPU使用权还
      给应用程序，让它继续执行
      下去。如：缺页故障。

    • 终止

      由致命错误引起，内核程序无法
      修复该错误，因此一般不再将CPU
      使用权还给引发终止的应用程序，
      而是直接终止该应用程序。如：
      整数除0、非法使用特权指令

  • 外中断（也称“中断”）

    与当前执行的指令无关，
    中断信号的来自CPU外部

    • 时钟中断
    • I/O中断请求

• 中断的处理过程

  • 每条指令执行结束后，CPU检查是否有外部中断信号
  • 如果有外部中断信号，则需要保护被中断进程的CPU环境
  • 根据中断信号类型转入相应的中断处理程序
  • 恢复原进程的CPU环境并退出中断，返回原进程继续往下执行

系统调用

“系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用
程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务

• 为什么要用

  • 同时打印例子-保证系统的稳定性和安全性

• 是什么

  • 操作系统对应用程序/程序员提供的接口

• 适用范围

  • 与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理、设备管理等）

• 和库函数的区别

  • 有的库函数是对系统函数的进一步封装
  • 有的库函数没有使用系统调用

• 调用过程

  • 1.传递系统调用参数
  • 2.执行陷入/Trap/访管指令
  • 3由操作系统内核程序处理系统调用请求
  • 4.返回用户程序

运行机制和体系结构

• 运行机制

  • 指令

    • 特权指令
    • 非特权指令

  • 处理器状态

    • 核心态
    • 用户态

  • 程序

    • 内核程序
    • 应用程序

• 操作系统内核

  • 时钟管理

    • 实现计时功能

  • 中断处理

    • 负责实现中断机制

  • 原语（设备驱动，cpu切换等）

    • 是一种特殊的程序
    • 处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分
    • 这种程序运行具有原子性–运行不可中断
    • 运行时间较短，调用频繁

