操作系统复习要点.docx
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操作系统复习要点
第一章
1.操作系统定义
操作系统（OS:
operatingsystem）：
管理系统资源、控制程序执行、改善人机界面、提供各种服务，并合理组织计算机工作流程和为用户提供方便而有效地使用计算机良好运行环境的最基本的系统软件。
2.并发性：
所谓并发是指在内存中放多道作业，在一个时间段上来看，每一道作业都能不同程度地向前推进，即这些作业在执行在时间上是重叠的，即使这种重迭是很小的。
3.共享性：
系统中的资源可供多个并发的进程共同使用
4.异步性:
在多道环境中允许多个程序并发执行，它们共享系统资源。
进程运行时“走走停停”，无法预知每个进程的运行推进快慢，有可能导致程序执行结果不唯一。
从用户运行程序的要求的角度看，操作系统必须是确定的，即用户给定一个程序和相应的初始数据，无论在什么时候，在什么计算机系统上运行，产生的结果都应是相同的。
这就要求操作系统的设计要很好地解决并发和共享的问题
5.多道程序设计技术:
在内存中同时存放多道作业，在管理程序的控制下交替地执行。
这些作业共享CPU和系统中的其它资源。
6.资源管理的技术：
资源复用
空分复用和辅存
时分复用共享：
例如处理器
资源虚化（虚拟）
把一个物理实体映射为若干个对应的逻辑实体。
虚拟是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。
资源抽象
资源复用和虚化主要解决物理资源不足的问题，资源抽象解决资源的易用性。
资源抽象是指通过创建软件来屏蔽硬件资源的物理特性和接口细节，简化对硬件资源的操作、控制和使用。
三种最基本的抽象：
进程抽象、虚存抽象、文件抽象
7操作系统的功能:
1.处理机管理2.存储管理3.设备管理4.文件管理5.网络与通信管理
6.用户接口
第二章
1.特权指令与非特权指令：
所谓特权指令是指仅供内核程序使用的指令，如启动设备、设置时钟、控制中断屏蔽位、清空主存、建立存储键、加载PSW等敏感性操作。
内核能够执行全部指令，应用程序只能使用非特权指令。
2.管理状态（又叫核心态）和用户状态：
当处理器处于核心态时，CPU运行可信软件，硬件允许执行全部机器指令，可以访问所有主存单元和系统资源，并具有改变处理器状态的能力；当处理器处于用户态时，CPU运行非可信软件，程序无法执行特权指令，且访问权限仅限于当前CPU上进程的地址空间，这样就能防止内核受到应用程序的侵害。
3.中断和中断源
中断是指在程序执行过程中，遇到急需处理的事件时，暂时中止现行程序在CPU上的运行，转而执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回断点或调度其他程序执行。
4.中断优先级
中断装置所预设的相应顺序成为中断优先级。
5.异常（也称内中断或同步中断）
是指来自处理器内部的中断信号，通常是由于在程序执行过程中，发现与当前指令关联的、不正常的或错误的事件。
6.进程：
是指可并发执行的程序在某个数据集合上的一次计算活动，也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。
线程：
是进程中能够并发执行的实体，是进程的组成部分，也是处理器调度和分派的基本单位。
7.原语：
原语在核心态执行，是完成系统特定功能的不可分割的过程，它具有原子操作，
其程序段不允许被中断，或者说原语不能并发执行。
8.剥夺式调度：
又称抢占式。
当进程正在处理器上运行时，系统可根据所规定的原则剥夺分配给此进程的处理器，并将其移入就绪队列，选择其他进程运行。
非剥夺式调度：
又称非抢占式。
一旦某个进程开始运行后便不再让出处理器，除非此进程运行结束，或主动放弃处理器，或因发生某个事件而不能继续执行。
