操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)知識模塊主要分為：操作系統(tǒng)概述、進程管理、內(nèi)存管理、文件管理、輸入/輸出(I/O)管理。

1.操作系統(tǒng)概述

操作系統(tǒng)（Operating System，OS）是指控制和管理整個計算機系統(tǒng)的硬件和軟件資源，并合理地組織調(diào)度計算機的工作和資源分配，以提供給用戶和其他軟件方便的接口和環(huán)境的程序集合。
操作系統(tǒng)的基本特征包括：并發(fā)、共享、虛擬和異步。

• 并發(fā)是指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。

• 虛擬是指把一個物理上的實體變?yōu)槿舾蓚€邏輯上的對應(yīng)物。操作系統(tǒng)的虛擬技術(shù)可歸納為：時分復(fù)用技術(shù)，如處理器的分時共享；空分復(fù)用技術(shù)，如虛擬存儲器。

• 異步是指在多道程序環(huán)境下，允許多個程序并發(fā)執(zhí)行，但由于自由有限，進程的執(zhí)行不是一貫到底，而是走走停停，以不可知的速度向前推進，這就是進程的異步性。

2.進程管理

進程：

目的：更好地描述和控制程序并發(fā)執(zhí)行；

定義：進程是進程實體的一次運行，是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位；

組成：

• PCB：保存進程運行期間相關(guān)的數(shù)據(jù)，是進程存在的唯一標志
• 程序段：能被進程調(diào)度程序調(diào)度到CPU運行的程序代碼段
• 數(shù)據(jù)段：存儲程序運行期間的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以是原始數(shù)據(jù)也可以是相關(guān)結(jié)果

進程狀態(tài)：

• 狀態(tài)種類：

  • 運行狀態(tài)：進程正在處理機上運行
  • 就緒狀態(tài)：進程已獲得除處理機之外的一切所需資源
  • 阻塞狀態(tài)：進程正在等待某一事件而暫停運行
  • 創(chuàng)建狀態(tài)：進程正在被創(chuàng)建，尚未轉(zhuǎn)到就緒狀態(tài)
    • 創(chuàng)建完成后轉(zhuǎn)到就緒狀態(tài)
  • 結(jié)束狀態(tài)：進程正從系統(tǒng)中消失，分為正常結(jié)束和異常退出

• 狀態(tài)變化：

  • 就緒->運行：經(jīng)過處理機調(diào)度，就緒進程得到處理機資源
  • 運行->就緒：時間片用完或在可剝奪系統(tǒng)中有更高優(yōu)先級進程進入
  • 運行->阻塞：進行需要的某一資源還沒準備好
  • 阻塞->就緒：進程需要的資源已準備好

進程控制：

• 創(chuàng)建：終端用戶登錄系統(tǒng)、作業(yè)調(diào)度、系統(tǒng)提供服務(wù)、用戶程序的應(yīng)用請求等；
• 終止：正常結(jié)束、發(fā)生異常、外界干預(yù)
• 阻塞：等待資源
• 喚醒：資源到達
• 切換：時間片用完、主動放棄處理機、被更高優(yōu)先級的進程剝奪處理機

進程通信：

• 共享存儲：
  • 低級方式：基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的共享
  • 高級方式：基于存儲區(qū)的共享
• 消息傳遞：
  • 直接通信方式：直接把消息掛到接收進程的消息隊列
  • 間接通信方式：掛到某個中間實體，接收進程找實體接收消息，類似電子郵件
• 管道通信：利用一種特殊的pipe文件連接兩個進程

代價：

• 時間代價：進行進程間的切換、同步及通信等所付出的時間開銷
• 空間代價：進程控制塊及協(xié)調(diào)各運行機構(gòu)所占用的內(nèi)存空間開銷

線程：

• 引入目的：為了更好的使多道程序并發(fā)執(zhí)行，以提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，增加并發(fā)程序
• 特點：是程序執(zhí)行的最小單元，基本不擁有任何系統(tǒng)資源
• 實現(xiàn)方式：用戶級線程、系統(tǒng)線程