  • 对系统资源进行管理的功能

    • 进程管理
    • 存储器管理
    • 设备管理

• 体系结构

  • 大内核-类比创业公司，管理员多职务

    • 优：高性能
    • 缺：代码庞大，结构混乱，维护困难

  • 微内核-类比大公司，管理员职务单一

    • 优：内核功能少，结构清晰，方便维护
    • 缺：需要频繁地在内核态和用户态之间切换，性能低

进程

概念

• 定义

  • 进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位

• 组成

  PCB是给操作系统用的，程序段、数据段是给进程自己用的。

  • PCB

    PCB是进程存在的唯一标志。

    • 进程描述信息
    • 进程控制和管理信息
    • 资源分配清单
    • 处理机相关信息

  • 程序段

    • 存放要执行的程序代码

  • 数据段

    • 存放程序运行过程中处理的各种数据

• 组织形式

  • 链接方式

    • 按进程状态将PCB分为多个队列

  • 索引方式

    • 按照进程状态建立几张索引表，各表项指向一个PCB

• 特征

  • 动态性

    • 进程最基本的特性

  • 并发性

  • 独立性

    • 进程是系统进行资源分配、调度的独立单位

  • 异步性

    • 各进程以不可预知的速度向前推进，可能导致进程结果的不确定性

  • 结构性

进程状态

• 状态

  • 创建态

    • 进程正在被创建，操作系统为进程分配资源、初始化、PCB

  • 就绪态

    • 万事俱备，只欠CPU：已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，暂时不能运行

  • 运行态

    • 占有CPU资源，并在CPU上运行

  • 阻塞态/等待态

    • 因等待某一事件而暂时不能运行

  • 终止态

    • 进程正从系统中撤销，操作系统会回收进程拥有的资源、撤销PCB

• 状态之间的转换

  • 就绪-运行

    • 进程被调度

  • 运行-就绪

    • 时间片到，或CPU被其他高优先级的进程抢占

  • 运行-阻塞

    • 等待系统资源分配，或等待某时间发生。（中断处理）是主动行为

  • 阻塞-就绪

    • 资源分配到位，等待的事件发生。是被动行为

  • 创建-就绪

    • 系统完成创建进程相关的工作

  • 运行-终止

    • 进程运行结束，或运行过程中遇到不可修复的错误。如除0

进程控制

• 基本概念

  • 进程控制就是实现进程状态之间的转换

  • 进程控制用原语实现

    • 原语用关/开中断实现

      原语的执行具有原子性，即执行过程只能一气呵成，期间不允许被中断。
      可以用 “关中断指令”和“开中断指令”这两个特权指令实现原子性

    • 原语是一种特殊的程序

    • 原语的执行必须一气呵成，不可中断

• 相关原语

  进程控制会导致进程状态的转换。无论哪个进程控制原语，要做的无非三类事情：

  1. 更新PCB中的信息
     a. 所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志
     b. 剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境
     c. 某进程开始运行前必然要恢复期运行环境
  2. 将PCB插入合适的队列
  3. 分配/回收资源
  • 进程的创建
  • 进程的终止
  • 进程的阻塞
  • 进程的唤醒
  • 进程的切换

进程通信

• 共享存储

  • 设置一个共享空间

  • 要互斥地访问共享空间

  • 两种方式

    • 基于数据结构（低级）
    • 基于存储区的共享（高级）

• 管道通信

  • 设置一个特殊的共享文件（管道），其实就是一个缓冲区
  • 一个管道只能实现半双工通信
  • 实现双向同时通信要建立两个管道
  • 各进程要互斥访问管道
  • 写满时，不能再写。读空时，不能再读。
  • 没写满，不能读。没读空，不能再写

• 消息传递

  • 传递结构化的消息（消息头/消息体）

  • 系统提供“发送/接受原语“

  • 两种方式

    • 直接通信方式

      • 消息直接挂到接收方的消息队列里

    • 间接（信箱)通信方式

      • 消息先发到中间体（信箱）

线程、多线程模型

• 概念

  • 可理解为“轻量级进程”
  • 可增加并发度，减少并发带来的开销

• 引入线程机制后，和传统的进程机制对比

  • 资源分配、处理机调度
  • 并发性
  • （实现并发的）开销

• 重要属性

  • 线程是处理机调度的单位，进程是资源分配的单位
  • 同一进程的各线程共享进程进程拥有的资源
  • 同一进程内的线程切换不会导致进程切换

• 实现方式

  • 用户级线程

    • 从用户视角看的线程

  • 内核级线程

    • 从操作系统视角看的线程（内核级线程才是处理机分配的单位）

  • 组合方式

    • 上述两种方式的组合

• 多线程模型

  • 多对一模型

    • 优：进程管理开销小效率高
    • 缺：一个线程阻塞会导致整个进程都被阻塞（并发度低）

  • 一对一模型

    • 优：各个线程可分配到多核处理机并执行，并发度高
    • 缺：进程管理开销大

  • 多对多模型

    • 集合了两者的优点

进程互斥和同步

• 概念

  • 进程同步

    • 解决进程异步后不能按照指定的先后顺序执行的问题

  • 进程互斥

    • 对临界资源的访问，需要互斥的进行，即同一时间段内只能允许一个进程访问该资源

    • 四个部分

      • 进入区

        • 检查是否可进入临界区，若可进入，需要“上锁”

      • 临界区

        • 访问临界资源的那段代码

      • 退出区

        • 负责“解锁”

