第10章 操作系统
10.1 操作系统的角色
- 应用软件（application software）:帮助我们解决现实世界问题的程序。
- 系统软件（system software）:管理计算机系统并与硬件进行交互的程序。
- 操作系统（operating system):管理计算机资源并与系统交互提供界面的系统软件。
- 计算机可以具备两个或多个操作系统，开机时可以选择操作系统，这种配置称为双引导或多引导系统。不过，任何时候都只有一个操作系统在控制计算机。
10.1.1 内存、进程与CPU管理
多道程序设计（multiprogramming）:同时在主存中驻留多个程序，由它们竞争CPU的技术。
内存管理（memory management）:了解主存中载有多少个程序以及它们的位置的动作。
进程（process）:程序执行过程中的动态表示法。
进程管理（process management）:了解活动进程的信息的动作。
CPU调度（CPU scheduling）:确定主存中的哪个进程可以访问CPU以便执行的动作。
操作系统自身也是必须执行的程序，所以在内存中也要和其他系统软件及应用程序一起管理和维护OS进程。执行OS的CPU就是执行其他程序的CPU，因此也要把OS进程排入竞争CPU的队列中。
10.1.2 批处理
- 在交付程序时，用户需要为执行程序所需的系统软件或其他资源提供一套单独的指令。程序和系统指令集合在一起，称为作业。
- 现在术语“批”表示的是一个系统，在这个系统中，程序和系统资源的协作与执行不需用户和程序之间的交互。现代操作系统中的批处理概念允许用户把一组OS命令定义为一个批文件，以控制一个大型程序或一组交互程序的处理。
10.1.3 分时
- 分时（timesharing）:多个交互用户同时共享CPU时间的系统。
- 虚拟机（virtual machine）:分时系统创建的每个用户都有专有机器的假象。
- 主机（mainframe）:一个大型的多用户计算机，通常与早期的分时系统相关。
- 哑终端（dumb terminal）:在早期的分时系统中用户用于访问主机的一套显示器和键盘。
- 每个用户由主机上运行的一个登录进程表示。
10.1.4 其他OS要素
- 小型机不需要专用的放置空间，成为分时系统的基础硬件平台。
- 微型机第一次采用单个的集成芯片作为CPU，成为真正可以放在书桌上的计算机，从而引发了个人计算机（PC）（工作站）的想法。
- 实时系统（real-time system）:应用程序的特性决定了响应时间至关重要的系统。
- 响应时间（response time）:收到信号和生成响应之间的延迟时间。
10.2 内存管理
- 因为多道程序设计环境，也就是在主存中同时驻留多个程序，操作系统必须采用下列技术：
1.跟踪一个程序驻留在内存的什么位置以及是如何驻留的
2.把逻辑程序地址转换成实际的内存地址 - 如何知道使用什么地址：使用两种地址
逻辑地址（logical address）：对一个存储值的引用，是相对于引用它的程序的。
物理地址（physical address）:主存储设备中的真实地址。
- 地址联编（address binding）:逻辑地址和物理地址间的映射。
10.2.1 单块内存管理
- 单块内存管理（single contiguous memory management）:把应用程序载入一段连续的内存区域的内存管理方法。
- 要生成物理地址，只要用逻辑地址加上程序在物理主存中的起始地址即可。
- 只要知道程序的起始地址，就可以把逻辑地址转换成物理地址。
- 单块内存管理法的优点：实现和管理都很简单。
- 缺点：大大浪费了内存空间和CPU时间。
10.2.2 分区内存管理
- 固定分区法(fixed-partition technique ):把内存分成特定数目的分区以载人程序的内存管理方法。
- 动态分区法( dynamic-partition technique):根据容纳程序的需要对内存分区的内存管理方法。
- 基址寄存器(base register):存放当前分区的起始地址的寄存器。
- 界限寄存器(bounds register):存放当前分区的长度的寄存器。
- 对于一个新程序，应该分配给它哪个分区的方法：
最先匹配，即把第一个足够容纳程序的分区分配给它。
最佳匹配，即把最小的能够容纳程序的分区分配给它。
最差匹配，即把最大的能够容纳程序的分区分配给它。 - 在动态分区中，作业可以在内存中移动，以创建较大的空白分区。这个过程叫作压缩。
10.2.3 页式内存管理
- 缺点：需要跟踪分配的内存，还要解析地址，从而给操作系统增加了很多负担。
- 优点：不必再把进程存储在连续的内存空间中，把为进程寻找一大块可用空间的问题转化成寻找足够多的小块内存。
- 页式内存管理法(paged memory technique):把进程划分为大小固定的页，载人内存时存储在帧中的内存管理方法。
- 帧(frame):大小固定的一部分主存， 用于存放进程页。
- 页(page):大小固定的一部分进程 ，存储在内存帧中。
- 页映射表(Page Map Table, PMT): 操作系统用于记录页和帧之间的关系的表。
- 逻辑地址表示：<页编号，偏移量>
- 两种无效逻辑地址：一种是越过了进程的界限，一种是偏移量大于帧大小。
- 请求分页（demand paging）：页式内存管理法的扩展，只有当页面被引用（请求）时才会被载入内存。
