《计算机操作系统》复习总结强化版.docx
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《计算机操作系统》复习总结强化版
《计算机操作系统》学科复习强化版
◎第一章操作系统引论
v本章内容：
操作系统的目标和作用、操作系统的发展过程、操作系统的基本特征、操作系统的主要功能、OS结构设计
v本章主要考点：
概念
1、设计现代OS的主要目标是：
有效性、方便性、可扩展性、开放性。
2、操作系统的五大功能是：
处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、用户管理。
3、操作系统的基本特性是：
并发性、共享性、异步性、虚拟性。
其中最基本特征是并发和共享。
最重要的特征是并发性
4、操作系统的作用：
作为用户与计算机硬件系统之间的接口、OS作为计算机系统资源的管理者、OS用作扩充机器。
5、以下不是微内核OS特点的是（C）
A、足够小的内核B、应用“机制与策略分离”的原理
C、运行效率高D、采用面向对象技术
注：
微内核OS运行效率并不高，它还有一个特点是基于客户/服务器模式
★第二章进程管理
v本章内容：
进程的基本概念、进程控制、进程同步、经典进程的同步问题、进程通信、线程的基本概念
v主要考点：
★程序和进程的区别、进程的状态转化、原语、★进程同步S值的变化和前趋图
管程、线程的概念
1、简述进程的定义
（1）进程是程序的一次执行。
（2）进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
（3）进程是程序在一个数据集合上的运行过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
（4）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
★2、说明进程与程序的区别
（1）程序是指令的有序集合，其本身没有任何运行的含义，它是一个静态的概念。
而进程是程序在处理机上的一次执行过程，它是一个动态概念。
（2）程序的存在是永久的。
而进程则是有生命期的，它因创建而产生，因调度而执行，因得不到资源而暂停，因撤消而消亡。
（3）程序仅是指令的有序集合。
而进程则由程序段、相关数据段.进程控制块（PCB）组成。
（4）进程与程序之间不是一一对应。
（5）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。
并发性是进程的重要特征，也是OS的重要特征。
引入进程的目的也正是为了使其进程实体能和其它进程实体并发执行；而程序（没有建立PCB）是不能并发执行的。
（6）独立性：
在传统的OS中，独立性是指进程实体是能独立分配资源和独立接受调度，能独立运行的基本单位。
凡未建立PCB的程序都不能作为一个独立的单位参与运行。
（7）异步性：
进程实体按异步方式运行,推进次序每次不一定相同。
3、程序段、相关数据、PCB（进程控制块）三部分构成了进程实体。
4、引起挂起状态的原因有：
终端用户的请求、父进程的请求、负荷调节的需要、操作系统的需要。
5、原语（Primitive）是由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程，原语在执行中不允许被中断，原语的作用是实现进程的通信和控制。
常见的几种元语：
创建原语create（）（功能：
创建一新进程）、阻塞原语block（）（功能：
将进程由执行状态转为阻塞状态）、唤醒原语wakeup（）（功能：
将进程由阻塞状态变为就绪状态）、挂起原语suspend（）（功能：
将指定进程或处于阻塞状态的进程挂起）、激活原语active（）（功能：
将指定进程激活）。
6、同步机制应遵循的四条规则是：
空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待。
★7、试写出相应的程序来描述右图所示的前驱图
Vara,b,c,d,e,f,g：
semaphore:
=0,0,0,0,0,0,0；
begin
parbegin
beginS1；signal（a）；signal（b）；end；
beginwait（a）；S2；signal（c）；signal（d）；end；
beginwait（b）；S3；signal（e）；end；
beginwait（c）；S4；signal（f）；end；
beginwait（d）；S5；signal（g）；end；
beginwait（e）；wait（f）；wait（g）；S6；end；
parend
end
8、管程的定义
一个管程定义了一个数据结构和能为并发进程所执行的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中的数据。
9、高级通信机制分为三大类：
共享存储器系统、消息传递系统、管道通信系统
10、操作系统中引入进程的目的是为了使多个程序能并发执行，以提高资源利用率和系统吞吐量，在操作系统中再引入线程，则是为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销。
11、进程与线程的比较
12、试从调度性，并发性，拥有资源及系统开销方面对进程和线程进行比较.
