我是技術(shù)搬運工,好東西當然要和大家分享啦.原文地址

操作系統(tǒng)基本特征

1. 并發(fā)

并發(fā)性是指宏觀上在一段時間內(nèi)能同時運行多個程序，而并行性則指同一時刻能運行多個指令。

并行需要硬件支持，如多流水線或者多處理器。

操作系統(tǒng)通過引入進程和線程，使得程序能夠并發(fā)運行。

2. 共享

共享是指系統(tǒng)中的資源可以供多個并發(fā)的進程共同使用。

有兩種共享方式：互斥共享和同時共享。

互斥共享的資源稱為臨界資源，例如打印機等，在同一時間只允許一個進程訪問，否則會出現(xiàn)錯誤，需要用同步機制來實現(xiàn)對臨界資源的訪問。

3. 虛擬

虛擬技術(shù)把一個物理實體轉(zhuǎn)換為多個邏輯實體。主要有兩種虛擬技術(shù)：時分復用技術(shù)和空分復用技術(shù)，例如多個進程能在同一個處理器上并發(fā)執(zhí)行使用了時分復用技術(shù)，讓每個進程輪流占有處理器，每次只執(zhí)行一小個時間片并快速切換，這樣就好像有多個處理器進行處理。

4. 異步

異步是指進程不是一次性執(zhí)行完畢，而是走走停停，以不可知的速度向前推進。

系統(tǒng)調(diào)用

如果一個進程在用戶態(tài)需要用到操作系統(tǒng)的一些功能，就需要使用系統(tǒng)調(diào)用從而陷入內(nèi)核，由操作系統(tǒng)代為完成。

可以由系統(tǒng)調(diào)用請求的功能有設(shè)備管理、文件管理、進程管理、進程通信、存儲器管理等。

中斷分類

1. 外中斷

由 CPU 執(zhí)行指令以外的事件引起，如 I/O 結(jié)束中斷，表示設(shè)備輸入/輸出處理已經(jīng)完成，處理器能夠發(fā)送下一個輸入/輸出請求。此外還有時鐘中斷、控制臺中斷等。

2. 異常

由 CPU 執(zhí)行指令的內(nèi)部事件引起，如非法操作碼、地址越界、算術(shù)溢出等。

3. 陷入

在用戶程序中使用系統(tǒng)調(diào)用。

大內(nèi)核和微內(nèi)核

1. 大內(nèi)核

大內(nèi)核是將操作系統(tǒng)功能作為一個緊密結(jié)合的整體放到內(nèi)核，由于各模塊共享信息，因此有很高的性能。

2. 微內(nèi)核

由于操作系統(tǒng)不斷復雜，因此將一部分操作系統(tǒng)功能移出內(nèi)核，從而降低內(nèi)核的復雜性。移出的部分根據(jù)分層的原則劃分成若干服務(wù)，相互獨立。但是需要頻繁地在用戶態(tài)和核心態(tài)之間進行切換，會有一定的性能損失。

第二章 進程管理

進程與線程

1. 進程

進程是操作系統(tǒng)進行資源分配的基本單位。

進程控制塊 (Process Control Block, PCB) 描述進程的基本信息和運行狀態(tài)，所謂的創(chuàng)建進程和撤銷進程，都是指對 PCB 的操作。

2. 線程

一個線程中可以有多個線程，是獨立調(diào)度的基本單位。同一個進程中的多個線程之間可以并發(fā)執(zhí)行，它們共享進程資源。

3. 區(qū)別

① 擁有資源：進程是資源分配的基本單位，但是線程不擁有資源，線程可以訪問率屬進程的資源。

② 調(diào)度：線程是獨立調(diào)度的基本單位，在同一進程中，線程的切換不會引起進程切換，從一個進程內(nèi)的線程切換到另一個進程中的線程時，會引起進程切換。

③ 系統(tǒng)開銷：由于創(chuàng)建或撤銷進程時，系統(tǒng)都要為之分配或回收資源，如內(nèi)存空間、I/O 設(shè)備等，因此操作系統(tǒng)所付出的開銷遠大于創(chuàng)建或撤銷線程時的開銷。類似地，在進行進程切換時，涉及當前執(zhí)行進程 CPU 環(huán)境的保存及新調(diào)度進程 CPU 環(huán)境的設(shè)置。而線程切換時只需保存和設(shè)置少量寄存器內(nèi)容，開銷很小。此外，由于同一進程內(nèi)的多個線程共享進程的地址空間，因此，這些線程之間的同步與通信非常容易實現(xiàn)，甚至無需操作系統(tǒng)的干預(yù)。

