操作系统的类型和结构。


操作系统是计算机系统中最基本的系统软件,它不仅管理计算机系统的软硬件资源,还控制程序的执行。操作系统的基本类型有:批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统。从资源管理的角度来看,操作系统主要管理处理器、内存、文件、设备和作业。操作系统是计算机系统中的核心系统软件,负责管理和控制计算机系统中的硬件和软件资源,合理组织计算机工作流程和有效利用资源,发挥计算机与用户之间的接口作用。一般来说,操作系统为用户提供的接口是命令、菜单和窗口,而操作系统为应用程序提供的接口是API。操作系统和硬件/软件之间的关系如下图所示。


操作系统的主要功能是处理器和进程管理、存储管理、设备管理、文件管理和作业管理。


进程管理


处理器管理也称为流程管理。处理器管理的功能是组织和协调用户对处理器的竞争使用,将处理器分配给进程,管理和控制进程,充分发挥处理器的作用。3.


1.流程。


从静态的角度来看,操作系统是程序和表的集合。从动态的角度来看,操作系统是进程的动态并发执行。


顺序是指程序中的几个操作必须按照一定的顺序执行,每个操作前后的数据和状态都有一定的关系。在早期的编程中,程序通常是按顺序执行的。


在多通道程序系统中,程序的运行环境发生了很大的变化。主要体现在资源共享和程序的并发/并行执行。程序的并行执行和资源共享是相辅相成的。一方面,只有允许程序并行执行,才能出现资源共享的问题;另一方面,只有有效地共享资源,程序才能并行执行。


2.过程状态转换。


由于过程的间歇运行,过程至少有以下三种状态:


(1)就绪状态。当一个进程已经分配了除了CPU之外的所有必要资源时,只要它能够再次获得处理器,它就可以立即执行。此时的进程状态称为就绪状态。在一个系统中,多个进程可以同时处于就绪状态,它们通常被安排在一个队列中,这被称为就绪队列。


(2)执行状态是指进程已经获得处理器,其程序正在执行。在单处理器系统中,只有一个进程可以处于执行状态。


(3)阻塞状态是指进程因事件(如请求I/O、申请缓冲空间等)而暂停执行时的状态。),即进程的执行被阻塞,所以称为阻塞状态,有时称为“等待”状态或“休眠”状态。通常处于阻塞状态的进程排列在一个队列中,这个队列称为阻塞队列。进程的状态可以动态地相互转换。具体转换条件见下图。但是阻塞状态的进程不能直接进入执行状态,就绪状态的进程不能直接进入阻塞状态。操作系统基础。


3.暂停状态


在许多系统中,进程只有三种状态:就绪、运行和阻塞。但是在其他系统中,增加了一些新的状态,其中最重要的是挂起状态。引入挂起状态的原因有:交换的需要、终端用户的请求、父进程的请求、负载调整的需要和操作系统的需要。


4.互斥且同步。


进程互斥和同步进程互斥被定义为一组并发进程中的一个或多个程序段,这些程序段必须在一个由于共享一个公共资源而不允许交叉执行的单元中执行。也就是说,互斥就是保证关键资源在某一时刻只被一个进程访问。


进程同步被定义为异步环境中的一组并发进程由于直接限制而互相发送消息,互相协作,互相等待,使每个进程都能以一定速度执行的过程,称为进程同步。也就是说,进程是异步执行的,同步意味着每个进程按照一定的限制顺序和速度执行。


互斥是资源的竞争关系,同步是流程之间的合作关系。


5.正向趋势图。


正向图是由结点边和有向边组成的有向无环图。该图通常用于显示事务之间的顺序限制。图中的每个结点可以表示一个语句、一个程序段或一个进程,结点之间的有向边表示两个结点之间的正向关系


没有被称为“启动结点”的前向结点,它可以不受任何限制地直接实现。B1和A2只能在A1执行后启动,而B2必须在B1和A2完成后启动。C3没有被称为“终结结点”的继任者结点,


6.进程调度和死锁。


进程调度就是处理器调度(也叫上下文切换),它的主要功能是决定什么时候分配处理器,分配给哪个进程,也就是让正在执行的进程改变状态,转移到就绪队列的末尾,然后调度原语会取出就绪队列的头进程,放入执行。


调度算法:FCFS/FIFO,优先级数调度,轮换法。


当几个进程争夺彼此的资源时,它们会无限期等待,无法前进,从而导致死锁。死锁是系统的一种错误状态,不仅浪费了大量的系统资源,甚至会导致整个系统的崩溃,因此应该尽可能地防止和避免死锁。


