文章目錄

• 1 introduction
• 2 啟動(dòng)、中斷、異常和系統(tǒng)調(diào)用
• • 2.1 啟動(dòng)
  • 2.2 中斷、異常、系統(tǒng)調(diào)用
• 3 內(nèi)存管理
• • 3.1 連續(xù)內(nèi)存分配
  • 3.2 非連續(xù)內(nèi)存分配
  • 3.3 虛擬內(nèi)存
  • 3.4 頁面置換算法
  • • 3.4.1 局部置換算法
    • 3.4.2 全局置換算法：
    • 3.4.2 抖動(dòng)和負(fù)載控制：
• 4 進(jìn)程控制
• • 4.1 線程
  • 4.2 進(jìn)程控制
  • • 4.2.1 進(jìn)程創(chuàng)建
    • 4.2.2 進(jìn)程切換
  • 4.3 處理器調(diào)度
  • 4.4 同步互斥
  • 4.5 信號(hào)量和管程
  • • 4.5.1 生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題
    • 4.5.2 哲學(xué)家就餐問題
    • 4.5.3 讀者-寫者問題
  • 4.6 死鎖
  • 4.7 進(jìn)程通信
• 5 文件管理
• • 5.1 文件緩存
  • 5.2 文件分配：分配一個(gè)文件數(shù)據(jù)塊的位置和順序
  • 5.3 空閑空間組織和冗余磁盤陣列
• 6 I/O管理

1 introduction

**教學(xué)內(nèi)容：**操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、中斷及系統(tǒng)調(diào)用、內(nèi)存管理、進(jìn)程線程，處理器調(diào)度、同步互斥、文件系統(tǒng)、I/O子系統(tǒng)
操作系統(tǒng)的定義：

• 一個(gè)控制程序
• 一個(gè)資源管理器

操作系統(tǒng)的組成：

• shell
• gui
• kernel

操作系統(tǒng)內(nèi)核特征：

• 并發(fā)
• 共享：同時(shí)訪問/互斥天
• 虛擬：多道程序設(shè)計(jì)
• 異步：走走停停

操作系統(tǒng)的演變：
單用戶系統(tǒng)->批處理系統(tǒng)、多程序系統(tǒng)->分時(shí)系統(tǒng)->個(gè)人計(jì)算機(jī)、分布式計(jì)算機(jī)

操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：
簡(jiǎn)單系統(tǒng)：不同機(jī)器都操作系統(tǒng)不一樣，可移植性差
分層結(jié)構(gòu)：提高了可移植性：unix
微內(nèi)核結(jié)構(gòu)（microkernel）：更靈活，但性能更差
現(xiàn)在的操作系統(tǒng)基本是微內(nèi)核結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)的混合體

2 啟動(dòng)、中斷、異常和系統(tǒng)調(diào)用

2.1 啟動(dòng)

BIOS：Basic Input Output System，是一組固化到ROM上的程序，是個(gè)人電腦啟動(dòng)時(shí)加載的第一個(gè)軟件
BIOS啟動(dòng)固件作用：

• 基本輸入輸出程序
• 系統(tǒng)設(shè)置信息
• 開機(jī)后自檢程序
• 系統(tǒng)自啟動(dòng)程序：將記載程序從磁盤都引導(dǎo)扇區(qū)（512字節(jié)）加載到0x7c00，之后跳轉(zhuǎn)到0x7c00，將操作系統(tǒng)的代碼和數(shù)據(jù)從硬盤加載到內(nèi)存中，跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)都起始地址
  **系統(tǒng)啟動(dòng)出始化，從0xFFFF0讀第一條指令，CS：IP=0xF000：FFF0，第一條指令啥跳轉(zhuǎn)指令
• BIOS初始化
• • 硬件自檢
• • 顯卡等設(shè)備都初始化
• • 執(zhí)行系統(tǒng)BIOS
• • 按制定啟動(dòng)順序從軟盤、硬盤或光驅(qū)啟動(dòng)
• • 主引導(dǎo)記錄MBR：有硬盤分區(qū)表描述分區(qū)狀態(tài)和位置，加載并跳轉(zhuǎn)到磁盤上都引導(dǎo)程序
• 跳到活動(dòng)分區(qū)的引導(dǎo)分區(qū)，再跳轉(zhuǎn)到加載程序
• 加載程序（bootloader）從文件系統(tǒng)中讀取啟動(dòng)配置信息，根據(jù)配置去加載內(nèi)核
  UEFI：統(tǒng)一的可擴(kuò)展固件接口(Unified Extensible Firmware Interface）再所有平臺(tái)上一致都操作系統(tǒng)啟動(dòng)服務(wù)，對(duì)引導(dǎo)記錄都可行性進(jìn)行檢查

