第二章操作系统

章节重点

操作系统概述

进程管理

存储管理

文件管理

作业管理

设备管理

1、操作系统概述

计算机软件 = 系统软件 + 应用软件

系统软件：操作系统（核心）、程序设计语言、数据库系统
应用软件：为了解决某一类问题而研发的软件

程序设计语言：

机器语言：二进制代码。是机器唯一能直接识别和执行的语言。执行效率最高。

汇编语言：符号化的机器语言

高级语言：高级语言无法被机器识别，需要通过编译或转换成机器语言，才能被机器识别执行。

编译程序：把整个高级语言源程序转换成等价的机器语言目标程序
翻译程序：高级语言源程序输入一句翻译一句执行一句。不会形成对应的目标程序。

4GL语言：告诉系统要做什么，系统会自动帮我们实现。如：SQL

2、进程状态

程序是静态的概念，只要程序编写完成，程序就会存在。

进程是动态的，进程包含三个模块：程序块、进程控制块PCB（记录进程相关信息）、数据块

进程的状态

运行：正在被CPU执行
就绪：进程获得了除了CPU之外的所有资源。只有就绪状态的进程才能被CPU调度
等待：程序在执行的过程中等待某个事件发生。如果一直没发生，就一直等待。如果发生了，就发生状态变化

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3、死锁问题

进程管理是操作系统的核心，若设计不当，就会出现死锁问题。如果一个进程在等待一个不可能发生的事情，则进程就死锁了。而如果一个或多个进程产生死锁，就会造成系统的死锁。

产生死锁的四个必要条件：当四个条件都同时满足时，就会产生死锁

互斥：某个资源在某个时刻只能被一个进程使用。一个进程在使用，其他进程就无法使用该资源。
保持和等待：一个进程本身就占有一种或多种资源，同时还有资源未得到满足。在不释放本身就占有的资源的情况下，等待其他进程释放需要的资源。
不剥夺：别人已经占有了某项资源，不能因为自己需要就去把别人的资源抢过来。只能等待别人主动释放。
环路等待：存在一个进程链，使得每个进程都占有下一进程需要的至少一种资源。各自都在等待对方释放资源，各自又不主动释放资源。

在这里插入图片描述

若系统有若干互斥资源R，M个并发进程中每个都需要N个资源R，那么使系统不发生死锁的资源R的最少数目是：M * （N - 1）+ 1

假设M个进程都已经占有了N-1个资源，然后再添加一个资源就是最少资源数了

eg：若系统有若干互斥资源R，3个并发进程中每个都需要2个资源R，那么使系统不发生死锁的资源R的最少数目是多少个？

答：3 * （2-1）+1 = 4

解决死锁的方法：

死锁预防：不让四个死锁产生的必要条件同时成立。
死锁避免：银行家算法
死锁检测：定期检测是否有死锁产生。检测到有死锁就进行死锁解除
死锁解除：如果检测到有死锁产生，撤销死锁进程或者剥夺对应进程的资源

4、银行家算法

分配资源的原则

当一个进程对资源的最大需求量不超过系统中的资源总数时，可以接纳该进程
进程可以分期请求资源，但请求的总数不能超过最大需求量
当系统现有的资源不满足进程尚需资源数时，对进程的请求可以推迟分配，但总能时进程在有限的时间里得到解决

eg：假设系统中有三类互斥资源R1、R2、R3，可用资源分别是9,8,5。在T0时刻，系统中分别有P0，P1，P2，P3，P4和P5五个进程，这些进程对资源的最大需求量和已分配资源数如下图，如果进程按序列（B）执行，那么系统是安全的。

进程资源表

进程\资源	最大需求量 R1,R2,R3	已分配资源数 R1,R2,R3
P1	6，5，2	1，2，1
P2	2，2，1	2，1，1
P3	8，1，1	2，1，0
P4	1，2，1	1，2，0
P5	3，4，4	1，1，3

A：P1-P2-P4-P5-P3; B:P2-P4-P5-P1-P3; C:P2-P1-P4-P5-P3; D:P4-P2-P5-P1-P3

分析：

由进程资源表可知

各个进程还需要的资源R1,R2,R3分别是：P1：5,3,1；P2：0,1,0；P3：6,0,1；P4：0,0,1；P5：2,3,1。
R1,R2,R3分别已分配：7,7,5。R1,R2,R3分别还剩下：2,1,0。
此时，剩下的资源(2,1,0)可以满足P2进程所需要的资源(0,1,0)，所以执行P2。R1,R2,R3分别还剩下：2,0,0。
P2执行完成后释放P2进程所需的最大资源(2,2,1)，加上剩余的资源(2,0,0)，此时R1,R2,R3分别还剩下：4,2,1。
此时，剩下的资源(4,2,1)可以满足P4(0,0,1)，所以执行P4。R1,R2,R3分别还剩下：4,2,0。
P4执行完成后释放P4进程所需的最大资源(1,2,1)，加上剩余的资源(4,2,0)，此时R1,R2,R3分别还剩下：5,4,1。
根据选项，可以选出B选项

5、进程管理

互斥：某一资源在同一时刻只允许一个访问者对其进行访问。间接制约

同步：多个进程相互协作。直接制约

临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区

信号量：特殊的变量，资源数量计数器，代表资源数量

互斥信号量：解决资源一次只能被一个进程访问占用的问题

同步信号量：代表资源个数

PV操作：

解决互斥和同步的问题，PV操作是分开来看的。P操作用于申请资源，V操作用于释放资源。

P操作：使S=S-1，若S>=0，该进程继续执行，否则该进程排入等待队列。

V操作：使S=S+1，若S<=0，唤醒等待队列中的一个进程。

互斥模型

互斥模型中的PV操作都是成对存在的

eg：多个进程共享一台打印机。互斥信号量S的初始值为1。

P(S);		//当只有一个进程A来使用打印机的时候，S=S-1=0,S >=0,执行P操作。如果此时又来一个进程B需要执行打印机，S=S-1=-1，S<0，排入等待队列
使用打印机;
V(S);		//执行完进程A后，释放进程A所占用的资源。S=S+1=0，S<=0，唤醒等待队列中的进程B
后续操作;

同步模型

eg：单缓冲区生产者，消费者问题。市场只能容纳一个产品。S1初值为1，S2初值为0。

生产者：
	生产一个产品;
	P(S1);			//S1=S1-1=0，S1>=0，执行P操作
	送产品到缓冲区;
	V(S2);			//S2=S2+1=1,S2>0。不进行V操作

消费者：
	P(S2);			//S2=S2-1=0,S2>=0,执行P操作
	从缓冲区取产品;
	V(S1);			//S1=S1+1=1，S1>=0,执行P操作
	消费产品;

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-VUsgj5dr-1651054748041)(C:\Users\Administrator\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220427160023694.png)]

答案：B、A