计算机操作系统第三版考试重点复习资料个人总结版.docx
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计算机操作系统第三版考试重点复习资料个人总结版
★OS概念：
OS是控制和管理计算机硬件和软件资源，合理组织计算机工作原理以及方程用户的功能的集合。
★OS目标：
1有效性；2方便性；3可扩充性；4开放性。
★OS作用：
1OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口；2OS作为计算机系统资源的管理者；
3OS实现了对计算机资源的抽象。
■OS特征：
并发性、共享性、虚拟性和异步性四个基本特征；最基本的特征是并发性。
★OS功能：
1处理机管理：
作业和进程调度；
2存储器管理：
内存分配，地址映射，内存保护，内存扩充；
3设备管理：
缓冲区管理，设备分配，设备驱动，设备无关性；
4文件管理：
文件存储空间的管理，文件操作的一般管理，目录管理，文件的存取控制；
5OS与用户之间的接口：
程序接口，用户接口，联机接口，脱机接口，图形接口；
★多道批处理系统：
优点：
资源利用率高、系统吞吐量大；
缺点：
平均周转时间长、无交互能力。
★分时系统概念：
将一台计算机很好的提供给多个用户同时使用，提高计算机的利用率。
★实时系统概念：
是计算机系统可以立即对用户程序要求或者外部信号作出反应的系统，它可以分为硬实时系统和软实时系统。
●分时系统与实时系统的比较（及时性、交互性、可靠性、多路性、独立性）：
1及时性：
实时信息处理系统对实时性的要求与分时系统类似，都是以人所能接受的等待时间来确定；而实时控制系统的及时性，是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定的，一般为秒级到毫秒级，甚至有的要低于100微妙。
2交互性：
实时信息处理系统具有交互性，但人与系统的交互仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。
不像分时系统那样能向终端用户提供数据和资源共享等服务。
3可靠性：
分时系统也要求系统可靠，但相比之下，实时系统则要求系统具有高度的可靠性。
因为任何差错都可能带来巨大的经济损失，甚至是灾难性后果，所以在实时系统中，往往都采取了多级容错措施保障系统的安全性及数据的安全性。
★进程的概念：
是可并发执行的具有一定功能的程序段，在给定数据机上的一次执行过程。
★进程的引入：
为了使程序在多道程序环境下能并发执行，并对并发执行的程序加以控制和描述，在操作系统中引入了进程概念。
★进程的基本状态：
就绪、执行、阻塞。
★进程在三个基本状态之间转换：
1绪状态→执行状态：
进程分配到CPU资源；
2执行状态→就绪状态：
时间片用完；
3执行状态→阻塞状态：
I/O请求；
4阻塞状态→就绪状态：
I/O完成。
★进程的同步和互斥：
是指进程在推进时的相互制约关系，在多道系统中，由于资源共享与进程合作，这种进程间的制约成为了可能。
★进程的同步：
主要源于进程合作，是进程间共同完成一项任务时直接发生相互作用的关系。
为进程之间的直接制约关系。
再多道环境下，这种进程间在执行次序上的协调是必不可少的。
★进程的互斥：
主要源于资源共享，市进程之间简介制约关系。
再多得到系统中每次只允许一个进程访问的自愿成为临界资源，进程互斥就是保证每一次只有一个进程使用临界资源。
★线程的概念：
在操作系统中引入线程，则是为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销，使OS具有更好的并发性，提高CPU的利用率。
进程是分配资源的基本单位，而线程则是系统调度的基本单位。
★PCB（ProcessControlBlock进程控制块的概念）：
PCB是为了描述和控制进程的运行系统，为每个进程定义的一个数据结构，它是进程实现的一部分，也是操作系统中最重要的记录型数据结构。
■PCB的作用，为什么PCB是进程存在的惟一标志：
PCB是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的记录型数据结构。
作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序，成为一个能独立运行的基本单位，成为能与其它进程并发执行的进程。
OS是根据PCB对并发执行的进程进行控制和管理的。
●进程和程序的比较：
1动态性是进程最基本的特性，表现为由创建而产生，由调度而执行，因得不到资源而暂停执行，由撤销而消亡。
进程有一定的生命期，而程序只是一组有序的指令集合，是静态实体。
2并发性是进程的重要特征，同时也是OS的重要特征。
