操作系统复习提纲.docx

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操作系统复习提纲

操作系统期末考试范围和重点

基本要求：

1、题目大致分为两种类型，一类是基本概念、技术和方法（即问答题），一类是基本原理的综合应用（即应用题）。

P、V操作题肯定考。

2、内容：

重点1、2、3、4、6章。

第1章操作系统概述

操作系统：

（OS，OperatingSystem）是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。

操作系统的地位和作用（P1）

简单的说，操作系统是计算机系统的核心，是唯一的控制和管理整个计算机系统硬件的软件。

操作系统的地位是：

紧贴系统硬件之上，所有其他软件之下，是其他软件的共同环境。

操作系统的作用（P2）：

1、OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口；

2、OS作为计算机系统资源的管理者；

3、OS实现了对计算机资源的抽象。

操作系统的特征（P14）

1、并发性：

是操作系统最重要的特征；

2、共享性：

a.互斥共享方式；b.同时访问方式；

3、虚拟技术

4、异步性：

也称不确定性。

操作系统的功能（P18）

在计算机系统中配置操作系统的主要目的是提高系统资源的利用率，操作系统的主要功能是管理计算机系统中的资源，其中包括处理机管理、存储器管理，以及设备管理和文件管理，这里的处理机管理主要是对进程进行管理。

