第一章：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本組成I．處理器：控制計(jì)算機(jī)的操作，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理功能。當(dāng)只有一個處理器時，它通常指中央處理器（CPU）。II.主存儲器：存儲數(shù)據(jù)和程序。iii．輸入/輸出模塊：在計(jì)算機(jī)和外部環(huán)境之間移動數(shù)據(jù)。iv．系統(tǒng)總線：為處理器、主存儲器和輸入輸出模塊提供通信的設(shè)施。什么是中斷\中斷是指計(jì)算機(jī)的處理機(jī)用來處理外來請求或內(nèi)部錯誤的一種機(jī)制，該機(jī)制軟硬件結(jié)合，使得計(jì)算機(jī)的處理機(jī)能夠暫停當(dāng)前指令系列的執(zhí)行而轉(zhuǎn)向請求指令系列的執(zhí)行。將計(jì)算機(jī)的處理機(jī)正在執(zhí)行的指令系列稱為當(dāng)前指令系列，當(dāng)前指令系列通常是用戶程序。將計(jì)算機(jī)為處理各類突發(fā)（非預(yù)期）事件請求（I/O請求,時鐘請求，程序錯誤，硬件錯誤）而有待執(zhí)行的指令系列稱為請求指令系列，通常稱為中斷處理程序，是操作系統(tǒng)的一部分。請求指令系列執(zhí)行期間，可以被其它事件中斷（在允許多重中斷的情況下）。執(zhí)行請求指令系列完畢后，可以返回被暫停的原始指令系列，也可以不返回（在多道程序設(shè)計(jì)環(huán)境中）。中斷處理程序與社會事務(wù)中的應(yīng)急事件的預(yù)案類似。進(jìn)程與程序的區(qū)別：\進(jìn)程程序1.進(jìn)程是執(zhí)行中的程序，還涉及數(shù)據(jù)和上下文環(huán)境，因而有動態(tài)性。1．程序具有穩(wěn)健性。2.一個進(jìn)程可包含多個程序段。2.一個程序可對應(yīng)多個進(jìn)程（不同時間，不同機(jī)器，不同數(shù)據(jù)，不同上下文）。3.進(jìn)程中的程序是指可執(zhí)行程序。3．廣泛意義下的程序可以是任何意義上的程序。）4.進(jìn)程中的數(shù)據(jù)是“值”。4.程序中的數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是“型”，“名”，聯(lián)系。5.進(jìn)程中涉及上下文（基本性質(zhì)是與進(jìn)程本身以及資源有關(guān)的狀態(tài)信息）。5.程序不涉及上下文。6.進(jìn)程失去邏輯封閉性（原因是多個進(jìn)程間是異步，并發(fā)或并行的），需要一定的互斥機(jī)制才能保證邏輯封閉性。6.程序具有邏輯封閉性，輸入決定輸出。中斷處理—中斷的發(fā)生激活了很多事情，包括處理器硬件中的事件及軟件中的事件。設(shè)備給處理器發(fā)出一個中斷信號。處理器在響應(yīng)中斷前結(jié)束指令系列的執(zhí)行。處理器對中斷進(jìn)行測定，確定存在未響應(yīng)的中斷，并給提交中斷的設(shè)備發(fā)送確認(rèn)信號，確認(rèn)信號允許該設(shè)備取消它的中斷信號。處理器需要把處理權(quán)轉(zhuǎn)移到中斷程序中去做準(zhǔn)備。首先，需要保存從中斷點(diǎn)恢復(fù)當(dāng)前程序所需要的信息，要求的最少信息包括程序狀態(tài)字（PSW）和保存在程序計(jì)數(shù)器中的下一條執(zhí)行的指令地址，它們被壓入系統(tǒng)控制棧中（參見附錄1B）。處理器把響應(yīng)此中斷的中斷處理器入口地址裝入程序的計(jì)數(shù)器中。在這一點(diǎn)，與被中斷程序相關(guān)的程序計(jì)數(shù)器和PSW被保存到系統(tǒng)棧中。此外，還有一些其他信息被當(dāng)作正在執(zhí)行程序的狀態(tài)的一部分。中斷處理器現(xiàn)在可以開始處理中斷，其中包括檢查與I/O操作相關(guān)的信息或其他引起中斷的事件，還可能包括給I/O設(shè)備發(fā)送附加命令或應(yīng)答。?