《操作系统》辅导纲要学习指导.doc
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1、 操操 作作 系系 统统 辅辅 导导 纲纲 要要第一章第一章 操作系统概述操作系统概述内容提要:内容提要:本章主要讲述操作系统的基本概念,具体包括操作系统的目标和作用,操作系统的发 展过程、操作系统的基本特征和功能、操作系统的结构设计等内容。 1操作系统的定义的掌握操作系统的定义的掌握 从计算机系统的组成角度看,计算机系统由硬件系统和软件系统组成。而计算机软件 系统又分为系统软件和应用软件。在所有的系统软件中,最重要的系统软件是操作系统 (Operating System,简称 OS) ,它是其他系统软件和应用软件正常工作的基础。因此可把 操作系统看成是一个程序的集合体,其作用是管理计算机系统
2、中的各种资源,其目标是为 用户提供一个友好的操作界面,方便用户使用计算机,并提高计算机系统的性能。 2操作系统的发展操作系统的发展 主要从推动操作系统发展的主要动力因素上来学习操作系统的发展历程,并注意每一 阶段都解决上了什么问题,还存在什么问题。 1)手工操作阶段 2)单道批处理系统(Simple Batch Processing System) 3)多道批处理系统 4)分时系统(Time-Sharing System) 5)实时系统(Real-Time System) 6)通用操作系统 4操作系统的分类操作系统的分类 注意了解每一种操作系统所具有的特点及其优缺点。 1)批处理操作系统 2)
3、分时操作系统 3)实时操作系统 4)通用操作系统 5)网络操作系统 6)分布式操作系统 5操作系统的特征操作系统的特征 注意理解每一种特征的实际含义。 1)并发性 2)共享性 3)虚拟性 4)异步性 6操作系统的功能操作系统的功能 这是对本课程所有主体内容的简略描述,因此关系操作系统功能描述的内容请仔细阅 读,为课程后续内容的学习打下良好的基础。 1)处理机管理(第二章、第三章)2)存储器管理(第四章) 3)设备管理(第五章) 4)文件管理(第六章) 5)用户接口(第七章)重点掌握:重点掌握:操作系统的分类、功能、操作系统的特征第二章第二章 进程管理进程管理内容提要:内容提要:本章主要讲述进程
4、和线程的基本概念及其控制,具体包括进程的基本概念、组成及其 实现、进程的状态及其转换、进程的互斥与同步、进程之间通信原理和机制、线程的基本 概念、线程的状态及其转换、进程与线程的关系等内容。 1进程概念的引入进程概念的引入 多道程序设计技术虽然提高了系统的吞吐量,但也带来了一系列的问题,如程序执行 过程出现间断性、程序执行环境的封闭性被打破、程序执行结果可能失去再现性。基于这 些问题,需要引入某种机制来描述程序的执行过程,以及分配相关资源,这就是“进程” 。 1)引入进程的原因 2)进程与程序的差别 3)进程与作业的差别 4)进程与线程的差别 2进程的概念及其特征进程的概念及其特征 1)进程的
5、概念 一个具有独立功能的程序对某个数据集在处理机上的执行过程和资源分配的基本单位。2)进程的组成 每一个进程都是由程序段、数据段和 PCB 三部分构成。 3)PCB 的定义 4)PCB 的作用 5)PCB 中的基本信息 6)进程的基本状态:就绪态、等待态(阻塞态) 、执行态(运行态) 、挂起状态、激活状 态、静止阻塞状态、活动阻塞状态、静止就绪状态、活动就绪状态、睡眠状态、僵尸状态 等。 重点要掌握 PCB 的作用,进程的其他状态以及生命期间都是通过 PCB 来表示的。 7)什么是管态?什么是目态? 8)进程与其 PCB 是一一对应的吗? 9)进程与程序是一一对应的吗? 10)PSW 是什么意
6、思?PSW 有什么作用? 11)进程的顺序执行及其特征(顺序性、封闭性、可再生性) 12)什么是进程的并发执行? 13)什么是进程的并行执行?14)进程的并发执行与并行执行是相同的吗? 15)进程并发执行的基本特征是什么?3要弄清作业与进程的区别与联系,程序与进程的区别与联系。要弄清作业与进程的区别与联系,程序与进程的区别与联系。 4要了解进程的三种基本状态及其转换过程。要了解进程的三种基本状态及其转换过程。 1)弄清每一种状态转换产生的原因和条件。 2)哪些状态可以直接转换,哪些状态不可以直接转换。 3)进程状态发生改变时,其资源(比如 CPU)占用情况。 5要了解进程上下文与进程空间的概念