調(diào)度：

調(diào)度層次：

• 作業(yè)調(diào)度（高級調(diào)度）：選擇處于后備狀態(tài)的作業(yè)分配資源，發(fā)送頻率低
• 內(nèi)存調(diào)度（中級調(diào)度）：選擇暫時不能允許的進程調(diào)出內(nèi)存，發(fā)送頻率中等
• 進程調(diào)度（低級調(diào)度）：選擇就緒隊列中合適的進程分配處理機，發(fā)生頻率高

進程調(diào)度原因：合理的處理計算機軟硬件資源

進程調(diào)度方式：

• 剝奪式：有更為重要或緊迫的進程需要使用處理機，立即分配
• 非剝奪式：有更為重要或緊迫的進程需要使用處理機，仍讓當前進程繼續(xù)執(zhí)行

典型調(diào)度算法：

• 先來先服務(wù)：選擇最先進入隊列的
  • 不可剝奪
• 短作業(yè)優(yōu)先：選擇完成時間最短的
• 優(yōu)先級調(diào)度：選擇優(yōu)先級最高的
• 高響應(yīng)比優(yōu)先：選擇響應(yīng)比最高的
  • 響應(yīng)比Rp = (等待時間+要求服務(wù)時間) / 要求服務(wù)時間
• 時間片輪轉(zhuǎn)：總數(shù)選擇就緒隊列中的第一個進程，但僅能運行一個時間片
  • 絕對可搶占
• 多級反饋隊列：時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法和優(yōu)先級調(diào)度算法的綜合和發(fā)展

進程同步：

引入原因：協(xié)調(diào)進程之間的相互制約關(guān)系

制約關(guān)系：

• 同步：需要在某些位置上協(xié)調(diào)進程之間的工作次序而等待、傳遞信息所產(chǎn)生的制約關(guān)系
• 互斥：當一個進程進入臨界區(qū)使用臨界資源時，其他要求進入臨界區(qū)的進程必須等待

臨界資源：多個進程可以共享系統(tǒng)中的資源，一次僅允許一個進程使用的資源叫臨界資源；

臨界區(qū)互斥：訪問臨界資源的那段代碼稱為臨界區(qū)

• 原則：空閑讓進、忙則等待、有限等待、讓權(quán)等待
• 基本方法：
  • 軟件實現(xiàn)：
    • 單標志法：違背”空閑讓進“原則
    • 雙標志法先檢查：違背”忙則等待“原則
    • 雙標志法后檢查：會導(dǎo)致”饑餓“現(xiàn)象
    • 皮特森算法：單標志法和雙標志法后檢查的結(jié)合
  • 硬件實現(xiàn)：
    • 中斷屏蔽法：進區(qū)關(guān)中斷，出區(qū)開中斷
    • 硬件指令法：設(shè)立原子操作指令
  • 信號量：利用PV操作實現(xiàn)互斥
    • P操作即wait(S)
    • V操作即signal(S)

管程：

• 定義：由一組數(shù)據(jù)以及定義在這組數(shù)據(jù)上的對這組數(shù)據(jù)的操作組成的軟件模塊
• 組成：
  • 局部于管程的共享結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（變量）說明
  • 對該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行操作的一組過程
  • 對局部于管程的共享數(shù)據(jù)設(shè)置初始值的語句，此外還需要為管程賦予一個名字
• 引入管程的目的：解決臨界區(qū)分散所帶來的管理和控制問題。在沒有管程之前，對臨界區(qū)的訪問分散在各個進程之中，不易發(fā)現(xiàn)和糾正分散在用戶程序中的不正地使用P、V操作等問題。管程將這些分散在各進程中的臨界區(qū)集中起來，并加以控制和管理，管程一次只允許一個進程進入管程，從而便于系統(tǒng)管理共享資源，又能保證互斥。

