操作系统原理复习（1.2万字，全面覆盖）

第一章、操作系统概述

• 操作系统的特性 ： 并发性 （ 同时处理多个任务的能力 ）， 共享性 （为多个并发任务提供资源共享）， 不确定性 （具有处理随机事件的能力）。
• 操作系统功能 ：

1. 进程管理 ： 处理机分配，处理机管理，CPU管理。具体为进程控制（ 创建，暂停，唤醒，撤销 ），进程调度（调度策略，优先级），进程通信（进程间通信）。
2. 存储管理/内存管理 ： 为应用程序运行分配和管理所需的内存，支持多道程序设计。具体为内存分配，内存共享，内存保护，内存扩充，虚拟内存。
3. 设备管理 ：设备的分配和回收，设备的驱动机制/传输机制，为应用提供统一接口访问设备，高效存取/设备缓冲机制。
4. 文件管理 ：为用户提供统一的文件存取接口，高效组织存储空间，提高存取效率，实现信息共享和存取控制。具体为文件用户接口，存储空间管理，文件的操作，目录的操作，存取权限管理。 文件是设备的抽象 。

• 操作系统性能/评价指标 ：

1. 吞吐率 ：在单位时间内处理信息的能力。
2. 资源利用率 ：设备（CPU）使用的频度。
3. 响应能力 ：从接受数据到输出结果的时间间隔。
4. 可移植性 ：改变硬件环境仍能正常工作的能力，即代码修改量。
5. 可靠性 ：发现、诊断和恢复系统故障的能力。

• 操作系统发展的四个典型阶段 ：

1. 手工操作系统（40年代-50年代初）
2. 单道批处理系统（50年代）
3. 多道批处理系统（60年代初）
4. 分时操作系统（60年代-至今）

• 详细讲述了单道批处理系统，多道批处理系统和分时操作系统。
• 多道批处理系统和分时系统的比较

• 茶余饭后：
• 操作系统的逻辑结构 （OS的设计和实现思路）

1. 整体式结构 (

   单体式结构，宏内核结构)：以

   模块

   为基本单位构建，每个模块具有特定的功能

2. 层次式结构： 功能模块按

   调用次序

   排若干层，各层

   单向

   依赖或

   单向

   调用。

3. 微内核结构（客户/服务器结构）：操作系统=微内核+核外服务器

4. 

   

   

第二章、 操作系统依赖的基础硬件

• 计算机主要部件 ：CPU，内设，外设
• 三总线 ：地址总线，数据总线，控制总线
• CPU结构 ：控制单元，运算单元，寄存器组

• CPU的态 （CPU的工作模式， 对资源和指令使用权限的描述 ）：

1. 核态

   (Kernel mode)：能够访问所有资源和执行指令，管理程序/OS内核

2. 用户态

   (User mode,

   目态

   )：仅能访问部分资源，其他资源受限

3. 管态

   (Supervisor mode)：介于核态和用户态之间

• 操作系统依赖的最基本硬件 ：CPU，内存，中断，时钟。
• 存储体系 ：寄存器，高速缓存（cashe），主存，磁盘。
• 中断基本概念：

1. 中断定义 ： 指CPU对突发的外部事件的反应过程或机制。 CPU收到 外部信号 （中断信号）后，停止当前工作，转去处理该 外部事件 ，处理完毕后回到原来工作的 中断处 （断点）继续原来的工作。

2. 中断源

   ：引起系统中断的事件

3. 中断类型 ：

4. 断点 ： 程序中断的地方（将要执行的下一条指令的地址）

5. 现场 ： 程序正确运行所依赖的信息集合。（PSW

   （

   程序状态字

   ）、相关寄存器、

   断点

   ）

6. 现场的处理

   ：现场保护（进入

   中断服务程序

   之前：

   CPU→

   栈

   ），现场恢复（退出

   中断服务程序

   之后：

   栈

   →CPU）

7. 中断响应过程 ：识别中断源–保护断点–保护现场–进入中断服务程序–恢复现场–中断返回

• 基本输入输出系统 （ BIOS ）。

• 实模式和保护模式

• 操作系统的启动 ：

1. 初始引导 ：把 OS内核 装入内存并使之开始工作接管计算机系统，引导程序为MBR（Master Boot Record）

2. 核心初始化 ： OS内核初始化系统的核心数据。比如：各种寄存器的初始化，存储系统和页表初始化，核心进程构建。

3. 系统初始化

   ：为用户使用系统作准备，使系统处于

   待命状态

   。主要工作：初始化文件系统，初始化网络系统，初始化控制台，初始化图形界面。

• MBR（主启动扇区） ，

1. 存放引导代码。
2. 占用512个字节（510字节+AA55h），最后两个字节是MBR结束标志。
3. 提供BootLoader或启动管理。

• PBR ：分区/次引导记录
• Linux操作系统的生成 ：获取内核源码–配置内核–重新编译新内核–编译和安装模块–配置启动选项

第三章、用户界面

• 用户界面定义 ： 操作系统提供给用户控制计算机的机制

  (用户接口)