7、要了解进程上下文与进程空间的概念 1)进程上下文的定义 进程上下文:进程执行活动全过程的静态描述。包括计算机中与执行该进程有关的各 寄存器的值、程序段在经过编译之后形成的机器指令代码集(正文段) 、数据集、各种堆栈 和 PCB 结构。 2)进程空间的定义 进程空间:进程中所有能使用的地址集合。 6关于进程的实现关于进程的实现 1)进程创建的时机 2)进程的创建 3)进程切换 4)进程阻塞及其原因、类型 5)进程创建、阻塞、唤醒、挂起、激活、撤消原语 6)进程的创建过程 7)进程的撤消过程 要了解进程的创建时机与创建者,还包括进程创建的过程。关于进程的撤消、阻塞、 唤醒、挂起、激活等状态的转换,
8、要了解引起这些状态发生改变的原因,及其处理过程。 7进程互斥与同步进程互斥与同步 1)进程互斥与同步的引入 这是本章的重点,也是难点部分。 由于多道程序的引入,使得内存中同时存在多个程序,并且这些程序在并发的执行, 另一方面,计算机系统中的资源是有限的,由于资源的数量远不及进程的需求量,因此, 在多道程序环境中,进程之间在向前推进的同时,它们必然会竞争系统中的资源,从而进 程彼此相互制约。因此提出了直接制约、间接制约、临界资源、临界区的概念。如何让多 个进程能够有条不紊的使用系统中的资源,操作系统必然要引入进程互斥和同步的机制。 2)进程控制相关概念 进程互斥的概念; 进程同步的概念; 临界资
9、源的概念; 临界区的概念; 信号量的概念; 原语的概念; 3)要掌握进程互斥与同步的实现方法。 实现进程同步机制的原则是:空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待。 Wait(s)中关于 S 值的修改是如何进行的? Signal(S)中关于 S 值的修改是如何进行的?P(S)操作与 Wait(S)的关系是什么样的? V(S)操作与 signal(S)的关系是什么样的? P(S)对信号量 S 是如何操作的? V(S)对信号量 S 是如何操作的? 如何利用 wait(s)和 signal(s)实现进程同步与互斥? 信号量的物理意义是什么?信号量的作用是什么? 如何利用 wai(s)和 signal(
10、s)实现进程互斥? 如何利用 wai(s)和 singal(s)实现进程同步? 在利用 wait(s)和 signal(s)实现进程同步和互斥时,如何注意 wait(s)和 signal(s)的使 用顺序? 如何利用 P、V 操作使用进程的互斥与同步? 如何利用 wait(s)、signal(s)或 P、V 操作实现生产者-消费者问题、哲学家就餐问 题、读者-写者问题?必须读懂相应的程序段,要求会使用这些控制机制实现进程 的互斥与同步。 如何利用 wait(s)、signal(s)或 P、V 操作编程解决现实生活中的互斥与同步问题? 在处理实际问题中,如何明确需要多少个信号量?如何明确每一种信
11、号量的物理 意义?如何给信号量初始值? 3)在实际问题分析中,必须要分析该涉及多少个进程,这些进程之间存在着什么关系, 然后才着手设定信号量和赋初值。从生产者-消费者问题、读者-写者问题以及哲学家就餐 问题中要学会如何利用信号量来实现进程的互斥与同步。 8关于管程关于管程 1)管程的定义 2)引入管程的目的是什么?有什么好处? 3)管程的组成 4)管程的访问特性 5)管理是如何实现进程互斥与同步的,它有什么好处? 6)如何创建一个管程? 7)如何利用管程解决生产者-消费者问题? 8)如何利用管程解决读者-写者问题? 9进程的几种通信方式中,要重点了解消息通信的原理及其特点。进程的几种通信方式中