當(dāng)中斷處理結(jié)束后，被保存的寄存器值從棧中釋放并恢復(fù)到寄存器中。最后的操作是從棧中恢復(fù)PSW和程序計(jì)數(shù)器的值，其結(jié)果是下一條要執(zhí)行的指令來自被中斷的程序。處理多重中斷的方法： 處理多重中斷有兩中方法：當(dāng)正在處理一個中斷時，禁止再發(fā)生中斷。禁止中斷的意思是處理器將對任何新的中斷請求信號不予理睬。定義中斷優(yōu)先級，允許高優(yōu)先級的中斷打斷優(yōu)先級低的中斷處理器的運(yùn)行。"第二章：操作系統(tǒng)概述操作系統(tǒng)通常提供的服務(wù)：程序開發(fā)程序運(yùn)行I/O設(shè)備訪問文件訪問控制系統(tǒng)訪問)錯誤檢測和響應(yīng)審計(jì)作為資源管理器的操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)與普通的計(jì)算機(jī)軟件作用相同，也就是說，它由處理器執(zhí)行的一段程序或一組程序。操作系統(tǒng)經(jīng)常會釋放可控制，而且必須以來處理器才能恢復(fù)。操作系統(tǒng)開發(fā)中的五個主要理論成就—進(jìn)程內(nèi)存管理信息保護(hù)和安全調(diào)度和資源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 進(jìn)程 進(jìn)程的概念是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。$一個正在執(zhí)行的程序計(jì)算機(jī)中正在運(yùn)行的程序的一個實(shí)例可分配給處理器并由處理器執(zhí)行的一個實(shí)體由單一的順序的執(zhí)行線索、一個當(dāng)前狀態(tài)和一組相關(guān)的系統(tǒng)資源所描述的活動單元計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的三條主線： 多道程序批處理操作、分時和實(shí)時事務(wù)系統(tǒng)，它們在時間和同步中所產(chǎn)生的問題推動了進(jìn)程概念的發(fā)展。多道程序設(shè)計(jì)是為了讓處理器和I/O設(shè)備（包括存儲設(shè)備）同時保持忙狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)最大效率。其關(guān)鍵機(jī)制是，在響應(yīng)表示I/O事務(wù)結(jié)束的信號時，操作系統(tǒng)將對主存中駐留的不同程序進(jìn)行處理器切換。*通用的分時。其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能及時響應(yīng)單個用戶的要求，但是由于成本原因，又要可以同時支持多個用戶。由于用戶反應(yīng)時間相對較慢，因此這兩個目標(biāo)是可以同時實(shí)現(xiàn)的。實(shí)時事務(wù)處理系統(tǒng)。在這種情況下，很多用戶都在對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢或修改，此時系統(tǒng)響應(yīng)時間是最終要的。進(jìn)程的組成：一段可執(zhí)行的程序程序所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)（變量、工作空間、緩沖區(qū)等）程序的執(zhí)行上下文最后一部分是根本?！?zhí)行上下文又稱為進(jìn)程狀態(tài)，是操作系統(tǒng)用來管理和控制進(jìn)程所需的內(nèi)部數(shù)據(jù)。這種內(nèi)部信息是分開的，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)信息不允許被進(jìn)程直接訪問。