操作系统考点划分知识概要整理.docx
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操作系统考点划分知识概要整理
（根据考点划分纯手工整理，不喜勿喷）
第一章概论
1、操作系统的定义：
是一组计算机程序的集合，主要用于控制和管理计算机的硬件和软件资源，合理的组织计算机的工作流程，为用户提供方便、快捷、友好的应用程序使用接口。
主要是两点：
管理资源，向用户提供友好环境
2、功能：
进程管理、存储管理、设备管理、文件管理、网络通信与服务、安全与保护
3、特征：
A、并发性：
两个或两个以上的事件或活动在同一时间间隔内发生。
实质是CPU资源
的时分多路复用，微观上还是顺序执行，宏观上是并发的。
并行：
两个或两个以上的事件或活动在同一时刻发生，宏观和微观都是并发的
注意：
并行的事件或活动一定是并发的，但反之并发的事件或活动未必是并行的。
串行：
内存中每次只能放一道作业，只有它完全执行完后别的作业才能进入内存执行。
B、共享性：
指计算机系统中的资源能够被并发执行的多个进程共同使用。
注意：
并发与共享相互依存，共享是由并发引起，而共享也是支持并发的基础
C、异步性：
也称为随机性，是指多道程序环境中多个进程的执行、推进和完成时间都是随机的、交替的、不可预测的。
D、虚拟性：
指操作系统通过某种技术将一个实际存在的实体变成多个逻辑上的对应体。
4、操作系统的发展
手工操作阶段→批处理系统阶段→多道批处理系统阶段
作业：
是将命令、程序和数据按照预先确定的次序结合在一起，并提交给系统的一个组织单位。
5、分类：
批处理操作系统：
单道，多道批处理操作系统
主要特征：
用户脱机工作、成批处理作业、单/多道程序运行、作业周转时间长
分时操作系统：
特征：
同时性，交互性，独立性，及时性
实时操作系统：
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。
个人操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统
6、接口：
程序接口、操作接口
第一章进程管理
进程：
可并发执行的程序在某个数据集合上的一次执行过程，是操作系统资源分配、保护和调度的基本单位。
线程：
CPU调度的基本单位
1、程序的执行方式
顺序执行：
一个具有独立功能的程序独占处理器直至最终结束的过程。
特性：
顺序性、封闭性、可再现性。
并发与并行：
多个事件在同一时期内发生/多个事件在同一时刻发生。
并行为并发特例。
特性：
间断性、交互性、不可再现性
在单处理器多道程序环境下，在一段时间内有多道程序同时处于活跃状态，每一时刻仅能执行一道程序，微观上这些程序是在交替执行，是串行的；宏观上这些程序都在运行，是并发的。
2、进程的特征：
结构性、动态性、独立性、并发性
3、
进程状态及转换：
三态模型：
就绪状态：
进程在内存中已经具备执行的条件，等待分配CPU。
运行状态：
进程占用CPU并正在执行。
阻塞状态：
也称等待状态。
运行的进程由于发生某事件而放弃CPU。
就绪队列、阻塞队列
五态模型：
七态模型：
挂起：
将其从内存
交换到磁盘上，暂时释放
所占用的部分资源
4、进程控制块PCB（进程存在的唯一标识）
包含：
a、进程标识信息——内部标识符和外部标识符
b、现场信息——进程运行时CPU的即时状态——各寄存器的值
c、控制信息
5、进程的同步与互斥（并发运行的多个进程之间存在两种基本关系：
竞争和协作）
同步：
为完成共同的并发进程基于某个条件来协调其运行进度、执行次序而等待、传递信号或消息而产生的协作制约关系。
互斥：
若干进程因相互竞争独占性资源而产生的竞争制约关系。
临界资源：
在某段时间内只能允许一个进程使用的资源。
