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作業系統

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1 作業系統定位

2 作業系統作用

• 作為使用者和計算機間的介面
• 作為實現計算機系統資源的管理者
• 實現了對計算機資源的抽象

3 作業系統分類
批處理系統、分時作業系統、實時作業系統、網路作業系統、分散式作業系統
4 作業系統的功能（2.2）
處理機管理功能、儲存器管理功能、裝置管理功能、檔案管理功能、使用者介面

處理機管理

又稱程式管理（4.1）
程式
1 程式概念：程式關於某個資料集合的一次執行過程
2 程式特徵
1）結構：程式控制塊（PCB）+程式+資料=程式實體
2）動態性：程式是實體的一次執行過程，有生命週期
                    程式是一組有序指令的集合，是靜態的
3 程式的三種基本狀態
就緒態 萬事俱備，只欠CPU
執行態 正在CPU執行
阻塞態/等待態 正執行的程式由於發生某事而無法執行

4 程式的互斥與同步
1）程式制約關係
  間接相互制約關係–資源共享(臨界/獨佔資源，如印表機)
  直接相互制約關係–程式合作（訪問同一變數，如倉庫的賣生產者和消費者）
5 臨界資源
1）臨界資源：把一段時間內只允許一個程式訪問的資源稱為臨界資源或獨佔資源
2）臨界區：每個程式中訪問臨界資源的那段程式碼

訊號量

6 訊號量機制
1）訊號量使所有的程式互斥的訪問臨界資源
2）訊號量是當前可使用資源數（大於零時），小於零阻塞
7 訊號量的應用
1）利用訊號量實現程式互斥
訊號量為資源個數
2）利用訊號量實現前驅關係

• 訊號量0
• 程式p1在p2前執行

程式p1 S1;
       signal(S);  V(S)
程式p2 wait(S);  P(S)
                 S2; 

3） 利用訊號量實現同步
確儲存取不同時執行，兩個變數

程式排程

程式排程：決定哪個CPU獲得處理機，所有作業系統都有
8 排程方式
1）非搶佔方式
當前程式完成，才能執行其他程式
簡單、開銷小，僅適合批處理OS
2）搶佔方式
根據某一原則，搶佔正在執行的程式的CPU
搶佔原則：時間片原則、短作業（程式）優先原則、優先權原則
9 排程演算法
1）先來先服務FCFS
  永遠給隊首的作業，利於長作業，不利於短作業
2）短作業優先SJ（P）F
  同一時間誰短誰先來
  降低平均等待時間，對長作業不利，未考慮緊迫程度，估計的作業時間（不一定做到短作業優先）
3）高優先權優先
  靜態優先權：建立程式時確定，值越小優先順序越高
  動態優先權：建立程式時的優先順序在執行過程中變化
  如 高響應比優先演算法
    優先權=（等待時間+要求服務時間）^{即系統響應時間}/要求服務時間（值越大優先順序越高）
等待時間相同，利於短作業；要求服務時間相等，先來先服務；長作業
4）時間片輪轉
  時間片結束，程式未完成置於隊尾；時間片內程式結束或阻塞，CPU切換。

死鎖

10 死鎖概念：執行過程中因爭奪資源而造成的僵局，無外力作用則無法繼續執行
11 死鎖產生原因
1）競爭資源不足
  資源分類：
    可剝奪性資源：高優先順序程式搶佔，如CPU、主存
    不可剝奪性資源：（臨界資源）必須程式用完後才能釋放，如磁帶、印表機
  只有不可剝奪性資源才會引起死鎖
2）程式間推進順序非法
12 產生死鎖必要條件
1）互斥條件
  程式訪問的是臨界資源，其他程式只能等待當前程式完成
2）請求和保持條件
  程式在請求新資源的同時，保持對已有資源的佔有
3）不剝奪條件
程式獲得的資源，只能由程式使用完成後主動釋放
4）環路等待條件
發生死鎖時，必定存在一個程式-資源環（互相等待對方資源）
13 處理死鎖
1）預防死鎖
  事先預防，破壞產生思索的一個或幾個條件（互斥條件除外）
2）避免死鎖
  銀行家演算法、採取事先預防的策略，防止系統進入不安全狀態
3）檢測死鎖（檢查）
4）解除死鎖（有則改之）
  撤銷或掛起一些程式再將這些程式分配給阻塞狀態的程式
  有可能是系統獲得較好的資源利用率和吞吐率，但難度較大