死鎖：

產(chǎn)生原因：非剝奪資源的競爭和進程的不恰當推進順序

定義：多個進程因競爭資源而造成的一種僵局（互相等待），若無外力作用，這些進程都將無法向前推進

解決方案：

• 預(yù)防死鎖：

  • 破壞互斥條件：
  • 破壞不可剝奪條件：
  • 破壞請求和保持條件：
  • 破壞循環(huán)等待條件：

• 避免死鎖：

  • 安全狀態(tài)：能找到一個分配資源的序列能讓所有進程都順利完成
  • 銀行家算法：采用預(yù)分配策略檢查分配完成時系統(tǒng)是否處于安全狀態(tài)

• 檢測死鎖：利用死鎖定理化簡資源分配圖以檢測死鎖的存在

  • 資源分配圖：
    • 圓圈代表進程；
    • 框中的一個點代表一類資源中的一個資源；
    • 進程到資源的有向邊叫請求邊；

    • 資源到進程的邊叫分配邊；

      
      
      資源分配圖.png

• 解除死鎖：

  • 資源剝奪法：掛起某些死鎖進程并搶奪它的資源，以便讓其他進程繼續(xù)推進
  • 撤銷進程法：強制撤銷部分、甚至全部死鎖進程并剝奪這些進程的資源
  • 進程回退法：讓進程回退到足以回避死鎖的地步

算法：

• 銀行家算法為死鎖避免算法；
• 死鎖檢查算法和資源分配圖化簡法為死鎖檢測；
• 資源有序分配算法為死鎖預(yù)防策略；

所謂CPU繁忙型的作業(yè)，是指該類作業(yè)需要大量的CPU時間進行計算，而很少請求I/O操作。I/O繁忙型的作業(yè)是指CPU處理時，需頻繁的請求I/O操作。

周轉(zhuǎn)時間 = 作業(yè)完成時間 - 作業(yè)提交時間；

平均周轉(zhuǎn)時間 = （作業(yè)1的周轉(zhuǎn)時間 + ... + 作業(yè)n的周轉(zhuǎn)時間）/ n ；

帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間 = 作業(yè)周轉(zhuǎn)時間 / 作業(yè)實際運行時間；

平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間 = （作業(yè)1的帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間 + ... + 作業(yè)n的帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間）/ n；

響應(yīng)比Rp = (等待時間 + 要求服務(wù)時間) /要求服務(wù)時間；

3.內(nèi)存管理

內(nèi)存管理：

引入目的：更好的支持多道程序并發(fā)執(zhí)行，提升系統(tǒng)性能

程序的編譯：由編譯程序?qū)⒂脩粼创a編譯成若干個目標模塊；

程序的鏈接：由鏈接程序?qū)⒕幾g后形成的一組目標模塊，以及所需庫函數(shù)鏈接在一起，形成一個完整的裝入模塊；

• 靜態(tài)鏈接：在程序運行之前鏈接
• 裝入時動態(tài)鏈接：在裝入內(nèi)存時，采用邊裝入邊鏈接的鏈接方式
• 運行時動態(tài)鏈接：在程序執(zhí)行中需要該目標模塊時，才對它進行鏈接

