操作系统复习总结.docx
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操作系统复习总结
1.操作系统的定义、特征、功能？
分类
操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合——它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源;合理的组织计算机的工作流程，控制程序的执行并向用户提供各种服务功能;使得用户能够灵活、方便、有效的使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行。
OS有5个特征：
并发、共享、虚拟、随机性和不确定性。
操作系统功能（按管理内容划分）
1.进程和线程管理（CPU管理）：
完成处理机资源的分配调度等功能；
2.存储管理：
提高利用率、方便用户使用、提供足够的存储空间、方便进程并发运行；
3.设备管理：
方便的设备使用，提高CPU与I/O设备利用率；
4.信息管理（文件管理）：
解决软件资源的存储、共享、保密和保护；
5.用户接口（作业管理）：
提供一个友好的用户访问操作系统的接口。
2.多道程序系统的特点，并行和并发的区别？
多道程序设计是指允许多个程序同时进入内存并运行，是OS所采用的最基本、最重要的技术，引入目的是为了提高系统效率。
1）程序的并发（Concurrency）执行：
一组在逻辑上互相独立的程序或程序段在执行过程中，其执行时间在客观上互相重叠。
（强调时间段）
2）程序的并行（parallel）执行：
一组在逻辑上互相独立的程序或程序段在同一时刻同时执行。
（强调同一时刻），只能在多机系统中出现。
在单CPU多道程序系统中，进程被交替执行，表现出一种并发执行的外部特征，即使不能实现真正的并行处理，并且即使在进程间来回切换需要一定的开销，交替执行在处理效率和程序构造上还是带来了重要的好处。
多道批处理系统的特点
优点：
资源利用率高：
CPU和内存利用率较高；
作业吞吐量大：
单位时间内完成的工作总量大；
缺点：
用户交互性差：
整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；
作业平均周转时间长：
短作业的周转时间显著增长；
3.常用OS的特点（批处理OS，分时OS，实时OS）？
分时系统的优点
多路性：
多个用户同时工作，共享CPU和其它资源，充分发挥系统效率。
独立性：
各用户独立操作，互不干扰，让用户有自己一个人在使用计算机的感觉。
交互性：
计算机系统和用户用会话方式工作，系统能及时对用户的操作进行响应，显著提高调试和修改程序的效率；缩短了周转时间。
及时性：
计算机系统应该在用户能够忍受的等待时间内对用户的请求予以响应。
实时系统的特点
专用系统：
许多实时系统是专用系统，而批处理与分时系统通常是通用系统。
实时控制：
实时系统用于控制实时过程，要求对外部事件的迅速响应，具有较强的中断处理机构。
高可靠性：
实时系统用于控制重要过程，要求高度可靠，具有较高冗余（如双机系统）。
事件驱动和队列驱动：
实时系统的工作方式：
接受外部消息，分析消息，调用相应处理程序进行处理。
不同事件的响应优先级不一样
4.指令执行的过程、分类、处理器工作状态及转换？
指令执行的基本过程
两个步骤：
取指令－>执行指令，称为一个指令周期。
1）每个指令周期开始时，依据在程序计数器中的指令地址从存储器中取一条指令；
2）在取指完成后根据指令类别自动将程序计数器的值变成下条指令的地址；
3）取到的指令放在指令寄存器中；
4）处理器解释并执行指令所要求的动作。
程序的执行是由不断取指和执行的指令周期组成，仅当关机、出错或有停机相关指令时，程序才停止。
指令的分类
按功能可将指令分为五类：
1）访问存储器指令：
处理器和存储器间数据传送。
2）I/O指令：
处理器和I/O模块间数据传送和命令发送。
3）算术逻辑指令（数据处理指令）：