临界区：
访问临界资源的代码段。
进程同步机制（P38）
a、信号量机制
信号量：
在这一体制下，进程在某一特殊点上被迫停止执行（阻塞）直到接收到一个对应的特殊变量值，这种特殊变量就是信号量。
P操作和V操作原语的功能：
P（s）：
将信号量s的值减l，若结果小于0，则调用P（s）的进程被阻塞，并进入信号量s的阻塞队列中；若结果不小于0，则调用P（s）的进程继续运行
V（s）：
将信号量s的值加1，若结果不大于0，则调用V（s）的进程从该信号量阻塞队列中释放、唤醒一个处于等待状态的进程，将其转换为就绪状态，调用V（s）的进程继续运行；若结果大于0，则调用V（s）的进程继续运行。
6、
进程调度：
三级调度：
高级调度（作业调度）、中级调度（平衡调度）、低级调度（进程调度）
参数：
带权周转时间：
= 周转时Ti/运行时间Tsi，
（总大于1）
平均周转时间T=（Σti）/n
平均带权周转时间W=（Σwi）/n
7、调度算法
A、先来先服务（FCFS）
按进程就绪的先后顺序来调度，到达得越早，就越先执行。
获得CPU的进程，未遇到其它情况时，一直运行下去，是一种非抢占式算法。
没有考虑执行时间长短、运行特性和资源的要求。
短作业优先结果
B、短作业优先（SJF）
以进入系统的作业所要求的CPU服务时间为标准，总选取估计所需CPU时间最短的作业优先投入运行。
C、最短剩余时间优先
若一就绪状态的新作业所需的CPU时间比当前正在执行的作业剩余任务所需CPU时间还短，SRTF将打断正在执行作业，将执行权分配给新作业。
【例2-3】作业A、B、C、D需要运行的时间分别为20ms、15ms、10ms、5ms。
A作业在0ms到达，B作业在1ms到达，C作业在2ms到达，D作业在3ms到达。
计算SRTF调度下作业的平均周转时间和平均带权周转时间
A、B、C、D作业的周转时间分别为50ms、30ms、15ms、5ms。
平均周转时间为（50 + 30 + 15 + 5）/4 = 25.00ms。
A、B、C、D作业的带权周转时间为分别为2.5、2、1.5、1。
平均带权周转时间为（2.5 + 2 + 1.5 + 1）/4=1.75。
D、
高响应比优先
响应比＝1+（已等待的时间/估计运行时间）
8、死锁
产生的原因：
a、并发进程对临界资源的竞争
b、并发进程推进顺序不当
产生的必要条件：
互斥条件——资源的使用是互斥的。
请求与保持条件——已经得到某些资源的进程可以再申请新的资源。
不剥夺条件——系统或其它进程不能剥夺进程已经获得的资源。
进程ID
Claim
Possession
Shortage
Available
A，B，C
A，B，C
A，B，C
A，B，C
P0
7，5，3
0，1，0
7，4，3
3，3，2
P1
3，2，2
2，0，0
1，2，2
P2
9，0，2
3，0，2
6，0，0
P3
2，2，2
2，1，1
0，1，1
P4
4，3，3
0，0，2
4，3，1
环路等待条件——系统中若干进程间形成等待环路。
银行家算法：
【P65】假设系统中有5个进程{P1，P2，P3，P4，P5}，3类系统资源{A，B，C}，各拥有资源
数{10，5，7}。
T0时刻系统状态如表2.8所示。
第二章内存管理
1、逻辑地址与物理地址的转换
静态重定位：
这种方式是在用户作业装入内存时由装入程序（装配程序）实现从逻辑地址到物理地址的转换，地址转换在作业执行前一次完成。
优点：
实现简单，从逻辑地址到物理地址变换不需要专门的硬件便能完成；
缺点：
是必须为程序分配一段连续的存储空间，并且程序在执行过程中不能在内存中移动。
动态重定位：
程序执行过程中，CPU在访问程序和数据之前才实现地址转换。
优点：
内存的使用更加灵活，容易实现内存的动态扩充和共享；