12、,要重点了解消息通信的原理及其特点。 1)进程通信的概念 2)进程通信的级别及其特点:低级通信、高级通信 3)进程通信的类型: 共享存储器系统的特点及原理。 消息传递系统的特点及原理。 管道的定义。 管道通信的特点及原理。 10关于线程:关于线程: 1)线程的概念。 2)引入线程的原因。 3)线程与进程的区别与联系。重点掌握:重点掌握:1进程的组成,进程与程序区别,进程的基本状态及其转换。2如何实现进程互斥,信号量机制,如何用 PV 操作实现进程的同步和互斥。 3管程的组成与实现,如何利用管程实现进程同步。 4进程通信原理和特点,着重邮箱通信。 第三章第三章 作业与处理机调度作业与处理机调度内
13、容提要:内容提要:本章主要讲述操作系统中的作业与处理机调度以及死锁的概念,具体包括作业的概念 与组织、处理机调度的概念、作业与进程调度的目标和算法、实时系统中的调度特点与调 度算法、死锁的概念和处理方法等内容。 1关于作业:关于作业: 作业的概念。 作业的应用范围,即作业一般用于什么样的操作系统中? 作业与 JCB 的关系 作业的建立包括作业的输入与 JCB 的建立,其中作业的输入方式有哪几种? 作业的四种状态及其转换。即提交状态、后备状态、执行状态和完成状态。 作业与进程的区别与联系 作业是用户向计算机系统提交任务的任务实体,而进程则是完成用户任务的 执行实体,是向系统申请分配资源的基本单位
14、。 作业在没有进入执行状态时被存入外存的后备作业队列中等待调度执行,进 程一旦被创建,总有相应总分放入内存。 一个作业可由多个进程组成,且必须至少由一个进程组成,反之不成立。 作业的概念应用范围主要局限于批处理系统中,而进程的概念则应用到几乎 所有的多道程序系统中。 2关于处理机调度:关于处理机调度: 处理机调度的概念 处理机调度的类型 高级调度的功能:也称为作业调度、长程调度、接纳调度。 中级调度的功能:也称为交换调度、中程调度。 低级调度的功能:也称为进程调度、短程调度。 三级调度模型是什么? 处理机调度算法好坏的评价标准,即处理机调度准则。 面向用户的准则 周转时间短:什么是周转时间、平
15、均周转时间、带权周转时间、平均带 权周转时间及它们的计算? 响应时间快:什么是响应时间? 截止时间保证:什么是截止时间? 面向系统的准则 什么是吞吐量? 3关于作业调度:关于作业调度: 作业调度的功能是什么? 作业调度的目标是什么? 不同系统中作业调度性能的衡量标准是什么? 必须要会根据选择的调度算法正确作业的完成时间、周转时间、平均周转时间、带权周转时间以及平均带权周转时间。 进程调度的功能是什么? 进程调度的时机是什么? 4关于处理机调度算法:关于处理机调度算法: 需要清楚每一种调度算法的思想、特点以及优缺点。 先来先服务调度算法(First Come First Serve,FCFS)
16、最短作业优先调度算法(Shortest Job First,SJF) 优先级调度算法 优先数(优先级)的类型 1静态优先数:在进程创建时确定,在进程运行过程中其优先数不会发生改 变。 2动态优先数:在进程创建时确定,但进程的优先数会在进程推进过程中或 随其等待时间的增加而改变。 优先级的确定原则 1.作业优先级的确定(静态) 1)根据用户要求或用户身份确定作业的优先级。 2)根据作业的类型确定作业的优先级:一般情况下,I/O 型作业的优先级高于 CPU 型作业的优先级。 3)根据作业需要资源的多少来确定其优先级,原则上需要资源多的作业的优先级 低于需要资源少的作业的优先级。 2.进程优先级的确
17、定(静态) 1)按进程的属性把进程分为系统进程和用户进程。其中,系统进程的优先级高于 用户进程的优先级。 2)按进程的类型把进程分为 I/O 型进程、CPU 型进程以及 I/O 与 CPU 均衡的进程, 一般情况下,I/O 型进程的优先级最高,I/O 与 CPU 均衡的进程优先级次之,CPU 型 的优先级最低。 3)其他方法。 3进程优先级的确定(动态) 1)根据进程占用 CPU 的时间长短来决定,进程占用 CPU 时间越长,其优先级就 越低。 2)根据进程等待 CPU 的时间长短来决定,进程等待 CPU 的时间越长,其优先级 就越高。 最高响应比优先调度算法(Highest Response
