操作系统-1-5章

  1 我们编写的高级语言程序其实是运行在OS上的）
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  8 多线程程序怎么加锁？？
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 10 操作系统及其系统调度给程序员的编程提供了简化，使其不必直接用机器指令操作硬件。
 11 而是用扩展的机器指令。
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 13 语言处理系统：可以使用高级语言进行面向问题的解决方案。
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 15 从资源管理的角度理解操作系统：
 16 程序如何 
 17 1.控制占用CPU？
 18 2.控制主存？
 19 3.控制IO设备？
 20 4.如何与其他进程通讯？
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 22 资源共享：
 23 1.独占式
 24 2.并发使用
 25 资源分配策略：
 26 1.静态分配
 27 2.动态分配
 28 3.资源抢占  如何回滚？？
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 30 多道程序设计：
 31 多程序一起进入优点：
 32 缓解了cpu和IO速度的严重不匹配的矛盾，提高了cpu利用率
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 34 如何实现？
 35 为进入内存执行的程序建立管理实体：进程！
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 37 操作系统应该能够管理进程的执行，以及系统（包括内存，cpu,IO等）调度
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 40 人机交互的发展：
 41 VR：显然需要硬件支撑，什么硬件？
 42 其次，需要一个虚拟系统
 43 多通道交互整合
 44 支持主动参与的三维HCI
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 46 所有应用程序访问操作系统的接口叫：系统调用
 47 计算机控制和实现系统调用的指令：陷入指令（硬件来做，陷入了内核）----计算机为实现系统调用而引起处理器中断的指令。
 48 过程：用户程序通过陷入指令中断CPU，保护cpu现场，取系统功能号 查入口地址标表获得入口地址（指向一个系统调用的处理程序）。
 49 运行，然后恢复CPU现场。
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 51 软件功能的研究与发展实际就是由操作系统先带来的，OS是第一个大规模的软件系统。后面又有了数据库系统DB。
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 53 操作系统内核：
 54 单内核：内核中各部件杂然混居
 55 UNIX/LINUX/WINDOWS都是如此
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 57 cpu和内存都挂在系统总线上的。
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 59 机器指令：中央处理器执行的基本单位。
 60 程序计数器PC：指向当前待执行的指令（取指）。
 61 CPU根据PC取指，然后放入指令暂存器IR，并对指令译码（解码）。
 62 然后发出控制命令，执行运算，产生结果并写回，完成一条指令的执行。
 63 调整PC计数器到下一条指令地址。
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 65 指令执行周期：
 66 取指解码执行
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 68 但是实际是按指令流水线执行的，为提高CPU利用率。
 69 取指解码执行
 70     取指解码执行
 71         取指解码执行
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 73         
 74 处理器模式：设置处理器模式实现特权指令管理。
 75 0：操作系统内核        --内核模式
 76 1：系统调用
 77 2：共享库程序
 78 3：用户程序等   -----用户模式 
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 80 中断驱动---中断驱动：用户程序间的切换是通过中断来完成的。必须先中断，控制权移交内核，然后内核再转交控制权到另一个用户程序。
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 83 进程的三大状态：
 84 1.等待态
 85 2.就绪态
 86 3.进行态
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 88 进程挂起：操作系统无法预料进程数目及资源需求，运行时可能出现运行资源不足情况，如 性能低 和 死锁。
 89 OS会剥夺某些进程的内存送至OS的对换区（磁盘缓冲区）。
 90 挂起的进程不占用内存，而就绪的进程是占有内存的。
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 92 进程上下文：OS中进程的物理实体和 支持进程运行的环境共同形成（CPU现场，cache信息。寄存器上细纹，用户上下文（用户程序，数据等））
 93 进程控制块：进程切换。保存现场-->系统调度--->加载现场等
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 95 进程：
 96 单线程结构：内部只有一个执行序列
 97 多线程结构：可以有多个执行序列
 98 多线程的进程相比单线程的进程好处：单线程的进程完成（伪）并行，需要操作系统保护及通信和切换代价。
 99 多线程环境优势：减少通信和切换代价
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101 多线程的进程：进程是系统进行保护和资源分配的基本单位。
102 线程：进程的一条执行路径，是调度的基本单位。同一进程中的线程共享主存空间和资源。
103 最简单的应用：word里打字，有个错误检查提示，一边输入一边检查，这实际是多线程完成的。