• 用户界面类型 ：操作界面和系统调用 (System Call，系统功能调用,

  程序界面

  )

• 操作界面 ：分为图形用户接口，操作命令，批处理与脚本程序

• 批处理与脚本程序 ： 在控制台环境下自动处理一批

  命令。

  Windows：批处理程序（bat/PowerShell）。Linux：Shell脚本程序。

• Bash主要功能之 重定向： 主要是标准输入/输出的重定向，在linux虚拟机上实践一下会好很多

• Bash主要功能之 管道：

在虚拟机里实践一下

因为这个学期第一次os实验有4个，第二次os实验有7个

• 系统调用

  (

  System Call，System Service Call)： 操作系统

  内核

  为应用程序提供的

  服务/函数

  。 特点：内核实现，存取核心资源或硬件，调用过程产生中断

第四章、进程管理

• 进程定义 ： 进程是程序在某个

  数据集合

  上的

  一次

  运行

  活动

  。

• 进程是系统中 共享CPU的最小的并发单位 ，是 资源分配的基本单位。

• 进程的特征 ：

1. 动态性：进程是程序的一次执行过程，动态产生/消亡

2. 并发性： 进程可以同其他进程一起向前推进

3. 异步性：

   进程按各自速度向前推进

4. 独立性：进程是系统分配资源和调度CPU的单位

• 进程与程序的区别 ：

1. 动态与静态。 进程是动态的：程序的一次执行过程；程序是静态的：一组指令的有序集合
2. 暂存与长存。进程是暂存的：在内存驻留。程序是长存的：在介质上长期保存。
3. 程序和进程的对应。一个程序可能有多个进程。

• 进程的状态 ：

1. 运行状态（Running）。进程已经占有CPU，在CPU上运行。

2. 就绪状态 （Ready）。具备运行条件但由于无CPU，暂时不能运行

3. 阻塞状态（Block）。 因为等待某项

   服务

   完成或

   信号

   来到而不能运行的状态。例如等待：系统调用，I/O操作，合作进程的服务或信号…

• Linux进程状态 ：可运行，睡眠，僵死，暂停。

• 进程控制块

  (Process Control Block，PCB) ： 描述进程的状态、资源、和相关进程的关系。

PCB是进程的标志，创建进程时创建PCB，进程撤销后PCB同时撤销。

• task_struct ：Linux 内核中表示进程和线程的关键数据结构，包含了各种信息，如状态、调度信息、文件描述符等。
• 进程控制 ：在进程生存期间，对其全部行为的控制。有以下四个典型的进程控制。

1. 进程创建： 创建一个具有指定标识（ID）的进程。

2. 进程撤销： 撤销一个指定的进程，收回进程所占有的资源，撤销该进程的

   PCB。 进程撤销的时机/事件：正常结束，异常结束，外界干预。

3. 进程阻塞： 停止进程执行，变为阻塞。 阻塞进程的时机/事件：请求系统服务，启动某种操作，新数据尚未到达，无新工作可做。

4. 进程唤醒： 唤醒处于阻塞队列当中的某个进程。引起唤醒的时机/事件：系统服务由不满足到满足，I/O完成，新数据到达，提出新请求。

• 原语 ： 由若干指令构成的具有特定功能的函数。具有原子性，其操作不可分割。
• Linux进程控制 ：

1. 创建进程–fork（）

关于fork的返回值：pid = 0（在子进程中），pid>0（在父进程中，为子进程id），pid= -1（出错）

在子进程中，fork函数返回0，在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID。可以通过fork返回的值来判断当前进程是子进程还是父进程。

2. exec函数族：

3. 功能：在子进程空间运行指定的“

   可执行程序

   ”