記憶體管理

1 主要指對記憶體的管理，負責記憶體分配和回收，記憶體的保護和擴充
2 目的：儘量提高記憶體的使用率
3 分配方式

• 連續的分配方式
  使用者程式分配在連續的記憶體空間

1）單一連續分配
DOS 分為作業系統和使用者，且只能分配給一個作業（單使用者單任務）
2）固定分割槽分配
分為作業系統和若干個大小不等的區域（按作業大小分配，每個區域存在浪費（內缺陷））
3）動態分割槽分配
分為作業系統和使用者區域，來一個劃出一部分空間
首次適應演算法（從低地址開始找能盛下作業的空閒分割槽，劃出）
迴圈首次適應演算法（從上次分配過的地方往下搜尋）
最佳適應演算法（找出與作業差值相差最小的（把分割槽按從小到大的順序排序），太小會無法分配，產生外缺陷）
最壞適應演算法（找出與作業差值相差最大的）
4）可重新定位分割槽分配
把記憶體中所有作業向低地址移動，使他們全部臨界，原來的小分割槽變成大分割槽（拼接）
對換
1 概念：把記憶體中暫時不能執行的程式或暫時不能使用的程式、資料，調到外存，把具備執行條件的從外存呼叫記憶體
2 分類
1 整體對換：整個程式為單位對換
2 頁內對換/分段對換 以頁或段為單位
離散分配方式
允許將一個程式直接分散的裝入許多不相鄰的分割槽中
1 分類
分頁儲存管理方式
1 分頁式儲存管理的原理
頁面
將一個程式分為若干個大小相等的片稱為頁面或頁（暑假數學作業，有5張卷子）；加以編號（從0開始）（分別為數學1、數學2..）；把記憶體空間分配成與頁面相同大小的若干個儲存塊，稱為塊或頁框(頁和塊大小相同)（裡面為許多透明袋檔案袋（一個透明袋可以裝一份卷子））
將卷子隨機裝入這些透明袋中（多個不相鄰的物理塊），程式的最後一頁經常裝不滿一塊而形成頁內碎片
地址變換

實現
頁表 實現了從頁號到物理塊號的地址對映

地址變換機構實現了從邏輯地址到實體地址的轉換

所以實體地址= b x 頁大小/塊大小+頁內地址
具有塊表的地址變換機構
訪問兩次記憶體（訪問頁面，計算實體地址；根據實體地址找資料）
存取器利用率高，CPU處理速度低

分段儲存管理方式
段表 作用類似頁表，區別（組成）：段號；段在業內中的起始地址；段長

段頁式儲存管理方式

頁面置換演算法

• 最佳置換演算法
  效能最好，最難實現：選以後再也不用的或未來最長時間不用的

可以用來衡量其他演算法，與此演算法越接近越好

• 先進先出（FIFO）置換演算法 最直觀，效能最差，可能會出現踢出先進（經常使用的頁面）的
• 最近最久未使用（LRU）
  過去預測未來，為每個頁面增加一個訪問欄位，訪問一次，欄位值加1

裝置管理

I/O系統組成：輸入、輸出裝置；儲存功能的裝置；裝置控制器
1 裝置管理概念

• 裝置管理程式功能
  1）提供和程式管理系統的介面

2）進行裝置分配
3）實現裝置和裝置之間、裝置和CPU之間的並行操作
4）進行緩衝區管理
2 I/O控制方式
1）程式I/O方式
2）中斷控制方式
3）直接儲存器訪問（DMA）方式 分塊傳
4）I/O通道（專門小型CPU）控制方式

       位元組多路通道
       選擇通道
       成組多路通道

3 緩衝管理
1）單緩衝 類似 生產者-消費者
2）雙緩衝
要求輸入輸出速度匹配 兩個桶（始終有桶在接水）交替倒水
常用3 4
3）迴圈緩衝
n個大小相同的緩衝區，分為