上下文包括操作系統(tǒng)管理進(jìn)程以及處理器正確執(zhí)行進(jìn)程所需要的所有信息，包括處理器的內(nèi)容，如程序計(jì)數(shù)器和數(shù)據(jù)寄存器。他還包括操作系統(tǒng)使用的信息，如進(jìn)程優(yōu)先級以及進(jìn)程是否在等待特定I/O事件的完成。操作系統(tǒng)擔(dān)負(fù)的五個基本的存儲器管理責(zé)任:進(jìn)程隔離：操作系統(tǒng)必須保護(hù)獨(dú)立的進(jìn)程，防止互相干涉數(shù)據(jù)和存儲空間。自動分配和管理：程序應(yīng)該根據(jù)需要在存儲層間動態(tài)地分配，分配對程序員來說是透明的。支持模塊化程序設(shè)計(jì)：程序員應(yīng)該能夠定義程序模塊，并且動態(tài)地創(chuàng)建、銷毀模塊，改變模塊大小。保護(hù)和訪問控制`長期存儲操作系統(tǒng)的幾種不同方法和設(shè)計(jì)要素：微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)多線程對稱多處理分布式操作系統(tǒng)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì),多線程 多線程技術(shù)是指把執(zhí)行一個應(yīng)用程序的進(jìn)程劃分程可以同時執(zhí)行的多個線程。線程和進(jìn)程的區(qū)別：線程： 可分派的工作單元。它包括處理器上下文（包括程序計(jì)數(shù)器和棧指針，）和棧中自己的數(shù)據(jù)區(qū)域（為允許子程序分支）。線程順序執(zhí)行，并且是可中斷的，這樣處理器就可以轉(zhuǎn)到另一線程。進(jìn)程： 一個或多個線程和相關(guān)系統(tǒng)資源（如包含相互據(jù)和代碼的存儲器空間、打開的文件和設(shè)備）的集合。這緊密對應(yīng)于一個正在執(zhí)行的程序的概念。通過把一個應(yīng)用程序分解成多個線程，程序員可以在很大程度上控制應(yīng)用程序的模塊性和應(yīng)用程序相關(guān)事件的時間安排?！獙ΨQ多處理(SymmetricMultiProcessing,SMP)：對稱多處理可定義為具有以下特征的一個獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：有多個處理器。這些處理器共享同一個主存儲器和I/O設(shè)備，它們之間通過通信總線或其他內(nèi)部連接方案互相連接。所有處理器都可以執(zhí)行相同的功能（因此稱為對稱）。對稱多處理操作系統(tǒng)可以調(diào)度進(jìn)程或線程得到所有的處理器運(yùn)行。對稱多處理器結(jié)構(gòu)比單處理器結(jié)構(gòu)具有更多的潛在優(yōu)勢。|第三章進(jìn)程描述和控制在進(jìn)程執(zhí)行時，任意給定一個時間，進(jìn)程都可以唯一地表征為以下元素：標(biāo)識符：跟這個進(jìn)程相關(guān)的唯一標(biāo)識符，用來區(qū)別其他進(jìn)程。狀態(tài)：如果進(jìn)程正在執(zhí)行，那么進(jìn)程處于執(zhí)行態(tài)。優(yōu)先級：相對于其他進(jìn)程的優(yōu)先級。程序計(jì)數(shù)器：程序中即將被執(zhí)行的下一條指令的地址。內(nèi)存指針：包括程序代碼和進(jìn)程相關(guān)數(shù)據(jù)的指針，還有其他進(jìn)程共享內(nèi)存塊的指針。上下文數(shù)據(jù)：進(jìn)程執(zhí)行的處理器的寄存器中的數(shù)據(jù)。；I/O狀態(tài)信息：包括顯示的I/O請求、分配給進(jìn)程的I/O設(shè)備（例如磁帶驅(qū)動器）和被進(jìn)程使用的文件列表等。審計(jì)信息：可包括處理器時間總和、使用的時鐘數(shù)總和、時間限制、審計(jì)號等。導(dǎo)致進(jìn)程創(chuàng)建的原因：新的批處理作業(yè)：通常位于磁帶或磁盤中的批處理作業(yè)控制流被提供給操作系統(tǒng)。