缺点：
是实现过程中需要附加硬件支持，内存的管理也更加复杂。
2、固定分区内存管理
固定分区：
预先把可分配的内存空间分割成若干个大小固定的连续区域，每个区域的大小可以相同，也可以不同，每个区域称为一个分区。
（每个分区可以装入且只能装入一个用户作业）
分区的划分：
a、大小相等：
所有分区的大小都相等
缺点：
因为分区大小都一样，所以较小的进程装在分区里会浪费内存，
而较大的进程则无法装入内存运行。
b、分区大小不等：
把可分配的内存空间分割为大小不等的多个分区，大的分区
可以分配给大的进程，小的分区可以分配给小的进程。
更加灵活
优点：
系统资源的利用率和吞吐量有一定的提高。
缺点：
内存空间的利用率不高；由于每个分区大小固定，限制了可容纳的程序的大小。
3、可变分区的内存管理（内存分配算法）
（1）最先适应分配算法：
每次分配时，总是从头顺序查找未分配区表或空闲区链表，将找到
的第一个能满足长度要求的空闲区分配给用户作业使用。
从该空闲分区中分割一部分给作业，另一部分仍作为空闲分区；如果空闲分区全部查找完也不能满足该作业要求，则系统不能为该作业分配内存。
低地址段的空闲分区被不断分割，形成了许多小的、难以利用的空闲分区，这样的小空闲分区称为“碎片”。
（2）循环首次适应分配算法：
为作业分配内存时，系统不是从空闲分区表的开始处开始查找，而是从上次为作业分配分区后的位置开始查找，找到第一个满足作业大小的空闲分区，分配并分割该空闲分区。
（空闲分区的分布更加均匀，查找空闲分区所需要的时间更短）
（3）最优适应分配算法：
从空闲区中挑选一个能满足作业要求的最小分区，这样可以避免分割一个更大的区域，使大作业比较容易装入。
（把空闲区按长度以递增顺利排列，查找时总是从最小的一个区开始，直到找到一个满足要求的区为止）
（在回收一个分区时也必须对空闲区链重新排列）
（4）最坏适应分配法：
从空闲区中挑选一个最大的区给作业使用，这样可使分割后剩下的空闲区仍然比较大，任然能满足以后的作业装入要求，也减少了内存中“碎片”的大小和个数。
（采用这种分配算法时可把空闲区按长度以递减顺序排列。
缺点：
随着系统的运行，大空闲区会不断减少，这样，大的作业可能会无法装入内存）
（5）快速适应算法：
把不同长度的空闲区归类，为每种长度的空闲区设立单独的空闲区链表。
这样，系统中咎存在多个空闲分区链。
（P85）
缺点：
回收分区较困难，算法复杂，系统开销大。
对比分析：
1、从搜索空闲区速度及内存利用率来看，最先适应分配算法、循环首次适应分配算法和最优适应算法比最坏适应算法性能好。
2、空闲区按从小到大排列，则最先适应分配算法=最优适应分配算法。
3、空闲区按从大到小排列，则最先适用分配算法=最坏适应分配算法。
4、最优适应分配算法的内存利用率最好，因为，它把刚好或最接近申请要求的空闲区分给作业；但是它可能会导致空闲区分割下来的部分很小。
4、页式存储管理
页：
将用户进程的逻辑地址空间划分为大小相等的区，每一个区称为一页或一个页面，并对各页从0开始编号，如第0页、第1页等。
物理块：
将物理内存也划分成与页大小相等的区，每一个区称为一个物理块，或称为块、页框，也同样对它们加以编号，如0号块、1号块等。
物理块的尺寸大小通常会取2的幂次。
物理块的大小由计算机硬件决定，页的大小由物理块的大小决定。
（物理快的大小=页面大小）
逻辑地址形式：
进程的逻辑地址可以用页号和页内偏移表示。
例如：
每页大小4096B，那么页内偏移要占用其逻辑地址的低12位，从0位开始到11位结束。
逻辑地址剩余的高20位用来表示页号，从12位开始到31位结束，这样最多允许有220（1M）个页面。
如果进程的逻辑地址是A，页面大小是L，则页号P和页内偏移d为：
其中INT表示求整数，MOD表示求余数。
例如：