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106 多线程实现机制：
107 KLT：内核级多线程技术
108         线程阻塞后内核可调用同进程下的其他线程占用处理器
109         如果是多核处理器环境，内核能同时调度同一进程中的多个线程来真正并行。
110         应用程序在用户态运行，而线程调度和管理在内核实现。因此同一进程中，控制权从一个线程到另一线程的移交需要模式切换，系统开销较大。
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112 ULT：用户级多线程技术
113         所有线程管理资源都在用户态，线程切换不需内核模式，节省切换开销。
114         操作系统调度的依然是进程，因此它的物理并行性不好。
115         缺点：如果线程阻塞就是进程阻塞，如何解决阻塞问题？
116         Jacketing技术：线程阻塞----执行jacketing程序-----检查资源使用情况，决定进程切换或移交控制权到另一个线程。
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118 比较：
119 相同点：资源保护的单位都是进程为单位。
120 不同点：
121     KLT：线程调度完全由操作系统做。物理并行性好，适合解决物理并行性问题，如真多核处理器。
122     ULT：调度分两部分，OS调度处理器，用户来完成线程调度。物理并行性不好，用来逻辑并行问题
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126 多线程的编程实现：高级语言编程，然后和专用的线程库进行链接，实现。
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128 混合策略多线程编程：
129 结合二者优点：
130 线程创建完全在用户空间做，将ULT线程映射（绑定）到内核级的线程，通过调整KLT数目就可达到很好的并行效果。
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132 处理器的调度层次：
133 高级调度：又称作业调度，是不是将进程加入可执行进程池
134 中级调度：又称平衡负载，可以进程挂起，调节决定主存中的可用进程集合。
135 低级调度：又称进程调度，决定哪个可用进程占用处理器执行。是操作系统中最核心的部分。可以把处理器分配给进程或内核级线程，决定分配时间等。
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138 选择处理器调度算法的原则：
139     资源利用率：
140     响应时间：
141     周转时间
142     吞吐量：单位时间处理的进程数尽可能多。
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144 时间片轮转调度：时间片太大相当于根据进入次序执行，太小则OS频繁的中断进行系统调度代价太大，一般定位200ms或500ms等
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146 现代操作系统的调度算法一般是：优先数与分级结合的调度方法。
147 彩票调度算法：概率调度，为客户进程发放根据系统资源占用的彩票。
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150 存储管理：
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152 编程时是逻辑地址，而cpu实际运行处理的是物理地址。中间有逻辑地址到物理地址的映射--------重定位。
153 存储保护：为避免内存中多个进程互相干扰，必须进行程序和数据保护。
154     分为：
155         私有的主存占用：可读可写
156         非本进程的内存信息：不可读写
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158 CPU要执行的当前程序：需要在内存当中。
159 地址转换：逻辑地址进来首先进行限长器比较，越界引发中断。否则就与基础地址相加，得到物理地址。
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161 虚拟存储管理：
162     页式存储管理：像书一样，程序必定在某些页上，虽然可能有不满的页。
163     段式存储管理
164     都是讲内存地址编码成两维的：先分段编号，再给段内编号。
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167 页面调度：
168     主存满了但是需要装入新的页，此时要决定哪些页从主存调出去--------------页面调度（选择调出页）。
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172 第四章 IO设备：
173     信息传输视角：
174                     1输入：键盘 鼠标 
175                     2输出：显示器 打印机
176                     3输入输出：磁盘驱动器 网卡
177     交互功能视角：
178                     1人机交互：鼠标 键盘 显示器
179                     2存储设备：磁盘驱动器 光盘驱动器
180                     3机机通信：网卡  调制解调器
181 设备控制器：I/O设备本身由机械设备和电子设备共同完成，电子的部分称为设备控制器或I/O接口
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183 I/O控制方式总结：
184                     1、轮询方式：CPU等待，且cpu参与内存数据交换
185                     2、中断方式;CPU无需等待就绪，响应中断后参与内存数据交换
186                     3、DMA方式：CPU只在I/O开始和结束时参与，其他过程完全由DMA控制，cpu不参与内存数据交换。
187                     1-->2--->3 cpu与I/O设备的并行度越来越高，物理并行。
188                     
189                     I/O通道：通道控制器 或者 I/O处理器，逻辑并行
190                             CPU不再执行I/O指令，而是在内存中组织通道程序，由I/O通道执行。
