操作系统课程复习1讲解.docx
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操作系统课程复习1讲解
操作系统课程复习
操作系统定义：
计算机操作系统是方便用户、管理和控制计算机软硬件资源的系统软件（或程序集合）。
操作系统的五大功能：
作业管理、文件管理、存储管理、设备管理和进程管理。
P11
操作系统五大类型：
批处理、实时、分时、网络、分布
1、操作系统基本概念p2见定义
2、用户接口，每种接口的含义p13
程序一级的接口：
提供一组广义指令供用户程序和其他系统程序调用。
作业一级的接口：
提供一组控制操作命令供用户去组织和控制自己作业的运行。
3、批处理技术、分时系统、实时系统p8,p9
批处理系统主要特征：
1用户脱机使用计算机2成批处理3多道程序运行。
优点是提高系统资源的利用率和作业吞吐量；缺点是无交互性，批处理导致的作业周转时间长和用户使用不方便。
分时系统与实时系统：
分时系统通用性强，交互性强，及时性要求一般（通常数量级为秒）；实时系统往往是专用的，系统与应用很难分离，常常紧密结合在一起，实时系统并不强调资源利用率，而更关心及时性（通常数量级为毫秒或微秒），可靠性等。
4、操作系统的基本特征
并发，共享，虚拟，异步
5、并发和并行的概念、区别
程序并发与程序并行：
程序并发是指多道程序在宏观上同时向前推进，如用户程序与用户程序之间的并发执行；用户程序与操作系统程序之间并发执行等。
程序并行与程序并发完全不相同，并行要求微观上的同时，即在绝对的同一时刻同时推进多道程序。
并发实质上宏观上并行，而微观上串行的意思。
进程管理
进程的概念、特征,结构、基本状态p45
概念：
并发执行的程序在执行过程中分配和管理资源的基本单位。
特征结构：
1动态性:
进程的实质是程序的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的。
2并发性:
任何进程都可以同其他进程一起并发执行
3独立性:
进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位;
4异步性:
由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进
5结构特征:
进程由程序、数据和进程控制块三部分组成。
基本状态：
初始态，执行状态，等待状态，就绪状态，终止状态
进程调度算法：
先来先服务（FCFS）、轮转法（RR）、优先数法、多级反馈轮转法
P、V操作算法
进程同步、互斥、死锁、临界区、信号量、信号、共享缓冲区，管道。
多道程序设计：
指在计算机内存中同时存放多个程序，在管理程序的控制下交替的执行。
进程：
进程是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。
它是操作系统动态执行的基本单元，在传统的操作系统中，进程既是基本的分配单元，也是基本的执行单元。
在采用微内核结构的现代操作系统中，进程的功能发生了变化：
它只是资源分配的单位，而不再是调度运行的单位，其调度运行的基本单位是线程
6、进程的概念、进程和程序的区别p39
概念：
并发执行的程序在执行过程中分配和管理资源的基本单位。
1进程是个动态概念而程序时一个静态概念
2进程具有并发特征而程序没有
3进程是竞争计算机系统资源的基本单位，从而其并发性受到系统自己的制约。
4不同的进程可以包含同一程序，只要该程序所对应的数据集不同。
7、进程的基本状态（就绪、执行、等待）及不同状态之间转换的条件p45
基本状态：
初始态，执行状态，等待状态，就绪状态，终止状态
就绪
调度因等待事件发生而唤醒
时间片到
执行等待
等待某个事件发生而睡眠
8、进程控制、PCB和进程的关系，是进程存在的唯一标志p41
因为PCB包含了进程的描述信息和控制信息及资源信息，有些系统中海油进程调度等待所使用的现场保护区，是进程的动态特征的集中反映。