程序的裝入：由裝入程序?qū)⒀b入模塊裝入內(nèi)存運行；

• 絕對裝入：適合單道程序環(huán)境

• 靜態(tài)重定位：適合裝入之后不再移動的情況

• 動態(tài)重定位：適合裝入之后還會移動的情況

地址空間：

• 邏輯地址空間：是指一個源程序在編譯或者鏈接裝配后指令和數(shù)據(jù)所用的所有相對地址的空間；
• 物理地址空間：內(nèi)存中物理單元的集合；

地址重定位：通過地址轉(zhuǎn)換將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。

內(nèi)存保護：

• 上、下限寄存器：分別與上、下限寄存器比較
• 基址、限長寄存器：與限長寄存器比較，與基址寄存器相加

管理方式：

• 連續(xù)分配：產(chǎn)生內(nèi)部碎片；用戶進程（或作業(yè)）在主存中都是連續(xù)存放的
  • 單一連續(xù)分配：分配到內(nèi)存固定區(qū)域，只適合單任務(wù)系統(tǒng)；
  • 固定分區(qū)分配：分配到內(nèi)存中不同的固定區(qū)域，分區(qū)可以相等也可以不等；
    • 產(chǎn)生內(nèi)部碎片
  • 動態(tài)分區(qū)分配：
    • 產(chǎn)生外部碎片
    • 基本概念：按照程序的需要進行動態(tài)的劃分
    • 分配算法：
      • 首次適應(yīng)：空閑區(qū)按地址從小到大為序，分配第一個符合條件的分區(qū)；
      • 最佳適應(yīng)：空閑區(qū)按空間大小從小到大排序，分配第一個符合條件的分區(qū)；
      • 最壞適應(yīng)：空閑區(qū)按空間從大到小排序，分配第一個符合條件的分區(qū)；
      • 鄰近適應(yīng)：空閑區(qū)按地址地址遞增的次序排列，分配內(nèi)存時從上次查找結(jié)束的位置開始繼續(xù)查找；
• 非連續(xù)分配：允許一個程序分散地裝入到不相鄰的內(nèi)存分區(qū)中，需要額外的空間去存儲分散區(qū)域的索引
  • 基本分頁：內(nèi)存分為固定的塊，按物理結(jié)構(gòu)劃分，會有內(nèi)部碎片；
    • 主存、進程都劃分為大小固定的塊，進程在執(zhí)行時，以塊為單位申請主存中的塊空間；
    • 進程中的塊為頁，內(nèi)存中的塊為頁框。系統(tǒng)為每個進程建立一張頁表，頁表記錄頁面在內(nèi)存中對應(yīng)的物理塊號，實現(xiàn)從頁號到物理塊號的地址映射；
    • 頁式管理中地址空間是一維的；
  • 基本分段：內(nèi)存塊的大小不固定，按邏輯結(jié)構(gòu)劃分，會有外部碎片；
    • 段式管理方式按照用戶進程中的自然段劃分邏輯空間。段內(nèi)要求連續(xù)，段間不要求連續(xù)。段號和段內(nèi)偏移量必須由用戶顯示提供。
    • 方便編程、共享、保護、動態(tài)鏈接和增長。
  • 段頁式：基本分段和基本分頁的結(jié)合，會有內(nèi)部碎片；
    • 作業(yè)的邏輯地址分為：段號、頁號和頁內(nèi)偏移量；采用分段方法來分配和管理用戶地址空間，采用分頁方法來管理物理存儲空間；開銷大。
  • 請求分頁存儲管理：采用虛擬技術(shù)，開始運行時不必將作業(yè)全部一次性裝入內(nèi)存；
  • 多級頁表：將頁表的10頁空間也進行地址映射，建立上一級頁表，用于存儲頁表的映射關(guān)系；

多道程序下的內(nèi)存擴充：

• 覆蓋：預(yù)先設(shè)定覆蓋段，覆蓋掉暫時不用的內(nèi)容，通常在同一個程序之中進行；
• 交換：把處于等待的程序暫時移到外存，通常在不同程序之間進行；
• 虛擬內(nèi)存：只能基于非連續(xù)分配技術(shù)。
  • 引入原因：在邏輯上擴充內(nèi)存
  • 時間局部性：程序中存在著大量的循環(huán)操作；
  • 空間局部性：程序在一段時間內(nèi)所訪問的地址，可能集中在一定的范圍內(nèi)；
  • 組成部分：
    • 頁表機制：通過查表獲取相關(guān)信息；
    • 中斷機制：要訪問頁不在內(nèi)存時產(chǎn)生缺頁中斷
    • 地址變換機構(gòu)：把邏輯地址變換成物理地址
    • 內(nèi)存和外存：需要一定容量的內(nèi)存和外存支持
  • 置換算法：
    • 最佳置換算法（OPT）：選擇以后不用的頁面
    • 先進先出（FIFO）：選擇最先裝入的頁面
    • 最近最久未使用（LRU）：選擇最近最近未使用的頁面
    • 時鐘置換算法（最近未用算法）：選擇最近未用的頁面
    • 改進型CLOCK：考慮頁面修改問題
  • 地址翻譯：TLB->頁表（TLB不命中）->Cache->主存->外存