當(dāng)操作系統(tǒng)準(zhǔn)備接納新工作是，它將讀取下一個作業(yè)控制命令。交互登錄：終端用戶登錄到系統(tǒng)。操作系統(tǒng)因?yàn)樘峁┮豁?xiàng)服務(wù)而創(chuàng)建：操作系統(tǒng)可以創(chuàng)建也個進(jìn)程，代表用戶程序執(zhí)行一個功能，使用戶無需等待（如控制打印的任務(wù)）。由現(xiàn)有的進(jìn)程派生：基于模塊化的考慮，或者為了開發(fā)并行性，用戶程序可以指示創(chuàng)建多個進(jìn)程。進(jìn)程派生< 當(dāng)操作系統(tǒng)為另一個進(jìn)程的顯示請求創(chuàng)建一個進(jìn)程時，這個動作稱為進(jìn)程派生。 當(dāng)一個進(jìn)程派生另一個進(jìn)程時，前一個進(jìn)程稱為父進(jìn)程，被派生的進(jìn)程稱為子進(jìn)程。在典型情況下，相關(guān)進(jìn)程需要相互之間的通訊和合作。導(dǎo)致進(jìn)程終止的原因：正常完成：進(jìn)程自行執(zhí)行一個操作系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用，表示它已經(jīng)結(jié)束運(yùn)行超過時限：進(jìn)程運(yùn)行時間超過規(guī)定的時限。無可用內(nèi)存：系統(tǒng)無法滿足系統(tǒng)需要的內(nèi)存空間越界：進(jìn)程試圖訪問不允許訪問的內(nèi)存單元?！勘Ｗo(hù)錯誤：進(jìn)程試圖使用不允許使用的資源或文件，或者試圖以一種不正確的方式使用，如：往制度文件中寫。算術(shù)錯誤：進(jìn)程試圖進(jìn)行被禁止的計(jì)算，如除以零或者存儲大于硬件可以接納的數(shù)字時間超出：進(jìn)程等待某一事件發(fā)生的時間超過了規(guī)定的最大值。I/O失敗：在輸入或輸出期間發(fā)生錯誤，如找不到文件、在超出規(guī)定的最多努力次數(shù)后仍然讀寫失敗。無效指令：進(jìn)程試圖執(zhí)行一個不存在的指令。特權(quán)指令：進(jìn)程試圖使用為操作系統(tǒng)保留的指令。數(shù)據(jù)誤用：錯誤類型或未初始化的一塊數(shù)據(jù)。操作員或操作系統(tǒng)干涉：由于某些原因，操作員或操作系統(tǒng)終止進(jìn)程（例如，如果存在死鎖）。,父進(jìn)程終止：當(dāng)一個父進(jìn)程終止時，操作系統(tǒng)可自動終止該進(jìn)程的所有后代進(jìn)程。父進(jìn)程請求：父進(jìn)程通常具有終止其任何后代進(jìn)程的權(quán)利。進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖掛起狀態(tài)進(jìn)程：（ 掛起狀態(tài)進(jìn)程的概念與不再主存中的進(jìn)程概念是等價的。 掛起狀態(tài)進(jìn)程的特點(diǎn)如下所示：進(jìn)程不能立即執(zhí)行。進(jìn)程可能是或不是正在等待一個事件。如果是，阻塞條件不依賴于掛起條件，阻塞事件的發(fā)生不會使進(jìn)程立即被執(zhí)行。為阻止進(jìn)程執(zhí)行，可以通過代理把這個進(jìn)程至于掛起狀態(tài)，代理可以是進(jìn)程自己，也可以是父進(jìn)程或操作系統(tǒng)。除非代理顯示地命令系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，否則進(jìn)程無法從這個狀態(tài)中轉(zhuǎn)移。進(jìn)程掛起的原因：&交換：操作系統(tǒng)需要釋放足夠的主存空間，以調(diào)入并執(zhí)行處于就緒態(tài)的進(jìn)程。其他OS原因：操作系統(tǒng)可能掛起后臺進(jìn)程或工具程序進(jìn)程，或者被懷疑導(dǎo)致問題的進(jìn)程。交互式用戶請求：用戶可能希望掛起一個程序的執(zhí)行，目的是為了調(diào)試或者與一個資源的使用進(jìn)行連接。