      • 剩余区

        • 其余代码部分

    • 需要遵循的原则

      • 空闲让进

        • 临界区空闲时间，应允许一个进程访问

      • 忙则等待

        • 临界区正在被访问时，其他试图访问的进程需要等待

      • 有限等待

        • 要在有限时间内进入临界区，保证进程不会饥饿

      • 让权等待

        • 进入不了临界区的进程，要释放处理机，防止忙等

• 进程互斥软件实现方法

  • 单标志法

    • 在进入区只做“检查”，不上锁
    • 违背“空闲让进”原则

  • 双标志先检查法

    • 在进入区先“检查”，后“上锁”，退出区“解锁”
    • 违背“忙则等待”原则

  • 双标志后检查法

    • 在进入区“先加锁”后检查，退出区“解锁”
    • 解决了“忙则等待”，但违背“空闲让进”、“有限等待”原则

  • Peterson算法

    • 在进入区“主动争取-主动谦让-检查对方是否想进、己方是否谦让”
    • 不遵循让权等待

• 进程互斥硬件实现方法

  • 中断屏蔽方法

    • 使用“开/关中断”指令实现
    • 优点：简单高效
    • 缺点：只适用于单处理机、操作系统内核进程

  • TestAndSet（Ts指令/TSL指令）

    • 优点：实现简单，使用多处理机环境
    • 缺点：不满足“让权等待”

  • Swap指令（XCHG指令）

    • 优点：实现简单，使用多处理机环境
    • 缺点：不满足“让权等待”

• 信号量机制

  • 整形信号量

    • 用一个整数型变量作为信号量，数值表示某种资源数
    • 对信号量只能执行初始化、P、V三种操作
    • 不满足让权等待原则

  • 记录型信号量

    • S.value表示某种资源数，S.L指向等待该资源的队列
    • P操作中，一定是S.value–，之后可能需要执行block原语
    • V操作中，一定是S.value++,之后可能需要执行wakeup原语
    • 可以用记录型信号量实现系统资源的申请和释放
    • 可以用记录型信号量实现进程互斥、进程同步

  • 信号量实现进程互斥

    • 设置互斥信号量，初始值为1
    • 临界区之前对信号量执行P操作
    • 临界区之后对信号量执行V操作

  • 信号量实现进程同步

    • 设置同步信号量，初始值为0
    • 在“前操作”之后执行V操作
    • 在“后操作”之前执行P操作

• 管程

  • 为什么要引入

    • 解决信号量机制编码麻烦、易出错的问题，封装成一个对象，通过函数调用

  • 组成

    • 共享数据结构
    • 对数据结构的初始化语句
    • 调用数据结构的函数

  • 基本特征

    • 各外部进程/线程只能通过访问特定的“入口”才能访问共享数据
    • 每次仅允许一个进程在管程内执行某个内部过程

  • 其他

    • 各进程必须互斥访问管程的特性是由编译器实现的
    • 可在管程中设置条件变量及等待/唤醒操作以解决同步问题
    • 在java中通过关键字synchronized实现

死锁

• 概念

  • 各进程互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，无法向前推进

  • 死锁、饥饿、死循环

    • 死锁：至少两个进程一起死锁，死锁进程处于阻塞态
    • 饥饿：可以只有一个进程饥饿，饥饿进程可能阻塞也可能就绪
    • 死循环：可能只有一个进程发生死循环，死循环的进程可上处理机
    • 死锁和饥饿是操作系统要解决的问题，死循环是应用程序员要解决的

  • 死锁产生的条件

    • 互斥条件

    • 不剥夺条件

    • 请求和保持条件

      • 保持着某些资源不放的同时，请求别的资源

    • 循环等待条件

      • 存在一种进程资源的循环等待
      • 循环等待未必死锁，死锁一定有循环等待

  • 什么时候会发生

    • 对不可剥夺资源的不合理分配

• 处理策略

  • 预防死锁：破坏死锁产生的四个必要条件

    • 破坏互斥条件

      • 将临界资源改造为可共享使用的资源（如SPOOLing技术）
      • 缺点：可行性不高，很多时候无法破坏互斥条件

    • 破坏剥夺条件

      • 申请资源得不到满足时，立即释放拥有的资源
      • 申请的资源被其他进程占用时，由操作系统协助剥夺（考虑优先级）
      • 缺点：实现复杂；剥夺资源可能导致部分工作失效；反复申请和释放导致系统开销大；可能导致饥饿