④ 通信方面：進程間通信 (IPC) 需要進程同步和互斥手段的輔助，以保證數(shù)據(jù)的一致性，而線程間可以通過直接讀/寫進程數(shù)據(jù)段（如全局變量）來進行通信。

舉例：QQ 和 瀏覽器是兩個進程，瀏覽器進程里面有很多線程，例如 http 請求線程、事件響應(yīng)線程、渲染線程等等，線程的并發(fā)執(zhí)行使得在瀏覽器中點擊一個新鏈接從而發(fā)起 http 請求時，瀏覽器還可以響應(yīng)用戶的其它事件。

進程狀態(tài)的切換

阻塞狀態(tài)是缺少需要的資源從而由運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換而來，但是該資源不包括 CPU，缺少 CPU 會讓進程從運行態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒態(tài)。

只有就緒態(tài)和運行態(tài)可以相互轉(zhuǎn)換，其它的都是單向轉(zhuǎn)換。就緒狀態(tài)的進程通過調(diào)度算法從而獲得 CPU 時間，轉(zhuǎn)為運行狀態(tài)；而運行狀態(tài)的進程，在分配給它的 CPU 時間片用完之后就會轉(zhuǎn)為就緒狀態(tài)，等待下一次調(diào)度。

調(diào)度算法

需要針對不同環(huán)境來討論調(diào)度算法。

1. 批處理系統(tǒng)中的調(diào)度

1.1 先來先服務(wù)（FCFS）

first-come first-serverd。

調(diào)度最先進入就緒隊列的作業(yè)。

有利于長作業(yè)，但不利于短作業(yè)，因為短作業(yè)必須一直等待前面的長作業(yè)執(zhí)行完畢才能執(zhí)行，而長作業(yè)又需要執(zhí)行很長時間，造成了短作業(yè)等待時間過長。

1.2 短作業(yè)優(yōu)先（SJF）

shortest job first。

調(diào)度估計運行時間最短的作業(yè)。

長作業(yè)有可能會餓死，處于一直等待短作業(yè)執(zhí)行完畢的狀態(tài)。如果一直有短作業(yè)到來，那么長作業(yè)永遠得不到調(diào)度。

1.3 最短剩余時間優(yōu)先（SRTN）

shortest remaining time next。

2. 交互式系統(tǒng)中的調(diào)度

2.1 優(yōu)先權(quán)優(yōu)先

除了可以手動賦予優(yōu)先權(quán)之外，還可以把響應(yīng)比作為優(yōu)先權(quán)，這種調(diào)度方式叫做高響應(yīng)比優(yōu)先調(diào)度算法。

響應(yīng)比 = (等待時間 + 要求服務(wù)時間) / 要求服務(wù)時間 = 響應(yīng)時間 / 要求服務(wù)時間

這種調(diào)度算法主要是為了解決 SJF 中長作業(yè)可能會餓死的問題，因為隨著等待時間的增長，響應(yīng)比也會越來越高。

2.2 時間片輪轉(zhuǎn)

將所有就緒進程按 FCFS 的原則排成一個隊列，每次調(diào)度時，把 CPU 分配給隊首進程，該進程可以執(zhí)行一個時間片。當時間片用完時，由計時器發(fā)出時鐘中斷，調(diào)度程序便停止該進程的執(zhí)行，并將它送往就緒隊列的末尾，同時繼續(xù)把 CPU 分配給隊首的進程。

時間片輪轉(zhuǎn)算法的效率和時間片有很大關(guān)系。因為每次進程切換都要保存進程的信息并且載入新進程的信息，如果時間片太短，進程切換太頻繁，在進程切換上就會花過多時間。

2.3 多級反饋隊列

① 設(shè)置多個就緒隊列，并為各個隊列賦予不同的優(yōu)先級。第一個隊列的優(yōu)先級最高，第二個隊列次之，其余各隊列的優(yōu)先權(quán)逐個降低。該算法賦予各個隊列中進程執(zhí)行時間片的大小也各不相同，在優(yōu)先權(quán)越高的隊列中，為每個進程所規(guī)定的執(zhí)行時間片就越小。

