2020-2021-1学期 20202418《网络空间安全专业导论》第五周学习总结

2020-2021-1学期 20202418《网络空间安全专业导论》第五周学习总结

第十章第十一章第主要讨论操作系统管理计算机资源的方法，操作系统的存在可以使通过计算机系统的程序井然有序。

第10章 操作系统

10.1操作系统的角色

操作系统负责管理资源，而这些资源通常是由使用它们的程序共享的。多个并发的程序共享主存，依次使用CPU竞争使用输入/输出的机会。操作系统将担任现场监控，确保每个程序得到执行的机会。

现代软件可以分成两类——即应用软件和系统软件，他们反映了不同的程序设计目的。

应用软件：帮助我们解决现实世界问题的程序。

系统软件：管理计算机系统并与硬件进行交互的程序。

计算机的操作系统:管理计算机的资源并为系统交互提供界面的系统软件。

一台计算机通常只有一个活动的操作系统，在系统运行中负责控制工作。计算机硬件是靠电线连接的，初始时载入ROM中存储的一小组系统指令。这些指令将从二级存储器（通常是硬盘）中载入大部分系统软件。最终将载入操作系统软件的所有关键元素，执行启动程序，提供用户界面，这个过程叫做引导计算机。

计算机可以具备两个或者多个操作系统，开机时候可以选择用哪一个——这个配置叫做双引导或多引导系统，不过，任何时候都只有一个操作系统在控制计算机！

至于手机，目前安卓和iOS已经统治了当前移动操作系统市场。
操作系统的各种角色通常都围绕着一个中心思想——“良好的共享”。

10.1.1 内存、进程与CPU管理

多道程序设计是在主存中同时驻留多个程序的技术；这些程序为了能够执行，将竞争CPU的访问。所有现代操作系统都采用多道程序设计技术。因此操作系统必须执行内存管理以明确内存中有哪些程序以及它们驻留在内存的什么位置。
我们还应该掌握另一个概念——进程。程序是一套静态指令，而进程是动态实体（正在执行的程序）。为了防止进程在执行过程中被打断，操作系统还需要进程管理，以跟踪进程的进展以及所有中间状态。
内存管理和进程管理都需要CPU调度，即确定某个时刻CPU要执行内存中的哪个过程。
操作系统自身也是必须执行的程序，所以在内存中也要和其它系统软件以及应用程序一起管理和维护OS过程。

多道程序设计：同时在主存中驻留多个程序，由它们竞争CPU的技术。

内存管理：了解主存中载有多少个程序以及它们的位置的动作。>

进程：程序执行过程中的动态表示法。

进程管理：了解活动进程中的信息的动作。

CPU调度：确定主存中的哪个进程可以访问CPU以便执行的动作。

10.1.2批处理

远古时期计算机是放在空调房的大机器，他的处理由操作员决定，当时通常用一叠穿孔卡片储存信息,耗时耗力。为了解决上世纪典型的计算机的复杂耗时，更有效的执行程序，操作员会把来自多个用户的作业组织成分批，一个分批包含一组需要相同或相似资源的作业。

可以在多道程序设计的环境中执行分批系统，即将一个分批中的多个作业载入内存，作业会竞争CPU和其他共享资源的使用权

现代操作系统中的批处理概念允许用户把一组OS命令定义为一个批文件，以控制一个大型程序或一组交互程序的处理。尽管目前使用的大多数计算机是交互式的，但有写作业仍然会自行批处理。

10.1.3 分时

为更大程度地利用机器的能力和速度，我们提出了分时的概念。这种设计允许同时有多个活动进程，从而给程序员直接与计算机系统交互且仍然共享其资源的能力。

分时：多个交互用户同时共享CPU时间的系统。

虚拟机：分时系统创建的每个用户都有专用机器的假象。

主机：一个大型的多用户计算机，通常与早期的分时系统有关。

哑终端：在早期的分时系统中用户用于访问主机的一套显示器和键盘。

当系统负荷过重时，每个用户的机器看起来都变慢了，因为等待CPU的使用时间变长了。

10.1.4 其他OS元素

大型机变成小型机，小型机变成微型机，计算技术正在不断改进。微型机第一次采用单个的集成芯片作为CPU，从而引发了PC（个人计算机）的想法。
操作系统需要支持实时系统的，实时系统就是必须给用户提供最少响应时间的系统。必须严格控制收到信号和生成响应之间的延迟。尽管所有操作系统都知道响应时间的重要性，但是事实操作系统则更加致力于优化该方面。