9.特权指令与非特权指令的判断看概念
10.处理器模式转换的途径
用户态到核心态的转换：
一是程序请求操作系统服务，执行系统调用；而是在程序执行时，产生中断或异常事件，运行程序被中断，转向中断处理程序或异常处理工作。
核心态到用户态的转换：
计算机通常提供一条称作加载程序状态字的特权指令，用来实现从系统返回用户态，将控制权转交给应用程序。
11.中断/异常的响应过程
顺序做4件事：
发现中断源，保护现场，转向中断/异常事件的处理程序，恢复现场。
12.引入进程的原因
一是刻画系统的动态性，发挥系统的并发性。
二是解决共享性，正确的描述程序的执行状态。
13.进程的状态转换模型：
见书上95页的图2.12和2.13
挂起进程的特征：
此程序不能立即执行；此进程可能会等待某事件发生；所等待的事件独立于挂起事件，事件结束并不能导致进程具备可执行条件；此进程进入挂起状态是由于操作系统、父进程或进程自身阻止其运行；进程挂起状态的结束命令只能通过操作系统或父进程发出。
14.PCB的概念及其组成
每个进程有且仅有一个进程控制块（PCB），或称进程描述符，它是进程存在的唯一标识，是操作系统用来记录和刻画进程状态及有关信息的数据结构，是进程动态特征的一种汇集，也是操作系统掌握进程的唯一资料结构和管理进程的主要依据。
包含三类：
标识信息，现场信息，控制信息。
15.引入多线程的目的和并发多线程程序设计的优点
如果说操作系统中引入进程的目的是为了使多个程序并发执行，以便改善资源利用率和提高系统效率，那么在进程之后再引入线程的概念，则是为了减少程序并发执行时所付出的时空开销，使得并发粒度更细、并发性更好。
多线程程序设计的优点是提高系统性能，具体表现在：
快速线程切换；节省主存空间；减少管理开销；通信易于实现；并发程度提高。
16.引入多线程后，进程和线程的功能
进程要支撑线程的运行，为线程提供地址空间和各种资源，进程封装管理信息，包括对指令代码、全局数据、打开的文件和信号量等共享部分的管理；
线程封装执行信息，包括对CPU、寄存器、执行栈和局部变量、过程调用参数、返回值等私有部分的管理。
17.线程的组成：
（1）线程的唯一标识符及线程状态信息；
（2）未运行时所保存的线程上下文；可以把线程看成进程中一个独立的程序计数器；（3）核心栈，在核心态工作时保存参数，在函数调用时的返回地址，等等；（4）用于存放线程局部变量和用户栈的私有存储区。
线程的状态：
运行，就绪和等待。
18.处理机调度的层次：
高级调度，中级调度，低级调度
处理机三级调度模型和两极调度模型在120页的两幅图
19.选择调度算法的原则是计算机的性能要高，下面的前三条是面向系统的性能指标，后两条是面向用户的性能指标。
资源利用率要高；吞吐量要高；公平性要高；响应时间要短；周转时间要短。
第三章：
同步、通信、死锁
1.顺序程序设计、
2.进程同步：
是指为完成共同任务的并发进程基于某个条件来协调其活动，因为需要在某些位置上排定执行的先后次序而等待、传递信号或消息所产生的协作制约关系。
3.进程互斥：
是指若干进程因相互争夺独占型资源而产生的竞争关系。
4.临界资源：
共享变量所代表的资源。
5.临界区：
并发进程中与共享变量有关的程序段。
6.管程：
代表共享资源的数据结构，以及由对该共享数据结构实施操作的一组过程所组成的资源管理程序，共同构成的操作系统的资源管理模块。
为什么要引入管程：
①把分散在各进程中的临界区集中起来进行管理②防止进程有意或无意的违法同步操作
管程与进程作比较：
①管程定义的是公用数据结构，而进程定义的是私有数据结构；
②管程把共享变量上的同步操作集中起来，而临界区却分散在每个进程中；
③管程是为管理共享资源而建立的，进程主要是为占有系统资源和实现系统并发性而引入的；
④管程是被欲使用共享资源的进程所调用的，管程和调用它的进程不能并行工作，而进程之间能并行工作，并发性是其固有特性；