4. 步骤：根据

   文件名

   找到相应的

   可执行程序，

   可执行程序的内容填入子进程的地址空间。

5. 返回：exec调用成功：进入新进程且不再返回。exec调用失败：继续从调用点向下执行。

6. 进程的阻塞–wait（int &status）函数

7. 进程的终结–exit（int &status）函数

8. 进程的休眠–sleep（int nSecond）

• 线程的定义 ：线程是进程内创建的 可运行模块

  /

  指令 序列，能执行 指定的任务 。

进程内可以定义多个线程，线程和进程可以并发运行。

线程是 CPU调度和派发的基本单位。

• 线程的意义 ：

1. 线程提高了系统的并发性能。线程的并发粒度比进程更细，更充分地发挥

   CPU

   的性能。

2. 线程的应用成本更低，更灵活 。进程为

   线程

   提供

   资源

   和

   地址空间

   。线程的创建，撤销和管理

   成本更低；

   线程间通信

   更容易，更灵活。

3. 大多数操作系统都采用了线程技术。Windows/Linux/

   鸿蒙

   /

   麒麟

   /…

• 创建线程–CreateThread(TaskFunction) 函数
• 线程的应用场景 ：

多个功能需要并发的地方

需要改善窗口交互性的地方

需要改善程序结构的地方

多核

CPU

上的应用，充分发挥多核性能

• 现代操作系统线程模型：

进程

=

资源集 + 线程组：

线程的状态变迁：

• Linux线程和分类

1. 内核线程/Kernel Thread
2. 用户线程/User Thread

• 进程VS线程
• 进程互斥的定义： 多哥进程共享具有独占性的资源时，必须确保各进程互斥地存取资源，即确保没有任何两个进程同时存取资源。进程内设定特定区域，所有进程互斥地访问这些区域。

• 临界资源 ：一次只允许一个进程独占访问（使用）的资源。比如上面的共享变量i
• 临界区： 进程中访问临界资源的程序段。
• 进程的同步关系： ‘’‘’

• 临界区和临界资源的共享特点 : 临界资源的访问具有排他性，并发进程不能同时进入“临界区”
• 访问临界区的方法：

1. 硬件方法：
2. 软件方法：锁机制和信号量机制。

• 临界区访问的四个原则 ：

1. 空闲让进 ：当无进程处于临界区时，表明临界资源处于空闲状态，应允许一个请求进入临界区的进程立刻进入自己的临界区，以有效利用临界资源。
2. 忙则等待 ：当已有进程进入临界区时，表明临界资源正在被访问，因而其他试图进入临界区的进程必须等待，以保证对临界资源的互斥访问。
3. 有限等待 ：对要求访问临界资源的进程，应保证在有限时间内能进入自己的临界区，以免陷入”死等“状态。
4. 让权等待 ：当进程不能进入自己的临界区时，应立即释放处理机，以免进程陷入”忙等“状态。

• 信号灯机制 ：

1. P操作（ 荷兰语：

   P

   asseren

   通过 ）原理：

2. V操作（荷兰语： V

   rijgeven

   释放 ）

• Windows同步机制：

第五章、 资源分配与调度（ 死锁 ）

• 死锁的定义 ： 两个或多个进程

  无限期地

  等待永远不会发生的条件的一种系统

  状态。

  每个进程都永远阻塞。

• 死锁的另一个定义 ： 在两个或多个进程中，

  每个

  进程都

  已持有

  某种资源，但又

  继续申请

  其它进程

  已持有的某种资源

  。

• 死锁的起因 ：

1. 系统资源有限。资源数目不足以满足所有进程的需要，引起进程对资源的竞争而产生死锁。
2. 并发进程的推进顺序不当。进程在运行过程中，请求和释放资源的顺序不当，导致进程产生死锁。

• 关于死锁的一些结论 ：

1. 陷入死锁的进程至少是2个（反证：若仅有一个进程死锁）
2. 参与死锁的进程至少有2个已经占有资源。
3. 参与死锁的所有进程都在等待资源
4. 参与死锁的进程是当前系统中所有进程的子集
5. 死锁会浪费大量系统资源，甚至导致系统崩溃。

• 死锁的必要条件 ：

1. 互斥条件： 资源具有独占性，进程

   互斥

   使用资源。

2. 不剥夺条件： 资源被访问完之前

   (

   即在

   释放

   前

   )