② 當一個新進程進入內(nèi)存后，首先將它放入第一隊列的末尾，按 FCFS 原則排隊等待調(diào)度。當輪到該進程執(zhí)行時，如它能在該時間片內(nèi)完成，便可準備撤離系統(tǒng)；如果它在一個時間片結(jié)束時尚未完成，調(diào)度程序便將該進程轉(zhuǎn)入下一個隊列的隊尾。

③ 僅當前 i -1 個隊列均空時，才會調(diào)度第 i 隊列中的進程運行。

優(yōu)點：實時性好，也適合運行短作業(yè)和長作業(yè)。

2.4 短進程優(yōu)先

3. 實時系統(tǒng)中的調(diào)度

實時系統(tǒng)要一個服務(wù)請求在一個確定時間內(nèi)得到響應(yīng)。

分為硬實時和軟實時，前者必須滿足絕對的截止時間，后者可以容忍一定的超時。

進程同步

1. 臨界區(qū)

對臨界資源進行訪問的那段代碼稱為臨界區(qū)。

為了互斥訪問臨界資源，每個進程在進入臨界區(qū)之前，需要先進行檢查。

// entry section // critical section; // exit section

2. 同步與互斥

同步指多個進程按一定順序執(zhí)行；互斥指多個進程在同一時刻只有一個進程能進入臨界區(qū)。

同步是在對臨界區(qū)互斥訪問的基礎(chǔ)上，通過其它機制來實現(xiàn)有序訪問的。

3. 信號量

**信號量（Samaphore）**是一個整型變量，可以對其執(zhí)行 down 和 up 操作，也就是常見的 P 和 V 操作。

• down : 如果信號量大于 0 ，執(zhí)行 - 1 操作；如果信號量等于 0，將進程睡眠，等待信號量大于 0；
• up：對信號量執(zhí)行 + 1 操作，并且喚醒睡眠的進程，讓進程完成 down 操作。

down 和 up 操作需要被設(shè)計成原語，不可分割，通常的做法是在執(zhí)行這些操作的時候屏蔽中斷。

如果信號量的取值只能為 0 或者 1，那么就成為了互斥量（Mutex），0 表示臨界區(qū)已經(jīng)加鎖，1 表示臨界區(qū)解鎖。

typedef int samaphore; samaphore mutex = 1; void P1() {down(mutex);// 臨界區(qū)up(mutex); }

void P2() {
down(mutex);
// 臨界區(qū)
up(mutex);
}

使用信號量實現(xiàn)生產(chǎn)者-消費者問題

使用一個互斥量 mutex 來對臨界資源進行訪問；empty 記錄空緩沖區(qū)的數(shù)量，full 記錄滿緩沖區(qū)的數(shù)量。

注意，必須先執(zhí)行 down 操作再用互斥量對臨界區(qū)加鎖，否則會出現(xiàn)死鎖。如果都先對臨界區(qū)加鎖，然后再執(zhí)行 down 操作，考慮這種情況：生產(chǎn)者對臨界區(qū)加鎖后，執(zhí)行 down(empty) 操作，發(fā)現(xiàn) empty = 0，此時生成者睡眠。消費者此時不能進入臨界區(qū)，因為生產(chǎn)者對臨界區(qū)加鎖了，也就無法對執(zhí)行 up(empty) 操作，那么生產(chǎn)者和消費者就會一直等待下去。

#define N 100
typedef int samaphore;
samaphore mutex = 1;
samaphore empty = N;
samaphore full = 0;

void producer() {
while(TRUE){
int item = produce_item;
down(empty);
down(mutex);
insert_item(item);
up(mutex);
up(full);
}
}

void consumer() {
while(TRUE){
down(full);
down(mutex);
int item = remove_item(item);
up(mutex);
up(empty);
consume_item(item);
}
}

4. 管程

使用信號量機制實現(xiàn)的生產(chǎn)者消費者問題需要客戶端代碼做很多控制，而管程把控制的代碼獨立出來，不僅不容易出錯，也使得客戶端代碼調(diào)用更容易。

c 語言不支持管程，下面的示例代碼使用了類 Pascal 語言來描述管程。示例代碼中的管程提供了 insert() 和 remove() 方法，客戶端代碼通過調(diào)用這兩個方法來解決生產(chǎn)者-消費者問題。

monitor ProducerConsumer
integer i;
condition c; procedure insert(); beginend;procedure remove(); beginend;

end monitor;