创建进程时先创建PCB，进程完成其功能后，系统则释放PCB，进程也随之消亡。
9、用户态和系统态、进程上下文
进程上下文：
进程执行活动全过程的静态描述进程。
组成：
上下文由进程的用户地址空间内容、硬件寄存器，内容及与该进程相关的核心数据结构组成。
把已执行过的进程指令和数据在相关寄存器与堆栈中的内容称为上文，把正在执行的指令和数据在寄存器与堆栈中的内容称为正文，把待执行的指令和数据在寄存器与堆栈中的内容称为下文。
用户态和系统态：
进程的执行过程划分为用户执行状态（简称用户态）和系统执行状态（简称为系统态或者核心态）。
进程的用户端执行时，进程处于用户态，而一个进程的系统程序段执行时，该进程处于系统态。
区分二者的目的是有利于程序的共享和保存。
10、临界资源、临界区、直接制约、间接制约、互斥概念p48,p49,p50
临界资源：
一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。
临界区：
每个进程中访问临界资源的那段程序称为临界区（临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源）。
每次只准许一个进程进入临界区，进入后不允许其他进程进入。
直接制约：
一组在异步环境下的并发进程，各自的执行结果互为对方的执行条件，从而限制各进程的执行速度的过程。
间接制约：
把由于共享某一公共资源而引起的在临界区内不允许并发进程交叉执行的现象称为共享公有资源而造成的对并发进程执行速度的间接制约，简称间接制约。
互斥：
不允许两个以上的共享该资源的并发进程同时进入临界区称为互斥。
11、互斥的加锁实现p212
当某个程序进入临界区之后，将它锁上临界区，直到它退出临界区时为止。
12、信号量和P、V原语p51,p52,
信号量sem大于等于0时代表可供并发进程使用的资源管理；或表示可使用资源的进程数；；sem＜0时，-sem表示等待使用资源的进程个数；或表示等待进入临界区的进程个数；
P,V原语：
改变信息量数值。
p原语操作的动作：
（1）sem减1.
（2）若sem减1后仍大于或等于零，则p原语返回，该程序继续执行
（3）若sem减1后小于0，则该进程被阻塞后进入与该信号想对应的队列中你让转进程调度。
V原语操作的动作：
（1）sem加1
（2）若相机结果大于0，v原语停止执行，该进程返回调用处，继续执行。
（3）若相加结果小于等于0，则从该信号的等待队列中唤醒一个等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。
13、利用P、V原语实现进程互斥p215
把临界区置于P（sem）和V（sem）之间。
描述：
PA：
P（sem）
V（sem）
...
PB
P（sem）
V（sem）
...
14、进程同步的概念
把异步环境下的一组并发进程因直接制约而互相发送消息而进行互相合作、互相等待，使得各进程按一定的速度执行的过程称为进程的同步。
15、私有和公有信号量的含义p218
称进程间的同步时使用的信号量为私有信号量。
称互斥时使用的信号量为公有信号量。
16、生产者消费者问题，哲学家进餐问题，读者写者问题p219,p220
17、进程通信，进程的同步和互斥属于低级通信p222
进程通信4种形式：
主从式，会话式，消息或邮箱机制，共享存储区方式。
低级通信：
程序间控制信息的交换称为低级通信。
高级通信：
进程间大批量数据的交换称为高级通信。
18、死锁的概念69
死锁：
指各并发进程彼此互相等待对方所拥有的资源，且这些并发进程在得到对方的资源之前不会释放自己所拥有的资源。
从而造成大家都想得到资源而又都得不到资源，各并发进程不能继续向前推进的状态
19、产生死锁的原因p69
是并发进程的资源竞争。
20、死锁的四个必要条件p69
互斥条件2.不剥夺条件3.部分分配4.环路条件
21、死锁的解决方案：
预防、避免及检测与恢复；银行家算法属于死锁避免算法p70
预防、避免及检测与恢复；银行家算法属于死锁避免算法