頁面分配策略：

• 固定分配局置換：每個進程分配一定數(shù)目的物理塊，在整個運行期間不變，缺頁時只在該進程在內(nèi)存中的頁面中進行置換；
• 可變分配全局置換：為每個進程分配一定數(shù)目的物理塊，操作系統(tǒng)自身也保持一個空閑物理塊隊列；
• 可變分配局部置換：若進程在運行中頻繁地缺頁，系統(tǒng)再為該進程分配若干物理塊；

抖動（顛簸）：

• 剛換出的頁面馬上又要換入內(nèi)存；剛換入的頁面馬上就要換出內(nèi)存；

工作集（駐留級）：

• 指在某段時間間隔內(nèi)，進程要訪問的頁面集合。

虛擬內(nèi)存空間大?。?/p>

• <=內(nèi)存容量和外存容量之和
• <=計算機的地址位數(shù)能容納的最大容量

虛擬存儲的頁表項：

• 頁號
• 物理塊號
• 狀態(tài)位P：用于指示該頁是否已調(diào)入內(nèi)存，供程序訪問參考；
• 訪問字段A：用于記錄本頁在一段時間內(nèi)被訪問的次數(shù)，或記錄本頁最近已有多長時間未被訪問，供置換算法換出頁面時參考；
• 修改位M：標識該頁在調(diào)入內(nèi)存后是否被修改過；
• 外存地址

Belady現(xiàn)象：進程的缺頁次數(shù)隨著分配給進程的頁框個數(shù)的增加而增加，只有FIFO隊列式頁面置換算法才有。

頁式地址變換.png

快表（聯(lián)想寄存器TLB）：用來存放當前訪問的若干頁表項，以加速地址變換的過程，若所需訪問頁號在快表中則可減少一次內(nèi)存訪問。

4.文件管理：

文件控制塊（FCB），類似進程管理的PCB，存放控制文件需要的各種信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

• 基本信息：包括文件物理位置
• 存取控制信息
• 使用信息
• 索引結(jié)點

一個文件對應(yīng)一個FCB，而一個文件目錄項就是一個FCB。

打開文件操作是講該文件的FCB存入內(nèi)存的活躍文件目錄表，而不是將文件內(nèi)容負責到主存，找到指定文件目錄是打開文件之前的操作。

文件系統(tǒng)基礎(chǔ)：

邏輯結(jié)構(gòu)：

• 無結(jié)構(gòu)文件（流式文件）：將數(shù)據(jù)按順序組織成記錄并積累保存，（流式文件）則被看成是一個字符流，以字節(jié)（Byte）為單位；
• 有結(jié)構(gòu)文件：
  • 順序文件：
    • 串結(jié)構(gòu)：記錄之間的順序與關(guān)鍵字無關(guān)
    • 順序結(jié)構(gòu)：記錄之間的順序與關(guān)鍵字有關(guān)
  • 索引文件：為變長文件建立索引表，提高查找速度
  • 索引順序文件：順序文件和索引文件的結(jié)合，將順序文件中的所有記錄分為若干組，為順序文件建立一張索引表，在索引中為每組的第一個記錄建立一個索引項，其中含有該記錄的關(guān)鍵字值和指向該記錄的指針
  • 直接文件（查找文件）Hash File：通過哈希函數(shù)直接決定記錄地址

目錄結(jié)構(gòu)：

• 單級：全部文件都放在一個目錄下
• 兩級：在目錄下分出用戶目錄
• 多級：將兩級結(jié)構(gòu)加以推廣，采用樹形結(jié)構(gòu)
• 無環(huán)圖：在樹形結(jié)構(gòu)上加入一些有向邊，便于共享

文件共享：

• 基于索引結(jié)點（硬鏈接）：共享文件指向同一個索引節(jié)點；鏈接計數(shù)count；
• 基于符號鏈（軟鏈接）：有文件擁有者才擁有指向其索引結(jié)點的指針，共享該文件的其他用戶則只有該文件的路徑；