   不能被其他进程

   剥夺

   。

3. 部分分配条件： 进程所需资源逐步分配，需要时临时申请（

   等待分配

   ）。

4. 环路条件： 多个进程构成环路：环中 每个进程

   已占用的资源 被 前一进 程申请，而自己所需 新资源 又被环中 后一进程 所占用。对于哲学家就餐问题来说，限定最多四个人同时吃饭，就是破坏环路条件。

• 解决死锁的策略 ：

1. 预防死锁：通过设置某些限制条件，破坏死锁四个必要条件中的一个或多个，来防止死锁。

2. 避免死锁： 在资源的分配过程中，用某种方法分析该次分配是否可能导致死锁？若会则不分配；若不会就分配。

3. 检测和恢复死锁： 允许死锁发生，但可通过

   检测机制

   及时检测出死锁状态，并精确确定与死锁有关的进程和资源，然后采取适当措施，将系统中已发生的死锁

   清除

   ，将进程从死锁状态解脱出来。

4. 预先静态分配法： 进程运行前将所需全部资源

   一次性

   分配给它。因此进程在运行过程中不再提出资源请求，从而避免出现阻塞或者死锁。破坏了

   部分分配条件

   。

5. 有序资源分配法：

第六章、 处理机调度（进程调度）

• 调度定义： 在队列中按

  某种策略

  选择

  最合适的

  对象(执行相应操作）

• 讲的非常详细。

• 调度分类 ：

1. 长程调度（宏观调度

   /

   作业调度）。作业：磁盘–>内存。

2. 中程调度（交换调度）。进程：就绪（内存）–>交换空间。

3. 短程调度（进程调度）。进程：就绪（内存）–>CPU。

4. I/O调度（设备调度）。进程：阻塞（设备）–>就绪。

• 进程调度的目标（两个量化的衡量指标）：

1. 周转时间

   /

   平均周转时间

2. 带权周转时间

   /

   平均带权周转时间

先来先服务调度

（First Come First Serve）：按照作业进入系统的时间先后次序来挑选作业。先进入系统的作业优先被运行。

特点：只考虑作业

等候时间

，不考虑

作业大小(

运行时间)

。晚来的作业会等待较长时间，

不利于晚来但是很短的作业。

短作业优先调度算法

（

Short Job First）：参考

运行时间

，选取

时间最短

的作业投入运行。

特点：忽视了作业等待时间，早来的长作业会长时间等待(资源“饥饿”)。

响应比高者优先调度算法

：调度作业时计算

作业列表

中每个作业的

响应比

，选择

响应比最高的作业

优先投入运行。

特点：

响应比

= 1 +

等待时间

/

运行时间，

有利于短作业，有利于等候已久的作业，兼顾长作业。每次调度时重新计算和比较剩余作业的响应比。

优先数调度算法

：

根据进程优先数，把

CPU

分配给最高的进程。

进程优先数

=

静态优先数

动态优先数。

静态优先数： 进程创建时确定，在整个进程运行期间不再改变。

动态优先数：动态优先数在进程运行期间可以改变。

循环轮转调度法

（ROUND-ROBIN）： 把所有就绪进程按 先进先出 的原则排成队列。 新来

进程 加到队列 末尾 。进程以 时间片 q为单位轮流使用CPU。刚刚运行了一个 时间片 的进程排到队列 末尾 ，等候下一轮调度。 队列逻辑上是环形的。

• 调度方式：

  当一进程正在

  CPU

  上运行时，若有

  更高优先级的进程

  进入

  就绪

  ，系统如何对待新进程（分配

  CPU

  ）？

1. 非抢占方式：让正在运行的进程

   继续运行

   ，直到该进程完成或发生某事件而进入“完成”或“阻塞”状态时，才把CPU

   分配给新来的更高优先级的进程。

2. 抢占方式： 让正在运行的进程

   立即暂停

   ，立即把

   CPU分配给新来的优先级更高的进程。

二者对比：

• Linux进程优先级

• task_struct-> counter ： 进程在

  当前一轮调度

  中还能连续运行的时间片数量。counter越大，优先级越高，可获得越多CPU时间

新一轮调度开始时：counter = priority

时钟中断服务程序：counter - -

特定情形：counter = counter

• △

所有进程的counter都减到0后：重新开始新一轮调度

• task_struct->rt_priority：

  实时进程特有的优先级: rt_priority+1000

• task_struct->policy：

  进程的调度策略，用来区分实时进程和普通进程SCHED_OTHER(

  0

  )

  ||

  SCHED_FIFO(

  1

  )

  ||

  SCHED_RR(

  2

  )