管程有一個重要特性：在一個時刻只能有一個進程使用管程。進程在無法繼續(xù)執(zhí)行的時候不能一直占用管程，必須將進程阻塞，否者其它進程永遠不能使用管程。

管程引入了 條件變量 以及相關(guān)的操作：wait() 和 signal() 來實現(xiàn)同步操作。對條件變量執(zhí)行 wait() 操作會導致調(diào)用進程阻塞，把管程讓出來讓另一個進程持有。signal() 操作用于喚醒被阻塞的進程。

使用管程實現(xiàn)生成者-消費者問題

monitor ProducerConsumer
condition full, empty;
integer count := 0;
condition c; procedure insert(item: integer); beginif count = N then wait(full);insert_item(item);count := count + 1;if count = 1 ten signal(empty); end;function remove: integer; beginif count = 0 then wait(empty);remove = remove_item;count := count - 1;if count = N -1 then signal(full); end;

end monitor;

procedure producer
begin
while true do
begin
item = produce_item;
ProducerConsumer.insert(item);
end
end;

procedure consumer
begin
while true do
begin
item = ProducerConsumer.remove;
consume_item(item);
end
end;

進程通信

進程通信可以看成是不同進程間的線程通信，對于同一個進程內(nèi)線程的通信方式，主要使用信號量、條件變量等同步機制。

1. 管道

管道是單向的、先進先出的、無結(jié)構(gòu)的、固定大小的字節(jié)流，它把一個進程的標準輸出和另一個進程的標準輸入連接在一起。寫進程在管道的尾端寫入數(shù)據(jù)，讀進程在管道的首端讀出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀出后將從管道中移走，其它讀進程都不能再讀到這些數(shù)據(jù)。

管道提供了簡單的流控制機制，進程試圖讀空管道時，在有數(shù)據(jù)寫入管道前，進程將一直阻塞。同樣地，管道已經(jīng)滿時，進程再試圖寫管道，在其它進程從管道中移走數(shù)據(jù)之前，寫進程將一直阻塞。

Linux 中管道是通過空文件來實現(xiàn)。

管道有三種：

① 普通管道：有兩個限制：一是只支持半雙工通信方式，即只能單向傳輸；二是只能在父子進程之間使用；

② 流管道：去除第一個限制，支持雙向傳輸；

③ 命名管道：去除第二個限制，可以在不相關(guān)進程之間進行通信。

2. 信號量

信號量是一個計數(shù)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，其它進程也訪問該資源。因此，主要作為進程間以及同一進程內(nèi)不同線程之間的同步手段。

3. 消息隊列

消息隊列克服了信號傳遞信息少、管道只能承載無格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點。

4. 信號

信號是一種比較復雜的通信方式，用于通知接收進程某個事件已經(jīng)發(fā)生。

5. 共享內(nèi)存

共享內(nèi)存就是映射一段能被其它進程所訪問的內(nèi)存，這段共享內(nèi)存由一個進程創(chuàng)建，但多個進程都可以訪問。共享內(nèi)存是最快的 IPC 方式，它是針對其它進程間通信方式運行效率低而專門設(shè)計的。它往往與其它通信機制（如信號量）配合使用，來實現(xiàn)進程間的同步和通信。

6. 套接字

套接字也是一種進程間通信機制，與其它通信機制不同的是，它可用于不同機器間的進程通信。

經(jīng)典同步問題

生產(chǎn)者和消費者問題前面已經(jīng)討論過。

1. 讀者-寫者問題

允許多個進程同時對數(shù)據(jù)進行讀操作，但是不允許讀和寫以及寫和寫操作同時發(fā)生。

一個整型變量 count 記錄在對數(shù)據(jù)進行讀操作的進程數(shù)量，一個互斥量 count_mutex 用于對 count 加鎖，一個互斥量 data_mutex 用于對讀寫的數(shù)據(jù)加鎖。

typedef int semaphore;
semaphore count_mutex = 1;
semaphore data_mutex = 1;
int count = 0;

void reader() {
while(TRUE) {
down(count_mutex);
count++;
if(count == 1) down(data_mutex); // 第一個讀者需要對數(shù)據(jù)進行加鎖，防止寫進程訪問
up(count_mutex);
read();
down(count_mutex);
count–;
if(count == 0) up(data_mutex);
up(count_mutex);
}
}