某计算机系统每页大小为1KB（1024），计算逻辑地址2345（十进制）的页号和页内偏移：
L =1024，A =2345
P =INT[2345/1024]=2
d=[2345]MOD1024=297
这就表示逻辑地址2345处于2号页面，页内偏移为297。
5、页式存储管理内存分配
以物理块为单位进行分配，一个作业有多少页，在装入内存时就必须给它分配多少个物理块。
但是，和分区式内存管理不同的是分配给作业的物理块可以是不连续的。
页表用来指出逻辑地址中的页号与内存中物理块号的对应关系。
图3.16进程的页表
某进程的页表如图3.16所示，页面大小为1K，则逻辑地址2345在第2号页面，页内偏移为297。
查找页表，得到该页在内存中的块号为4，块号乘块长为4096，该逻辑地址在内存中的物理地址为4096加上块内偏移，页内偏移即等于块内偏移，为297。
所以，物理地址为4096加297，即4393。
6、页式存储管理的地址转换
当处理器给出某个需要访问的逻辑地址时，地址转换机构自动地从逻辑地址的低地址部分得到页内偏移，从高地址部分得到页号。
将页号与页表寄存器中的页表长度进行比较，如果页号大于或等于页表长度，表示该页在页表中没有相应项，本次所访问的地址已经超越进程的地址空间，会产生地址越界中断；否则，从页表寄存器得到页表在内存中的起始地址。
图3.17页式存储管理的地址转换机构
将页号和页表项长度的乘积再加上页表的起始地址，得到该页的页表项在页表中的位置，从而可以查到该页在内存中的物理块号。
最后，将页内偏移装入物理地址寄存器的低位字段中，将物理块号装入物理地址寄存器的高位字段中，此时物理地址寄存器中的内容就是地址转换机构给出的物理地址，如图3.17所示。
7、多级页表、快表（P90）
二级页表的逻辑地址被划分为三部分：
页目录、页表页、页内偏移
首先由页目录表寄存器（相当于页表寄存器）提供当前运行进程的页目录表（一级页表）在内存中的起始地址；由页目录表（一级页表）在内存中的起始地址加上页目录号（即需要查找的页表某页在页目录中的编号）,得到页表某页的物理块号；通过页表某页的物理块号得到该页表页（二级页表中的一页），由页表页号（某页在页表页中的编号）查询该页表页（二级页表中的一页）项，得到对应的物理块号；最后将该物理块号加上页内偏移，最终得到物理地址。
二级页表的地址转换过程如图3.19所示。
（如何将逻辑地址转化成物理地址？
页号和页内偏移量与所占位数的关系？
）
例3、一个32位地址的计算机系统使用二级页表，虚拟地址为顶级页表占9位，二级页表占11位。
请问：
页面长度为多少？
虚拟地址空间有多少个页面？
8、段式存储管理
一个程序往往由一个程序段、若干子程序数组段和工作区段所组成，每个段都从“0”开始编址，段内地址是连续的。
段号
段内偏移
分段式存储管理是以段为单位进行内存分配，逻辑地址空间是一个二维空间，分为段号和段内偏移两部分，如下所示。
如：
段号占3位，段内地址占13位，也就是一个作业最多可分8段，每段的长度最大8K字节。
9、分段和分页的比较
段是信息的逻辑单位，由源程序的逻辑结构所决定，用户可见，段长可根据用户需要来规定，段起始地址可以从任何地址开始。
在分段方式中，源程序（段号，段内偏移）经连结装配后仍保持二维结构。
页是信息的物理单位，与源程序的逻辑结构无关，用户不可见，页长由系统确定，页面只能以页大小的整倍数地址开始。
在分页方式中，源程序（页号，页内偏移）经连结装配后变成了一维结构。
10、段页式存储管理
基本原理:
A．程序根据自身的逻辑结构划分成若干段，这是段页式存储管理的段式特征。
B．内存的物理地址空间划分成大小相等的物理块，这是段页式存储管理的页式特征。
C．将每一段的线性地址空间划分成与物理块大小相等的页面，于是形成了段页式存储管理。