实时系统：应用程序的特性决定了响应时间至关重要的系统。

响应时间：收到信号和生成相应之间的延迟时间。

10.2 内存管理

对于一个操作系统，必须采用技术解决以下任务。

跟踪一个程序驻留在内存的什么位置以及是如何驻留的。

把逻辑地址转换成实际的内存地址。

我们将程序载入了什么位置？如何知道这位位置呢？我们引入了两个概念。

逻辑地址（logical address）：对一个存储值的引用，是相对于引用它的程序的。

物理地址（physical address）：主存储设备中的真实地址。

逻辑地址又称虚拟地址或相对地址。

地址联编（address binding）：逻辑地址和物理地址间的映射。

接下来便是三种内存管理方法的基本原理。

10.2.1 单块内存管理

把主存分成两部分，给操作系统所需要的空间，余下的分配给应用程序

单块内存管理（single contiguous memory management）：把应用程序载入一段连续的内存区域的内存管理方法。

载入起始地址为A，逻辑地址L对应的物理地址就是A+L。

单块内存管理法的优点在于实现和管理都很简单，但却大大浪费了内存空间和CPU时间。

10.2.2 分区内存管理

固定分区法（fixed-partition technique）：把内存分成特定数目的>分区以载入程序的内存管理方法。

动态分区法（dynamic-partition technique）：根据容纳程序的需要>对内存分区的内存管理方法。

基址寄存器（base register）：存放当前分区的起始地址的寄存器。

界限寄存器（bounds register）：存放当前分区的长度的寄存器。

有三种常用分区选择法：

最先匹配（first fit）：把第一个足够存放程序的分区分配给它。

最佳匹配（best fit）：把最小的能够容纳程序的分区分配给它。

最差匹配（worst fit）：把最大的能够容纳程序的分区分配给它。

在固定分区法中，最差匹配没有意义，因为它浪费较大的分区，最佳匹配和最先匹配适合于固定分区；但是在动态分区中，最差匹配常常是最有用的，因为它留下了最大可能的空白分区，可以容纳之后的其他程序。

在动态分区中，作业可以在内存中移动以创建较大的空白分区，这个过程叫做压缩。

10.2.3 页式内存管理

页式内存管理法（paged memory technique）：把进程划分为大小固定的页，载入内存时存储在帧中的内存管理方法。

帧（frame）：大小固定的一部分主存，用于存放进程页。

页（page）：大小固定的一部分进程，存储在内存帧中。

页映射表（Page Map Table，PMT）：操作系统用于记录页和帧之间关系的表。

分页的优点在于不必再把进程存储在连续的内存空间中。

请求分页（demand paging）：页式内存管理法的扩展，只有当页面被引用（请求）时才会被载入内存。

页面交换（page swap）：把一个页面从二级存储设备载入内存，通常会使另一个页面从内存中删除。

虚拟内存（virtual memory）：由于整个程序不必同时处于内存而造成的程序大小没有限制的假象。

系统颠簸（thrashing）：连续的页面交换造成的低效处理。

10.3 进程管理

10.3.1 进程状态

进程状态（process state）：在操作系统的管理下，进程历经的概念性阶段。

准备就绪状态中,进程没有任何执行障碍。也就是说,准备就绪状态下的进程并不是在等待某个事件发生,也不是在等待从二级存储设备载入数据,而只是等待使用CPU的机会。 运行状态下的进程是当前CPU执行的进程。它的指令将按照读取-执行周期被处理。 等待状态下的进程是当前在等待资源(除了CPU以外的资源)的进程。例如,一个处于等待状态的进程可能在等待从二级存储设备载入一个页面,也可能在等待另一个进程给它发送信号,以便继续执行。 终止状态下的进程已经完成了它的执行,不再是活动进程。此时,操作系统不再需要维护有关这个进程的信息。