void writer() {
while(TRUE) {
down(data_mutex);
write();
up(data_mutex);
}
}

2. 哲學家進餐問題

五個哲學家圍著一張圓周，每個哲學家面前放著飯。哲學家的生活有兩種交替活動：吃飯以及思考。當一個哲學家吃飯時，需要先一根一根拿起左右兩邊的筷子。

下面是一種錯誤的解法，考慮到如果每個哲學家同時拿起左手邊的筷子，那么就無法拿起右手邊的筷子，造成死鎖。

#define N 5
#define LEFT (i + N - 1) % N
#define RIGHT (i + N) % N
typedef int semaphore;
semaphore chopstick[N];

void philosopher(int i) {
while(TURE){
think();
down(chopstick[LEFT[i]]);
down(chopstick[RIGHT[i]]);
eat();
up(chopstick[RIGHT[i]]);
up(chopstick[LEFT[i]]);
}
}

為了防止死鎖的發(fā)生，可以加一點限制，只允許同時拿起左右兩邊的筷子，方法是引入一個互斥量，對拿起兩個筷子的那段代碼加鎖。

semaphore mutex = 1;

void philosopher(int i) {
while(TURE){
think();
down(mutex);
down(chopstick[LEFT[i]]);
down(chopstick[RIGHT[i]]);
up(mutex);
eat();
down(mutex);
up(chopstick[RIGHT[i]]);
up(chopstick[LEFT[i]]);
up(mutex);
}
}

第三章 死鎖

死鎖的條件

互斥

請求與保持：一個進程因請求資源而阻塞時，對已獲得的資源保持不放。

不可搶占

環(huán)路等待

死鎖的處理方法

1. 鴕鳥策略

把頭埋在沙子里，假裝根本沒發(fā)生問題。

這種策略不可取。

2. 死鎖預(yù)防

在程序運行之前預(yù)防發(fā)生死鎖。

2.1 破壞互斥條件

例如假脫機打印機技術(shù)允許若干個進程同時輸出，唯一真正請求物理打印機的進程是打印機守護進程。

2.2 破壞請求與保持條件

一種實現(xiàn)方式是規(guī)定所有進程在開始執(zhí)行前請求所需要的全部資源。

2.3 破壞不可搶占條件

2.4 破壞環(huán)路等待

給資源統(tǒng)一編號，進程只能按編號順序來請求資源。

3. 死鎖避免

在程序運行時避免發(fā)生死鎖。

3.1 安全狀態(tài)

圖 a 的第二列 has 表示已擁有的資源數(shù)，第三列 max 表示總共需要的資源數(shù)，free 表示還有可以使用的資源數(shù)。從圖 a 開始出發(fā)，先讓 B 擁有所需的所有資源，運行結(jié)束后釋放 B，此時 free 變?yōu)?4；接著以同樣的方式運行 C 和 A，使得所有進程都能成功運行，因此可以稱圖 a 所示的狀態(tài)時安全的。

定義：如果沒有死鎖發(fā)生，并且即使所有進程突然請求對資源的最大需求，也仍然存在某種調(diào)度次序能夠使得每一個進程運行完畢，則稱該狀態(tài)是安全的。

3.2 單個資源的銀行家算法

一個小城鎮(zhèn)的銀行家，他向一群客戶分別承諾了一定的貸款額度，算法要做的是判斷對請求的滿足是否會進入不安全狀態(tài)，如果是，就拒絕請求；否則予以分配。

上圖 c 為不安全狀態(tài)，因此算法會拒絕之前的請求，從而避免進入圖 c 中的狀態(tài)。

3.3 多個資源的銀行家算法

上圖中有五個進程，四個資源。左邊的圖表示已經(jīng)分配的資源，右邊的圖表示還需要分配的資源。最右邊的 E、P 以及 A 分別表示：總資源、已分配資源以及可用資源，注意這三個為向量，而不是具體數(shù)值，例如 A=(1020)，表示 4 個資源分別還剩下 1/0/2/0。