D．逻辑地址分3个部分：
段号、段内页号和页内位移，其形式为：
段号（s）
段内页号（p）
页内位移（d）
对于用户来说，虚拟地址应该由段号s和段内位移d’组成，用户看不到如何分页。
而是由操作系统自动把d’解释成两部分：
段内页号p和页内位移d，也就是说，d’=p×块长+d。
11、虚拟存储技术
将外存作为内存的补充，从逻辑上扩充内存。
实现基础是内存的分页或分段管理，采用的是进程的分页或分段在内存与外存之间对换。
程序的局部性原理：
顺序性、局限性、多次性、独立性
基本思想：
将外存作为内存的扩充，作业运行不需要将作业的全部信息放入内存，将暂时将不运行的作业信息放在外存，通过内存与外存之间的对换，使系统逐步将作业信息放入内存，最终达到能够运行整个作业，从逻辑上扩充内存的目的。
12、
请求分页虚拟存储管理（☆页面置换算法☆）
是在页式存储管理的基础上增加了请求调页和页面置换功能。
基本原理：
首先，物理的内存空间被划分为等长的物理块，并对块编号。
同时，用户程序也进行分页，这些与页式存储管理相同。
在用户程序开始执行前，不将该程序的所有页都一次性装入内存，而是先放在外存。
当程序被调度投入运行时，系统先将少数页装入内存，随着程序运行，如果所访问的页在内存中，则对其管理与分页存储管理情况相同。
页面置换算法：
影响缺页率的因素：
1）进程分得的内存物理块数越多，缺页率越低。
2）划分的页面越大，缺页率越低。
3）如果程序局部性好，则缺页率低。
4）如果选取的置换算法优，则缺页率低。
先进先出（FIFO）
总是选择最先进入内存的页面或驻留时间最长的页面先淘汰。
优点：
开销低、容易编程实现，适合于线性顺序特性好的程序。
缺点：
没有考虑到页面的访问频率，很可能刚被换出的页面马上又要被访问，缺页率偏高。
例：
某进程的页面访问序列为：
601203052303212011601，操作系统为该进程分配了三个内存物理块。
FIFO页面置换过程如图3.30所示。
缺页12次（最先进入的3个页面是正常调入，不是缺页调入），缺页率：
12/21。
最佳页面置换算法（OPT）
将来最长时间不用的页面被淘汰（看后方，即将使用的页面中，将排在最后的更换）
缺页6次，缺页率6/21
只是一种理想化的页面调度算法，很难实现。
该算法可以作为评判其它的置换算法的准则。
最近最久未使用页面置换算法（LRU）
向前看，最久未使用的淘汰。
缺页9次，缺页率为9/21。
第三章设备管理
主要指除CPU和内存之外的设备的分配、控制、管理和回收。
1、设备控制方法
A、程序循环查询方式（占用CPU时间最多）
B、中断驱动方式
引入中断机构是为了消除设备驱动程序不断地轮询控制器状态寄存器的开销，当I/O操作结束后，由设备控制器“自动地”通知设备驱动程序。
C、直接内存访问方式（DMA方式）
三个特点：
a、是数据传输的基本单位是数据块，即每次传送至少一个数据块；
b、是所传送的数据是从设备直接送入内存，或者直接读出内存的；
c、是在传输时CPU参与更少，仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。
D、通道方式
可进一步减少CPU的干预，即把对一个数据块的读（或写）为单位的干预，减少为对一组数据块的读（或写）及有关的控制和管理为单位的干预。
2、缓冲技术
为了协调吞吐速度相差很大的设备之间数据传送而采用的技术。
原理：
？
作用：
（优点）
A、它能改善中央处理器与外围设备之间速度不匹配的矛盾，提高CPUI/O设备的并行性。
B、它能减少I/O对CPU的中断次数和放宽对CPU中断响应时间的要求。
C、缓冲技术还能协调逻辑记录大小与物理记录大小不一致的问题。
分为：
硬件缓冲、软件缓冲
根据缓冲区个数的多少和结构分为：