文件保護：

• 口令保護：通過口令訪問文件
• 加密保護：對文件進行加密處理
• 訪問控制：根據(jù)訪問者的身份進行限制

文件系統(tǒng)實現(xiàn)：

目錄實現(xiàn)：

• 線性列表：
  • 無序：查找文件較慢，新建文件較快
  • 有序：查找文件較快，新建文件較慢
• 哈希表：查找、新建文件都較快，要處理沖突

文件實現(xiàn)：

• 連續(xù)分配：在磁盤上連續(xù)存放文件

• 鏈接分配：

  • 隱式：采用類似鏈表的結(jié)構(gòu)
  • 顯示：把隱式文件中的指針單獨抽離出來

• 索引分配：每個文件所有的盤塊號都集中存放，建立索引表

存儲空間管理：

• 空閑表：把所有空閑塊組織成表
• 空閑鏈表法：把所有空閑塊組織成鏈表
• 位示圖：利用二進制的每位記錄空閑塊
• 成組鏈接：空閑表和空閑鏈表的結(jié)合，適合大的文件系統(tǒng)

磁盤管理：

磁盤地址結(jié)構(gòu)：柱面號、盤面號、扇區(qū)號

讀寫時間：

• 尋道時間：將磁頭移動到指定磁道所需要的時間
• 延遲時間：磁頭定位到某一磁道的扇區(qū)所需要的時間
• 傳輸時間：從磁盤讀出或向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時間
• 啟動時間（一般忽略）：控制器的啟動時間

調(diào)度算法：

• 先來先服務(wù)（FCFS）：根據(jù)進程請求訪問磁盤的先后順序進行調(diào)度
• 最短尋找時間優(yōu)先（SSTF）：選擇當前磁頭所在的磁道距離最近的磁道
• 掃描（SCAN）算法（電梯算法）：在磁頭當前移動方向上選擇與當前磁頭所在磁道距離最近的請求
• 循環(huán)掃描（C-SCAN）：在掃描算法的基礎(chǔ)上規(guī)定磁頭單向移動來提供服務(wù)

磁盤管理：

• 初始化：對磁盤進行低級格式化和邏輯化
• 引導(dǎo)塊：存放自舉程序
• 壞塊：對于損壞扇區(qū)的處理

5.I/O管理：

I/O管理概述：狀態(tài)跟蹤、設(shè)備存取、設(shè)備分配、設(shè)備控制

設(shè)備分類：

• 按傳輸速率分：
  • 低速：如磁盤、鼠標
  • 中速：如行式打印機、激光打印機
  • 高速：如磁帶機、磁盤機、光盤機
• 按信息交換單位分：
  • 塊設(shè)備：如磁盤
  • 字符設(shè)備：如鍵盤、打印機

控制方式：

• 程序直接控制：程序直接對設(shè)備特環(huán)測試
• 中斷驅(qū)動：引入中斷機制，當設(shè)備準備完成時發(fā)生中斷
• DMA：在I/O設(shè)備與主存之間開辟直接數(shù)據(jù)通路，徹底“解放”CPU。
  • 基本數(shù)據(jù)單位是塊；
  • 傳送的數(shù)據(jù)從設(shè)備直接送入內(nèi)存（或相反）
  • 僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時，才需要CPU干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在DMA控制器的控制下完成的；
  • 包含的四類控制器：
    • 命令/狀態(tài)寄存器（CR）
    • 內(nèi)存地址寄存器（MAR）
    • 數(shù)據(jù)寄存器（DR）
    • 數(shù)據(jù)計數(shù)器（DC）
• 通道控制：引入專門的I/O處理機進行管理

I/O子系統(tǒng)層次：

• 用戶層I/O軟件：實現(xiàn)與用戶交互的接口
• 設(shè)備獨立性軟件：實現(xiàn)用戶程序與設(shè)備驅(qū)動器的統(tǒng)一接口、設(shè)備命令、設(shè)備保護以及設(shè)備分配與釋放
• 設(shè)備驅(qū)動程序：與硬件直接相關(guān)，負責具體實現(xiàn)系統(tǒng)對設(shè)備發(fā)出的操作指令
• 中斷處理程序：用于處理中斷相關(guān)事項
• 硬件設(shè)備：包括一個機械部件（設(shè)備本身）和一個電子郵件（控制器）