调度性：
在传统的操作系统中，拥有资源的基本单位和独立调度、分派的基本单位都是进程，在引入线程的OS中，则把线程作为调度和分派的基本单位，而把进程作为资源拥有的基本单位；
并发性：
在引入线程的OS中，不仅进程之间可以并发执行，而且在一个进程中的多个线程之间，亦可并发执行，因而使OS具有更好的并发性；
拥有资源：
无论是传统的操作系统，还是引入了线程的操作系统，进程始终是拥有资源的一个基本单位，而线程除了拥有一点在运行时必不可少的资源外，本身基本不拥有系统资源，但它可以访问其隶属进程的资源；
开销：
由于创建或撤销进程时，系统都要为之分配和回收资源，如内存空间等，进程切换时所要保存和设置的现场信息也要明显地多于线程，因此，操作系统在创建、撤消和切换进程时所付出的开销将显著地大于线程。
13、当一个进程完成了特定任务后，系统回收这个进程所占的主存空间和取消该进程的进程控制块（PCB）就撤销了该进程。
14、当一个进程独占处理器顺序执行时，具有两个特性：
封闭性和可再现性。
15、对信号量S的操作只能通过原语操作进行，对应每一个信号量设置了一个等待队列。
16、在操作系统中，进程是一个资源分配的基本单位，也是一个独立运行和调度的基本单位。
★第三章处理机调度与死锁
v本章内容：
处理机调度的层次、调度准则、调度算法、产生死锁的原因和必要条件、预防死锁的方法、死锁的检测与解除
v主要考点：
处理机调度的三个层次、调度准则、调度算法、实时调度算法、产生死锁的原因和必要条件、★★利用银行家算法避免死锁、死锁的检测与解除
1、一个作业从提交开始，往往要经历三级调度：
高级调度、低级调度、中级调度。
高级调度：
又称为作业调度或长程调度，其主要功能是根据某种算法，把外存上处于后备队列中的那些作业调入内存。
它调度的对象是作业。
低级调度：
又称进程调度或短程调度。
主要功能：
保存处理机的现场信息、按某种算法选取进程、把处理器分配给进程。
常采用非抢占（非剥夺）方式和抢占（剥夺）方式两种。
它所调度的对象是进程（或内核级线程）。
中级调度：
又称中程调度。
在内存和外存对换区之间按照给定的原则和策略选择进程对换，以解决内存紧张问题，从而提高内存的利用率和系统吞吐量。
2、选择调度方式和调度算法的准则
面向用户的准则：
（1）周转时间短
（2）响应时间快（3）截止时间的保证（4）优先权准则
面向系统的准则：
（1）系统吞吐量高
（2）处理机利用率好（3）各类资源的平衡利用
3、常见的调度算法有：
先来先服务调度算法（FCFS）、短作业/进程优先调度算法（SJF/SPF）、高优先权优先调度算法、基于时间片的轮转调度算法。
4、进程调度算法采用时间片轮转法时，时间片过大会使轮转法转为先来先服务调度算法（FCFS）。
5、若使当前运行的进程总是优先级最高的进程，则应该选择进程高优先权优先调度算法
6、在响应比最高者优先的作业调度算法中，当各个作业等待时间相同时，运行时间短的作业将得到优先调度；当各个作业要求运行的时间相同时，等待时间长的作业得到优先调度。
7、一个理想的作业调度算法应该是既能提高系统的效率，又能使系统的作业及时得到结果。
8、常用的几种实时调度算法有：
最早截止时间优先算法（EDF）、最低松弛度优先算法（LLF）
最早截止时间优先算法：
该算法是根据任务的开始截止时间来确定任务的优先级。
开始截止时间越早，其优先级越高
最低松弛度优先算法：
该算法是根据任务紧急（或松弛）的程序，来确定任务的优先级。
任务的紧急度越高，其优先级越高，并使之优先执行
9、死锁的定义
