操作系统

章节概述

操作系统是计算机系统的核心系统软件，负责管理和控制软硬件资源。本章以"一个观点（资源管理）、两条线索（资源管理与程序执行控制）"贯穿，涵盖进程管理、存储管理、设备管理、文件管理和作业管理五大功能，重点掌握进程状态转换、PV 操作、段页式存储与页面调度算法。

知识结构框架

• 2.1 操作系统的类型与结构
  • 2.1.1 操作系统定义（资源管理观点）
  • 2.1.2 操作系统分类（批处理/分时/实时/网络/分布式/嵌入式/微内核）
• 2.2 操作系统基本原理
  • 2.2.1 进程管理（状态转换、互斥与同步、PV 操作、前趋图、调度与死锁）
  • 2.2.2 存储管理（页式/段式/段页式、虚拟存储、页面调度算法）
  • 2.2.3 设备管理（数据传输控制方式、SPOOLING 技术）
  • 2.2.4 文件管理（逻辑/物理结构、存储设备管理、树型目录）
  • 2.2.5 作业管理（作业状态转换、用户接口）

核心概念定义

进程三态模型

• 就绪状态：已获得除 CPU 外所有必要资源，等待分配处理器
• 执行状态：已获得处理器，程序正在执行（单处理机仅一个）
• 阻塞状态：因等待某事件（I/O、资源申请等）而暂停执行

状态转换规则：阻塞→就绪（事件到来）、就绪→执行（调度选中）、执行→就绪（时间片用完）、执行→阻塞（等待事件）。阻塞不能直接到执行，就绪不能直接到阻塞。

进程互斥与同步

• 互斥：保证临界资源在某一时刻只被一个进程访问（资源竞争关系）
• 同步：异步环境下并发进程因直接制约而互相合作、互相等待（协作关系）
• 临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源（打印机、磁带机等）
• 临界区：进程访问临界资源的那段程序代码

协调准则：①空闲让进 ②忙则等待 ③有限等待 ④让权等待

PV 操作（信号量机制）

信号量是一个整数，≥0 时代表可用资源实体数，<0 时表示等待进程数。P/V 操作为不可分割的原子操作（原语）。

• P(sem)：sem = sem - 1；若 sem < 0 则进程进入等待状态，否则继续
• V(sem)：sem = sem + 1；若 sem ≤ 0 则唤醒队列中的一个等待进程，否则继续

死锁四必要条件

1. 互斥条件：资源一次只能被一个进程使用
2. 保持和等待条件：进程保持已占资源并请求新资源
3. 不剥夺条件：资源不能被强行夺走
4. 环路等待条件：存在进程-资源的循环等待链

策略：预防（打破四条件之一）、避免（银行家算法）、检测与恢复。

页面调度算法

数据传输控制方式

• 程序控制方式：处理器启动传输后等待设备完成
• 中断方式：进程启动传输后放弃处理器，完成后中断通知
• DMA 方式：外设与内存间直接数据交换通路，窃取处理器工作周期
• 通道方式：IOP 独立完成 I/O 任务（字节多路/选择/成组多路通道）

SPOOLING 技术

假脱机技术（外部设备同时联机操作），用一组程序或进程模拟一台 I/O 处理器，将低速独占设备改造为可共享设备，一台物理设备对应若干台虚拟设备。必须有高速大容量可随机存取的外存（磁盘/磁鼓）支持。

文件物理结构

关键公式与模型

SVG 图表参考

• 图2-1 操作系统与硬件/软件关系
• 图2-2 进程三种基本状态及转换
• 图2-3 具有挂起操作的进程状态演变
• 图2-4 前趋图（任务并发执行）
• 图2-5 页式存储地址转换
• 图2-6 段页式虚地址形式
• 图2-7 段页式地址转换过程
• 图2-8 SPOOLING 系统组成
• 图2-9 UNIX 三级索引结构
• 图2-10 位示图
• 图2-11 作业状态转换