191                             
192 
193 I/O控制的DMA方式：直接存储器访问方式
194 
195 设置总线的目的：
196                 解决cpu和I/O设备的速度不匹配以及I/O设备之间的速度不匹配问题（I/O设备之间也有很大的差别）
197                 如果不用总线，那么，低速I/O占用时间过长，使得高速设备访问时间受限。
198                 
199 经典的总线布置方式：南桥北桥
200                     cpu <------处理总线-------->北桥（主存控制器）<--------存储总线-------->主存
201                                                 南桥（I/O控制器）
202                                   SCSI----------LAN------------GPU等图形设备       PCI总线（高速电子IO设备）
203                                            鼠标-------键盘等                     E（ISA）总线（低速机械IO设备）
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205                 
206 I/O软件的设计目标：
207                     1.高效性
208                     2.通用性
209                     
210 I/O驱动：初始化i/o设备，查看状态等。
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212 I/O缓冲区：OS在内存中开辟的存储区，专门用来临时存放I/O操作的数据。
213         OS为解决CPU与i/o设备速度不匹配，以及物理记录（硬盘）与逻辑记录大小不一致，提高并行，减少I/O对CPU的中断次数。
214         比如：磁盘一个扇区一般是512Byte,如果我们要从磁盘读30Byte,依然需要从磁盘先读取完整的页到I/O缓冲，然后再从其中提取所需内容。
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217         设备分配方式：
218                     独占型外围设备----一次只能由一个进程独占使用
219                         分配方式：
220                                 静态分配：进程运行前申请；简单，能防止系统发生死锁，但是利用率低
221                                 动态分配：随用随申请；利用率高，可能发生死锁（如系统外设有一个打印机和一个磁带机，如果一个进程占有了打印机，另一个进程占有了磁带机。那么互相等待申请对方占用的I/O，系统就会发生死锁）
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223 设备表等：程序并不会直接访问I/O硬件，而是访问I/O设备的逻辑抽象--逻辑设备名。
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226 磁盘存取时间：
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228             磁盘结构：不同同心圆属于不同的磁道，首先要用磁盘臂放到所需磁道（柱面）上，每个磁道（圆又可细分为不同的扇区，扇区的组合称为簇。不同大小的同心圆含有相同扇区数--便于控制）然后磁盘旋转对应扇区至磁头下，然后开始传输。
229                         
230             磁盘存取数据时间包括： （磁盘臂）寻道时间----（盘片）旋转时间-----传送时间
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232             磁盘算是系统可以直接访问的高速外围存储设备
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234 spooling系统：有点类似输入输出重定向，在磁盘中设置输入输出缓冲区（井），进程只与输入输出井关联，缩短每个进程的周转时间，提高OS的吞吐量
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238 第五章 文件管理
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240 子目录名之间用斜线分隔：windows用\，而unix用/表示.
241 树形目录：根目录/或~，内部节点是子目录，叶节点是文件。
242 文件查找：
243         1.从“当前目录”查起--相对目录，用.表示当前目录，用..表示父目录。
244         2.现代操作系统都有改变工作目录命令：如cd dir，
245         3.活动文件表：对于文件的使用不会每次都去查询相关的文件，而是打开文件时一次性查找加入到活动文件表中，是一种映射关系，使用完毕后才会删除此活动文件表。
246         
247 文件使用：
248         unix中:
249                 cat 查看
250                 cd 改变目录
251                 find 查找
252                 mv 移动文件
253                 rm删除文件
254                 mkdir 创建目录（用来装文件）
255                 rmdir 删除目录
256         创建文件：
257                 入参：文件名 设备类  文件属性及相应存取控制信息
258                 过程：
259                     1.在相应设备建立一个文件目录项，为文件分配一个物理块
260                     2.在活动文件表中申请一个项，登记有关目录信息。
261                     3.返回一个文件句柄（类似指针，存储了这个活动文件表中该文件的目录项相关信息）
262         删除文件：
263                 1.先判断是否打开，
264                 2.否---->删除，是----->先关闭----->删除