    • 破坏请求和保持条件

      • 运行前配好所有需要的资源，之后一直保持
      • 缺点：资源利用率低，可能导致饥饿

    • 破坏循环等待条件

      • 给资源编号，必须按编号从小到大的顺序申请资源
      • 缺点：不方便增加新设备；会导致资源浪费；用户编程麻烦

  • 避免死锁：避免系统进入不安全状态

    • 银行家算法

      • 1.检查此次申请是否超过了之前声明的最大需求数
      • 2.检查此时系统剩余的可用资源是否还能满足此次请求
      • 3.试探着分配，更改各数据结构
      • 4.用安全性算法检查此次分配是否会导致系统进入不安全状态

    • 安全性算法

      • 检查当前的剩余可用资源是否能满足某个进程的最大需求，如果可以，就把该进程加入安全序列，并把该进程持有的资源全部回收
      • 不断重复上述过程，看最终是否能让所有进程进入安全序列

  • 死锁的检测和解除:允许死锁发生，系统负责检测出死锁并解除

    • 检测

      • 数据结构：资源分配图

        • 两种节点

          • 进程节点
          • 资源节点

        • 两种边

          • 进程节点->资源节点
          • 资源节点->进程节点

      • 死锁检测算法

        • 依次消除与不阻塞进程（申请资源数足够的进程）相连的边，直到无边可消
        • 死锁定理：若资源分配图是不可完全简化的，说明发生了死锁

    • 解除

      • 资源剥夺法
      • 撤销进程法（终止进程法）
      • 进程回退法

处理机调度

基本概念

• 按某种算法选择一个进程将处理机分配给它

• 三个层次

  • 高级调度（作业调度）

    • 按照某种规则，从后备队列中选择合适的作业将其调入内存，并为其创建进程

  • 中级调度（内存调度）

    • 按照某种规则，从挂起队列中选择合适的进程将其数据调回内存

  • 低级调度（进程调度）

    • 按照某种规则，从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机

• 三层调度的联系、对比

  • 高级调度

    • 外存->内存（面向作业）
    • 发生频率：最低

  • 中级调度

    • 外存->内存（面向进程）
    • 发生频率：中等

  • 低级调度

    • 内存->CPU
    • 发生频率：最高

进程调度

• 时机

  • 什么时候需要进程调度

    • 主动放弃

      • 进程正常终止
      • 运行过程中有异常终止
      • 主动阻塞（等待I/O）

    • 被动放弃

      • 分给进程的时间片用完
      • 有更晋级的事情需要处理（I/O中断）
      • 有更高优先级的进程进入就绪队列

  • 什么时候不能进程调度

    • 在处理中断的过程中
    • 进程在操作系统内核程序临界区中
    • 原子操作过程中（原语)

• 切换与过程

  • 切换过程

    • 对原来运行进程各种数据的保存
    • 对新的进程各种数据的恢复

  • 结论

    • 进程调度、切换是有代价的
    • 并不是调度越频繁，并发度就越高

• 方式

  • 非剥夺调度方式（非抢占式）

    • 只能由当前运行的进程主动放弃CPU

  • 剥夺调度方式（抢占式）

    • 可由操作系统剥夺当前进程的CPU使用权

算法调度评价指标

• CPU/设备利用率

  • 忙碌时间/总时间

• 系统吞吐量

  • 单位时间内完成了多少作业量

• 周转时间

  • 周转时间：作业完成时间-作业提交时间
  • 平均周转时间
  • 带权周转时间：作业周转时间/作业实际运行时间
  • 平均带权周转时间

• 等待时间

  • 进程/作业处于等待处理机状态时间之和

• 响应时间

  • 从用户提交请求到首次产生响应所用的时间

调度算法分类

• 先来先服务

  • 优点：公平
  • 缺点：对短作业不利
  • 是否会导致饥饿：不会
  • 是否可抢占：否

• 短作业优先

  • 优点：“最短的”平均等待/周转时间
  • 缺点：对长作业不利
  • 是否导致饥饿：会
  • 是否可抢占：是

• 高响应比

  • 结合了上面两种
  • 是否会饥饿：会
  • 是否可抢占：否

• 时间片轮转

  • 时间片不能太大，太大了会退化为先来先服务
  • 时间片太小，进程切换频繁
  • 优：公平，相应快，适用分时操作系统
  • 缺：高频切换需要一定的开销，而且不区分任务的紧急程度
  • 是否导致饥饿：不会
  • 是否可抢占：是