• schedule( )函数： 在

  可运行队列中

  查找

  最高优先数进程并把

  CPU

  切换

  给它。

第七章、主存管理

• 存储器功能需求 ： 容量足够大，速度足够快，信息永久保存

• 三级存储体系 ：内存–辅存–cache 。用辅存支援内存，提高容量。用cache支援内存，提升效率。

• 地址映射 （地址重定位，地址重映射）：把程序中的地址

  （

  虚拟地址

  ,

  虚地址

  ,

  逻辑地址

  ,

  相对地址

  ）

  变换成真实的内存地址

  （实地址

  ,

  物理地址

  ,

  绝对地址

  ）

  的过程。

• 固定地址映射 ： 编程或编译时

  确定逻辑地址和物理地址映射关系。

特点：程序加载时必须加载到指定的内存区域。容易产生地址冲突，运行失败。

不能适应多道程序环境

• 静态地址映射 ：程序 装入时 由操作系统完成逻辑地址到物理地址的映射。保证程序在 运行之前

  所有地址都绑定到主存。

映射方式：物理地址（MA）= 装入地址（BA）+ 虚拟地址（VA）

特点： 程序运行之前确定映射关系。程序占用

连续的

内存空间。程序装入后

不能移动，

如果移动必须放回原来位置。

• 动态地址映射 ：在程序

  执行过程中

  把逻辑地址转换为物理地址。

映射方式：物理地址

MA =

装入基址

BA +

虚拟地址

VA

装入基址：基址寄存器

BAR

实现动态地址映射的思路：

特点： 程序占用的内存空间可动态变化（若程序移动及时更新

基址

BA

）

程序不要求占用连续的内存空间（需要记录每段放置的

基址

BA

）

便于多个进程共享代码（共享代码作为

独立的一段

存放）

缺点： 硬件支持（

MMU

：内存管理单元）。软件复杂。

• 存储扩充：

  借助辅存在逻辑上扩充内存，解决内存不足

• 存储保护 ： 保证内存中的多道程序只能在给定区域活动，并且互不干扰。防止访问越界，防止访问越权。

• 单一存储管理 ：用户区

  不分区

  ，完全被一个程序占用。

• 分区存储管理 ： 把

  用户区

  分为

  若干

  大小不等的

  分区

  ，供不同程序使用。

有

固定分区

（系统初始化时分区）和

动态分区

（程序装入时临时分区）两种。

• 固定分区 ：

特点：运行时分区的

大小

和

位置

不变，分区大小不同，适应不同程序需求。

缺点： 浪费内存，大程序可能无法运行，程序过多无法运行。

因此 程序的

装入数量和顺序要与

分区的数量、大小顺序尽量保持一致。

• 动态分区：

• 

  

  

• 分区的选择（放置策略）

空闲区表： 描述内存

空闲区

的位置和大小的数据结构

1. 首次适应法 ：

   空闲区表

   按

   首址递增

   排序，尽可能先利用

   低地址空间

   

2. 最佳适应法 ： 空闲区表

   按

   大小递增

   排序，尽量先选中满足要求的

   最小

   空闲区

   

3. 最坏适应法 ： 空闲区表

   按

   大小递减

   排序，尽量先使用

   最大的

   空闲区，仅作

   一次查找

   就可找到所要分区。

   