执行数据算术和逻辑操作。
4）控制转移指令：
指定一个新的指令的执行起点。
5）处理器控制指令：
修改处理器状态，改变处理器工作方式。
按使用权限划分，使用多道程序设计技术的计算机指令系统中的指令可分为两类：
特权指令：
只能由OS使用的指令，一般引起处理器状态的切换。
处理器通过特殊的机制将处理器状态切换到操作系统运行的特权状态（管态）。
然后将处理权移交给操作系统中的一段特殊代码，这一个过程称为陷入。
非特权指令：
OS和一般用户使用。
CPU如何知道当前运行的是操作系统还是一般应用软件？
有赖于处理器状态的标识。
处理器状态及转换
根据运行程序对资源和机器指令的使用权限将处理器设置为不同状态。
多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态。
管态：
操作系统管理程序运行的状态，较高的特权级别，又称为特权态（特态）、核心态、系统态。
目态：
用户程序运行时的状态，较低的特权级别，又称为普通态（普态）、用户态。
有些系统将处理器状态划分核心状态、管理状态和用户程序状态（目标状态）三种。
处理器处于管态时：
全部指令（包括特权指令）可以执行；可使用所有资源；并具有改变处理器状态的能力。
处理器处于目态时：
只有非特权指令能执行。
目态→管态唯一途径：
中断。
管态→目态设置PSW（修改程序状态字）可实现。
5.存储体系和存储保护、地址变换？
存储保护解决方案：
依赖于配有特殊硬件的CPU实现存储保护。
⏹界地址寄存器（界限寄存器）
⏹存储键
⏹其他硬件机制：
地址转换
地址转换
同时有多个程序在内存，程序在内存的位置不是固定的而是随机的。
⏹虚拟地址（逻辑地址）：
处理器生成的指令或数据的二进制地址，都从0开始编码，这些地址用硬件和软件结合的方法转换成物理地址；
⏹MMU：
内存管理单元，一种特殊硬件，完成转换工作。
6.中断的定义，中断系统的组成和中断的执行过程？
中断的定义
⏹CPU对系统发生的某个事件作出的一种反应。
⏹当计算机在执行期间，系统内或系统外发生异步事件，使得CPU暂停正在执行的程序，保留现场后自动转去执行相应事件的处理程序，处理完成后返回断点，继续执行被打断的程序或调度新的进程执行。
⏹异步事件：
无一定时序关系或非预期的事件。
中断系统的组成
中断系统是现代计算机系统的核心机制之一，硬件和软件相互配合、相互渗透而使得计算机系统得以充分发挥能力的计算模式。
组成：
硬件中断装置和软件中断处理程序。
⏹硬件中断装置：
提供了中断系统的基本框架，是中断系统的机制部分，负责捕获中断源发出的中断请求，以一定方式响应中断源，然后将处理器控制权交给特定的中断处理程序。
⏹软件中断处理程序：
利用中断机制对处理能力的扩展和对多种处理需求的适应，属于中断系统的策略部分，负责辨别中断类型并做出相应的操作。
7.作业控制块、作业的四种状态及描述？
（1）作业控制块JCB（JobControlBlock）
JCB是作业说明书的动态描述，是根据作业说明书的内容，由作业建立程序创建的能直接被作业调度程序识别的数据表，包含了作业说明书的内容，还包含了记录作业在运行过程中的各方面信息的相关表项，如作业实际投入时间、使用CPU时间、实际使用外设情况等。
JCB是作业在批处理系统中存在的唯一标志。
（2）作业的四种状态及描述
1.进入状态:
作业的输入阶段；典型作业输入方式:
SPOOLing系统
2.后备状态:
作业的全部信息已输入，由OS存放在外存的某些区域（如输入井）中等待调度运行；OS为每个后备作业建立JCB，并将JCB调入内存，加入后备作业队列中，标志作业建立完成，称为作业注册。
⏹JCB表的数量是一个常数；
⏹外存输入井的大小有限，只有在获得JCB表项和足够输入井空间后，作业才可能创建成功。
⏹作业的建立包括作业输入和JCB建立两个子过程，即进入和后备状态。
3.运行状态:
作业进入内存并为之建立进程后到执行结束的状态；此时参与对CPU和其它资源的竞争，但并不一定就立即占用处理机。
就绪状态、执行状态、等待状态