2.2 中斷、異常、系統(tǒng)調(diào)用

異常：非法指令導(dǎo)致當(dāng)前指令失敗后都處理請(qǐng)求
中斷：來在硬件設(shè)備都處理請(qǐng)求
系統(tǒng)調(diào)用：應(yīng)用程序主動(dòng)向操作系統(tǒng)發(fā)出都服務(wù)請(qǐng)求
程序訪問通常啥通過高層次API接口而不是直接進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用
三種最常用都應(yīng)用程序編程接口(API):

• win32 API for windows
• POSIX API for Unix, Linux, Mac OSX
• Java API for JVM
  系統(tǒng)調(diào)用和函數(shù)調(diào)用都不同
• INT和IRET用于系統(tǒng)調(diào)用，涉及到堆棧切換和特權(quán)級(jí)都轉(zhuǎn)換
• CALL和RET用于函數(shù)調(diào)用，不需要堆棧切換
• 因?yàn)閮?nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的切換，系統(tǒng)調(diào)用都開銷是大于函數(shù)調(diào)用都

3 內(nèi)存管理

內(nèi)存管理的目標(biāo)
抽象：邏輯地址空間
保護(hù)：獨(dú)立地址空間
共享：訪問相同內(nèi)存
虛擬化：更大都地址空間
內(nèi)存管理方式：
重定向relocation
分段segmentation
分頁paging
虛擬存儲(chǔ)virtual memory

3.1 連續(xù)內(nèi)存分配

連續(xù)內(nèi)存分配：給進(jìn)程分配一塊不小于指定大小都連續(xù)都物理內(nèi)存區(qū)域
內(nèi)存碎片：不能被利用都空閑內(nèi)存，內(nèi)部碎片和外部碎片
動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配：當(dāng)程序被加載執(zhí)行時(shí)，分配一個(gè)進(jìn)程指定大小可變分區(qū)：
動(dòng)態(tài)分區(qū)的分配測(cè)略：

• 最先匹配：簡(jiǎn)單，會(huì)有外部碎片，分配大空間內(nèi)存時(shí)速度慢
• 最佳匹配：避免大都空閑分區(qū)被拆分，但釋放分區(qū)較復(fù)雜
• 最差匹配：中等大小都分配較多時(shí)，效果最好，避免出現(xiàn)太多小碎片，釋放分區(qū)較復(fù)雜
  碎片整理：
• 緊湊：調(diào)整進(jìn)程占用都分區(qū)位置來減少或避免分區(qū)碎片，需要保證所有應(yīng)用程序啥可動(dòng)態(tài)重定位
• 分區(qū)對(duì)換：搶占并回收處于等待狀態(tài)進(jìn)程都分區(qū)，以增大可用內(nèi)存空間
  伙伴系統(tǒng)buddy system：
  初始狀態(tài)只有一個(gè)大小為$2^u$的空閑塊，從小到大在空閑塊數(shù)組中找最小的可用空閑塊，如果空閑塊過大，對(duì)空閑塊進(jìn)行二等分，直到大小合適都可用空閑塊
  空閑塊合并條件：大小相同，地址相鄰，起始地址較小都?jí)K都起始地址是$2^{(}i+1)$

3.2 非連續(xù)內(nèi)存分配

連續(xù)分配的缺點(diǎn)：物理內(nèi)存必須連續(xù)，存在外碎片和內(nèi)碎片，內(nèi)存利用率低
非連續(xù)分配：允許共享代碼和數(shù)據(jù)，支持動(dòng)態(tài)加載和動(dòng)態(tài)鏈接
段式存儲(chǔ)管理segmentation：
將進(jìn)程空間由多個(gè)段組成：數(shù)據(jù)、代碼、堆棧，粒度比較大
段號(hào)去段表找基址，加上偏移就是物理地址
頁式存儲(chǔ)管理
將物理地址空間劃分成相同大小的基本分配單元
幀frame：物理內(nèi)存被劃分成大小相等的幀
頁page：邏輯地址空間被劃分成大小相同的頁
頁表：邏輯地址到物理地址之間都映射關(guān)系
頁表基址寄存器PTBR：page table basse register
如何減少頁表大小？