• 碎片问题 ：

• 覆盖技术（overlay）

目的： 在

较小

的内存空间中运行

较大

的程序

覆盖的缺点：编程复杂（程序员划分程序模块并确定关系），程序执行时间长（从外存装入内存耗时）

• 对换技术（Swapping）

原理： 内存不够时把进程写到磁盘（

换出

/

Swap Out

）。

当进程要运行时重新写回内存（

换入

/

Swap In

）。

优点： 增加进程并发数；不考虑程序结构。

缺点： 换入和换出增加

CPU开销；对换单位太大（整个进程）

需要考虑的问题：程序换入时的地址重定位，减少对换传送的信息量，外存对换空间的管理方法

采用交换技术的OS：UNIX，Linux，Windows

• 页式内存管理，不罗列了，ppt没讲清，不如看

关键摘要：

• 地址映射 ： 虚拟地址（页式地址）

  →

  物理地址

• 页表的建立：

• 缺页中断 ： 当程序要访问的

  目标页面

  不在内存时，程序将被迫

  临时中断。

缺页中断的处理：

立即将所缺

页面

装入内存。页面从

硬盘

拷贝到内存，其中的I/O操作耗时较长。

因此，缺页中断降低了程序实时性。

修改位即所谓的“ 脏位 ”。

访问指令的执行过程：

• 缺页（中断）率f =

  缺页次数

  /

  访问页面总次数

• 命中率 = 1 - f

• 页面抖动 ： 页面在内存和辅存间频繁交换的现象。“抖动”会导致系统效率下降。

• 淘汰策略 ：

一个好的淘汰策略， 页面抖动较少，具有较低的缺页率（高命中率）

1. 最佳算法（OPT算法，Optimal）: 淘汰

不再需要

或

最远将来

才会用到的页面。

特点：理论上最佳，实践中该算法

无法实现

。

2. 先进先出淘汰算法（FIFO算法）:淘汰在内存中

停留时间最长

的页面

优点： 实现简单：页面按进入内存的时间排序，淘汰队头页面。同时，进程按

顺序访问

地址空间时

抖动较少，缺页率较低

。

异常现象：对于一些特定的访问序列，分配页框越多，缺页率越高！

3. 最久未使用淘汰算法（LRU，Least Recently Used）： 淘汰

最长时间未被使用

的页面。

4. 最不经常使用算法（LFU，Least Frequently Used）： 选择到当前时间为止

被访问次数最少

的页面， 每页设置 访问计数器 ，每当页面被访问时，该页面的访问计数器加1； 发生缺页中断时，淘汰计数值最小的页面

，并将所有计数清零。

实现方式 ： 对每个⻚⾯设置⼀个访问计数器，每当⼀个⻚⾯被访问时，该⻚⾯的访问计数器就 累加 1。在发⽣缺⻚中断时，淘汰计数器值最⼩的那个⻚⾯

• 影响缺页次数的因素：

1. 淘汰算法
2. 分配给进程的页框数：页框越少，越容易缺页
3. 页本身的大小：页面越小，越容易缺页
4. 程序的编制方法：程序的局部性

• 页面的大小选择：

  

• 快表机制（cache，联想存储器，TLB）

特点： 快表是普通页表（慢表）的

部分内容

的

复制

地址映射时

优先

访问快表，若在快表中找到所需数据，则称为“

命中

” 没有命中时，需要访问慢表，同时

更新

快表

合理的页面调度策略能使快表具有

较高

命中率

• 二级页表 ，ppt讲的不够好，看

关键摘要：

• 段式存储管理 ：把进程按 逻辑意义 划分为多个 段 ，每段有 段名 ，长度不定。进程由 多段 组成

• 段表 （SMT，Segment Memory Table）：记录每段在内存中映射的位置

• 段式系统的虚拟地址 ： 段式虚拟地址

  VA

  包含

  段号

  S

  和

  段内偏移W

• 段式地址映射过程：

1. 逻辑地址

   VA

   分离出

   (

   S

   ,

   W

   );

2. 以

   S为索引查询段表，检索段号

   S

   ，查询该段

   基地址

   B

   和

   长度

   L

   。

3. 物理地址MA = B + W

• 段式管理与页式管理的对比 ：

• 段页式存储管理： 在段式存储管理中结合页式存储管理技术

• 段页式地址 ： 段号

  S

  、页号

  P

  和页内位移

  W

• 段页式地址的映射机构： 同时采用

  段表

  和

  页表

  实现地址映射

系统为每个进程建立一个

段表

,  每个段建立一个

页表

；

段表给出每段的

页表基地址

及

页表长度

，

页表给出段内每页对应的

页框

。

• 实模式阶段： 计算机加电前一段时间处于实模式。
• 实模式内存空间： 20位物理地址，1MB内存空间。分段机制：段地址(16位) ：偏移地址(16位)

第八章、设备管理（输入/输出管理）

• 设备类型和特征

按交互对象分类

1. 人机交互：显示设备、键盘、鼠标、打印机

2. 与

   CPU

   交互：磁盘、磁带、传感器、控制器

3. 计算机间交互：网卡、调制解调器

按交互方向分类

1. 输入设备：键盘、扫描仪

2. 输出设备：显示设备、打印机

3. 双向设备：输入

   /

   输出：硬盘、软盘、网卡

按外设特性分类

1. 使用特征：存储设备、输入设备、输出设备

2. 数据传输率：低速

   (

   键盘

   )

   、中速

   (

   打印机

   )

   、高速

   (

   网卡、磁盘

   )

按信息组织特征分类

1. 字符设备：传输的基本单位是

   字符

   。例：键盘、串口

2. 块设备： 传输的基本单位是

   块

   。例：硬盘，磁盘

3. 网络设备：采用

   socket套接字接口访问，在全局空间有唯一名字，如

   eth0

   、

   eth1

• 设备管理功能

1. 状态追踪：记录设备的基本属性

2. 设备分配： 按一定策略安全地分配和管理各种设备。

3. 设备映射： 逻辑设备到物理设备的转换（逻辑名到物理名的转换）

4. I/O缓冲区管理： 开辟和管理

   I/O

   缓冲区，提高读写效率。

5. 设备驱动：对物理设备进行I/O操作， 把应用对设备的读/写请求转换为对设备I/O操作。

   