22、线程的概念，p72
线程是指进程内的一个执行单位，是进程的一部分。
23、作业调度、交换调度、进程调度、线程调度
作业调度P82功能：
记录系统中各作业的状况；从后备作业队列中挑选一批作业进入执行状态；为被选中的作业分配资源建立进程，并在作业执行结束后释放所占用法的资源等。
目标：
1.对所有作业应该是公平合理的。
2.应使设备有高的利用率。
3.每天执行尽可能多的作业。
4.有快的响应时间。
交换调度
进程调度功能：
1.记录系统中所有进程的执行情况；
2.选择占有处理机的集成；
3.进行进程上下文切换。
线程调度
24、周转时间，平均周转时间，响应比p83,p90
周转时间：
Ti=Tei-Tsi
平均周转时间：
T=
响应比：
（W+T）/T=1+W/T
25、调度算法P86
先来先服务（FCFS）、最短作业优先法（SJF）、最高响应比优先法（HRN）、定时轮转法、优先级法、多级反馈轮转法。
26、逻辑地址、物理地址
逻辑地址是指用户程序经编译后，每个目标模块以0为基地址进行的顺序编址。
逻辑地址又称相对地址。
物理地址是指内存中各物理存储单元的地址从统一的基地址进行的顺序编址。
物理地址又称绝对地址，它是数据在内存中的实际存储地址。
27、地址重定位，静态和动态p102
可重定位地址：
当含有它的程序被重定位时将随之被调整的一种地址。
重定位：
把逻辑地址转变为内存的物理地址的过程。
静态重定位：
是在虚拟空间程序执行之前由装配程序完成映射工作。
动态重定位：
是在程序执行过程中，在cpu访问内存之前，酱要访问的程序或数据地址转换成内存地址。
28、内存扩充，覆盖技术和交换技术P113
内存扩充P112：
由于防区式管理时各用户进程或作业所要求的内存容量受到分区大小的限制，如果不采用内存扩充技术，将会极大地限制分区式管理技术使用。
覆盖技术：
由于CPU在某一时刻只能执行一条指令，所以一个作业不需要一开始就全装入内存，于是将作业的常驻部分装入内存，而让那些不会同时执行的部分共享同一块内存区，后调入共享区的内容覆盖前面调入的内容。
交换技术：
在多道系统中，对换是指系统把内存中暂时不能运行的某部分作业写入外存交换区，腾出空间，把外存交换区中具备运行条件的指定作业调入内存,并让其执行的一种技术。
29、分区存储管理P106
分区管理的基本原理是给每一个内存中的进程划分一块适当大小的存储区，以连接存储各继承的程序和数据，是个进程得以并发执行。
30、页式存储管理P115，抖动原因P131
页式存储管理：
各进程的虚拟空间被划分为若干个长度为相等的页。
页长的划分和内存、外存之间的数据传输速度和内存大小有关。
抖动原因：
当给进程分配的内存小于所要求的工作集中时，由于内存与外存之间交换频繁，访问外存时间和输入、输出处理时间大大增加，反而造成CPU因等待数据空转，使得整个系统性能大大下降，造系统抖动。
31、段式和段页式存储管理
设备管理：
设备管理的任务和功能：
分配设备、控制和实现输入输出操作、管理输入输出缓冲区、实现虚拟设备技术
引入缓冲的目的
设备分类
设备I/O方式：
询问、中断、通道
32、设备的种类
按资源分配管理的特点，输入输出设备可分为独享设备、共享设备和虚拟设备三类。
独享设备：
即不能共享的设备，一段时间只能由一个作业独占。
如打印机、读卡机、磁带机等。
所有字符型输入输出设备原则上都应是独享设备。
共享设备：
可由若干作业同时共享的设备，如磁盘机等。
共享分配技术保证多个进程可以同时方便地直接存取一台共享设备。
共享提高了设备的利用率。
块设备都是共享设备。
虚拟设备：
利用某种技术把独享设备改造成多台同类型独享设备或共享设备。
虚拟分配技术就是利用独享设备去模拟共享设备，从而使独占设备成为可共享的、快速I/O的设备。
实现虚拟分配的最有名的技术是SPOOLing技术，即假脱机技术。
33、数据传送控制方式
三种：
程序直接控制方式、中断控制方式、通道方式。
34、中断技术