• 快表TLB：translation look-aside buffer：緩存近期訪問的頁表項(xiàng)
• 多級(jí)頁表：通過間接引用建立頁表樹
• 頁寄存器：讓頁表與物理地址相對(duì)應(yīng)，根據(jù)物理幀號(hào)尋找邏輯頁號(hào)：邏輯地址進(jìn)行hash變換->快表中找頁表項(xiàng)
• 反置頁表：類似頁寄存器，把進(jìn)程id也考慮進(jìn)來：邏輯地址+pid進(jìn)行hash變換->反置頁表中找頁表項(xiàng)
  段頁式存儲(chǔ)管理需求
  段式存儲(chǔ)在內(nèi)存保護(hù)方面有優(yōu)勢(shì)，頁式存儲(chǔ)再內(nèi)存利用效率和優(yōu)化轉(zhuǎn)移到后備存儲(chǔ)方法有優(yōu)勢(shì)
  在段式存儲(chǔ)管理都基礎(chǔ)上，給每一個(gè)段加一級(jí)頁表
  邏輯地址->段表->頁表->物理地址
  段頁式存儲(chǔ)管理中都內(nèi)存共享：不同進(jìn)程的段表中的共享段，指向相同的頁表項(xiàng)
  

3.3 虛擬內(nèi)存

覆蓋overlay：程序員給出模塊間邏輯覆蓋結(jié)構(gòu)，發(fā)生再運(yùn)行程序都內(nèi)部模塊間
交換swap：以進(jìn)程為單位交換，發(fā)生在內(nèi)存進(jìn)程間
虛擬存儲(chǔ)技術(shù)都目標(biāo)：只把部分程序放到內(nèi)存中，從而運(yùn)行比物理內(nèi)存大的程序
實(shí)現(xiàn)進(jìn)程在內(nèi)存和外存之間的交換，從而獲得更多的空閑內(nèi)存空間
分支局部性：一條跳轉(zhuǎn)指令的兩次執(zhí)行，很可能跳到相同的內(nèi)存位置
缺頁異常->查找在外存中都頁面->頁面置換

3.4 頁面置換算法

置換算法：當(dāng)出現(xiàn)缺頁異常時(shí)，調(diào)入新頁面且內(nèi)存已滿時(shí)，置換算法選擇被置換的物理頁面
頁面鎖定：描述必須常駐內(nèi)存的邏輯頁面，是操作系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，或者是要求相應(yīng)速度的代碼和數(shù)據(jù)
局部頁面置換算法：置換頁面的選擇范圍僅限于當(dāng)前進(jìn)程占用的物理頁面內(nèi)
全局頁面置換算法：置換頁面的選擇范圍是所有可換出的物理頁面

3.4.1 局部置換算法

• 最優(yōu)置換算法optimal：置換未來最長(zhǎng)時(shí)間不訪問的頁面，是理想情況，實(shí)際系統(tǒng)中無法實(shí)現(xiàn)
• 先進(jìn)先出算法FIFO：鏈表元素按駐留內(nèi)存的時(shí)間排序，鏈?zhǔn)鬃铋L(zhǎng)，鏈尾最短
• 最近最久未使用算法LRU：選擇最長(zhǎng)時(shí)間沒有被引用的頁面進(jìn)行置換，是最優(yōu)置換算法的一個(gè)近似
  可以通過頁面鏈表來實(shí)現(xiàn)，維護(hù)一個(gè)按最近訪問時(shí)間排序的頁面鏈表，或者是活動(dòng)頁面棧
• 時(shí)鐘置換算法：在LRU和FIFO的折中，設(shè)一個(gè)訪問位，訪問頁面的時(shí)候，訪問位置1，缺頁的時(shí)候指針順序檢查環(huán)形鏈表，就像時(shí)鐘一樣
• 改進(jìn)的時(shí)鐘置換算法：如果,一個(gè)頁面有修改，則修改位為1，缺頁時(shí)跳過有修改的頁面，有修改的頁面可以在其他時(shí)候?qū)懙酵獯嬷?/li>
• 最不常用算法LFU：每個(gè)頁面設(shè)置一個(gè)訪問計(jì)數(shù)，訪問頁面時(shí)訪問計(jì)數(shù)加1，缺頁時(shí)置換計(jì)數(shù)最小的頁面
  belady現(xiàn)象：采用FIFO算法，可能出現(xiàn)分配物理頁面數(shù)增加時(shí)，缺頁率反而增加
  這是因?yàn)镕IFO記錄信息少，而LRU算法因?yàn)橛涗浶畔⒏?#xff0c;沒有belady現(xiàn)象，但是開銷也更大