指多个进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局（deadly-Embrace），若无外力作用，这些进程都将无法向前推进。
10、产生死锁的原因有两个：
竞争资源、进程间推进顺序非法。
★11、产生死锁的四个必要条件是互斥条件、请求和保持条件、不剥夺条件、循环等待条件。
12、处理死锁的基本方法是：
预防死锁、避免死锁、检测死锁、解除死锁。
13、什么是系统的安全状态，避免死锁的实质是什么？
系统的安全状态是指在某一时刻，系统能按某种进程顺序（p1,p2,…，pn）来为每个进程Pi分配其资源,直到满足每个进程对资源的最大需求,使每个进程都可顺利地完成，则称此时的系统状态为安全状态.称序列为安全序列。
如果一个系统在安全状态，就没有死锁。
如果一个系统处于不安全状态，就有可能死锁。
避免死锁的实质：
确保系统不进入不安全状态。
★★14、利用银行家算法避免死锁
●储备知识
银行家算法中的数据结构：
假定系统中有n个进程（P1，P2，…，Pn），m类资源（R1，R2，…，Rm），银行家算法中使用的数据结构如下：
▲可利用资源向量:
Available[j]=K,表示系统资源Rj类资源有K个可用
▲最大需求矩阵:
Max[i,j]=K,表示进程Pi需要Rj类资源的最大数目是K个
▲分配矩阵：
Allocation[i,j]=K,表示进程Pi当前已经分配到K个Rj类资源
▲需求矩阵：
Need[i,j]=K,表示进程Pi还需要K个Rj类资源方能完成任务
三个矩阵的关系：
Need[i,j]=Max[i,j]–Allocation[i,j].
银行家算法：
设Requesti是进程Pi的请求向量，设Requesti[j]=K，表示进程Pi请求分配Rj类资源K个。
当进程Pi发出资源请求后，系统按如下步骤进行检查：
（1）如Requesti[j]≤Need[i,j],转
（2）;否则出错，因为进程申请资源量超过它申明的最大量。
（2）如Requesti[j]≤Available[j],转（3）;否则表资源不够,需等待。
（3）系统试分配资源给进程Pi,并作如下修改：
Available[j]=Available[j]-Requesti[j]
Allocation[i,j]=Allocation[i,j]+Requesti[j]
Need[i,j]=Need[i,j]-Requesti[j]
（4）系统执行安全性算法，检查此次资源分配后，系统是否处于安全状态。
若安全,则正式进行分配,否则恢复原状态让进程Pi等待。
安全性算法：
为了进行安全性检查，需要定义如下数据结构：
（1）工作向量Work，它表示系统可以提供给进程继续运行所需的各类资源数目，它含有m个元素，在执行安全算法开始时，Work=Available
（2）Finish，它表示系统是否有足够的资源分配给进程，使之运行完成。
开始时,Finish[i]=false;当有足够资源分配给进程Pi时，令Finish[i]=true。
安全性检查算法执行步骤：
（1）Work:
=Available
Finish[i]=false
（2）寻找满足如下条件的进程Pi
Finish[i]=false
Need[i,j]≤Work[j]，如果找到，转（3），否则转（4）
（3）当进程Pi获得资源后，可顺利执行完，并释放分配给它的资源，故执行：
Work[j]=Work[j]+Allocation[i,j]；
Finish[i]=ture；
转
（2）.