⑤管程是语言或操作系统的成分，不必创建或撤销，而进程有生命周期，由创建而产生至撤销便消亡。
7.进程通信：
进程之间互相交换信息的工作称为进程通信。
8.死锁：
如果一个进程集合中的每个进程都在等待只能由此集合中的其他进程才能引发的事件，而无限期陷入僵持的局面称为死锁。
9.安全序列：
P202
10.顺序程序设计特点：
①执行的顺序性②环境的封闭性③结果的确定性④过程的可再现性。
11.并发的实质：
一个处理器在几个进程之间的多路复用，并发是对有限物理资源强制行使多用户共享，消除计算机部件之间的互等现象，提高系统资源的利用率。
12.并发的分类：
①无关的，无关的并发进程是指一个进程的执行与其他并发进程的进展无关，即一个进程不会改变另一个与其并发执行的进程的变量。
②一组并发进程共享某些变量，一个进程的执行可能影响其他并发进程的结果。
13.Bernstein条件：
并发进程的无关性是进程的执行与时间无关的一个充分条件，又称为Bernstein条件。
14.采用并发程序设计的目的：
充分发挥硬件的并行性，消除处理器和设备的互等现象，提高系统效率。
15.采用并发程序设计的优点：
①若为单处理系统，可以有效地利用资源，让处理器和设备、设备和设备同时工作，充分发挥硬部件的并行工作能力；
②若为多处理系统，可让进程在不同的处理器上物理地并行工作，加快计算速度；
③简化程序设计任务，一般来说，编制并发执行的小程序进度快，容易保证正确性。
16.与时间有关的错误：
对于一组交往的并发进程，执行的相对速度无法相互控制，各种与时间有关的错误就可能出现。
表现形式有：
①结果不唯一②永远等待
17.资源竞争的两个控制问题：
①死锁②饥饿
18.临界区调度原则：
①一次至多有一个进程进入临界区内执行
②如果已有进程在临界区中，试图进入此临界区的其他进程应等待
③进入临界区内的进程应在有限时间内退出，以便让等待队列中的一个进程进入
19.实现临界区管理的硬件设施：
①关中断②测试并建立指令③对换指令
20.信号量：
一个进程在某一关键点上被迫停止执行直至接收到对应的特殊变量值，通过这一措施，任何复杂的进程交互要求均可得到满足，这种特殊变量就是信号量
信号量的组成：
信号量是一种变量类型，用一个结构型数据结构表示，有两个分量：
一个是信号量的值，另一个是信号量队列的指针。
21.P和V操作原语的定义及其推论
P（s）：
将信号量value值减1，若结果小于0，则执行P操作的进程被阻塞，排入与s信号量有关的list所指队列中；若结果大于0，则执行P操作的进程继续执行。
V（s）：
将信号量value值加1，若结果不大于0，则执行V操作的进程从与s信号量有关的list所指队列中释放一个进程，使其转换为就绪态，自己则继续执行；若结果大于0，则执行V操作的进程继续执行。
推论1：
若信号量s.value为正值，此值等于在封锁进程之前对信号量s可施行的P操作数，即s所代表的实际可用的物理资源数。
推论2：
若信号量s.value为负值，其绝对值等于登记排列在s信号量队列之中等待的进程个数，即恰好等于对信号量s实施P操作而被封锁并进入信号量s等待队列的进程数。
推论3：
P操作通常意味着请求一个资源，V操作意味着释放一个资源，在一定的条件下，P操作代表挂起进程的操作，而V操作代表唤醒被挂起进程的操作。
22.使用PV操作实现互斥及简单同步问题。
23.进程需要通信的情况、
进程间通信的方式：
①信号通信机制②管道通信机制③消息传递通信机制④信号量通信机制⑤共享主存通信机制
24.管道：
是连接读写进程的一个特殊文件，允许进程按先进先出方式传送数据,也能使进程同步执行操作。
管道的实质是一个共享文件，基本上可借助于文件系统的机制实现，包括（管道）文件的创建、打开、关闭和读写。
匿名管道和有名管道及特点；
什么是消息传递、直接通信和间接通信
25.形成死锁的四个必须条件
①互斥条件：
系统中存在临界资源，进程应互斥地使用这些资源