檢查一個狀態(tài)是否安全的算法如下：

① 查找右邊的矩陣是否存在一行小于等于向量 A。如果不存在這樣的行，那么系統(tǒng)將會發(fā)生死鎖，狀態(tài)是不安全的。

② 假若找到這樣一行，將該進程標記為終止，并將其已分配資源加到 A 中。

③ 重復以上兩步，直到所有進程都標記為終止，則狀態(tài)時安全的。

4. 死鎖檢測與死鎖恢復

不試圖組織死鎖，而是當檢測到死鎖發(fā)生時，采取措施進行恢復。

4.1 死鎖檢測算法

死鎖檢測的基本思想是，如果一個進程所請求的資源能夠被滿足，那么就讓它執(zhí)行，釋放它擁有的所有資源，然后讓其它能滿足條件的進程執(zhí)行。

上圖中，有三個進程四個資源，每個數(shù)據(jù)代表的含義如下：

E 向量：資源總量A 向量：資源剩余量C 矩陣：每個進程所擁有的資源數(shù)量，每一行都代表一個進程擁有資源的數(shù)量R 矩陣：每個進程請求的資源數(shù)量

進程 P₁ 和 P₂ 所請求的資源都得不到滿足，只有進程 P₃ 可以，讓 P₃ 執(zhí)行，之后釋放 P₃ 擁有的資源，此時 A = (2 2 2 0)。P₁ 可以執(zhí)行，執(zhí)行后釋放 P₁ 擁有的資源， A = (4 2 2 2) ，P₂ 也可以執(zhí)行。所有進程都可以順利執(zhí)行，沒有死鎖。

算法總結(jié)如下：

每個進程最開始時都不被標記，執(zhí)行過程有可能被標記。當算法結(jié)束時，任何沒有被標記的進程都是死鎖進程。

① 尋找一個沒有標記的進程 P_i，它所請求的資源小于等于 A。② 如果找到了這樣一個進程，那么將 C 矩陣的第 i 行向量加到 A 中，標記該進程，并轉(zhuǎn)回 ①。③ 如果有沒有這樣一個進程，算法終止。

4.2 死鎖恢復

① 利用搶占恢復② 殺死進程

第四章 存儲器管理

虛擬內(nèi)存

每個程序擁有自己的地址空間，這個地址空間被分割成多個塊，每一塊稱為一 頁。這些頁被映射到物理內(nèi)存，但不需要映射到連續(xù)的物理內(nèi)存，也不需要所有頁都必須在物理內(nèi)存中。

當程序引用到一部分在物理內(nèi)存中的地址空間時，由硬件立即執(zhí)行必要的映射。當程序引用到一部分不在物理內(nèi)存中的地址空間時，由操作系統(tǒng)負責將缺失的部分裝入物理內(nèi)存并重新執(zhí)行失敗的指令。

分頁與分段

1. 分頁

用戶程序的地址空間被劃分為若干固定大小的區(qū)域，稱為“頁”。相應(yīng)地，內(nèi)存空間分成若干個物理塊，頁和塊的大小相等。可將用戶程序的任一頁放在內(nèi)存的任一塊中，實現(xiàn)了離散分配，由一個頁表來維護它們之間的映射關(guān)系。

2. 分段

上圖為一個編譯器在編譯過程中建立的多個表，有 4 個表是動態(tài)增長的，如果使用分頁系統(tǒng)的一維地址空間，動態(tài)遞增的特點會導致覆蓋問題的出現(xiàn)。

分段的做法是把每個表分成段，一個段構(gòu)成一個獨立的地址空間。每個段的長度可以不同，可以動態(tài)改變。

每個段都需要程序員來劃分。

3. 段頁式

用分段方法來分配和管理虛擬存儲器。程序的地址空間按邏輯單位分成基本獨立的段，而每一段有自己的段名，再把每段分成固定大小的若干頁。

用分頁方法來分配和管理實存。即把整個主存分成與上述頁大小相等的存儲塊，可裝入作業(yè)的任何一頁。程序?qū)?nèi)存的調(diào)入或調(diào)出是按頁進行的。但它又可按段實現(xiàn)共享和保護。

4. 分頁與分段區(qū)別

① 對程序員的透明性：分頁透明，但是分段需要程序員顯示劃分每個段。

② 地址空間的維度：分頁是一維地址空間，分段是二維的。

③ 大小是否可以改變：頁的大小不可變，段的大小可以動態(tài)改變。

④ 出現(xiàn)的原因：分頁主要用于實現(xiàn)虛擬內(nèi)存，從而獲得更大的地址空間；分段主要是為了使程序和數(shù)據(jù)可以被劃分為邏輯上獨立的地址空間并且有助于共享和保護。