• 缓冲技术作用

1. 连接不同数据传输速度的设备

   。如CPU（设备驱动）与设备（控制器）之间传输数据，

   改进：内存中增加缓冲区

2. 协调数据记录大小的不一致。

   进程之间

   或

   CPU与设备之间

   的数据记录大小不一致

3. 正确执行应用程序的语义拷贝。

• Linux缓冲机制应用：

1. 提前读：进程读时，其所需数据已被

   提前读

   到了

   缓冲区

   中，不需要启动外设去执行读操作。

2. 延后写：进程写时，数据先存在缓冲区，等到

   特定事件发生

   或

   足够时间

   后（

   已延迟

   ），再启动外设完成写入。

• 缓冲的组成 ：

1. Cache： 高速缓冲寄存器

   【

   CPU ↔

   内存】

2. 设备内部缓冲区：外设或

   I/O

   接口的内部缓冲区

   【端口】

3. 内存缓冲区：应用广泛，

   使用灵活

   【

   CPU ↔

   接口

   /外设】，

   应用开辟

   |

   内核开辟

4. 辅存缓冲区：

   开辟在辅存上

   【 暂存内存数据，

   SWAP

   】

• 缓冲的实现

1. 单缓冲：缓冲区仅有1个单元

2. 双缓冲：缓冲区有2个单元

3. 环形缓冲： 在双缓冲的基础上增加了更多的单元，并让首尾两个单元在逻辑上相连。

4. 缓冲池： 多个缓冲区，可供若干个进程共享，可以支持输入，也可以支持输出，

   提高缓冲区利用率，减少内存浪费

• 设备文件： 硬件设备作为

  文件

  看待，使用

  文件操作接口

  来完成设备的打开、关闭、读写和

  I/O控制等操作。仅字符设备和块设备通过

  设备文件

  访问，创建设备文件：

  mknod。

• 主设备号：

  标识该设备种类，标识驱动程序主，设备号的范围：

  1-255，

  Linux

  内核支持

  动态分配主设备号

• 次设备号 ：

  标识同一设备驱动程序的不同硬件设备

• 设备分类：

1. 独占设备： 不可抢占设备

   （普通外设或资源），

   使用时

   独占

   ，

   释放后

   才能被其它进程申请到。先申请，后使用

   （主动）

2. 共享设备： 可抢占设备

   （

   CPU，内存，硬盘），

   允许多个作业或进程

   同时

   使用。不申请，直接用

   （被动

主动） 3. 虚拟设备： 借助虚拟技术，在共享设备上模拟独占设备。

• 设备分配方法 ：

1. 独享分配： 针对独占设备。

   

2. 共享分配：针对共享设备， 典型共享设备：硬盘。

   

3. 虚拟分配：

虚拟技术： 在一类物理设备上模拟另一类物理设备的技术，通常借助

辅存部分区域

模拟独占设备，将独占设备转化为共享设备。

虚拟设备： 用来模拟独占设备的

辅存区域

称为

虚拟设备，

具有独占设备的逻辑特点

输入井： 模拟输入设备的辅存区域

输出井：模拟输出设备的辅存区域

• SPOOLing

  系统：

1. 预输入程序： 控制信息从独占设备输入到辅存，模拟脱机输入的卫星机。

2. 输入表： 独占设备

   ↔

   虚拟设备

3. 缓输出程序： 控制信息从辅存输出到独占设备，模拟脱机输出的卫星机；

4. 输出表： 独占设备

   ↔

   虚拟设备

5. 井管理程序： 控制用户程序和辅存之间的信息交换

第九章、文件系统

• 文件 ：文件是计算机系统存放信息的一种形式，由若干信息项有序构成。文件具有唯一的文件名，用户 通过

  读写指针

  来存取文件的信息项。

• 文件分类：

1. 按文件的用途：系统文件，库文件，用户文件。
2. 按文件的操作权限：只读文件，只写文件，可执行文件，可读可写文件，不保护文件
3. 按文件的存储时间：临时文件，永久文件