②占有和等待条件：
进程在请求资源得不到满足而等待时，不释放已占有资源
③不剥夺条件：
已被占用的资源只能由属主释放，不允许被其他进程剥夺
④循环等待条件：
存在循环等待链，其中，每个进程都在链中等待下一个进程所持有的资源，造成这组进程处于永远等待状态。
26.死锁防止的方法：
①死锁防止②死锁避免③死锁检测和恢复
27.死锁的避免及银行家算法；死锁检测和解除、死锁定理
第四章存储管理
1.基本概念：
（1）逻辑地址：
（由于程序在主存中的位置不可预知）链接时程序地址空间中的地址总是相对某个基准（通常为0）开始编号的顺序地址，称为逻辑地址或相对地址
（2）物理地址：
物理主存贮器从统一的基地址开始顺序编址的存储单元称为物理地址或绝对地址（物理地址的总体构成物理地址空间）
（3）静态（地址）重定位：
由装入程序实现装载代码模块（简单的说，就是链接后的程序，详见p235）的加载和地址转换，把它装入分配给进程的主存指定区域，其中的所有逻辑地址修改成主存物理地址，称静态重定位
（4）动态（地址）重定位：
由装入程序实现装载代码模块的加载和地址转换，把它装入分配给进程的主存指定区域，但对链接程序处理过的应用程序的逻辑地址不做任何修改，程序主存起始地址被置入硬件专用寄存器——重定位寄存器。
程序在执行的过程中，每当cpu引用主存地址（访问程序和数据）时，由硬件截取此逻辑地址，并在它被发送到主存储器之前加上重定位寄存器的值，以便实现地址转换，称动态重定位（地址转换推迟到最后的可能时刻，即进程执行时才完成）
（5）移动技术：
当在未分配区表中找不到足够大的空闲区来存放新进程时，可以把已在主存中的进程的分区连接到一起，使分散的空闲区汇集成片，这就是移动技术
（6）对换技术：
如果当前一个或多个驻留进程都处于阻塞态，此时选择其中的一个进程，将其暂时移出主存，腾出空间给其它进程使用，同时把磁盘中的某个进程换入主存，让其投入运行，这种互换称为对换。
（7）覆盖技术：
覆盖是指程序执行过程中程序的不同模块在主存中相互替代，以达到小主存执行大程序的目的（基本的实现技术是：
把用户空间分成固定区和一个或多个覆盖区，把控制或不可覆盖的部分放在固定区其余按调用结构及先后关系分段并放在磁盘上，运行时依次调入覆盖区。
）
（8）虚拟存储器：
在具有层次结构存储器的计算机系统中，自动实现部分装入和部分替换功，能从逻辑上为用户提供一个比物理主存容量大的多的，可寻址的“主存储器”。
（9）碎片：
可变分区法中，必须把进程装入一个连续的主存区域，由于进程不断地装入和撤销，导致主存中常常出现分散的小空闲区，称之为碎片。
（10）在进行页面替换时，用来确定被淘汰页的算法称为淘汰算法。
如果该算法选择不当，则会出现：
整个系统的页面调度非常频繁以至大部分时间都花费在来回调度页面上，而不是执行计算任务，这种现象称为“抖动”
（11）页面交换区：
（12）写时复制：
（13）工作集：
在执行页面替换时，要为每一个进程维护一组页面，称其为工作集
2.存储管理的功能：
3.常用可变分区的分配算法（5种）：
最先适应分配算法、下次适应分配算法、最优适应分配算法、最坏适应分配算法、快速适应分配算法（详见p240）
4.页面的装入策略：
[1]请页式：
仅当需要访问数据和程序时，通过缺页中断处理程序分配页框，把所需页面装入主存。
[2]预调式：
装入主存的页面并非缺页中断所请求的页面，是由操作系统依据某种
，算法动态预测最可能要访问的那些页面。
5.页面消除策略：
请页式和预约式（p263）
6.页面分配策略：
根据进程生命周期中分配到的页框数是否固定，分为固定分配和可变分配。
（p263）
（另外：
页面分配策略只是为了尽量减少缺页次数，但只是减少不是避免，所以缺页中断始终会发生，这时就要考虑到页面的替换问题。
联系以上的分配策略，这里从替换的范围考虑，将替换策略分为：
局部替换和全局替换p263）
7.缺页中断率（及其影响因素）：