引入进程的目的正是为了使其程序能和其它进程的程序并发执行，而程序是不能并发执行的。
3独立性是指进程实体是一个能独立运行的基本单位，也是系统中独立获得资源和独立调度的基本单位。
对于未建立任何进程的程序，不能作为独立单位参加运行。
●进程和线程的比较：
1调度性：
线程在OS中作为调度和分派的基本单位，进程只作为资源拥有的基本单位。
2并发性：
进程可以并发执行，一个进程的多个线程也可并发执行。
3拥有资源：
进程始终是拥有资源的基本单位，线程只拥有运行时必不可少的资源，本身基本不拥有系统资源，但可以访问隶属进程的资源。
4系统开销：
操作系统在创建、撤消和切换进程时付出的开销显著大于线程。
★信号量的概念：
表明资源可以提供给进城使用的量，他是一个整型值。
★计数信号量S的物理含义：
S>0：
表示有n个可利用的资源。
S<0：
表示有n个被阻塞的资源。
S=0：
表示资源正在使用。
★动态重定位：
是指在程序执行过程中，每当访问指令或数据时，要将访问的逻辑结构转换为物理地址。
★高级调度的任务：
高级调度的主要任务是根据某种算法，把外存上处于后备队列中的那些作业调入内存。
★低级调度的任务：
低级调度是保存处理机的现场信息，按某种算法先取进程，再把处理器分配给进程。
★低级调度的功能：
1保存处理机的现场信息；2按某种算法选取进程；3把处理机分配给进程。
★引入中级调度的目的：
引入中级调度的主要目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。
使那些暂时不能运行的进程不再占用内存资源，将它们调至外存等待，把进程状态改为就绪驻外存状态或挂起状态。
★死锁的概念：
死锁是指多个进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局，当进程处于这种僵持状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进。
★死锁的原因：
1竞争资源；2进程间推进顺序非法。
★死锁的必要条件：
互斥条件、请求和保持条件、不剥夺条件、环路等待条件。
★死锁的处理方法：
预防、避免、检测、解除。
★虚拟存储器的概念：
是指具有请求调入功能和置换功能呢个从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储系统。
★虚拟存储器的特征：
离散性、多次性、对换性和虚拟性。
最本质的是离散性，最重要的是虚拟性。
★虚拟存储器的实现方法：
1在分页请求系统中是在分页的基础上，增加了请求调页功能和页面置换功能所形成的页式虚拟存储系统。
允许只装入少数页面的程序（及数据），便启动运行。
2在请求分段系统中是在分段系统的基础上，增加了请求调段及分段置换功能后形成的段式虚拟存储系统。
允许只装入少数段（而非所有段）的用户程序和数据，即可启动运行。
■为什么要引入动态重定位？
如何实现？
在程序执行过程中，每当访问指令或数据时，将要访问的程序或数据的逻辑地址转换成物理地址，引入了动态重定位；
具体实现方法是在系统中增加一个重定位寄存器，用来装入程序在内存中的起始地址，程序执行时，真正访问的内存地址是相对地址与重定位寄存器中的地址相加之和，从而实现动态重定位。
★抖动：
是指页面在内存和外村之间频繁的调入调出引起的。
★缓冲区：
缓冲区是为了协调处理机的高速度和外部设备的低速度之间的区大差距而在内存中开辟的一个区域。
★缓冲技术：
缓冲技术是为了协调吞吐速度相差很大的设备之间数据传送的工作，在这两种设备之间不直接进行数据传递，而是在内存中专门开辟的一个存储区域作为中间环节，这种技术就叫做缓冲技术。
■引入缓冲的原因：
1缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾；
2减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制；
3提高CPU与I/O设备之间的并行性。
★设备管理中采用的数据结构：
设备控制表、控制器控制表、通道控制表、系统设备。
★设备驱动程序的概念：
又称为设备处理程序，是I/O进程与设备控制器之间的通信程序，因为它总是以进程的形式存在，所以也称为设备驱动进程。
■设备驱动程序的功能：
1将接收到的抽象要求转为具体要求；
2检查用户I/O请求合法性，了解I/O设备状态，传递有关参数，设置设备工作方式；
3发出I/O命令，启动分配到的I/O设备，完成指定I/O操作；
4及时响应由控制器或通道发来的中断请求，根据中断类型调用相应中断处理程序处理；
5对于有通道的计算机，驱动程序还应该根据用户I/O请求自动构成通道程序。