10.3.2 进程控制块

进程控制块（Process Control Block，PCB）：操作系统管理进程信息使用的数据结构。

上下文切换（context switch）：当一个进程移出CPU，另一个进程取代它时发生的寄存器信息交换。

10.4 CPU调度

CPU调度就是确定把哪个处于准备就绪状态的进程移入运行状态。

非抢先调度（nonpreemptive scheduling）：当当前执行的进程自愿放弃了CPU时发生的CPU调度。

抢先调度（preemptive scheduling）：当操作系统决定照顾另一个进程而抢占当前执行进程的CPU资源时发生的CPU调度。

周转周期（turnaround time）：从进程进入准备就绪状态到它最终完成之间的时间间隔，是评估CPU调度算法的标准。

10.4.1 先到先服务

先到先服务（FCFS）是非抢先的，一旦获得访问权，除非强制请求转入等待状态，否则将一直占用CPU。

10.4.2 最短作业优先

最短作业优先（SJN）CPU调度算法将查看所有处于准备就绪状态的进程，并分派一个具有最短服务时间的，它也是通常被实现为非抢先算法。

10.4.3 轮询法

时间片（time slice）：在CPU轮询算法中分配给每个进程的时间量。

CPU的轮询法将把处理时间平均分配给所有准备就绪的过程。该算法建立单独的时间片。

轮询算法是抢先的。时间片到期进程就会被强制移出CPU。它可能是应用最广泛的，被认为是最公平的算法。

第11章 文件系统和目录

11.1 文件系统

磁盘上的数据都存储在文件中，这是在电子媒介上组织数据的一种机制。所谓文件，就是相关数据的有名集合。从用户的角度看，文件是可以写入二级存储设备的最小数据量。文件系统是操作系统为它管理的文件提供的逻辑视图，通常用目录组织文件。
可以把文件看作位序列、字节序列、行序列和记录序列。

文件：数据的有名集合，用于组织二级存储设备。

文件系统：操作系统为它管理的文件提供的逻辑视图。

目录：文件的有名分组。

11.1.1 文本文件和二进制文件

所有文件都可以被归为文本文件和二进制文件.

文本文件：包含字符的文件。

二进制文件：包含特定格式的数据的文件，要求给位串一个特定的解释。

11.1.2 文件类型

文档中包含的信息种类叫做文件类型，大多数操作系统都能识别一系列特定的文件类型。
说明文件类型的常用方法是把文件类型作为文件名的一部分。文件名分为两部分：主文件名和文件扩展名。文件扩展名说明文件的类型。

改变文件扩展名不会改变文件中的数据或它的内部格式。如果要在专用的程序中打开一个扩展名错误的文件，只会得到错误信息。

文件类型：文件中存放的关于类型的信息。

文件扩展名：文件名中说明文件类型的部分。

11.1.3文件操作

操作系统用两种方式跟踪二级存储设备。它维护了一个表以说明哪些内存块是空的，还为每个目录维护了一个表，以记录该目录下的文件的信息。要创建一个文件，操作系统需要在文件系统中为文件内容找一块可用空间，然后把该文件条目加到正确的目录中，记录文件的名字和位置；要删除一个文件，操作系统要声明该文件使用的空间现在是空的，并删除目录表中相应条目。

11.1.4 文件访问

文件的访问类型是在创建文件时设置的。
两种主要的访问方法——顺序访问法和直接访问法，任何类型的介质都可以存储这两种类型的文件。文件访问类型定义了重定位当前文件指针的方法，它们与存储文件的设备的物理限制无关。
最常用的方法就是顺序文件访问——以线性方式访问文件中的数据的方法。
或者采用直接文件访问——通过指定逻辑记录编号直接访问文件中的数据的方法。使用大量数据的某个特定情况下，这种方法很有用。

顺序文件访问：以线性方式访问文件中的数据的方法。

直接文件访问：通过指定逻辑记录编号直接访问文件中的数据的方法。

11.1.5 文件保护

11.2 目录

大多数操作系统都用文件表示目录。目录文件存放的是关于目录中的其他文件的数据。对于任何指定的文件，目录中存放有文件名、文件类型、文件存储在硬盘上的地址以及文件的当前大小。

11.2.1 目录树

目录树：展示文件系统的嵌套目录组织的结构。

根目录：包含其他所有目录的最高层目录。

工作目录：当前活动的子目录。

观察Windows系统目录树和UNIX系统目录树可以知道，它们都展示了包容的概念。但是他们的文件和目录的命名规则不同。

UNIX是一个系统级的程序设计环境，因此使用了大量的缩写和代码作为目录和文件的名字。

此外，UNIX环境的根目录是用 / 表示的。

11.2.2 路径名

路径：文件或子目录在文件系统中的位置的文本名称。

绝对路径：从根目录开始，包括所有后继子目录的路径。

相对路径：从当前工作目录开始的路径。

11.3 磁盘调度

磁盘调度：决定先满足哪个磁盘I/O请求的操作。

11.3.1 先到先服务磁盘调度法

FCFS算法按照请求到达的顺序处理它们，并不考虑读写头的当前位置。

11.3.2 最短寻道时间优先磁盘调度法

通过尽可能少的读写头移动满足所有未解决的请求。

源源不断的请求过来，那么早期的请求有可能永远得不到满足，就会“饿死”，但是先到先服务磁盘调度法中不会饿死。

11.3.3 SCAN磁盘调度法

读写头向轴心移动，再向盘片边缘移动。

不可能出现饿死现象