• 优先级调度

  • 优：可以用优先级区分各种紧急程度、重要程度，适用于实时操作系统
  • 缺：若一直有高优先级的进程进来，则低优先级的进程会饥饿
  • 是否饥饿：是
  • 是否可抢占：是

• 多级反馈队列算法

  • 对其他的算法进行权衡
  • 是否可抢占：是
  • 是否饥饿：是
  • 优点：平衡优秀666

内存

基础知识

• 概念

  • 内存可存放数据
  • 缓和CPU与硬盘之间的速度矛盾
  • 按字节编址vs按字编址

• 进程运行基本原理

  • 指令的工作原理

    • 操作码+若干参数（可能包含地址参数）

  • 逻辑地址（相对地址）vs物理地址（绝对地址）

  • 过程

    • 编辑源代码文件

      • .java编辑文件

    • 编译

      • 由源代码生成目标代码（高级语言翻译为机器语言）
      • .class编译文件

    • 链接

      • 由链接程序将编译后形成的一组目标模块，以及所需库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块，链接后形成完整的逻辑地址
      • .obj目标文件

    • 装入

      • 由装入模块装入内存运行，装入后形成物理地址
      • .exe可执行文件

    • 三种链接方式

      • 静态链接
      • 装入时动态链接
      • 运行时动态链接

    • 三种装入模式

      • 绝对装入
      • 可重定位装入
      • 动态运行时装入

内存空间的分配

• 连续分配管理方式

  • 碎片

    • 内部碎片

      • 分配给某进程的内存区域中，如果有些部分没有用上

    • 外部碎片

      • 是指内存中的某些空闲分区由于太小而难以利用

  • 单一连续分配

    • 只支持单道程序，内存分为系统区和用户区，用户程序放在用户区
    • 无外部碎片，有内部碎片

  • 固定分区分配

    • 支持多道程序，内存用户空间分为若干个固定大小的分区，每个分区只能装一道作业

    • 无外部碎片，有内部碎片

    • 两种分区方式

      • 分区大小相等
      • 分区大小不等

  • 动态分区分配

    • 支持多道程序，在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区

    • 无内部碎片，有外部碎片

    • 外部碎片可用“紧凑”技术来解决

    • 相邻的空间分区要合并

    • 算法

      • 首次适应算法

        • 思想：从头到尾找合适的分区
        • 排序：空闲地区以地址递增次序排列

      • 最佳适应算法

        • 思想：优先使用更小的分区，以保留更多更大的分区
        • 排序：空闲分区以容量递增排列

      • 最坏适应算法

        • 思想：优先使用更大的分区，以防止产生太小的不可用的碎片
        • 排序：空闲分区以容量递减排列

      • 领近适应算法

        • 思想：在首次适应算法的基础上，每次从上次查找结束位置开始查找
        • 排序：空闲分区以地址递增排列

• 非连续分配管理方式

  • 基本分页存储管理

    • 思想

      • 把进程分页，各个页面可离散地放到各个的内存块中

    • 计算

      • 页号=逻辑地址/页面大小
      • 页内偏移量=逻辑地址%页面大小

    • 页表

      • 页表记录进程页面和实际存放的内存块之间的对应关系
      • 一个进程对应一张页表，进程的每一页对应一个页表项，每个页表项由“页号”和“块号”组成
      • 每个页表项的长度是相同的