（4）若所有进程的Finish[i]=true，则表示系统处于安全状态，否则处于不安全状态
●银行家算法例题：
在银行家算法中，若出现下述资源分配情：
Process
Allocation
Need
Available
P0
0032
0012
1622
P1
1000
1750
P2
1354
2356
P3
0332
0652
P4
0014
0656
试问：
⑴该状态是否安全？
⑵若进程P2提出请求Request（1，2，2，2）后，系统能否将资源分配给它？
解：
⑴该状态是安全的，因为存在一个安全序列。
下表为该时刻的安全序列表。
资源情况
进程
Work
Need
Allocation
Work+Allocation
Finish
P0
P3
P4
P1
P2
1622
1654
1986
19910
29910
0012
0652
0656
1750
2356
0032
0332
0014
1000
1354
1654
1986
19910
29910
3121414
true
true
true
true
true
⑵若进程P2提出请求Request（1，2，2，2）后，系统不能将资源分配给它，若分配给进程P2，系统还剩的资源情况为（0，4，0，0），此时系统中的资源将无法满足任何一个进程的资源请求，从而导致系统进入不安全状态，容易引起死锁的发生。
（书上例题雷同，在P110，可同步参考）
15、确定系统处于S为死锁状态的充分条件是：
当且仅当S状态的资源分配图是不可完全简化的。
16、常用的解除死锁方法有两种:
资源剥夺法、撤消进程法。
资源剥夺法：
当发现死锁后,从其进程剥夺足够数量的资源给死锁进程,以解除死锁状态。
撤消进程法：
采用强制手段从系统中撤消一个/一部分死锁进程,并剥夺这些进程的资源供其它死锁进程使用。
★第四章存储器管理
v本章内容：
存储器的层次结构、连续分配方式、基本分页存储管理方式、基本分段存储管理方式、虚拟存储器的基本概念、页面置换算法
v主要考点：
存储器的层次结构、★地址变换、虚拟存储器的概念、特征、★★页面置换算法
1、多级存储器结构
存储容量越大
速度越快
2、在动态分区式内存分配算法中，倾向于优先使用低地址部分空闲区的算法是首次适应算法；能使内存空间中空闲区分布较均匀的算法是循环首次适应算法。
存储管理方法:
将内存用户空间分为若干固定大小的区域。
除OS占一区外，其余的一个分区装入一道程序。
分区的大小事先必须确定
3、连续分配方式
主要特点：
管理简单，但因作业的大小并不一定与某个分区大小相等，从而使一部分存储空间被浪费。
所以主存的利用率不高。
固定分配方式
存储管理方法:
在作业进入内存时，根据作业的大小动态地建立分区，并使分区的大小正好适应作业的需要
主要特点:
管理简单，只需小量的软件和硬件支持，便于用户了解和使用。
进程的大小与某个分区大小相等，从而主存的利用率有所提高。
动态分区分配
分区分配算法:
首次适应算法、循环首次适应算法、最佳适应算法、
最坏适应算法、快速适应算法
4、动态存储分配时，要靠硬件地址变换机构实现重定位。
5、为了实现进程对换，系统必须实现三方面功能：
对换空间的管理、进程的换入和进程的换出。
6、分页的作用是实现从页号到物理块号的地址映射。
7、简述分页和分段有何相同点和不同点
相同点：
分页和分段都采用离散分配的方式，且都要通过地址映射机构来实现地址变换
不同点：
（1）从功能上看，页是信息的物理单位，分页是为实现离散分配方式，以消减内存的外零头，提高内存的利用率，即满足系统管理的需要，而不是用户的需要；而段是信息的逻辑单位，它含有一组其意义相对完整的信息，目的是为了能更好地满足用户的需要。
（2）页的大小固定且由系统确定，而段的长度却不固定，决定于用户所编写的程序。
（3）分页的作业地址空间是一维的，而分段的作业地址空间是二维的。
8、虚拟存储器的定义
虚拟存储器是指仅把作业的一部分装入内存便可运行作业的存储管理系统，它具有请求页调入功能和页置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充。
9、虚拟存储器具有多样性、对换性、虚拟性三大主要特征。
10、在存储管理中常用虚拟存储器方式来摆脱主存容量的限制。
★11、若在一分页存储管理系统中，假定某时刻该系统为用户的第0，1，2，3页分别分配的物理地址为2，3，1，6。
已知页面大小为1KB，试将逻辑地址1011转化为相应的物理地址？
解：
由题意逻辑地址：
页号p为2位，位移量w为10位；（1KB=210B）
物理地址：
块号b为3位，块内位移d为10位
逻辑地址1011（十进制）的二进制表示为001111110011
由此可知逻辑地址1011的页号0，该页放在第2物理块中，其物理地址的二进制表示为
0101111110011
提示：
对于逻辑地址计算：