定時：一個進(jìn)程可能會周期性地執(zhí)行（例如審計(jì)或系統(tǒng)監(jiān)視進(jìn)程），而且可能在等待下一個時間間隔時被掛起。父進(jìn)程請求：父進(jìn)程可能會希望掛起后代進(jìn)程的執(zhí)行，以檢查或修改掛起的進(jìn)程，或者協(xié)調(diào)不同后代進(jìn)程之間的行為。進(jìn)程控制塊PCB(ProcessControlBlock)：存放進(jìn)程的管理和控制信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為進(jìn)程控制塊。它是進(jìn)程管理和控制的最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一個進(jìn)程均有一個PCB，在創(chuàng)建進(jìn)程時，建立PCB，伴隨進(jìn)程運(yùn)行的全過程，直到進(jìn)程撤消而撤消。]在不同的操作系統(tǒng)中對進(jìn)程的控制和管理機(jī)制不同，PCB中的信息多少也不一樣，通常PCB應(yīng)包含如下一些信息。1、進(jìn)程標(biāo)識符name：每個進(jìn)程都必須有一個唯一的標(biāo)識符，可以是字符串，也可以是一個數(shù)字。UNIX系統(tǒng)中就是一個整型數(shù)。在進(jìn)程創(chuàng)建時由系統(tǒng)賦予。2、進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)status：說明進(jìn)程當(dāng)前所處的狀態(tài)。為了管理的方便，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時會將相同的狀態(tài)的進(jìn)程組成一個隊(duì)列，如就緒進(jìn)程隊(duì)列，等待進(jìn)程則要根據(jù)等待的事件組成多個等待隊(duì)列，如等待打印機(jī)隊(duì)列、等待磁盤I/O完成隊(duì)列等等。3、進(jìn)程相應(yīng)的程序和數(shù)據(jù)地址，以便把PCB與其程序和數(shù)據(jù)聯(lián)系起來。4、進(jìn)程資源清單。列出所擁有的除CPU外的資源記錄，如擁有的I/O設(shè)備，打開的文件列表等。5、進(jìn)程優(yōu)先級priority：%進(jìn)程的優(yōu)先級反映進(jìn)程的緊迫程序，通常由用戶指定和系統(tǒng)設(shè)置。UNIX系統(tǒng)采用用戶設(shè)置和系統(tǒng)計(jì)算相結(jié)合的方式確定進(jìn)程的優(yōu)先級。6、CPU現(xiàn)場保護(hù)區(qū)cpustatus：當(dāng)進(jìn)程因某種原因不能繼續(xù)占用CPU時（等待打印機(jī)），釋放CPU，這時就要將CPU的各種狀態(tài)信息保護(hù)起來，為將來再次得到處理機(jī)恢復(fù)CPU的各種狀態(tài)，繼續(xù)運(yùn)行。7、進(jìn)程同步與通信機(jī)制用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間互斥、同步和通信所需的信號量等。8、進(jìn)程所在隊(duì)列PCB的鏈接字根據(jù)進(jìn)程所處的現(xiàn)行狀態(tài)，進(jìn)程相應(yīng)的PCB參加到不同隊(duì)列中。PCB鏈接字指出該進(jìn)程所在隊(duì)列中下一個進(jìn)程PCB的首地址。9、與進(jìn)程有關(guān)的其他信息。如進(jìn)程記賬信息，進(jìn)程占用CPU的時間等。進(jìn)程執(zhí)行模式：} 非特權(quán)模式通常稱為用戶模式，這是因?yàn)橛脩舫绦蛲ǔＴ谠撃Ｊ较逻\(yùn)行；特權(quán)模式可稱為系統(tǒng)模式、控制模式或內(nèi)核模式，內(nèi)核模式指的是操作系統(tǒng)的內(nèi)核，這是操作系統(tǒng)中包含重要系統(tǒng)功能的部分。