假定作业p共计n页，系统分配给它的主存块只有m块（１≤m≤n）。
如果作业p在运行中成功的访问次数为s，不成功的访问次数为F，则总的访问次数Ａ为：
A=S+F。
又定义：
f=F/A称f为缺页中断率。
影响缺页中断率f的因素有：
（1）主存页框数
（2）页面大小
（3）页面替换算法
（4）程序特性
8.固定分区的基本思想（P237）、优缺点（P238）
可变分区的基本思想（P238）、优缺点（P238）
简单（请求式）分页的基本思想（P260）
简单（请求式）分段的基本思想（P275）
段页式存储管理技术的基本思想（P276）
地址转换方法（P240）
共享和保护的实现方法：
分页：
数据共享
程序共享
标志位保护方法
键保护方法
分段：
（P256）
*多对基址/限长寄存器
*段的共享，是通过不同作业段表中的项指向同一个段基址来实现。
*几道作业共享的例行程序就可放在一个段中，只要让各道作业的共享部分有相同的基址/限长值。
*对共享段的信息必须进行保护。
分页式存储管理和分段式存储管理的比较：
P256
*全局页面置换算法（OPT、FITO、LRU、SCR、Clock）缺页中断率的计算（P264~p269）
第五章设备管理
1．I/O系统:
通常把I/O设备及其接口线路、控制部件、通道和管理软件称为I/O系统
I/O操作：
把计算机的主存储器和设备介质之间的信息传送称为i/o操作
2.设备控制器：
CPU和设备之间的一个接口,它接收从CPU发来的命令,控制I/O设备操作,实现主存和设备之间的数据传输。
设备控制器是一个可编址设备,当它连接多台设备时,则应具有多个设备地址。
3.通道，是一种专用处理器，具有自己的指令系统，它的指令常称通道命令。
通道方式I/O过程的三个阶段：
I/O启动阶段I/O操作阶段I/O结束阶段
4.缓冲区：
缓冲用于平滑两种不同速度的硬件部件或设备之间的信息传输，在主存器中开辟一个存储区，称为缓冲区，专门用于临时存放I/O操作的数据。
5.缓冲区高速缓存：
为了减少访问磁盘的次数，避免数据项的重复产生，内核建立一个数据缓冲区高速缓存，专门用于保存最近使用过的磁盘数据块。
6.驱动调度：
在繁重的I/O负载下，同时会有若干传输请求来到并等待处理，系统必须采用一种调度策略，能够按最佳次序执行要求访问的诸多请求，叫做驱动调度，能减少为若干I/O请求服务所需消耗的总时间，从而提高系统效率。
7.设备管理的功能：
设备中断处理；缓冲区管理；设备分配和去配；设备驱动调度；虚拟设备及其实现。
8.I/O设备分类：
按照I/O操作特性，I/O设备可以划分为输入型设备、输出型设备和存储型外围设备三类。
• 按照I/O信息交换的单位，I/O设备可分为字符设备和块设备。
9.I/O控制方式的分类：
按照I/O控制器功能的强弱，及和CPU间联系方式的不同，对I/O设备的控制方式分类，可分为四种I/O方式:
（1）轮询方式
（2）中断方式（3）DMA方式（4）通道方式
主要差别在于：
中央处理器和外围设备并行工作的方式不同，并行工作的程度不同。
10.设备控制器主要功能:
①接收和识别CPU或通道发来的命令②实现数据交换,包括设
备和控制器间的数据传输③发现和记录设备及自身的状态信息,供CPU处理④设备地址识别
设备控制器组成部分:
命令寄存器及译码器,数据寄存器,状态寄存器,地址译码器
11.设备驱动程序包括与设备密切相关的所有代码，其工作是：
把用户提交的逻辑I/O请求转化为物理I/O操作的启动和执行，如设备名转化为端口地址、逻辑记录转化为物理记录、逻辑操作转化为物理操作等。
设备驱动功能：
1）设备初始化，2）执行设备驱动例程，3）执行中断处理例程。
12.引入缓冲技术的目的：
为了改善中央处理器与外围设备之间速度不匹配的矛盾，以及协调逻辑记录大小与物理记录大小不一致的问题，提高CPU和I/O设备的并行性，减少I/O对CPU的中断次数和放宽对CPU中断响应时间的要求。