其中页内地址表每页的大小即1KB==210B，所以页内地址（位移量w）为10位。
其中页号表最多允许的页数即4页=22页，所以页号（P）为2位。
对于物理地址计算：
其中块内地址表每块的大小与页大小相等，所以块内地址（块内位移d）也为10位。
其中块号表内存空间最大块数为6，所以块号为3位（6≤23=8）
★★12、页面置换算法
常见的几种页面置换算法：
最佳（optimal）置换算法、★先进先出页面置换算法（FIFO）、
★最近最久未使用置换算法（LRU）、Clock置换算法
①最佳（optimal）置换算法
算法思想：
选择的被淘汰页面，将是以后永不使用的，或许是在最长（未来）时间内不再被访问的页面。
采用最佳置换算法，通常可保证获得最低的缺页率。
但在现在中无法实现，但可以用该算法去评价其他算法。
例：
假定系统为某进程分配了三个物理块，并考虑有以下的页面号引用串：
7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0，3，2，1，2，0，1，7，0，1
页面请求
7
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最佳置换算法执行过程
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1
注释
调入
调入
调入
替换
命中
替换
命中
替换
命中
命中
替换
命中
命中
替换
命中
命中
命中
替换
命中
命中
由图看出，采用最佳置换算法发生了6次缺页中断，命中率为55%
②先进先出（FIFO）页面置换算法
算法思想：
该算法总是淘汰最先进入内存的页面，即选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。
该算法实现简单，但与进程实际运行的规律不相适应，因为在进程中，有些页面经常被访问，比如，含有全局变量、常用函数、例程等的页面，FIFO算法并不能保证这些页面不被淘汰。
例：
假定系统为某进程分配了三个物理块，并考虑有以下的页面号引用串：
7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0，3，2，1，2，0，1，7，0，1
页面请求
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调入
调入
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命中
替换
替换
替换
替换
替换
替换
命中
命中
替换
替换
命中
命中
替换
替换
替换
由图看出，采用最佳置换算法发生了12次缺页中断，命中率为25%
③最近最久未使用置换算法（LRU）
算法思想：
该算法根据页面调入内存后的使用情况进行决策的，当须淘汰一个页面时，选择最近最久未使用的页面予以淘汰。
例：
假定系统为某进程分配了三个物理块，并考虑有以下的页面号引用串：
7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0，3，2，1，2，0，1，7，0，1
页面请求
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注释
调入
调入
调入
替换
命中
替换
命中
替换
替换
替换
替换
命中
命中
替换
命中
替换
命中
替换
命中
命中
由图看出，采用最佳置换算法发生了9次缺页中断，命中率为40%
▲例：
设某作业占有7个页面，如果在主存中只允许装入4个工作页面，作业运行时，实际访问的页面顺序为1，2，3，6，4，7，3，2，1，4，7，5，6，5，2，1。
试用FIFO和LRU页面调度算法，列出各自的页面淘汰顺序和缺页中断次数，以及最后留驻主存4页的顺序（假设开始的4个页面已经装入主存）
页面请求
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4
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1
FIFO置换算法执行过程
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1
1
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注释
开始
替换
替换
命中
替换
替换
命中
命中
替换
替换
命中
命中
命中
LRU置换算法执行过程
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注释
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