操作系統(tǒng)內(nèi)核的典型功能：進(jìn)程管理：進(jìn)程的創(chuàng)建和終止。進(jìn)程的調(diào)度和分配。進(jìn)程切換。進(jìn)程同步以及對進(jìn)程間通信的支持。：進(jìn)程控制塊的管理。內(nèi)存管理：給進(jìn)程分配地址空間。交換。頁和段的管理。I/O管理：緩沖區(qū)管理。給進(jìn)程分配I/O通道和設(shè)備。；支持功能：中斷處理審計(jì)監(jiān)視進(jìn)程的創(chuàng)建：給新進(jìn)程分配一個唯一的進(jìn)程標(biāo)識號。給進(jìn)程分配空間?！跏蓟M(jìn)程控制塊。設(shè)置正確的連接。創(chuàng)建或擴(kuò)充其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。UNIX下進(jìn)程創(chuàng)建的方法：（摘自：）在UNIX系統(tǒng)中，用戶創(chuàng)建一個新進(jìn)程的唯一方法就是調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用fork。調(diào)用fork的進(jìn)程稱為父進(jìn)程，而新創(chuàng)建的進(jìn)程叫做子進(jìn)程。系統(tǒng)調(diào)用的語法格式： pid=fork();在從系統(tǒng)調(diào)用fork中返回時，兩個進(jìn)程除了返回值pid不同外，具有完全一樣的用戶級上下文。在子進(jìn)程中，pid的值為零。在系統(tǒng)啟動時由核心內(nèi)部地創(chuàng)建的進(jìn)程0是唯一不通過系統(tǒng)調(diào)用fork而創(chuàng)建的進(jìn)程?！泛诵臑橄到y(tǒng)調(diào)用fork完成下列操作：為新進(jìn)程在進(jìn)程表中分配一個空項(xiàng)。為子進(jìn)程賦一個唯一的進(jìn)程標(biāo)識號(PID)。做一個父進(jìn)程上下文的邏輯副本。由于進(jìn)程的某些部分，如正文區(qū)，可能被幾個進(jìn)程所共享，所以核心有時只要增加某個區(qū)的引用數(shù)即可，而不是真的將該區(qū)拷貝到一個新的內(nèi)存物理區(qū)。增加與該進(jìn)程相關(guān)聯(lián)的文件表和索引節(jié)點(diǎn)表的引用數(shù)。對父進(jìn)程返回子進(jìn)程的進(jìn)程號，對子進(jìn)程返回零。理解系統(tǒng)調(diào)用fork的實(shí)現(xiàn)是十分重要的，因?yàn)樽舆M(jìn)程就象從天而降一樣地開始它的執(zhí)行序列。)下面是系統(tǒng)調(diào)用fork的算法。核心首先確信有足夠的資源來成功完成fork。如果資源不滿足要求，則系統(tǒng)調(diào)用fork失敗。如果資源滿足要求，核心在進(jìn)程表中找一個空項(xiàng)，并開始構(gòu)造子進(jìn)程的上下文。算法：fork輸入：無輸出：對父進(jìn)程是子進(jìn)程的PID 對子進(jìn)程是0{ 檢查可用的核心資源】 取一個空閑的進(jìn)程表項(xiàng)和唯一的PID號 檢查用戶沒有過多的運(yùn)行進(jìn)程 將子進(jìn)程的狀態(tài)設(shè)置為“創(chuàng)建”狀態(tài) 將父進(jìn)程的進(jìn)程表中的數(shù)據(jù)拷貝到子進(jìn)程表中 當(dāng)前目錄的索引節(jié)點(diǎn)和改變的根目錄(如果可以)的引用數(shù)加1 文件表中的打開文件的引用數(shù)加1 在內(nèi)存中作父進(jìn)程上下文的拷貝 在子進(jìn)程的系統(tǒng)級上下文中壓入虛設(shè)系統(tǒng)級上下文層( /*虛設(shè)上下文層中含有使子進(jìn)程能 *識別自己的數(shù)據(jù)，并使子進(jìn)程被調(diào)度時 *從這里開始運(yùn)行 */ if(正在執(zhí)行的進(jìn)程是父進(jìn)程){ 將子進(jìn)程的狀