中断指当主机接到外部信号（如设备完成信号）时，马上停止原来的工作，考虑去专门处理这一事件，处理完毕后，主机又回到原来的断点继续工作。
中断源是引起中断发生的事件。
中断响应指发生中断时，CPU做的现场保护等工作，包括记录当前运算结果，记录当前各寄存器的状态等工作。
中断屏蔽指在中断请求产生后，系统用软件的方式有选择地封锁部分中断而允许其余部分中断仍能得到响应。
开中断后，系统就可以响应其他的中断了，关中断后，系统不响应其他的中断除非优先级高的中断。
35、通道技术
通道是一种专用处理部件，它能控制一台或多台外设工作，负责外部设备和储存之间的信息传输。
它一旦被启动就能独立于CPU运行，这样可使CPU和通道并行操作，而且CPU和各种外部设备也能并行操作。
36、缓冲技术
缓冲指缓冲存储器。
为了匹配外设与CPU之间的处理速度，为了减少中断次数和中断处理时间，也是为了解决DMA或通道方式时的瓶颈问题，在设备管理中引入了用来暂存数据的缓冲技术。
37、设备的独立性、设备分配原则和策略
进程申请设备时，应当指定所需设备的类别，而不是指定某一台具体的设备，系统根据当前请求以及设备分配情况在相应类别的设备中选择一个空闲设备并将其分配给申请进程，这称作设备的独立性。
设备分配的原则是根据设备特性、用户要求和系统配置情况决定的。
设备分配的总原则是既要充分发挥设备的使用效率，尽可能的让设备忙，但又要避免由于不合理的分配方法造成进程死锁；另外还要做到把用户程序和具体物理设备隔离开来，即用户程序面对的是逻辑设备，而分配程序将在系统把逻辑设备转换成物理设备之后，再根据要求的物理设备号进行分配。
设备分配策略：
先请求先分配，优先级高者先分配。
38、设备分配的数据结构
设备控制表，系统设备表，控制器表，通道控制表
39、虚拟设备、SPOOL技术
虚拟设备：
是指通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供若干个用户进程使用，通常把这种经过虚拟技术处理后的设备称为虚拟设备。
SPOOLING技术：
通过使用输入输出井来实现设备的虚拟，当有多个作业要求使用同一台物理设备时，Spooling系统在同时满足各个作业要求的同时，将各个作业发送来的相关数据在输入输出井中申请空间并将其存储，输入输出进程为各个作业申请一张空白的操作表，将各个作业的操作要求填入其中，将操作表挂到实际物理设备的操作队列上等待被响应。
这样Spooling系统就使得各个作业在逻辑上面独占了该物理设备，实现了设备的虚拟。
40、文件和文件系统概念
文件：
一组赋名的相关联字符流的集合
文件系统：
操作系统中与管理文件有关的软件和数据
41、透明存取概念
透明存取就是指存取资源和资源的位置无关，不仅保证一个进程可以从另一台机器上迁移到另一台机器上运行，而且可以将一个任务分解后，使用各个子任务在不同机器上并行运行。
42、文件的逻辑组织
是用户可见结构，分为字符流式的无结构文件和记录式的有结构文件
常见的有结构文件：
连续结构、多重结构、转置结构、顺序结构
43、常见的文件存取方式
顺序存取方式
随机存取方式
按关键字存取方式
44、文件的物理组织
指文件在存储设备上的存放方法
常见：
连续文件、链接文件、索引文件、多重索引文件，
45、文件目录，一级目录、二级目录和树形目录
文件目录：
把所有的FCB组织在一起，就构成了文件目录，即文件控制块的有序集合
目录项：
构成文件目录的项目（目录项就是FCB）
目录文件：
为了实现对文件目录的管理，通常将文件目录以文件的形式保存在外存，这个文件就叫目录文件
46、文件共享,保密和保护概念
文件共享：
不同的用户共同使用一个文件
保密：
未经文件拥有者许可，任何用户不得访问该文件
保护：
文件本身需要放置文件的拥有者本人或其他用户破坏文件内容
银行家算法：
设系统中有4个进程P1，P2，P3和P4.在某一时刻系统状态如下：
最大需求量已分配资源量
P162
P274
P332
P420
剩余资源量1
（1）系统是否处于安全状态？
如是，则给出所有的进程安全序列.