• 文件系统 ：管理文件的机构。

实现文件的创建、撤消、读写、修改、复制和存取控制等，方便用户以

文件名

存取文件

管理文件

存储设备

的空间和存取。高效利用存储空间和高效存取文件

• 文件的逻辑结构 ：

记录式文件：信息项是

记录

，记录包含若干成员。例如：学生花名册

.txt，记录姓名，学号，性别，成绩。

特点： 文件头部保存

记录长

和

记录数

信息，浪费存储空间

分类：定长记录文件，不定长文件

2. 流式文件：信息项是字节

特点： 文件长度就是字节的数量，文件无需额外说明信息或控制信息

• 文件的存取方法 ：

1. 顺序存取： 按从前到后的顺序

   依次

   对文件

   信息项

   进行读

   /写，直到定位到目标信息项为止。

2. 随机存取

   /直接访问：直接

   定位

   到文件目标信息项进行读

   /写。适合

   流式文件

   或

   定长记录文件

   。

• 文件的物理结构： 文件在存储设备上的存储结构，

  强调合理利用储存空间，缩短I/O时间

连续文件： 指文件存放在

连续的存储块

中。文件的存储块顺序与逻辑块顺序一致且连续。

文件目录记录

文件长度

(

块数

)

和

首个存储块号

特点： 文件建立时给出文件

最大长度

和

文件起始位置

。支持顺序存取和随机存取。其中顺序存取速度快

(

寻道次数和寻道时间最少

)

缺点：文件不易动态增长，预留空间容易造成浪费，造成外部碎片问题

2. 串联文件：存放在

离散的存储块

中，每个存储块包含一个

链接指针

记录下一个存储块位置。文件目录记录文件

首个存储块号

特点：串联文件可以显著消除存储碎片，创建文件时无需知道文件长度，文件动态增长时可动态分配存储块， 支持文件增、删、改等操作。

缺点： 随机访问效率极低

(仅适合顺序访问方式），并且如果某个

链接指针损坏

，文件后面将无法访问。

FAT文件系统：

3. 索引文件：文件存放在不连续的存储块中，系统建立 索引表

记录文件

逻辑块 和 存储块 的对应关系。 索引文件 = 索引表 + 数据区

特点： 读取索引文件时应先读取

索引表，

索引表本身占据额外的存储区域

/缺点，

支持顺序和随机存取，支持文件动态增长、插入、删除等。实例：

ext

系列文件系统

(

inode

索引节点文件

)

• 磁盘空闲存储块管理方法：

1. 空闲文件目录：

空闲文件： 连续的空闲存储块

组成的特殊文件。存储设备上所有的空闲文件就代表了存储设备上的全部空闲空间。

空闲文件目录：为所有空闲文件建立的目录，记录空闲文件的首块号和存储块数

(

或其他方式

)

2. 空闲块链： 把所有空闲存储块用

链表

链接在一起。

当

申请

空闲块时，从链表

头部

摘取空闲块。

当

回收

存储块时，把空闲块加在链表

尾部。

3. 位示图： 一块特殊内存区域，

每一位

(bit)

对应一个

存储块

，值1

表示存储块

空闲

，

0

表示

已占用。

• 文件目录：

文件目录功能： 实现“

按名存取

” ：系统根据文件名能找到指定文件。文件目录记录文件的

文件名

、

存放地址

以及

属性。

目录文件：

目录文件是文件目录的实现，由

文件目录项

构成

文件目录项 （

directory entry）：描述文件基本信息、使用信息和存取控制信息等。

基本信息：文件名、存储位置

(

存储块号

)

等

使用信息：属性、大小、建立时间、修改时间等

存取控制信息：文件存取权限

• 目录结构 ：

1. 单机目录： 最简单的目录结构，全部文件都登记在同一目录中。

特点：简单、易于理解和实现

缺点：查找速度慢，不允许重名，不便于文件共享

2. 二级目录： 第一级称为主目录

(MFD)

，第二级称为子目录或用户目

(UFD)。每个用户有一个子目录

(

用户目录

)

优点：解决文件重名的问题，不同用户可以使用相同的名字

3. 树形目录： 多级目录结构，二级目录结构的扩充，目录结构如同倒置的树，树根是主目录

(根目录)，枝结点是子目录，树叶描述文件。

• 文件全名 ： 从根目录到文件为止整个通路上所有目录、子目录和文件的名字用

  ”/”

  顺序连接构成的字符串称为

  文件全名。

• 路径名 ：文件全名中由目录和子目录组成的部分。每个文件都有唯一的路径名

绝对路径名： 从

根目录

直到文件的路径

相对路径名：从

指定目录

到文件的路径

• 文件属性： 指定文件的类型、操作特性和存取保护等信息，一般存放在文件的（

  目录 /文件

  ）中。比如 MS-DOS的文件目录项， 文件属性

  （特指读 写/隐藏等属性）占1个字节

其他资料：

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