3.4.2 全局置換算法：

因?yàn)檫M(jìn)程在不同階段的內(nèi)存需求是變化的，所有全局置換算法需要確定分配給進(jìn)程的物理頁面數(shù)
CPU利用率和并發(fā)進(jìn)程數(shù)存在相互促進(jìn)和制約的關(guān)系：
并發(fā)進(jìn)程導(dǎo)致內(nèi)存訪問增加，并發(fā)進(jìn)程的內(nèi)存訪問會(huì)降低訪存的局部性特征
工作集$W(t,\Delta )$指當(dāng)前時(shí)刻t前的$\Delta$時(shí)間窗口中的所有訪問頁面所組成的集合
工作集置換算法：換出不在工作集中的頁面，有點(diǎn)類似LRU
缺頁率=缺頁平均時(shí)間間隔的倒數(shù)
缺頁率算法：如果進(jìn)程缺頁率過高，則增加常駐集以分配更多的物理頁

3.4.2 抖動(dòng)和負(fù)載控制：

**抖動(dòng)thrashing：**進(jìn)程物理頁面太少，不能包含工作集，頻繁置換
所以說操作系統(tǒng)要在并發(fā)和缺頁率之間達(dá)到一個(gè)平衡，調(diào)節(jié)并發(fā)進(jìn)程數(shù)MPL進(jìn)行系統(tǒng)負(fù)載控制
最好是$\sum w_i=$內(nèi)存的大小
或者是平均缺頁間隔時(shí)間(MTBF)=缺頁異常處理時(shí)間(PFST)的點(diǎn)，這時(shí)候我們認(rèn)為缺頁的時(shí)候缺頁異常來得及處理

4 進(jìn)程控制

進(jìn)程控制塊PCB：porcess control block：操作系統(tǒng)管理控制進(jìn)程運(yùn)行所用的信息集合

• 進(jìn)程標(biāo)識(shí)信息
• 處理機(jī)現(xiàn)場(chǎng)保存：PC, SP
• 進(jìn)程控制信息：進(jìn)程間通信和存儲(chǔ)信息
  三狀態(tài)進(jìn)程模型：運(yùn)行、就緒、等待，此外還有創(chuàng)建和退出這兩個(gè)狀態(tài)
  進(jìn)程掛起：處于掛起的進(jìn)程映像放在外存中
• 就緒到就緒掛起：高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程等待，低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程就緒，為了釋放空間
• 等待掛起：就緒進(jìn)程需要更多的內(nèi)存空間
• 運(yùn)行到就緒掛起：在搶先式分時(shí)操作系統(tǒng)中，高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程就緒
  激活：把一個(gè)進(jìn)程從外存轉(zhuǎn)到內(nèi)存

4.1 線程

單進(jìn)程多線程系統(tǒng)：對(duì)并發(fā)執(zhí)行要求高、對(duì)信息共享要求高，對(duì)安全隔離要求低
線程能減少并發(fā)執(zhí)行的時(shí)間和空間開銷：
線程的創(chuàng)建時(shí)間、終止時(shí)間、切換時(shí)間比進(jìn)程短，共享內(nèi)存和文件資源
用戶線程：用一組用戶級(jí)的線程庫函數(shù)來完成線程的創(chuàng)建終止同步和調(diào)度，可以自己寫調(diào)度算法，不需要和內(nèi)核態(tài)切換，
缺點(diǎn)是線程發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用而阻塞時(shí)，整個(gè)進(jìn)程進(jìn)入等待，線程只能按進(jìn)程分配CPU時(shí)間，多個(gè)線程進(jìn)程中，每個(gè)線程的時(shí)間片就少
內(nèi)核線程：由內(nèi)核維護(hù)PCB和TCB，使得進(jìn)程是資源分配的單位，線程是處理器調(diào)度單位
**結(jié)論：**用戶線程和內(nèi)核線程一對(duì)一最好