頁面置換算法

在程序運行過程中，若其所要訪問的頁面不在內(nèi)存而需要把它們調(diào)入內(nèi)存，但是內(nèi)存已無空閑空間時，系統(tǒng)必須從內(nèi)存中調(diào)出一個頁面到磁盤對換區(qū)中，并且將程序所需要的頁面調(diào)入內(nèi)存中。頁面置換算法的主要目標是使頁面置換頻率最低（也可以說缺頁率最低）。

1. 最佳（Optimal）

所選擇的被換出的頁面將是最長時間內(nèi)不再被訪問，通常可以保證獲得最低的缺頁率。

是一種理論上的算法，因為無法知道一個頁面多長時間會被再訪問到。

舉例：一個系統(tǒng)為某進程分配了三個物理塊，并有如下頁面引用序列：

7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0，3，2，1，2，0，1，7，0，1

進程運行時，先將 7,0,1 三個頁面裝入內(nèi)存。當進程要訪問頁面 2 時，產(chǎn)生缺頁中斷，會將頁面 7 換出，因為頁面 7 再次被訪問的時間最長。

2. 先進先出（FIFO）

所選擇換出的頁面是最先進入的頁面。

該算法會將那些經(jīng)常被訪問的頁面也被換出，從而使缺頁率升高。

3. 最近最久未使用（LRU, Least Recently Used）

雖然無法知道將來要使用的頁面情況，但是可以知道過去使用頁面的情況。LRU 將最近最久未使用的頁面換出。

可以用棧來實現(xiàn)該算法，棧中存儲頁面的頁面號。當進程訪問一個頁面時，將該頁面的頁面號從棧移除，并將它壓入棧頂，這樣，最近被訪問的頁面的頁面號總是在棧頂，而最近最久未使用的頁面的頁面號總是在棧底。

4，7，0，7，1，0，1，2，1，2，6

4. 時鐘（Clock）

Clock 頁面置換算法需要用到一個訪問位，當一個頁面被訪問時，將訪問為置為 1。

首先，將內(nèi)存中的所有頁面鏈接成一個循環(huán)隊列，當缺頁中斷發(fā)生時，檢查當前指針所指向頁面的訪問位，如果訪問位為 0，就將該頁面換出；否則將該頁的訪問位設(shè)置為 0，給該頁面第二次的機會，移動指針繼續(xù)檢查。

第五章 設(shè)備管理

磁盤調(diào)度算法

當多個進程同時請求訪問磁盤時，需要進行磁盤調(diào)度來控制對磁盤的訪問。磁盤調(diào)度的主要目標是使磁盤的平均尋道時間最少。

1. 先來先服務(wù)（FCFS, First Come First Serverd）

根據(jù)進程請求訪問磁盤的先后次序來進行調(diào)度。優(yōu)點是公平和簡單，缺點也很明顯，因為未對尋道做任何優(yōu)化，使平均尋道時間可能較長。

2. 最短尋道時間優(yōu)先（SSTF, Shortest Seek Time First）

要求訪問的磁道與當前磁頭所在磁道距離最近的優(yōu)先進行調(diào)度。這種算法并不能保證平均尋道時間最短，但是比 FCFS 好很多。

3. 掃描算法（SCAN）

SSTF 會出現(xiàn)進行饑餓現(xiàn)象。考慮以下情況，新進程請求訪問的磁道與磁頭所在磁道的距離總是比一個在等待的進程來的近，那么等待的進程會一直等待下去。

SCAN 算法在 SSTF 算法之上考慮了磁頭的移動方向，要求所請求訪問的磁道在磁頭當前移動方向上才能夠得到調(diào)度。因為考慮了移動方向，那么一個進程請求訪問的磁道一定會得到調(diào)度。

當一個磁頭自里向外移動時，移到最外側(cè)會改變移動方向為自外向里，這種移動的規(guī)律類似于電梯的運行，因此又常稱 SCAN 算法為電梯調(diào)度算法。

4. 循環(huán)掃描算法（CSCAN）

CSCAN 對 SCAN 進行了改動，要求磁頭始終沿著一個方向移動。

參考資料

• Tanenbaum A S, Bos H. Modern operating systems[M]. Prentice Hall Press, 2014.

• 湯子瀛, 哲鳳屏, 湯小丹. 計算機操作系統(tǒng)[M]. 西安電子科技大學出版社, 2001.

• Bryant, R. E., & O’Hallaron, D. R. (2004). 深入理解計算機系統(tǒng).

• 小土刀的面試刷題筆記

• 進程間的幾種通信方式

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统学习总结(超赞!!!)的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。