- 页面交换（page swap）:把一个页面从二级存储设备载入内存，通常会使另一个页面从内存中删除。
- 虚拟内存（virtual memory）:由于整个程序不必同时处于内存而造成的程序大小没有限制的假象。
- 系统颠簸（thrashing）：频繁的页面交换造成的低效处理。
10.3 进程管理
10.3.1 进程状态
- 进程状态（proccess state）:在操作系统的管理下，进程历经的概念性阶段。
- 每个状态发生的不同的事情：
1.在创建阶段，将创建一个新进程。
2.在准备就绪状态中，进程没有任何执行障碍。
3.运行状态下的进程是当前CPU执行的进程。
4.等待状态下的进程是当前在等待资源（除了CPU以外的资源）的进程。
5.终止状态下的进程已经完成了它的执行，不再是活动进程。
10.3.2 进程控制块
- 进程控制块（process control block）:操作系统管理进程信息使用的数据结构。
- 上下文切换（context switch）：当一个进程移出CPU，另一个进程取代它时发生的寄存器信息交换。
10.4 CPU调度
- CPU调度就是确定把哪个处于准备就绪状态的进程移入运行状态。
- 非抢先调度（nonpreemptive scheduling）:当当前执行的进程自愿放弃了CPU时发生的CPU调度。
- 抢先调度（preemptive scheduling）:当操作系统决定照顾另一个进程而抢占当前执行进程的CPU资源时发生的CPU调度。
- 周转周期（turnaround time）:从进程进入准备就绪状态到它最终完成之间的时间间隔，时评估CPU调度算法的标准。
10.4.1 先到先服务（FCFS)
- 该调度方法是非抢先的。一旦进程获得了CPU的访问权，那么除非它强制请求转入等待状态，否则将一直占用CPU。
10.4.2 最短作业优先
- 最短作业优先（SJN）CPU调度算法将查看所有处于准备就绪状态的进程，并分派一个具有最短服务时间的。和FCFS一样，它也是非抢先算法。
10.4.3 轮询法
- CPU的轮询法将把处理时间平均分配给所有准备就绪的进程。
- 时间片（time slice）:在CPU轮询算法中分配给每个进程的时间量。
- 轮询算法是抢先的。
- 它可能是应用最广泛的，一般支持所有的作业，被公认为是最公平的算法。
第11章 文件系统和目录
11.1 文件系统
- 文件（file）：数据的有名集合，用于组织二级存储设备。
- 文件系统（file system）:操作系统为它管理的文件提供的逻辑视图。
- 目录（directory）：文件的有名分组。
- 可以把文件看作位序列、字节序列、行序列或记录序列。
11.1.1 文本文件和二进制文件
- 文本文件（text file）:包含字符的文件。数据字节是ASCII或Unicode字符集中的字符。
- 二进制文件（binary file）：包含特定格式的数据的文件，要求给位串一个特定的解释。
11.1.2 文件类型
- 文件类型（file type）:文件（如Java程序或Microsoft文档）中存放的关于类型的信息。
- 文件扩展名（file extension）:文件名中说明文件类型的部分。
11.1.3 文件操作
- 在操作系统协助下，可以对文件进行下列操作：
1.创建文件
2.删除文件
3.打开文件
4.关闭文件
5.从文件中读取数据
6.把数据写入文件
7.重定位文件中的当前文件指针
8.把数据附加到文件结尾
9.删减文件（删除它的内容）
10.重命名文件
11.复制文件
11.1.4 文件访问
- 顺序文件访问（sequential file access）：以线性方式访问文件中的数据的方法。
- 直接文件访问（direct file access）:通过指定逻辑记录编号直接访问文件中的数据的方法。
11.1.5 文件保护
- 在多用户系统中，文件保护的重要性居于首要地位。确保合法的文件访问是操作系统的责任。
11.2 目录
- 大多数操作系统都用文件表示目录。目录文件存放的是关于目录中的其他文件的数据。
11.2.1 目录树
- 目录树（directory tree）:展示文件系统的嵌套目录组织的结构。
- 根目录（root directory）:包含其他所有目录的最高层目录。
- 工作目录（working directory）:当前活动的子目录。
11.2.2 路径名
- 路径（path）：文件或子目录在文件系统中的位置的文本名称。
- 绝对路径（absolute path）:从根目录开始，包括所有后继子目录的路径。
- 相对路径（relative）：从当前工作目录开始的路径。
11.3 磁盘调度
- 最重要的二级存储设备是磁盘驱动器。
- 实践证明，把数据传入或传出二级存储设备是一般的计算机系统的首要瓶颈。
- 磁盘调度（disk scheduling）:决定先满足哪个磁盘I/O请求的操作。
11.3.1 先到先服务磁盘调度法（FCFS)
- 按照请求到达的顺序处理它们，并不考虑读写头的当前位置。
11.3.2 最短寻道时间优先磁盘调度法(SSTF)
- 通过尽可能少的读写头移动满足所有未解决的请求。
- 饿死：早期的请求永远得不到满足。
11.3.3 SCAN磁盘调度法
- 这种方法只是在磁盘调度法中没有上下移动，而是读写头向轴心移动，然后再向盘片边缘移动，就这样在轴心和盘片边缘之间来回移动。