缓冲区按用途可分为：
输入缓冲区，处理缓冲区和输出缓冲区。
13.常用的缓冲技术有：
单缓冲、双缓冲、多缓冲。
基本原理322页
14.磁盘输入输出操作时间：
包括寻道时间、旋转时间和传输时间
15.访问磁盘记录参数：
柱面号、磁头号、块号
磁盘是一种直接（随机）存取存储设备。
每个物理记录有确定的位置和唯一的地址，存取任何一个物理块所需的时间几乎不依赖于此信息的位置。
16.循环排序、优化分布、交替地址、移臂调度算法【⑴先来先服务算法
⑵最短寻道时间优先算法⑶扫描算法⑷循环扫描算法⑸分步扫描算法⑹电梯调度算法】相关算法的原理及实现：
325页
17.独立磁盘冗余阵列RAID：
是利用一台磁盘阵列控制器统一管理和控制一组磁盘驱动器,组成一个速度快、可靠性高、性能价格比好的大容量磁盘系统。
目的：
增加容错性，获得高性能
RAID填补CPU速度快与磁盘设备速度慢之间的间隙,其策略是:
用一组容量较小的、独立的、可并行工作的磁盘组成阵列来代替单一的大容量磁盘，再加入冗余技术，数据能以多种方式组织和分布存储
结果：
独立的和并行的I/O操作都能被并行处理
只要数据分布在不同的磁盘上，多个I/O请求就可以并行地处理；
对于一个I/O请求，如果它请求的数据分布在不同的磁盘上，也可以并行处理。
可以通过在不同磁盘上存放数据副本来增加系统的容错性和可靠性。
RAID共同特性
①RAID是一组物理磁盘驱动器，可被操作系统看作是单一逻辑磁盘驱动器;
②数据被分布存储在阵列横跨的物理驱动器上;
③冗余磁盘的作用是保存奇偶校验信息，当磁盘出现失误时它能确保数据的恢复。
RAID0和RAID1不具有第3个特性，且后两个特性在不同层次具有不同的实现细节。
18.提高磁盘I/O速度的方法：
提前读延迟写虚拟盘
19.设备独立性带来的好处：
用户与物理的外围设备无关，系统增减或变更外围设备时程序不必修改；易于对付输入输出设备的故障。
20.Spooling技术的基本原理（P427-428）
SPOOLing（外部设备联机并行操作）是关于慢速字符设备如何与计算机主机交换信息的一种技术，通常称为“假脱机技术”。
SPOOLing技术实质上是用户进程利用一共享设备的一个存储区，并不是真正占有这一设备，用户进程把要完成的任务以文件的形式存入存储区，在存储区中排队并等待SPOOLing系统调度，只有被SPOOLing系统调度并输出，此项任务才真正完成，通过这一技术可以大大提高了共享设备的使用率，节约了硬件资源。
SPOOLing系统由专门负责I/O的常驻内存的进程以及输入井、输出井组成；它将独占设备改造为共享设备，实现了虚拟设备功能。
将一台独享打印机改造为可供多个用户共享的打印机，是应用SPOOLing技术的典型实例。
具体做法是：
系统对于用户的打印输出，但并不真正把打印机分配给该用户进程，而是先在输出井中申请一个空闲盘块区，并将要打印的数据送入其中；然后为用户申请并填写请求打印表，将该表挂到请求打印队列上。
若打印机空闲，输出程序从请求打印队首取表，将要打印的数据从输出井传送到内存缓冲区，再进行打印，直到打印队列为空。
SPOOLing技术实现设备管理时的工作特征：
1、提高了I/O速度
2、将独占设备改造为共享设备
3、在SPOOLing系统中，实际上并没有为任何进程分配，而只是在输入井和输出井中，为进程分配一存储区并建立一张I/O请求表。
这样，便把独占设备改造为共享设备。
第六章
1.文件系统、层次及其功能
文件系统是操作系统中负责存取和管理信息的模块，它用统一的方式管理用户和系统信息的存储、检索、更新、共享和保护，并为用户提供一整套方便有效的文件使用和操作方法。
逻辑文件和物理文件
对于用户而言，可按照需要并遵循文件系统的规则来定义文件信息的逻辑结构，由文件系统提供“按名存取”方式来实现对文件
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