2.3 操作系统基础知识
2.3.1 主要知识点
掌握操作系统的类型、功能、层次结构和进程概念，以及作业、处理机、存储、文件和设备等管理的原理和方法。
2.3.1.1 操作系统类型和功能
根据使用环境和对用户作业的处理方式划分，操作系统的基本类型可以分为批处理操作系统、分析操作系统和实时操作系统3大类型。
分时操作系统使多个用户同时以会话方式控制自己程序的运行，每个用户都感到似乎各自有一台独立的、支持自己请求服务的系统。
实时系统往往是专用的，系统与应用很难分离，常常紧密结合在一起。实时系统并不强调资源利用率，而更关心及时性(时间紧迫性)、可靠性和完整性。实时系统又分成实时过程控制与实时信息处理两种。
网络环境下的操作系统又分成网络操作系统和分布式操作系统。分布式操作系统要求一个统一的操作系统，负责全系统的资源分配和调度，为用户提供统一的界面。它是一个逻辑上紧密耦合的系统。而网络操作系统用户则需指明欲使用哪一台计算机上的哪个资源。
操作系统主要有5个功能模块：处理器管理、存储管理、设备管理、文件管理和用户接口。
2.3.1.2 进程和进程管理
(1)进程
进程是一个程序关于某个数据集的一次运行。也就是说，进程是运行中的程序，是程序的一次运行活动。相对于程序，进程是一个的概念，而程序是静态的概念，是指令的集合，因而进程具有动态性和并发性。
在操作系统中进程是进行系统资源分配、调度和管理的最小单位，注意，现代操作系统中还引入了线程(Thread)这一概念，它是处理器分配资源的最小单位。
(2)进程的状态及其转换
多道系统中，进程的运行是时走时停的。它在处理器上的交替运行，使它的运行状态不断地变化着，最基本的状态有3种，即运行、就绪和阻塞。
•运行：正占用处理器。
•就绪：只要获得处理器即可运行。
•阻塞：正等待某个事件的发生。
(3)进程控制块
进程是一个动态的概念，在操作系统中，引入数据结构--进程控制块(简记为PCB)来标记进程。PCB是进程存在的唯一标志，PCB描述了进程的基本情况。从静态的观点看，进程由程序、数据和进程控制块组成；从动态的观点看，进程是计算机状态的一个有序集合。
程序是进程运行所对应的运行代码，一个进程对应于一个程序，一个程序可以同时对应于多个进程，这个程序代码在运行过程中不会被改变，常称为纯码程序或可重入程序，他们是可共享的程序。
进程控制块保存进程状态、进程性质(如优先程度)、与进程有关的控制信息(如参数、信号量和消息等)、相应队列和现场保护区域等。进程控制块随着进程的建立而产生，随着进程的完成而撤消。
PCB是操作系统核心中最主要的数据结构之一，它既是进程存在的标志和调度的依据，又是进程可以被打断并能恢复运行的基础。操作系统核心通过PCB管理进程，一般PCB是常驻内存的，尤其是调度信息必须常驻内存。
(4)进程管理
在操作系统中有许多进程，它们对应着不同的或相同的程序，竞争地使用着系统的资源。进程管理涉及到进程控制、队列管理和进程调度等。
进程的生命过程从它被创建时开始，直至任务终止而撤消，其间会经历各种状态的转换，它们都是在操作系统控制下完成的。操作系统提供了对进程的基本操作，也称为原语。这些原语包括创建原语、阻塞原语、终止原语、优先级原语和调度原语。
进程调度即处理器调度，它的主要功能是确定在什么时候分派处理器，并确定分给哪一个进程。在分时系统中，一般有一个确定的时间单位(时间片)。当一进程用完一个时间单位时，就发生进程调度，即让正在运行的进程改变状态并转入就绪队列的队尾，再由调度原语将绪队列的首进程取出，投入运行。
进程调度的方法基本上分为两类：非剥夺调度与剥夺调度。所谓非剥夺调度是指一旦某个作业或进程占有了处理器，别的进程就不能把处理器从这个进程手中夺走；相反，如果别的进程可将处理器从这个进程手中夺走则是剥夺调度。
进程调度的算法采用服务于系统目标的策略，对于不同的系统与系统目标，常采用不同的调度算法，如先来先服务、优先数调度和轮转法等。
(5)管程
管程是一种并发性的构造，包括用于分配一个特定的共享资源或一组共享资源的数据和过程。为了完成分配资源的功能，进程必须调用特定的管程入口。许多进程可能打算在不同的时间进入管程，但在管程边界上严格地实施互斥，在某一时刻，只允许一个进程进入。当管程中已有一个进程时，其他希望进入管程的进程必须等待。这种等待是由管程自动管理的。
管程中的数据或者是管程中所有的全局变量，或者是某个特定过程的局部变量。所有这些数据只能在管程内访问，在管程外的进程无法访问管程内的数据，这叫做信息掩蔽。
2.3.1.3 存储管理
现代计算机系统中的存储系统常是多级存储体系，至少有主存(内存)和辅存(外存)两级，有的系统有更多级数。主存大小由系统硬件决定，是实实在在的存储，它的存储容量受到实际存储单元的限制。虚拟存储(简称虚存)不考虑实际主存的大小和数据存取的实际地址，只考虑相互有关的数据这间的相对位置，其容量由计算机的地址的位数决定。
2.3.1.4 设备管理
设备管理是对计算机输入/输出系统的管理。其主要任务有：实现对外部设备的分配和回收；启动外部设备；控制输入/输出设备与处理器或主存间交换数据；实现对磁盘的调度；处理设备的中断；实现虚拟设备等。
外部和主存之间常用的传输控制方式有4种：程序控制方式、中断方式、直接存储访问(DMA)方式和通道方式。
2.3.1.5 文件管理
(1)文件系统
操作系统的文件系统包括两个方面：一方面包括负责管理文件的一组系统软件，另一方面包括被管理的对象文件。文件系统的主要目标是提高存储器的利用率，接受用户的委托，实施对文件的操作。主要问题是管理辅助存储器，实现文件丛名字空间到辅存地址空间的转换，决定文件信息的存放位置、存放形式和存放权限，实现文件和目录的操作，提供文件共享能力和安全设施，提供友好的用户接口。
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