   裝入資料的空緩衝區R
   裝滿資料的緩衝區G
   正在輸出的緩衝區C(繞成圈)

4）緩衝池
既可輸入又可輸出的公用緩衝池，分為

   空緩衝區
   裝滿輸入資料的緩衝區
   裝滿輸出資料的緩衝區

4 引入緩衝目的
1）緩和CPU與I/O裝置之間的速度不匹配
2）減少CPU的終端頻率，放寬對CPU中斷響應的時間限制
3）提高CPU和I/O裝置之間的並行性
5 裝置分配
1）裝置分配原則
靜態分配 執行前分配好，不會造成死鎖
動態分配 需要時提出申請（按需分配），易造成死鎖
2）裝置分配策略
先請先分配、優先順序高者先分配

磁碟管理

6 磁碟

儲存位置：由柱面號（磁軌號）、盤面號（第幾個磁碟）（磁頭號）、扇區組成
7 磁碟訪問時間（1+2+3）
1）尋道時間Ts：把磁臂從當前位置移到指定磁軌上所經歷的時間
2）旋轉延遲時間Tr：市面流通10000轉/min 7200轉/min 5200轉/min，指定扇區移動到磁頭下面所經歷的時間
1 2 機械結構時間，佔比大；集中有利於減少此時間
3）傳輸時間Tt：資料從磁碟都出或向磁碟寫u他資料所經歷的時間 電氣時間
8 磁碟排程演算法
1）先來先服務（FCFS）
2）最短尋道時間優先SSTF
優先滿足與磁頭最近，會出現程式飢餓（離磁頭遠的得不到滿足），平均時間不一定最短
3）掃描（SCAN）演算法（電梯排程演算法）
從初始磁軌開始，向磁軌號遞增方向訪問（上樓）。然後再從大向小（下樓）
錯過電梯，只能等待下來時帶上自己
4）CSAN 迴圈掃描演算法
電梯向上，降到最低，迴圈
9 虛裝置與SPOOLing技術/假離線技術

1）作用：提高I/O速度、將獨佔裝置改為共享裝置、實現了虛擬裝置功能

檔案管理

1 檔案：具有檔名的若干相關元素的集合
2 檔案系統
1）負責管理檔案的系統軟體
2）被管理的物件-檔案
3 檔案的結構
1）檔案的邏輯結構

1 有結構的檔案
    由一條條資料構成
    包括：順序檔案、索引檔案、索引順序檔案、直接檔案
2 無結構的檔案
    由字元流構成（如mp3）
    源程式、可執行檔案、庫函式、mp3等，UNIX系統把所有檔案都看作流式檔案

2）檔案的物理結構
磁碟可直接訪問
外存分配方法（一個系統通常只採用一種）：

1 連續分配
   順序檔案儲存，每個檔案分配一組相鄰的盤塊，緊湊消除建立刪除善生的碎片
2 連結分配
  連結檔案：通過每個盤塊上的連結指標，將一個檔案的多個離散的盤塊連結成一連結串列
  缺點：不支援高效存取、FAT佔用記憶體較大
3 索引分配
   單級索引
   多級索引
   混合索引

3 磁碟的空間管理
1）空閒表法 空閒連結串列法
2）位檢視法
用一個位表示磁碟塊的空閒狀態
如 用0表示未使用，1表示已使用

0-31是第一個字
4096/32=128
200 x 1024×1024/1 x 1024 x 32 =6400
3）成組連結法

作業管理

1 作業狀態
批處理型作業經歷：提交 後備 執行 完成
2 排程層次
1）高階排程/作業排程/長程排程
決定後備佇列中哪幾個作業呼叫記憶體，僅用於多道批處理系統，週期最長
2）中級排程/對換排程
提高記憶體利用率和系統吞吐率。將不用的從 記憶體調出外存，用的調回來
3）低階排程/程式排程/短程排程
根據某種演算法，決定就緒佇列中的哪個程式應獲得CPU，分給他，基本排程，應用於所有系統（多道批處理系統、分時、實時），週期最短
3 排程演算法
先來先服務、短作業優先、高優先權優先、高響應比優先
4 使用者介面
作業系統介面：命令介面、程式介面