4.2 進(jìn)程控制

4.2.1 進(jìn)程創(chuàng)建

windows進(jìn)程創(chuàng)建api：CreateProcess(filename)
unix進(jìn)程創(chuàng)建系統(tǒng)調(diào)用api：fork/exec
fork()父進(jìn)程返回子進(jìn)程pid，子進(jìn)程返回0
exec()加載新程序取代當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程pid不變

main{int childPID=fork();if(childPID==0)<子進(jìn)程執(zhí)行代碼>else<父進(jìn)程執(zhí)行代碼> }

4.2.2 進(jìn)程切換

進(jìn)程生命周期的信息：寄存器、CPU狀態(tài)、內(nèi)存地址空間
為了提高效率，采用匯編代碼保存寄存器狀態(tài)

#include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main(){pid_t pid;int i;for(i=0;i<3;i++){pid=fork();if(pid<0){printf("fork failed");exit(-1);}else if (pid==0){printf("i=%d, pid=%d, parent pid=%d\n",i, getpid(), getppid());}wait(NULL);/*exit(0);*/} }

wait()系統(tǒng)調(diào)用：
子進(jìn)程結(jié)束時(shí)通過exit()向父進(jìn)程返回一個(gè)值
父進(jìn)程通過wait()接受病處理返回值

4.3 處理器調(diào)度

處理器調(diào)度：從就緒隊(duì)列中挑選下一個(gè)占用CPU運(yùn)行的進(jìn)程
比較調(diào)度算法的準(zhǔn)則：

• CPU使用率：CPU處于忙狀態(tài)的時(shí)間百分比
• 吞吐量：單位時(shí)間內(nèi)完成的進(jìn)程數(shù)量
• 周轉(zhuǎn)時(shí)間：進(jìn)程從初始化到結(jié)束的總時(shí)間
• 等待時(shí)間：進(jìn)程在就緒隊(duì)列中的總時(shí)間
• 響應(yīng)時(shí)間：從提交請(qǐng)求到產(chǎn)生響應(yīng)所花費(fèi)的總時(shí)間

調(diào)度算法：

• 先來先服務(wù)算法FCFS：簡(jiǎn)單，但是當(dāng)短進(jìn)程排在長(zhǎng)進(jìn)程之后時(shí)，等待時(shí)間變長(zhǎng)長(zhǎng)
• 短進(jìn)程優(yōu)先算法：有最優(yōu)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間，需要預(yù)估CPU執(zhí)行時(shí)間，可以用歷史執(zhí)行時(shí)間來預(yù)測(cè)未來，可能導(dǎo)致長(zhǎng)進(jìn)程一直在隊(duì)列中等待，不合理
  一個(gè)變種是短剩余時(shí)間優(yōu)先算法，這樣就可以搶占正在執(zhí)行的進(jìn)程
• 最高響應(yīng)比優(yōu)先算法：每次選擇響應(yīng)比R最高的進(jìn)程，你等的時(shí)間越長(zhǎng)，你的優(yōu)先級(jí)越高
  $$R=(T_{w}aiting+T_{s}ervice)/T_{s}ervice$$
  其中$T_{w}aiting$是等待時(shí)間，$T_{s}ervice$是執(zhí)行時(shí)間
• 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法：時(shí)間片結(jié)束時(shí)，按FCFS算法切換到下一個(gè)就緒進(jìn)程，
  有額外的上下文切換
  時(shí)間片太大，退化成FCFS；時(shí)間片太小，上下文切換太多，一般按經(jīng)驗(yàn)選擇10ms
  公平，但是等待時(shí)間較差
• 多級(jí)隊(duì)列調(diào)度算法MQ：就緒隊(duì)列被劃分成多個(gè)獨(dú)立子隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列有自己的調(diào)度算法，隊(duì)列間可以按照時(shí)間片或者優(yōu)先級(jí)調(diào)度
• 多級(jí)反饋隊(duì)列算法MLFQ：進(jìn)程可以在不同隊(duì)列間移動(dòng)
  - 公平共享調(diào)度FSS：保證不重要的組無法壟斷資源