单/双/多缓冲、循环缓冲、缓冲池（P127）
3、I/O系统的软件层次，设备独立性
设备独立性：
也称为设备无关性，是指在用户程序中不要直接使用物理设备名（或设备的物理地址），而只能使用逻辑设备名。
优点：
使得设备分配更加灵活，提高了设备的利用率。
可以实现I/O重定向。
所谓I/O重定向是指可以更换I/O操作的设备而不必改变应用程序。
软件层次：
4、设备分配
设备信息描述：
（包括）系统设备表、设备控制表、控制器控制表、通道控制表
SPOOLing技术：
（P135）
功能特点：
（1）提高了I/O的速度，缓和了高速的处理器与低速输入输出设备之间的矛盾。
（2）将独占设备改造为共享设备，提高了设备的利用率。
（3）实现了虚拟设备功能，将物理的单个设备变换为多个对应的逻辑设备。
第四章文件系统
1、文件系统
文件：
存储在外部存储介质上的、有文件名标识的一组相关信息的集合。
（体现了操作系统的一种抽象机制，把数据组织成文件形式加以管理和控制。
）
概念：
操作系统中与文件管理有关的那部分软件和被管理的文件，以及实现管理所需要的一些数据结构的总体。
功能：
A、实现文件的“按名存取”功能；
B、实现能够快速定位文件的目录结构，如树形目录；考虑如何组织目录文件，即目录项的设计和文件控制块的存储组织方法，这也直接影响到检索文件的速度；
C、向用户提供一套使用方便、简单的操作命令；
D、管理磁盘、磁带等组成的文件存储器；
E、实现逻辑文件到物理文件的转换；
F、保证文件信息的安全可靠；
G、便于文件的共享。
2、文件的逻辑结构
A、流式文件
指文件内的数据不组成记录，只是依次的一串信息集合，如字节流或字符流。
如用户作业的源程序就是一个顺序字符流。
B、记录式文件
是一种有结构的文件，它是指文件中的数据由若干条定长或不定长的记录构成，每条记录又有若干数据项构成。
1）、顺序文件：
记录之间按某种顺序排列组织所形成的文件
a、顺序存取b、直接存取
2）、索引文件
3、文件的物理结构
A、连续文件：
是基于磁带设备的最简单的物理结构，也是和其他各种外存设备。
优点：
在顺序存取时速度较快，非常便于顺序访问。
常用于存放系统文件。
缺点：
a、要求建立文件时就确定它的长度，依此来分配相应的存储空间，难实现；
b、不便于文件的动态扩充；
c、可能出现外部碎片，就是在存储介质上存在很多不连续的空闲快，无法被连续文件使用，造成浪费；
d、不能灵活的删除和插入记录。
B、链接文件：
通过每个物理快上的链接指针将同属于一个文件的多个离散的盘块链接成一个链表的组织形式，实现了离散分配。
a、隐式链接：
每个物理快自身存放下一物理快的链接指针。
缺点：
1）、只适合顺序访问，对随机访问是极其低效的；
2）、每个物理块上增加了一个链接信息，为信息管理添加了一些麻烦；
3）、通过链接指针将一大批离散的物理块链接起来，可靠性差，只要其中任何一个指针出现问题，都会导致整个文件信息丢失或出错。
b、显式连接
把用于链接文件的各物理块指针显式地放在内存的一张表格中，表格的序号是物理
块号，从0开始，直到N-1，N为整个磁盘的盘块的总数，表格的每个表项中存放链接指针及下一个盘块号。
缺点：
不支持高效的直接存取，对一个较大的文件进行存取时，须在文件分配表（FAT）中顺序的查找许多盘块号；此外FAT表本身需要占用较大的内存空间。
C、索引文件
索引结构是实现非连续分配的另一种方法，这种分配方法也成为索引分配，适用于数据记录保存在磁盘上的文件。
优点：
具备链式文件的优点且克服了其缺点。
缺点：
索引表增加了空间和时间的开销；不适合中小型文件，对其会有空间浪费。
4、文件目录
文件控制块：
为了能对文件进行正确的存取，必须为文件设置用于描述和控制文件的数据结构。
文件目录：
为了加快文件的查找速
升级会员 