死锁的必要条件是互斥条件、保持和等待条件、非剥夺条件和循环等待条件。


解决死锁有两种策略:一是死锁发生前的预防和避免策略;另一个是死锁后的检测和恢复策略。


事实上,系统死锁的概率很小,所以从系统成本的角度来看,死锁后的检测和恢复策略比死锁前的预防和避免策略要便宜。存储管理


存储主要是指内存的管理,负责内存的分配和恢复、内存保护和内存扩展。存储的目的是最大限度地提高内存使用效率。存储管理的机制经历了许多变化,从单一的连续区域管理到分区存储管理,再到分段页面管理。


1.页面存储管理。


分页的基本思想是将程序的逻辑空间和内存的物理空间按照相同的大小分成若干页,并以页为单位进行分配。


当内存中没有空闲块时,为了加载一个页面,需要根据某种算法从内存中已经存在的页面中选择一个页面,将其暂时转移出内存,并放弃存储空间来存储要加载的页面。这项工作被称为“页面调度”。常用的页面调度算法包括:最优(opt)算法、rand(rand)算法、先进先出算法和最近最少使用(LRU)算法。


2.分段存储管理。


段存储管理类似于页面存储管理。分段的基本思想是将用户的工作划分为逻辑意义完整的段,以段作为内外存储交换的空间尺度。


3.分段页面存储管理。


页面管理是细分管理和页面管理相结合的产物,融合了细分组织和页面组织的特点。根据程序模块,内存被分成固定长度的页面。


如果按照段页存储管理的方式将每个段细分为若干页,那么每个段就不需要占用连续的存储空间。即使没有足够的内存块,也只能将一个段中的部分分页平面加载到内存中。这种管理方法称为“分段页面虚拟存储管理”。段虚拟存储管理结合了段和页的优点,但增加了设置表(段表和页表)的开销,查表段虚拟存储一般只用于大型计算机系统。


设备管理


在计算机系统中,除了处理器和内存之外,大多数其他硬设备都被称为外部设备。包括输入输出设备、辅助存储设备和终端设备。


文件管理


文件管理的功能包括:创建、修改和删除文件;按文件名访问文件;确定文件信息的存储位置、存储形式和访问权限;管理文档之间的连接,并提供文档的共享、保护和机密性。


1.文件的逻辑结构。


文件结构是指文件的组织形式,从用户的角度看文件的组织形式称为文件的逻辑结构。


2.文件的物理结构。


文件的物理结构是指文件在存储设备上的存储方式。文件的物理结构涉及文件存储设备的分块策略和文件分配策略,决定了文件信息在存储设备上的存储位置。常见的文件分配策略有:顺序分配(连续分配):其缺点是创建文件时必须指定文件的信息长度,以后不能动态增加,所以一般不适合需要频繁修改的文件。


链路分配(串行分配):链路分配的优点是可以解决内存碎片问题,提高存储空间的利用率。由于链接文件只能按照队列中链接指针的顺序进行搜索,搜索效率较低,一般只适合顺序访问,不适用于随机访问。


索引分配(见下图):索引分配既能满足文件动态增长的要求,又能方便快捷地实现随机访问。


索引分配不仅可以满足文件动态增长的要求,还可以方便快捷地实现随机访问。索引文件的优点是既适合顺序访问,也适合随机访问。缺点是索引表增加了存储。空间成本。


3.文件存储设备管理。


文件存储设备的管理本质上是空闲块的组织和管理。它包括空闲块的组织、分配和恢复。有三种不同的空闲块管理方法,分别是索引方法、链接方法和位图方法。


劳动管理


从用户的角度来看,作业是系统为完成用户的计算任务(或事务)所做工作的总和。一个作业通常经历四个状态:提交、备份、执行和完成,从移交给计算机系统到执行结束和退出系统。


提交状态


操作输入设备进入外部存储器(也称输入井)的过程称为提交状态。提交状态的作业信息正在进入系统。


备份状态


当作业的所有信息都存储在外部存储器中时,系统为作业建立作业控制块(JCB)。系统通过JCB感知作业的存在。JCB的主要内容包括作业名称、作业状态、资源需求、作业控制模式、作业类型和作业优先级等。


执行模式


备份作业由作业计划程序选择,分配必要的资源并放入内存。作业调度器同时为其建立相应的进程后,作业从备份状态变为执行状态。


完成状态


完成状态。当作业的正常操作结束,并且它占用的所有资源没有被系统回收时,状态为完成。


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