實(shí)時(shí)調(diào)度：要指定時(shí)間內(nèi)完成
硬時(shí)限：錯(cuò)過任務(wù)時(shí)限會(huì)有災(zāi)難性后果
軟時(shí)限：有時(shí)不能滿足，則降低要求

• 速率單調(diào)調(diào)度算法：周期越短，優(yōu)先級(jí)越高
• 最早截止時(shí)間優(yōu)先算法
  對(duì)稱多處理器調(diào)度SMP：每個(gè)處理器運(yùn)行自己的調(diào)度程序，調(diào)度程序?qū)蚕碣Y源的訪問需要同步
  靜態(tài)進(jìn)程分配：進(jìn)程從開始到結(jié)束都被分配到一個(gè)固定的處理器，這樣調(diào)度的開銷小
  動(dòng)態(tài)進(jìn)程分配：所有處理器共享一個(gè)公共的就緒隊(duì)列，這樣調(diào)度的時(shí)候需要各處理器同步
  優(yōu)先級(jí)反置：高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程長(zhǎng)時(shí)間等待低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程占用資源的現(xiàn)象
  基于優(yōu)先級(jí)的可搶占調(diào)度算法存在優(yōu)先級(jí)反置
  解決方法：

占有資源的低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程，繼承申請(qǐng)資源的高優(yōu)先級(jí)的優(yōu)先級(jí)

優(yōu)先級(jí)天花板協(xié)議：占用資源進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)和所有可能申請(qǐng)?jiān)撡Y源的進(jìn)程的最高優(yōu)先級(jí)相同

4.4 同步互斥

程序并發(fā)執(zhí)行的好處：共享資源、加速、程序模塊化
原子操作atomic operation：不會(huì)出現(xiàn)部分執(zhí)行的狀態(tài)

臨界區(qū)：進(jìn)程中訪問臨界資源的一段需要互斥執(zhí)行的代碼
臨界區(qū)的訪問規(guī)則：
空閑則入，忙則等待、有限等待
臨界區(qū)的實(shí)現(xiàn)方法：

• 禁用中斷：沒有中斷，沒有上下文切換，因此沒有并發(fā)，禁用中斷后進(jìn)程無法停止
• 軟件方法：通過共享變量，需要忙等待，浪費(fèi)CPU時(shí)間
  
  如果是多個(gè)線程：
  
• 操作系統(tǒng)的抽象方法
  硬件提供一些原子操作，比如

鎖lock，有鎖定和釋放

測(cè)試和置位test-and-set指令：讀值+寫1

交換exchange
利用test-and-set指令可以實(shí)現(xiàn)自旋鎖spinlock和無忙等待鎖，但是可能出現(xiàn)死鎖

4.5 信號(hào)量和管程

信號(hào)量semaphore是操作系統(tǒng)提供的一種協(xié)調(diào)共享資源訪問的方法，用信號(hào)量表示系統(tǒng)資源的數(shù)量
是一種抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)整形變量和兩個(gè)原子操作組成，可以實(shí)現(xiàn)訪問互斥和條件同步

管程moniter：多線程互斥訪問共享資源的程序結(jié)構(gòu)，正在管程的線程可以臨時(shí)放棄管程
等待操作wait()：將自己阻塞在等待隊(duì)列中，喚醒一個(gè)等待者
釋放操作signal()：將等待對(duì)類中的一個(gè)線程喚醒

4.5.1 生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題

任何時(shí)刻只能有一個(gè)線程操作緩沖區(qū)（互斥訪問）
緩沖區(qū)為空時(shí)，消費(fèi)者必須等待生產(chǎn)者（條件同步）
緩沖區(qū)滿時(shí)，生產(chǎn)者必須等待消費(fèi)者（條件同步）