    • 如何实现地址转换

      • 1.计算出逻辑地址对应的页号
      • 2.找到对应页面在内存中的存放位置
      • 3.算出逻辑地址对应的页内偏移量
      • 4.物理地址=页面初始值+页面偏移量

    • 二级分页

      • 一级分页存在的问题

        • 所有页表必须连续存放，页表过大时需要很大的连续空间
        • 在一段时间内并非所有页面都用得到，因此没必要让整个页表常驻内存

      • 逻辑地址结构：（一级页号，二级页号，页内偏移量）

      • 如何实现地址转换

        • 按照地址结构将逻辑结构拆分成三部分
        • 从PCB中读出页目录表始址，根据一级页号查页目录表，找到下一级页表在内存中的存放位置
        • 根据二级页号查表，找到最终想访问的内存块号
        • 结合页内偏移量得到物理地址

  • 快表

    • 是一种访问速度比内存快很多的高速缓存

    • 用来存放最近访问的页表项的副本

    • 类似程序执行中的redis缓存

    • 引入快表后，地址转换会根据页号找快表

      • 如果快表中没有值，则去找页表，然后把找到的值赋给快表
      • 如果快表中有值，则直接从快表中取值

  • 基本分段存储管理

    • 分段

      • 将地址空间按照程序自身的逻辑关系划分为若干个段，每段从0开始编址
      • 每个段在内存中占据连续空间，但各段之间可以不相邻
      • 逻辑地址结构：（段号，段内地址）

    • 地址变换

      • 1.由逻辑地址得到段号、段内地址
      • 2.段号与段表寄存器中的段长度比较，检查是否越界
      • 3.由段表始址、段号找到对应段表项
      • 4，根据段表中记录的断肠，检查段内地址是否越界
      • 5.由段表中的“基址+段内地址”得到最终的物理地址
      • 6.访问目标单元

    • 分段vs分页

      • 分页的主要目的是为了实现离散分配，提高内存利用率。分段的主要目的是更好地满足用户需求
      • 分页对用户不可见，分段对用户可见
      • 程序员操作分段更容易
      • 分段更容易实现信息的共享和保护
      • 分页（单级页表）、分段访问一个逻辑地址都需要两次访文内存，分段存储中也可以引入快表机构

  • 段页式管理

    • 先分段+后分页

      • 将地址空间按照 程序自身的逻辑关系划分为若干个段，在将各段分为大小相等的页面
      • 将内存空间分为与页面大小相等的一个个内存，系统以块为单位为进程分配内存
      • 逻辑地址结构：（段号，页号，页内偏移量）

    • 分段和分页的缺点

      • 分页不方便按照逻辑模块实现信息的共享和保护
      • 分段如果段长过大，为其分配很大的连续空间不方便。而且段氏管理会产生外部碎片

    • 地址变换

      • 1.由逻辑地址得到段号，页号，页内偏移量
      • 2.段号与段表寄存器中的段长度比较，检查是否越界
      • 3.由段表始址、段号找到对应的段表项
      • 4.根据段表中记录的页表长度，检查页号是否越界
      • 5.由段表汇总的页表地址、页号得到查询页表，找到相应的页表项
      • 6.由页面存放的内存块号、页内偏移量得到最终的物理地址
      • 7.访问目标单元

    • 访问次数

      • 第一次查段表，第二次查页表，第三次访问目标单元
      • 可引入快表机构

内存空间的扩充（实现虚拟性）

• 覆盖技术

  • 一个固定区

    • 存放最活跃的程序段
    • 固定区的程序段在运行过程中不会调入调出

  • 若干覆盖区

    • 不可能同时被访问程序段可共享一个覆盖区
    • 覆盖区中的程序段在运行过程中会根据需要调入调出

  • 必须由程序员声明覆盖结构，操作系统完成自动覆盖

  • 覆盖技术只用于早期的操作系统中，现在已成为历史。

  • 缺点：对用户不透明，增加了用户编程负担。

• 交换技术

  • 内存空间紧张时，系统将内存中某些进程暂时换出外存，把外存中
    某些已具备运行条件的进程换入内存（进程在内存与磁盘间动态调度）
  • 磁盘分为文件区和对换区，换出的进程放在对换区