为了方便用户使用操作系统，向用户提供方便的用户接口。

操作系统的设计目标（P1）

1、方便性（用户的观点）

提供良好的、一致的用户接口，弥补硬件系统的类型和数量差别，使计算机更容易使用。

2、有效性（系统管理人员的观点）

使CPU、I/O设备和存储空间得到有效利用；管理和分配硬件、软件资源，合理地组织计算机的工作流程。

3、可扩充性

OS应采用层次化结构，以便于增加新的功能层次和模块，并能修改老的功能层次和模块。

4、开放性

遵循标准规范，方便地实现互连，实现应用的可移植性和互操作性。

操作系统分类（工作方式，特点，追求目标，与其它类型的区别，吞吐量，时间片）

分时系统的特点（P9）：

能很好地将一台计算机提供给多个用户同时使用，提高计算机的利用率。

（1）同时性（共享主机）：

计算机系统能被多个用户同时使用；

（2）独立性：

用户和用户之间都是独立操作系统的，在同时操作时并不会发生冲突，破坏，混淆等现象；

（3）及时性：

系统能以最快的速度将结果显示给用户；

（4）交互作用性：

用户能和电脑进行人机对话。

第一台真正的分时操作系统（CTSS）是由麻省理工学院开发成功的。

实时系统的特点（P11）：

是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。

1、时间约束：

实时系统的任务具有一定的时间约束（截止时间）。

2、可预测性：

可预测性是指系统能够对实时任务的执行时间进行判断，确定是否能够满足任务的时限要求。

3、可靠性：

大多数实时系统要求有较高的可靠性。

4、交互作用：

实时系统通常运行在一定的环境下，外部环境是实时系统不可缺少的一个组成部分。

多道程序设计

所谓多道程序设计指的是允许多个程序同时进入一个计算机系统的主存储器并启动进行计算的方法。

多道批处理系统的优缺点（P8）

（1）资源利用率高；

（2）系统吞吐量大；

（3）平均周转时间长；

（4）无交互能力。

为什么引入多道程序设计（P7）

在单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，它无法充分利用系统中的所有资源，致使系统性能差。

引入多道程序设计技术的根本目的是为了提高CPU的利用率，充分发挥计算机系统部件的并行性，现代计算机系统都采用了多道程序设计技术。

引入多道程序设计后带来的问题（P9）

（1）处理机管理问题；

（2）内存管理问题；

（3）I/O设备管理问题；

（4）文件管理问题；

（5）作业管理问题。

第2章进程管理

进程（P38）：

进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

进程的基本属性（P72）：

（1）进程是一个可拥有资源的独立单位；

（2）进程同时又是一个可独立调度和分配的基本单位。

进程与程序的区别

1、进程是动态的，程序是静态的：

程序是有序代码的集合；进程是程序的执行。

通常进程不可在计算机之间迁移；而程序通常对应着文件、静态和可以复制。

2、进程是暂时的，程序的永久的：

进程是一个状态变化的过程，程序可长久保存。

3、进程与程序的组成不同：

进程的组成包括程序、数据和进程控制块（即进程状态信息）。

4、进程与程序的对应关系：

通过多次执行，一个程序可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可包括多个程序。

进程的三种基本状态及状态转换

三种基本状态（P38）：

（1）就绪状态；

（2）执行状态；（3）阻塞状态。

状态转换

进程控制块

进程控制是进程管理中最基本的功能，一般是由OS的内核栈的原语来实现的。

（P43）

进程控制块的作用（P41）

是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（含数据），成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其它进程并发执行的进程。

或者说，OS是根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理的。

进程控制块中的信息（P41）

（1）进程标识符：

a.内部标识符；b.外部标识符；

（2）处理机状态；

（3）进程调度信息；

（4）进程控制信息。

进程控制：

进程的创建和撤消

创建进程（P43）

1.引起创建进程的事件

1）用户登录

2）作业调度

3）提供服务

4）应用请求

2.进程的创建过程

一旦操作系统发现了要求创建新进程的事件后，便调用进程创建原语Creat（）按下述步骤创建一个新进程。

1）申请空白PCB。

为新进程申请获得唯一的数字标识符，并从PCB集合中索取一个空白PCB。

2）为新进程分配资源。

3）初始化进程控制块。

4）将新进程插入就绪队列，如果进程就绪队列能够接纳新进程，便将新进程插入到就绪队列中。

进程终止（P45）

1.引起进程终止的事件

1）正常结束

2）异常结束

3）外界干预

2.进程的终止过程

如果系统发生了上述要求终止进程的某事件后，OS便调用进程终止原语，按下述过程去终止指定的进程。

1）根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB，从中读出该进程状态。

2）若被终止进程正处于执行状态，应立即终止该进程的执行，并置调度标志为真。

用于指示该进程被终止后应重新进行调度。

3）若该进程还有子孙进程，还应将其所有子孙进程予以终止，以防他们成为不可控的进程。

4）将被终止的进程所拥有的全部资源，或者归还给其父进程，或者归还给系统。

5）将被终止进程（它的PCB）从所在队列（或链表）中移出，等待其它程序来搜集信息。

阻塞唤醒（P46）

1.引起进程阻塞和唤醒的事件

1）请求系统服务

2）启动某种操作

3）新数据尚未到达

4）无新工作可做

进程的特征（P37）

1、结构性：

程序段、数据段和PCB；程序文件中通常也划分了代码段和数据段，进程的创建与撤消就是PCB的创建与撤消.