4.5.2 哲學(xué)家就餐問題

5個(gè)哲學(xué)家圍著一個(gè)圓桌，桌子放著5支叉子，哲學(xué)家思考或者就餐，就餐就要同時(shí)拿起左右兩邊的叉子

4.5.3 讀者-寫者問題

讀者：只讀數(shù)據(jù)不改，允許多個(gè)讀者同時(shí)讀
寫者：讀取和修改數(shù)據(jù)，讀-寫互斥，寫-寫互斥

用管程實(shí)現(xiàn)

4.6 死鎖

出現(xiàn)死鎖的必要條件：

• 互斥
• 持有并等待
• 非搶占：資源只能在進(jìn)程使用后自愿釋放
• 循環(huán)等待：進(jìn)程0等進(jìn)程1，進(jìn)程1等進(jìn)程2……
  通常操作系統(tǒng)忽略死鎖，由應(yīng)用程序處理死鎖
  死鎖處理方法：
• 死鎖預(yù)防：限制對(duì)資源的請(qǐng)求，使得任何情況都不滿足死鎖的條件
• 死鎖避免：利用額外的先驗(yàn)信息，動(dòng)態(tài)檢查資源分配狀態(tài)，確保不會(huì)出現(xiàn)死鎖，如銀行家算法
  銀行家算法：客戶貸款數(shù)量不超過銀行擁有的最大值時(shí)，銀行家應(yīng)盡量滿足客戶需要
• 死鎖檢測(cè)：允許系統(tǒng)進(jìn)入死鎖，定期調(diào)用死鎖檢測(cè)算法來檢測(cè)是否出現(xiàn)死鎖
• 死鎖恢復(fù)：一次終止一個(gè)進(jìn)程直至死鎖消除，按照進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)、已運(yùn)行時(shí)間等順序終止

4.7 進(jìn)程通信

通信方式：

• 間接通信：通過操作系統(tǒng)，利用消息隊(duì)列，一個(gè)消息隊(duì)列可以和多個(gè)進(jìn)程共享
• 直接通信：兩個(gè)進(jìn)程之間建立共享通道
• 阻塞通信：一方在等待，只是接收/發(fā)送了信息
• 非阻塞通信
  四種通信機(jī)制：
• 信號(hào)
• 管道
• 消息隊(duì)列
• 共享內(nèi)存
  
  管道：進(jìn)程間通過內(nèi)存文件的通信機(jī)制
  
  共享內(nèi)存：把同一個(gè)物理內(nèi)存區(qū)域同時(shí)映射到多個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存地址空間的通信機(jī)制
  不同進(jìn)程需要顯式設(shè)置共享內(nèi)存段，不過需要同步機(jī)制來協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)訪問

5 文件管理

文件：具有符號(hào)名，由字節(jié)序列構(gòu)成的數(shù)據(jù)項(xiàng)集合
文件頭：文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)中的文件信息，包括文件屬性和文件存儲(chǔ)位置和順序
文件描述符：操作系統(tǒng)在打開文件表中維護(hù)的打開文件狀態(tài)和信息

• 包括文件指針：每個(gè)進(jìn)程最后一次讀寫位置
• 文件打開計(jì)數(shù)、
• 文件的磁盤位置：緩存數(shù)據(jù)訪問信息

文件系統(tǒng)的基本操作單位是數(shù)據(jù)塊
進(jìn)程訪問文件的模式：順序訪問、隨機(jī)訪問、索引訪問

多進(jìn)程如何同時(shí)訪問共享文件？？讓應(yīng)用程序自己解決

操作系統(tǒng)只允許內(nèi)核修改目錄，應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用來訪問目錄。文件系統(tǒng)需要掛載才能被訪問

**文件別名：**兩個(gè)或多個(gè)文件名關(guān)聯(lián)同一個(gè)文件

• 硬連接：多個(gè)文件項(xiàng)指向一個(gè)文件
• 軟連接：快捷方式的形式，這樣刪除別名和刪除其他文件是一樣的

文件系統(tǒng)種類：

• 磁盤文件系統(tǒng)：如FAT、NTFS、ext2/3
• 數(shù)據(jù)庫文件系統(tǒng)：如WinFS
• 日志文件系統(tǒng)：記錄文件系統(tǒng)的修改/時(shí)間
• 網(wǎng)絡(luò)/分布式文件系統(tǒng)，如：NFS