I/O核心子系統(tǒng)：

I/O調(diào)度：確定一個好的順序來執(zhí)行這些I/O請求

磁盤高速緩存：指利用內(nèi)存中的存儲空間來暫存從磁盤上讀出的一系列盤塊中的信息；邏輯上屬于磁盤，物理上屬于內(nèi)存；

• 1：在內(nèi)存中開辟一個單獨的存儲空間作為磁盤高速緩存，大小固定
• 2：把未利用的內(nèi)存空間作為一個緩沖池，供請求分頁系統(tǒng)和磁盤時I/O共享

緩沖區(qū)：位于內(nèi)存區(qū)域

• 特點：當緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)非空的時候，不能往緩沖區(qū)沖入數(shù)據(jù)，只能從緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)傳出；為空時，可以沖入數(shù)據(jù)，但必須充滿遺憾才能再傳出。

• 引入緩沖區(qū)的目的：

  • 緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾
  • 減少對CPU的中斷頻率，放寬對CUP中斷響應(yīng)時間的限制
  • 解決基本數(shù)據(jù)單元大小不匹配的問題
  • 提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性

• 單緩沖

• 雙緩沖

• 循環(huán)緩沖

• 緩沖池

設(shè)備的分配與回收：

• 分類：

  • 獨點式使用設(shè)備：設(shè)備被使用時不再允許其他進程使用設(shè)備
  • 分時共享式使用設(shè)備：設(shè)備沒有獨占使用的要求時，可以通過分時共享使用
  • SPOOLing技術(shù)：將獨占設(shè)備改造成共享設(shè)備,實現(xiàn)了虛擬設(shè)備的功能；以空間換時間，必須先有獨占設(shè)備

• 設(shè)備分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

  • 設(shè)備控制表（DCT）：每個設(shè)備配置一張DCT，以記錄本設(shè)備的情況；
  • 控制器控制表（COCT）：每個控制器有一張COCT；
  • 通道控制表（CHCT）：每個通道配置一張CHCT；
  • 系統(tǒng)設(shè)備表（SDT）整個系統(tǒng)只有一張SDT，記錄已連接到系統(tǒng)中的所有物理設(shè)備的情況；
  • SDT中有一個DCT指針，DCT中有一個COCT指針，COCT中有一個CHCT指針，CHCT中有一個COCT指針。

• 分配原則：

  • 即要求充分發(fā)揮設(shè)備的使用效率，又要避免造成進程死鎖，還要將用戶程序和具體設(shè)備隔離開

• 分配方式：

  • 靜態(tài)分配：在用戶作業(yè)開始執(zhí)行前，由系統(tǒng)一次性分配該作業(yè)所要求的全部設(shè)備
  • 動態(tài)分配：在進程執(zhí)行過程中根據(jù)執(zhí)行需要進行分配

• 設(shè)備分配的安全性：

  • 安全分配方式：每當進程發(fā)出I/O請求后便進入阻塞狀態(tài)，直到其I/O操作完成時才被喚醒。
  • 不安全分配方式：進程發(fā)出多個I/O請求并繼續(xù)運行，僅當進程所請求的設(shè)備已被另一進程占用時，才進入阻塞狀態(tài)。

• 設(shè)備獨立性是指應(yīng)用程序獨立于具體使用的物理設(shè)備

SPOOLing技術(shù)：主要包括輸入井、輸出井、輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)以及輸入進程和輸出進程。

• 輸入井和輸出井是在磁盤上開辟的兩大存儲空間；
  • 輸入井是模擬脫機輸入時的磁盤設(shè)備，用于暫存I/O設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)
  • 輸出井是模擬脫機輸出時的磁盤，用于暫存用戶程序的輸出數(shù)據(jù)