• 覆盖和交换的区别

  • 覆盖是同一个程序或者进程中的
  • 交换是在不同的进程（作业）之间的

• 虚拟内存

  基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序中很快会用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存，就可以让程序开始执行。
  在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统负责将所需信息从外存调入内存，然后继续
  执行程序。
  若内存空间不够，由操作系统负责将内存中暂时用不到的信息换出到外存。
  在操作系统的管理下，在用户看来似乎有一个比实际内存大得多的内存，这就是虚拟内存。

  • 基本概念

    • 传统存储管理方式的缺点

      • 一次性：作业数据必须一次全部调入内存
      • 驻留性：作业数据在整个运行期间都会常驻内存

    • 局部性原理

      • 时间局部性：现在访问的指令、数据在不久之后很可能被再次访问
      • 空间局部性：现在访问的内存单元周围的内存空间，很可能在不就后会被访问
      • 高速缓存技术：使用频繁的数据放到更高速的存储器中

    • 虚拟内存的定义和特征

      • 程序不需全部装入即可运行，运行时根据需要动态调入数据，若内存不够，还需换出一些数据

      • 特征

        • 多次性：无需在作业运行时一次性全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存
        • 对换性：无需在作业运行时一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，将作业换入、换出
        • 虚拟性：从逻辑上扩充了内存容量，使用户看到的内存容量，远大于实际的容量

    • 如何实现虚拟内存技术

      • 访问信息不在内存时，由操作系统负责将所需的信息从外存调入内存（请求调页功能，缺页中断）

      • 内存空间不够时，将内存中暂时用不到的信息换出到外存（页面置换功能）

      • 虚拟内存的实现

        • 请求分页存储管理
        • 请求分段存储管理
        • 请求段页式存储管理

  • 请求分页管理方式

    • 页表机制

      • 在基本分页的基础上增加了几个表项
      • 状态位：表示页面是否已在内存中
      • 访问字段：记录最近被访问过几次，或记录上次访问的时间，供置换算法选择换出页面时参考
      • 修改位：表示页面调入内存后是否被修改过，只有修改过的页面才需要在置换时写回外存
      • 外存地址：页面在外存中存放的位置

    • 缺页中断机构

      • 找到页表项后检查页面是否已在内存，若没在内存，产生缺页中断
      • 缺页中断处理中，需要将目标页面调入内存，内存满时还要换出页面
      • 缺页中断属于内中断，属于内中断中的“故障”，即可能被系统修复的异常
      • 一条指令在执行过程中可能产生多次缺页中断

    • 地址变换（与基本分页不同的地方）

      • 找到页表项需要检查页面是否在内存中
      • 若页面不在内存中，需要请求调页（缺页中断）
      • 若内存空间不够，还需要换出页面
      • 页面调入内存后，需要修改相应页面项

  • 页面置换算法

    • 最佳置换算法（OPT）

      • 规则：优先淘汰未来不会被访问的页面
      • 优缺点：缺页率最小，性能最好，但无法实现

    • 先进先出置换算法（FIFO）

      • 规则：优先淘汰最先进入内存的页面
      • 优缺点：实现简单，但性能差

    • 最近最久未使用置换算法（LRU）

      • 规则：优先淘汰最近最久没访问的页面
      • 优缺点：性能很好，但需要硬件支持，算法开销大

    • 时钟置换算法/最近未用算法（CLOCK）

      • 规则：（访问位）的方式，有访问的页面值为1，循环扫描各页面第一轮淘汰访问=0的，并将扫描过的页面访问位改为1。1轮没中，进行第二轮
      • 优缺点：实现简单，算法开销小，但未考虑页面是否被修改过