虛擬文件系統(tǒng)：不同的文件系統(tǒng)對(duì)上層的應(yīng)用程序有相同的API接口
文件系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

• 文件卷控制塊：每個(gè)文件系統(tǒng)一個(gè)：文件系統(tǒng)詳細(xì)信息，如塊大小，空余塊
  當(dāng)文件系統(tǒng)掛載時(shí)進(jìn)入內(nèi)存
• 文件控制塊：每個(gè)文件一個(gè)：文件詳細(xì)信息，如訪問權(quán)限，大小，擁有者
  當(dāng)文件被訪問時(shí)進(jìn)入內(nèi)存
• 目錄項(xiàng)：每個(gè)目錄項(xiàng)一個(gè)：指向文件控制塊，父目錄，子目錄
  遍歷到這個(gè)目錄時(shí)進(jìn)入內(nèi)存
• 打開文件表：每個(gè)進(jìn)程有一個(gè)打開文件表，系統(tǒng)有一個(gè)總的打開文件表

5.1 文件緩存

數(shù)據(jù)塊使用后被緩存，兩種數(shù)據(jù)塊緩存方式：數(shù)據(jù)塊緩存和頁緩存

頁緩存：在虛擬內(nèi)存中文件數(shù)據(jù)塊被映射成頁，文件的讀寫操作被轉(zhuǎn)換成對(duì)內(nèi)存的訪問

5.2 文件分配：分配一個(gè)文件數(shù)據(jù)塊的位置和順序

分配方式：

• 連續(xù)分配：文件讀取表現(xiàn)好，但是會(huì)有碎片，數(shù)據(jù)增加會(huì)有問題
• 鏈?zhǔn)椒峙?#xff1a;用數(shù)據(jù)塊鏈表存儲(chǔ)：沒有碎片，無法實(shí)現(xiàn)隨機(jī)訪問，可靠性差，破壞一個(gè)鏈，后面的都沒有了
• 索引分配：給每個(gè)文件創(chuàng)建索引數(shù)據(jù)塊：沒有碎片，當(dāng)文件很小，存儲(chǔ)索引開銷不可忽略
• UFS多級(jí)索引分配：前面10個(gè)直接索引，超過10個(gè)再加1級(jí)間接索引塊，再超過就再加2級(jí)簡(jiǎn)介索引塊

5.3 空閑空間組織和冗余磁盤陣列

用位圖代表空閑數(shù)據(jù)塊列表，$D_i=0$表示第i個(gè)數(shù)據(jù)塊空閑，但是這樣空閑數(shù)據(jù)塊鏈表太大
而鏈表的開銷較大，不如用鏈?zhǔn)剿饕?br />
磁盤分區(qū)：磁盤上一組柱面的集合，一個(gè)分區(qū)內(nèi)可以減少尋道時(shí)間
文件卷：一個(gè)擁有完整文件系統(tǒng)實(shí)例的外存空間，通常常駐在磁盤的單個(gè)分區(qū)上

6 I/O管理

常見設(shè)備接口類型：

• 字符設(shè)備：鍵盤/鼠標(biāo)、串口
• 塊設(shè)備：以塊為單位，如磁盤驅(qū)動(dòng)器、光驅(qū)
• 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：以太網(wǎng)、無線

CPU北橋連高速設(shè)備，南橋連I/O設(shè)備
CPU與設(shè)備的通信方式：輪詢、中斷或DMA

I/O地址

• 內(nèi)存地址：MMU設(shè)置映射，將設(shè)備的寄存器/存儲(chǔ)映射到內(nèi)存地址空間
• 端口號(hào)：通過CPU的I/O指令訪問I/O端口號(hào)

**磁盤調(diào)度算法：**通過優(yōu)化磁盤訪問請(qǐng)求順序來提高磁盤訪問性能

• FIFO算法
• 最短服務(wù)時(shí)間算法SSTF
• 掃描算法SCAN：磁盤在一個(gè)方向上移動(dòng)，訪問所有未完成的請(qǐng)求，知道磁壁到達(dá)該方向上最后的磁道

磁盤緩存：磁盤扇區(qū)在內(nèi)存中的緩存

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的清华大学 操作系统的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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