18、 Ration Next,HRRN) 什么是响应比?响应比如何计算? 时间片轮转调度算法(Round Robin,RR) 多级反馈队列轮转法(Round Robin with Multiple feedback) 5关于实时系统:关于实时系统: 实时系统的概念。 是指产生系统输入的时间对系统至关重要的系统。从输入到输出的滞后时间必须 足够小到一个可接受的时限内。因此,实时逻辑的正确性不仅依赖于计算结果的 正确性,还取决于输出结果的时间。 实时系统的特点。 1实时性 2并行性3多路性 4独立性 5可预测性 6可靠性 实时系统的分类 硬实时(强实时) 软实时(弱实时) 实时系统中的调度方式。 非抢
19、占式调度 抢占式调度 实时系统调度算法。 最早截止时间优先(Earlist Deadline First,EDF)算法 最低松弛度优先级(Least Laxity First,LLF)算法 6死锁问题死锁问题 一直是操作系统系统中必须着重解决的一个问题,因而它既是重点,也是难点。要求 学生在学习死锁概念的基础上,理解死锁产生的原因和条件,并将其与现实生活中的一些 现象联系起来理解。注意区别处理死锁问题的各种方法的优缺点。要求能够利用银行家算 法在资源分配时避免死锁的产生。为进一步理解银行家算法的精髓,还可以上机编程模拟 实现银行家算法。这部分的验证在实验内容会有所体现。 死锁及其相关概念 死锁
20、:是指多个进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局,当进程处于 这种僵持状态时,若无外力作用,它们都将无法再向前推进。 可剥夺资源:指某进程在获得这类资源后,该资源还可以被其他进程或系统 剥夺。例如, “处理机”和“内存”等均属于可剥夺资源。 不可剥夺资源:当系统把这类资源分配给某进程后再不能强行收回,只能在 进程用完后自行释放。如“磁带机” 、 “打印机”等。 永久性资源:可重复使用型资源。 临时性资源:由一个进程产生,被另一个进程使用一短暂时间后便无用的资 源,也称为“消耗性资源” 。 死锁产生的原因 竞争资源引起进程死锁 进程推进顺序不当引起死锁 死锁产生的必要条件(重点掌握) 互斥条
21、件:任意时刻只允许一个进程使用资源。 请求和保持条件:进程在请求其他资源时,不主动释放已经占用的资源。 不剥夺条件:进程已经占用的资源不会被强制剥夺。 环路等待条件:其中环路中的每一条边是进程在请求另一进程已经占有的资 源。 死锁的处理方法 预防死锁 特点:容易实现,但可能会导致系统资源利用率和吞吐量降低,属于预 先预防策略。这种方法设置的限制条件比较严格,不利于进程的并发执 行。 避免死锁特点:只需事先加以较弱的限制条件,便可获得较高的资源利用率及系 统吞吐量,但实现时比较难。这种方法设置的限制条件比较宽松,有利 于进程的并发执行。 安全状态的概念是什么? 什么叫安全序列? 银行家算法的内容
22、,利用银行家算法解题 安全检测算法 检测死锁 死锁定理:S 为死锁状态的充分条件是当且仅当 S 状态的资源分配图是 不可完全简化的。 解除死锁的方法 剥夺资源 撤消进程重点掌握:重点掌握:1作业生命期中四种状态转换。 2调度层次(作业调度、交换调度、进程调度)。 3作业调度功能与目标。 4进程调度功能及时机、进程上下文切换。 5几种典型调度算法:先来先服务算法(FCFS) ,时间片轮转算法(RR) ,短作业优 先算法(SJF) ,最高响应比优先算法(HRRN) ,优先数算法(HPF) 。 6死锁的问题,如何利用银行家算法避免死锁。死锁的检测与解除。第四章第四章 存储器管理存储器管理内容提要:内
23、容提要:本章主要讲述内存的各种管理方式,具体包括分区式、分页式、分段式、段页式存储 管理方式,以及虚拟存储器的基本概念和请求调页、请求调段存储管理方式、分页与分段 系统中信息的共享与保护等内容。 1基本概念的掌握基本概念的掌握: 地址映射 物理地址 物理地址空间 逻辑地址 逻辑地址空间 重定位 静态重定位 假定程序装入内存的首地址为 BR,程序中某指令的地址为 VR,指令所对应 的内存地址为 MR,则地址映射按下式进行:MR=BR+VR 。 例如:程序装入内存的首地址为 1000,则装配程序就按 MR=1000+VR 对程 序中所有地址部分进行修改,修改后指令 Load A,200 就变为 L
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