2、动态性：

进程具有动态的地址空间（数量和内容），地址空间上包括：

代码（指令执行和CPU状态的改变）

数据（变量的生成和赋值）

系统控制信息（进程控制块的建立和系统收回）

3、独立性：

各进程的地址空间相互独立，除非采用进程间通信手段；

4、并发性：

多个进程实体同存于内存中，且能在一段时间内同时运行；引入进程实体的目的就是并发执行。

5、异步性：

各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。

线程、线程与进程的比较、线程的属性、线程的优点（为什么引入线程）

线程（thread）是"进程"中某个单一顺序的控制流。

也被称为轻量进程（lightweightprocesses）。

计算机科学术语，指运行中的程序的调度单位。

线程的属性（P73）

1、轻型实体

2、独立调度和分派的基本单位

3、可并发执行

4、共享进程资源

线程与进程的比较（P72）

（1）调度：

线程作为调度的基本单位，同进程中线程切换不引起进程切换，当不同进程的线程切换才引起进程切换；进程作为拥有资源的基本单位。

（2）并发性：

一个进程间的多个线程可并发。

（3）拥有资源：

线程仅拥有隶属进程的资源；进程是拥有资源的独立单位。

（4）系统开销：

进程大；线程小。

线程的优点（为什么引入线程）

引入线程的好处：

（1）创建一个新线程花费时间少（结束亦如此）

（2）两个线程的切换花费时间少

（3）因为同一进程内的线程共享内存和文件，因此它们之间相互通信无须调用内核

（4）适合多处理机系统

进程调度、进程调度算法（先来先服务，优先数，时间片轮转，多级队列反馈）、选择进程调度算法的准则、进程调度的时机、进程的切换、调度过程

进程的互斥：

两个或两个以上的进程,不能同时进入关于同一组共享变量的临界区域,否则可能发生与时间有关的错误,这种现象被称作进程互斥。

临界区、相关临界区、相关临界区管理原则

不论是硬件临界资源，还是软件临界资源，多个进程必须互斥地对它进行访问。

每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区（CriticalSection）

每个进程进入临界区之前应先对欲访问的临界资源进行检查，看是否正在被访问。

如果此刻该临界资源未被访问，该进程可进入临界区，并设置它正在被访问的标志，在临界区之前执行的这段代码称为进入区（entrysection）

在临界区之后也要加上一段代码，用于将临界区被访问的标志恢复为未被访问的标志，称为退出区（exitsection）

多个进程中涉及到同一个临界资源的临界区称为相关临界区。

进程进入临界区的调度原则是：

①如果有若干进程要求进入空闲的临界区，一次仅允许一个进程进入。

②任何时候，处于临界区内的进程不可多于一个。

如已有进程进入自己的临界区，则其它所有试图进入临界区的进程必须等待。

③进入临界区的进程要在有限时间内退出，以便其它进程能及时进入自己的临界区。

④如果进程不能进入自己的临界区，则应让出CPU，避免进程出现“忙等”现象。

进程的同步（P47）

两种形式的制约关系

在多道程序环境下，当程序并发执行时，由于资源共享和进程合作，使同处于系统中的诸进程之间存在两种形式的制约关系

间接相互制约关系

同处于一个系统中的进程必然共享某种资源，如CPU、I/O设备等，间接相互制约即源于资源共享。

如A、B共享打印机，若A申请打印时，打印机已分配给B，则A只能阻塞，等B释放后再改为就绪，又称为"互斥"

直接相互制约关系

这种制约源于进程之间的合作关系。

如进程A向B提供数据，当输入缓冲空时，B不能得到数据而阻塞；反之当缓冲满时，A无法写入而阻塞，又称为"同步"