（2）如果进程P4申请1个资源，能否实施分配？
为什么？
Page108
短作业优先，三个作业都到达时刻开始调度。
作业号提交时刻开始时刻执行时间完成时间周转时间
110：
0012：
38214.3804:
38
210：
2011：
38112.3802:
18
310：
4011：
080.511.3800:
58
410：
5010：
500.311:
0800:
18
T＝（4*60+38+2*60+18+58+18）／60/4=2.05
W=（2.317+2.3+1.933+1）4=1.89
书上
1、简述操作系统的定义。
操作系统是计算机系统的一种系统软件，它统一管理计算机系统的资源和控制程序的执行。
2、在多道程序设计技术的系统中，操作系统怎样才会占领中央处理器？
只有当中断装置发现有事件发生时，它才会中断当前占用中央处理器的程序执行，让操作系统的处理服务程序占用中央处理器并执行之。
3、简述“删除文件”操作的系统处理过程。
用户用本操作向系统提出删除一个文件的要求，系统执行时把指定文件的名字从目录和索引表中除去，并收回它所占用的存储区域，但删除一个文件前应先关闭该文件。
4、对相关临界区的管理有哪些要求？
为了使并发进程能正确地执行，对若干进程共享某一变量（资源）的相关临界区应满足以下三个要求：
①一次最我让一个进程在临界区中执行，当有进程在临界区中时，其他想进入临界区执行的进程必须等待；②任何一个进入临界区执行的进程必须在有限的时间内退出临界区，即任何一个进程都不应该无限逗留在自己的临界区中；
③不能强迫一个进程无限地等待进入它的临界区，即有进程退出临界区时应让下一个等待进入临界区的进程进入它的临界区。
5、简述解决死锁问题的三种方法。
①死锁的防止。
系统按预定的策略为进程分配资源，这些分配策略能使死锁的四个必要条件之一不成立，从而使系统不产生死锁。
②死锁的避免。
系统动态地测试资源分配情况，仅当能确保系统安全时才给进程分配资源。
③死锁的检测。
对资源的申请和分配不加限制，只要有剩余的资源就呆把资源分配给申请者，操作系统要定时判断系统是否出现了死锁，当有死锁发生时设法解除死锁。
6、从操作系统提供的服务出发，操作系统可分哪几类？
批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统。
7、简述计算机系统的中断机制及其作用。
中断机制包括硬件的中断装置和操作系统的中断处理服务程序。
中断装置由一些特定的寄存器和控制线路组成，中央处理器和外围设备等识别到的事件保存在特定的寄存器中，中央处理器每执行完一条指令，均由中断装置判别是否有事件发生。
若无事件发生，CPU继续执行；若有事件发生，则中断装置中断原占有CPU的程序的执行，让操作系统的处理事件服务程序占用CPU，对出现的事件进行处理，事件处理完后，再让原来的程序继续占用CPU执行。
8、选择进程调度算法的准则是什么？
由于各种调度算法都有自己的特性，因此，很难评价哪种算法是最好的。
一般说来，选择算法时可以考虑如下一些原则：
①处理器利用率；②吞吐量；③等待时间；④响应时间。
在选择调度算法前，应考虑好采用的准则，当确定准则后，通过对各种算法的评估，从中选择出最合适的算法。
9、独占设备采用哪种分配方式？
独占设备通常采用静态分配方式。
即在一个作业执行前，将作业要使用的这类设备分配给作业，在作业执行期间均归该作业占用，直到作业执行结束才归还。
10、产生死锁的原因是什么？
①系统资源不足；②进程推进顺序不合适。
在早期的系统中，由于系统规模较小，结构简单，以及资源分配大多采用静态分配法，使得操作系统死锁问题的严重性未能充分暴露出来。
但今天由于多道程序系统，以至于数据系统的出现，系统中的共享性和并行性的增加，软件系统变得日益庞大和复杂等原因，使得系统出现死锁现象的可能性大大增加。