4.完成（退出）状态:
作业因错误而终止或完成其全部功能，释放出其所占用的全部资源（包括JCB表项），准备退出系统的作业状况。
8.作业调度算法（FCFS,SJF,HRRN）
HRRN相关算法：
第一步：
计算各作业的响应比，10：
00时三个作业都已提交，则
R2=1+70/50=2.4R3=1+60/10=7R4=1+10/20=1.5
第二步:
10:
10重新计算剩余作业2和4的响应比：
R2=1+80/50=2.6R4=1+20/20=2
9.系统调用过程
⏹当用户使用操作系统调用时，产生一条相应的指令；
⏹处理机在执行到该指令时发生相应的中断，并发出有关的信号给该处理机构；
⏹该处理机构在收到了处理机发来的信号后，启动相关的处理程序去完成该系统调用所要求的功能。
⏹在系统中为控制系统调用服务的机构称为陷入（TRAP）或异常处理机构。
⏹相对应，把由于系统调用引起处理机中断的指令称为陷入或异常指令（或称访管指令）。
⏹在操作系统中，每个系统调用都对应一个事先给定的功能号，例如0、1、2、3等。
⏹陷入指令必须包括：
对应系统调用的功能号、传给陷入处理机构和内部处理程序的有关参数（有的指令没有）。
⏹必须为实现系统调用功能的子程序编造入口地址表；
⏹进入系统调用处理前，陷入处理机构还需保存处理机现场；
⏹陷入处理程序把陷入指令包含的功能号与入口地址表有关项对应,找到有关子程序的入口地址，并执行该程序。
⏹在系统调用处理结束之后，用户程序需利用系统调用返回结果继续执行，要先恢复处理机现场，现场被保护在特定的内存区（系统堆栈）或寄存器中。
系统调用的处理过程示意图
10.进程的定义、组成、三种基本状态及其转换？
进程（Process）是具有独立功能的程序关于某个数据集上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的独立单位，又称任务（Task）。
11.进程互斥和同步的定义、临界区、临界资源、信号量及PV操作的定义及物理意义?
进程的同步：
synchronism
指系统中多个进程中发生的事件存在某种时序关系，需要相互合作，共同完成一项任务。
具体说，一个进程运行到某一点时要求另一伙伴进程为它提供消息，在未获得消息之前，该进程处于等待状态，获得消息后被唤醒进入就绪态。
由于各进程要求共享资源，而有些资源需要互斥使用，因此各进程间竞争使用这些资源，叫进程的互斥，是间接作用引起的。
临界资源：
criticalresource：
一段时间内只允许一个进程使用的资源。
如处理器、主存、I/O设备、文件、数据等。
也称为互斥资源或共享变量。
临界区（criticalsection）：
进程中访问临界资源的一段代码。
也可定义为：
不允许多个并发进
信号量的定义：
除赋初值外，只能由P，V原语对其操作的整型变量，代表可用资源实体的数量，是判断临界资源是否被占用的标志。
⏹必须置一次且只能置一次初值；
⏹初值不能为负数；
⏹只能执行P、V操作。
⏹用于互斥的信号量的初始化指定一个非负整数值，表示空闲资源总数（又称为“资源信号量”）
⏹当其值>0时，代表可用资源的数量
⏹当其值=0时，可用资源量正好用完；
⏹当其值＜0时，|s|代表因请求使用该信号量所代表的资源而被阻塞的进程数量，即还欠资源数。
P、V原语是OS中提供的，用于对进程之间相互推进速度进行控制的最基本的操作，它们的操作对象只能是信号量。
⏹进程的执行时间和执行顺序具有不确定性，如不进行控制，会造成数据的不完整性。
⏹P、V原语执行期间不允许中断发生。
⏹实现：
屏蔽中断
P的物理意义是：
申请一个信号量代表的资源
V的物理意义是：
释放一个资源
12.用信号量及PV操作实现进程的同步和互斥？
用信号量和P、V原语实现两进程PA和PB的互斥
⏹互斥信号量Smutex（MutualExclusion）的取值范围为（1，0，-1），在每个进程中将临界区代码置于P（m
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