信号量及P、V操作（P50）

信号量就是OS提供的管理公有资源的有效手段

1、整型信号量

2、记录型信号量

3、AND型信号量

4、信号量集：

Swait（S,d,d）。

此时在信号量集中只有一个信号量S，但允许它每次申请d个资源，当现有资源数少于d时，不予分配

Swait（S,1,1）。

此时的信号量集已蜕化为一般的记录型信号量（S＞1时）或互斥信号量（S=1时）

Swait（S,1,0）。

这是一种很特殊且很有用的信号量操作。

当S≥1时，允许多个进程进入某特定区；当S变为0后，将阻止任何进程进入特定区。

换言之，它相当于一个可控开关

PV操作是典型的同步机制之一。

用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量的值非0时，表示期望的消息已经存在。

用PV操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息。

原语（primitive）（P43）

由若干条指令构成的“原子操作（atomicoperation）”过程，作为一个整体而不可分割－－要么全都做，要么全不做。

系统调用并不都是原语：

进程A调用read（），因无数据而阻塞，在read（）里未返回。

然后进程B调用read（），此时read（）被重入。

系统调用不一定一次执行完并返回该进程，有可能在特定的点暂停，而转入到其他进程。

用P、V操作解决进程间互斥同步问题（作业题）

进程通信（P65）：

是指用户可直接利用操作系统所提供的一组通信命令高效地传送大量数据的一种通信方式。

进程通信的类型（P65）：

1、共享存储系统：

a.基于共享数据结构的通信方式；b.基于共享存储区的通信方式；

2、消息传递系统；

3、管道通信。

第3章处理机调度与死锁

处理机调度的三种类型（P84）

高级调度（HighScheduling）又称作业调度或长程调度（Long-TermScheduling）

主要任务是按一定的原则对外存上处于后备状态的作业进行选择，给选中的作业分配内存、输入/输出设备等必要的资源，并建立相应的进程，放入就绪队列。

低级调度又称进程调度或短程调度（Short-TermScheduling）

主要任务是按照某种策略和方法选取一个处于就绪状态的进程，将处理机分配给它。

常见的低级调度有非抢占式和抢占式两种

中级调度（Intermediate-LevelScheduling）又称中程调度（Medium-TermScheduling）

引入目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。

主要任务是按照给定的原则和策略，将处于外存对换区中的重又具备运行条件的就绪进程调入内存，或将处于内存就绪状态或内存阻塞状态的进程交换到外存对换区。

作业调度（P85）

作业调度的主要功能是根据作业控制块中的信息，审查系统能否满足用户作业的资源需求，以及按照一定的算法，从外存的后备队列中选取某些作业调入内存，并为它们创建进程、分配必要的资源。