11、何谓批处理操作系统？
用户准备好要执行的程序、数据和控制作业执行的说明书，由操作员输入到计算机系统中等待处理。
操作系统选择作业并按作业说明书的要求自动控制作业的执行。
采用这种批量化处理作业的操作系统称为批处理操作系统。
12、对特权指令的使用有什么限制？
只允许操作系统使用特权指令，用户程序不能使用特权指令。
13、影响缺页中断率有哪几个主要因素？
影响缺页中断率的因素有四个：
①分配给作业的主存块数多则缺页率低，反之缺页中断率就高。
②页面大，缺页中断率低；页面小缺页中断率高。
③程序编制方法。
以数组运算为例，如果每一行元素存放在一页中，则按行处理各元素缺页中断率低；反之，按列处理各元素，则缺页中断率高。
④页面调度算法对缺页中断率影响很大，但不可能找到一种最佳算法。
14、磁盘移臂调度的目的是什么？
常用移臂调度算法有哪些？
磁盘移臂调度的目的是尽可能地减少输入输出操作中的寻找时间。
常用的移臂调度算法有：
①先来先服务算法②最短寻找时间优先算法③电梯调度算法④单向扫描算法。
15、常用的作业调度算法有哪些？
①先来先服务算法②计算时间短的作业优先算法③响应比最高者优先算法④优先数调度算法⑤均衡调度算法
16、计算机系统的资源包括哪些？
计算机系统的资源包括两大类：
硬件资源和软件资源。
硬件资源主要有中央处理器、主存储器、辅助存储器和各种输入输出设备。
软件资源有编译程序、编辑程序等各种程序以及有关数据。
17、CPU在管态和目态下工作有何不同？
当中央处理器处于管态时，可以执行包括特权指令在内的一切面器指令，而在目态下工作时不允许执行特权指令。
18、何为页表和快表？
它们各起什么作用？
页表指出逻辑地址中的页号与所占主存块号的对应关系。
作用：
页式存储管理在用动态重定位方式装入作业时，要利用页表做地址转换工作。
快表就是存放在高速缓冲存储器的部分页表。
它起页表相同的作用。
由于采用页表做地址转换，读写内存数据时CPU要访问两次主存。
有了快表，有时只要访问一次高速缓冲存储器，一次主存，这样可加速查找并提高指令执行速度。
19、作业在系统中有哪几种状态？
一个作业进入系统到运行结束，一般要经历进入、后备、运行和完成四个阶段，相应地，作业亦有进入、后备、运行和完成四种状态。
①进入状态：
作业的信息从输入设备上预输入到输入井，此时称为作业处于进入状态。
②后备状态：
当作业的全部信息都已输入，且由操作系统将其存放在输入井中，此时称作业处于后备状态。
系统将所有处于后备状态的作业组成后备作业队列，等待作业调度程序的调度。
③运行状态：
一个后备作业被作业调度程序选中，分配了必要的资源，调入内存运行，称作业处于运行状态。
④完成状态：
当作业正常运行完毕或因发生错误非正常终止时，作业进入这完成状态。
20、为什么说批处理多道系统能极大地提高计算机系统的工作效率？
①多道作业并行工作，减少了处理器的空闲时间。
②作业调度可以合理选择装入主存储器中的作业，充分利用计算机系统的资源。
③作业执行过程中不再访问低速设备，而直接访问高速的磁盘设备，缩短执行时间。
④作业成批输入，减少了从操作到作业的交接时间。
21、操作系统为用户提供哪些接口？
操作系统为用户提供两种类型的使用接口：
一是操作员级的，它为用户提供控制作业执行的途径；二是程序员级的，它为用户程序提供服务功能。
22、什么是线程？
多线程技术具有哪些优越性？
线程是进程中可独立执行的子任务，一个进程可以有一个或多个线程，每个线程都有一个惟一的标识符。
线程与进程有许多相似之处，往往把线程又称为“轻型进程”，线程与进程的根本区别是把进程作为资源分配单位，而线程是调度和执行单位。
多线程技术具有多个方面的优越性：
①创建速度快、系统开销小：
创建线程不需要另行分
升级会员 