    • 改进型时钟置换算法CLOCK

      • 规则：（访问位，修改位）的形式，
        第一轮，淘汰（0,0)也就是没有访问也没有修改过的。
        第二轮，淘汰（0,1)也就是没有访问但修改过的，并且扫描后将1变为0
        第三轮，淘汰（0,0）也就是有访问但是没有修改过的
        第四轮，淘汰（1,0）也就是有访问且有修改过的
      • 优缺点：算法开销小，性能也好

  • 页面分配策略

    • 驻留集

      • 指请求分页存储管理中给进程分配的内存块的集合

    • 置换策略

      • 固定分配vs可变分配：区别在于进程运行期间助留集大小是否可变
      • 局部置换vs全局置换：区别在于发生缺页时是否只能从进程自己的页面中选择一个换出

    • 抖动（颠簸）现象

      • 页面频换换入换出的现象，主要原因是分配给进程的物理块不够

内存管理

• 地址转换

  • 操作系统负责实现逻辑地址到物理地址的转换

  • 三种方式

    • 绝对装入
    • 可重定位装入
    • 动态运行时装入

• 存储保护

  • 保证各进程在自己的内存空间内运行，不会越界访问

  • 两种方式

    • 设置上下限寄存器
    • 利用重定位寄存器、界地址寄存器进行判断

文件管理

基础

• 定义：一组有意义的信息的集合
• 属性：文件名、标识符、类型、位置、大小、保护信息等
• 文件内部应该如何组织（文件的逻辑结构）
• 文件之间应该如何被组织（目录结构）

文件的逻辑结构

• 无结构文件

  • 文件内部的数据就是一系列二进制流或字符流组成。又称“流式文件”。如：Windows 操作系统中的 .txt 文件

• 有结构文件

  • 由记录组成，分为定长记录、可变长记录

  • 逻辑结构

    • 顺序文件

      • 串结构：记录顺序与关键字无关
      • 顺序结构：记录按关键字顺序排列
      • 可变长记录的顺序文件无法实现随机存取，定长记录可以
      • 最大缺点：不方便增加/删除 记录

    • 索引文件

      • 建立一张索引表，每个记录对应一个表项。各记录不用保持顺序，方便增加/删除记录
      • 索引表本身就是定长记录的顺序文件，一个索引表就是一条定长记录，因此索引文件可支持随机存取
      • 若索引表按关键字顺序排列，则可支持快速检索
      • 解决了顺序文件不方便增/删记录的问题，同时让不定长记录的文件实现了随机存取。但索引表可能占用很多空间。

    • 索引顺序文件

      • 将记录分组，每组对应一个索引表项
      • 检索记录时先顺序查索引表，找到分组，再顺序查找分组
      • 当记录过多时，可建立多级索引表

文件目录

• 文件目录的实现

  • 一个文件对应一个FCB，一个FCB就是一个目录项，多个FCB组成文件目录
  • 对目录的操作：搜索、创建文件、删除文件、显示文件、修改文件

• 目录结构

  • 单级目录结构

    • 一个系统只有一张目录表，不允许文件重名

  • 两级目录结构

    • 不同用户的文件可以重名，但不能对文件进行分类

  • 多级（树形）目录结构

    • 不同目录下的文件可以重名，可以对文件进行分类，不方便文件共享
    • 系统根据“文件路径”找到目标文件
    • 从根目录出发的是“绝对路径”
    • 从“当前目录”出发的路径是“相对路径”

  • 无环图目录结构

    • 在树形目录结构基础上，增加一些指向同一节点的有向边，使整个目录成为一个有向无环图
    • 为共享节点设置一个共享计数器，计数器为0时才真正删除该节点

• 索引结点

  • 除了文件名之外的所有信息都放到索引结点中，每个文件对应一个索引结点
  • 目录项中只包含文件名、索引结点指针，因此每个目录项的长度大幅减小
  • 由于目录项长度减小，因此每个磁盘块可以放跟多的目录项，检索文件时磁盘的I/O的次数就少了很多

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