然后再将新创建的进程插入就绪队列，准备执行。

因此，有时也把作业调度称为接纳调度。

作业调度的必要条件：

系统现有尚未分配的资源可以满足被选中作业的资源要求。

设计作业调度算法的准则（P90）

1.面向用户的准则

（1）周转时间短；

（2）响应时间快（分时系统）；

（3）截止时间的保证（实时系统）；

（4）优先权准则。

2.面向系统的准则

（1）系统吞吐量高：

吞吐量指单位时间内系统所完成的作业数；

作业调度的方式和算法对吞吐量的大小有较大影响；

（2）处理机利用率高；

（3）各类资源的平衡利用：

使内存、外存和I/O设备的利用率高。

作业调度算法[先来先服务，短作业优先，最高响应比优先，时间片的轮转调度算法]（P91）

在OS中调度的实质是一种资源分配，因而调度算法是指：

根据系统的资源分配策略所规定的资源分配算法

作业调度与进程调度的关系

进程调度的任务

是控制、协调进程对CPU的竞争,即按一定的调度算法从就绪队列中选中一个进程，把CPU的使用权交给被选中的进程。

死锁的定义（P103）：

指多个进程因竞争共享资源而造成的一种僵局，若无外力作用，这些进程都将永远不能再向前推进。

死锁产生的原因（P103）

（1）竞争资源。

当系统中供多个进程所共享的资源，不足以同时满足它们的需要时，引起它们对资源的竞争而产生死锁。

（2）进程间推进顺序非法。

进程在运行过程中，请求和释放资源的顺序不当，导致了进程死锁。

关于死锁的一些结论

参与死锁的进程最少是两个；

参与死锁的进程至少有两个已经占有资源；

参与死锁的所有进程都在等待资源；

参与死锁的进程是当前系统中所有进程的子集。

注：

如果死锁发生，会浪费大量系统资源，甚至导致系统崩溃。

产生死锁的四个必要条件（互斥使用资源，占有并等待资源，不可抢夺资源，循环等待资源）（P105）

1、互斥条件

进程对所分配到的资源进行排它性的使用。

2、请求和保持条件

进程已经至少保持了一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源又已被其他进程占有。

3、不剥夺条件

进程已获得的资源在未使用完之前不能被剥夺。

4、环路等待条件

在发生死锁时，必然存在一个进程——资源循环等待的环形链。

处理死锁的基本方法（P105）

1、预防死锁

通过设置某些限制条件，去破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或几个条件，来防止发生死锁。

2、避免死锁

不须采用各种限制措施去破坏产生死锁的必要条件，防止系统进入不安全状态，从而避免发生死锁，只需在事先加以较弱的限制条件。

3、检测死锁

不须检查系统是否已进入不安全区，允许系统在运行过程中发生死锁。

4、解除死锁

常用的实施方法是撤消或挂起一些进程，以便回收一些资源，再将这些资源分配给已处于阻塞状态的进程，使之转为就绪状态，以继续运行。

预防死锁的方法（P106）

（1）摒弃“请求和保持”条件

（2）摒弃“不剥夺”条件

（3）摒弃“环路等待”条件

死锁的防止

（1）破坏占有并等待条件：

资源的静态分配、释放已占有资源；

（2）破坏不可剥夺条件：

允许抢夺资源，具体做法；

（3）破坏循环等待条件：

资源有序分配法。

死锁的避免（安全状态，银行家算法）（P108）

死锁的检测（资源分配表、进程等待表）（P111）

当系统为进程分配资源时，若未采取任何限制性措施，则系统必须提供检测和解除死锁的手段，为此，系统必须：

（1）保存有关资源的请求和分配信息；

（2）提供一种算法，以利用这些信息来检测系统是否进入死锁状态。

资源分配图

表示法:

资源类：

用方框表示（资源的不同类型）

资源实例:

用方框中的圆点表示（存在于每个资源中）

进程：

用圆圈中加进程名表示

分配边：

资源实例进程的一条有向边

申请边：

进程资源类的一条有向边

死锁定理——资源分配图化简

如果资源分配图中没有环路，则系统中没有死锁，如果图中存在环路则系统中可能存在死锁。

如果每个资源类中只包含一个资源实例，则环路是死锁存在的充分必要条件。

死锁的解除（重新启动、终止进程，抢夺资源[进程的饿死]，进程回退）

当发现有进程死锁后，便应立即把它从死锁状态中解脱出来，重要的是以最小的代价恢复系统的运行。

方法如下：

（1）重新启动；

（2）撤消进程；（3）剥夺资源；（4）进程回退

第4章存储管理

存储器分类（层次）（P116）：

最高层为CPU寄存器，中间为主存，最低层是副存。

按照与CPU的接近程度，存储器分为内存储器与外存储器，简称内存与外存。

内存储器又常称为主存储器（简称主存），属于主机的组成部分；外存储器又常称为辅助存储器（简称辅存），属于外部设备。

CPU不能像访问内存那样，直接访问外存，外存要与CPU或I/O设备进行数据传输，必须通过内存进行。

存储器特点

高速缓冲存储器Cache高速存取指令和数据存取速度快，但存储容量小；

主存储器内存存放计算机运行期间的大量程序和数据存取速度较快，存储容量不大；

外存储器外存存放系统程序和大型数据文件及数据库存储容量大，位成本低。

内存空间划分（系统区、用户区）

存储管理的功能

主存储器管理功能

1、存储分配和回收

分配和回收算法及相应的数据结构

2、地址变换和重定位

可执行文件生成中的链接技术

程序加载（装入）时的重定位技术

进程运行时硬件和软件的地址变换技术和机构

3、存储共享和保护

代码和数据共享

地址空间访问权限（读、写、执行）

4、存储器扩充：

存储器的逻辑组织和物理组织；

由应用程序控制：

覆盖；

由OS控制：

交换（整个进程空间），虚拟存储的请求调入和预调入（部分进程空间）

内存空间的分配和回收（P124）

物理地址和逻辑地址（相对地址与绝对地址）

物理地址存储器中存储单元对应实际地址称物理地址,与逻辑地址相对应。

所谓逻辑地址是指按数据的逻辑块号给出的磁盘的位置而物理地址则是由磁盘的柱面、头、段等物理位置所确定的地址。

地址重定位、静态重定位（P119）、动态重定位（P127）

地址重定位指把目标程序中的逻辑地址转换成主存空间的物理地址。

静态重定位：

通常是把在装入时对目标程序中指令和数据的修改过程，称为重定位。

又因为地址变换通常是在装入时一次完成的，以后不再改变，故称为静态重定位。

动态重定位：

地址变换过程是在程序执行期间，随着对每条指令或数据的访问自动进行的，故称动态重定位。

地址转换：

实现从逻辑地址到物理地址的转换

为提高地址变换速度，在地址变换机构中增设一个具有并行查询能力的高速缓冲寄存器，又称为“联想寄存器”（AssociativeMemory）或“快表”，用以存放当前访问的那些页表项。

具有快表的地址变换机构：

由于页表是存放在内存中的，这使CPU每次要存取一个数据时，都要两次访问内存。

第一次访问内存中的页表。

第二次获得所需数据。

在段页式系统中，需三次访问内存。

第一次访问，是访问内存中的段表。

第二次访问，是访问内存中的页表。

第三次访问，才是真正从第二次访问所得的地址中，取出指令或数据。

可变分区存储管理（内存分配方法、内存分配表[已分配区表，空闲区表]（P123）

1、单一连续分配是最简单的一种存储管理方式，但只能用于单用户、单任务的操作系统中。

2、固定分区分配：

内存用户空间划分为若干个固定大小的区域，每个分区中只装入一道作业。

划分分区的方法

分区大小相等：

即使所有的内存分区大小相等

太大：

浪费

太小：

不够用

分区大小不等：

划分为多个大、中、小搭配的分区

根据程序大小决定所使用的分区

大班在大教室、小班在小教室

3、动态分区分配：

根据进程的实际需要，动态地为之分配内存空间

分配中数据结构

空闲分区表：

记录每个空闲分区的情况

空闲分区链：

实现对空闲分区的分配和链接

分区分配算法（P123）

首次适应算法FF

循环首次适应算法

最佳适应算法

最差适应算法

4、可重定位分区分配

可重定位分区的优缺点

优点:

解决了可变分区分配所引入的“外零头”问题。

消除内存碎片，提高内存利用率。

缺点:

提高硬件成本，紧凑时花费ＣＰＵ时间。

伙伴系统

固定分区和动态分区的折衷

大小为2的K次幂，1=

哈希算法

现代操作系统中，分页和分段更为合理、高效

内存回收[归还区有下邻空闲区、有上邻空闲区、有上下邻空闲区、没有上下邻空闲区]

（P125）

（1）回收区与插入点的前一分区F1相邻接；

（2）回收区与插入点的后一分区F2相邻接；

（3）回收区还同时与F1和F2二个分区相邻接；

（4）回收区的前、后没有与之相邻接的空闲分区。

课本：

（P130—P154）（要认真看）

4.4基本分页存储管理方式

4.5基本分段存储管理方式

4.6虚拟存储器的基本概念

4.7请求分页存储管理方式

4.8页面置换算法：

最佳置换算法；最近最久未使用（LRU）算法

页式存储管理（用户程序划分、逻辑地址形式、内存空间划分、内存分配方式、内存分配表、页表、位示图、空闲块分配算法、空闲块回收算法、硬件提供的支持[页表始址寄存器、页表长度寄存器、高速缓冲存储器[TLB]]、快表、地址转换过程、优缺点）

虚拟存储技术、虚拟存储器、MMU的作用

虚拟存储器定义（P143）：

是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统。

其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定，其运行速度接近于内存速度，而其成本却又接近于外存。

注意：

一个虚拟存储器的最大容量是由计算机的地址结构确定的。

如：

若CPU的有效地址长度为32位，则程序可以寻址范围是0～（232）-1，即虚存容量为4GB。

虚拟存储器的容量与主存的实际大小没有直接的关系，而是由主存与辅存的容量之和所确定。

最小物理块数的确定（P1