★SPOOLing技术的优点：
1提高了I/O的速度；
2将独占设备改造为共享设备；
3实现了虚拟设备功能。
★文件结构：
1逻辑结构（记录式、流式）；2物理结构（顺序、索引、链接）。
★目录的概念：
OS要求对文件能够实现按名存取，这就需要把文件名到文件的物理地址的映射关系存在于文件目录中。
为此，系统为每一个文件设置了一个文件控制块。
文件目录就是这些控制块的有效集合。
■多级目录的优点：
查询速度快、层次结构清晰、文件管理和保护易于实现。
★周期时间=完成时间-到达时间
★带权周期时间=周转时间/服务时间。
★通道又称I/O处理机，用于实现（CPU和外设）之间信息的传输。
★实时系统按应用需求可分为：
实时控制；实时信息处理；
★进程的影响：
使程序的并发执行得以实行。
★进程的基本属性：
1进程是一个可拥有资源的独立单位；
2进程同时又是一个可独立调度和分派的基本单位。
★线程的属性：
1轻型实体；2独立调度和分派的基本单位；
3可并发执行；4共享进程资源。
★磁盘的类型：
固定头磁盘和移动头磁盘。
★文件：
是具有文件名的一组相关信息的集合。
★文件系统：
又被管理的文件，操作系统中管理文件的软件和相应的数据结构组成的一个系统。
■逻辑文件：
是物理文件中存储的数据的一种视图方式，不包含具体数据，仅包含物理文件中数据的索引。
■物理文件：
又称文件存储结构，是指文件在外存上的存储组织形式。
★目录的要求：
实现按名存取、提高检索目录的速度、文件共享、允许文件重名。
■目录结构：
单级目录、两级目录和多级目录结构。
★执行进程调度：
通常是发生某个正在运行的进程或者即应运行完毕、或者隐没种原因进入了等待队列时，CPU可以为下一个进程提供服务，另外，有较高优先级进行进入运行状态，这种方式成为可剥夺方式。
★为实现对换，系统应具备：
对换空间的管理、进程的换出、进程的换入。
★进程为单位对换时每次都将整个进程换出是为了解决内存紧张的问题，提高内存的利用率。
★临界区是一段程序。
★实现多道批处理系统需要解决的问题：
1处理机管理问题；2内存管理问题；
3I/O设备管理问题；4文件管理问题；
5作业管理问题。
★多道批处理系统形成和发展的主要动力：
1不断提高计算机资源的利用率；
2方便用户；3器件的不断更新换代；
4计算机体系结构的不断发展。
★对信号量的操作分为P（减）V（加），这些操作叫做原语。
原语是不可再分的操作，在对信号量的操作中，与每个信号量相对应的是一个队列，队列中存储的是排队等待使用这个资源的进程。
★引入信号量、队列、以及P、V操作的目的是为了解决进程间互斥和同步问题。
★引入分段存储管理的目标：
1方便了编程；2实现了分段共享；
3实现了分段保护；4实现了动态链接；
5实现了动态增长。
★分页存储管理需要的支持：
动态重定位技术、虚拟存储技术、多道程序设计技术。
■分段和分页存储管理的区别：
页是信息的物理单位，分页是为了实现离散分配方式，以消减内存的外部零头，提高内存利用率。
段则是信息的逻辑单位，它含有一组相对完整的信息。
2页的大小固定且由系统决定，由系统把逻辑地址划分为页号和页内地址两部分，是由机械硬件实现的，因而在系统中只能有一种大小的的页面；而段的长度却不固定，决定于用户所编写的程序，通常由编译程序在对原程序进行编译时，根据信息的性质来划分。
3分页的作业地址空间是一维的，而分段作业地址空间则是二维的。
★I/O控制方式的特点：
1数据传输的基本单位是数据块，即在CPU与I/O设备之间，每次传送至少一个数据块；
2所传颂的数据是从设备直接送入内存的，或者相反；
3尽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。
★设备处理方式：
1为每一类设备设置一个过程，专门用于执行这类设备的I/O操作；
2在整个系统中设置一个I/O进程，专门用于执行系统中所有的各类设备的I/O操作；
3不设置专门的设备处理进程，而只是为各类设备设置相应的折本处理程序，供用户进程或系统进程调用。
★设备驱动程序的特点：
1是请求I/O进程与设备控制器间的一个通信程序；
2驱动程序与I/O设备的特性紧密相关；
3驱动程序与I/O控制方式紧密相关；
4驱动程序与硬件紧密相关，部分程序用汇编语言书写，基本部分往往固化在ROM中。
★设备驱动程序的处理过程：
1将抽象要求转换为具体要求；
2检查I/O请求的合法性；
3读出和检查设备的状态；4传送必要的参数；
5工作方式的设置；6启动I/O设备。
■SPOOLing系统的组成：
SPOOLing系统由输入井和输出井、输入缓冲区和输出缓冲区、输入进程SPi和输出进程SPo三部分组成。
★磁盘访问时间：
磁盘访问时间由寻道时间Ts、旋转延迟时间Tr、传输时间Tt三部分组成。
1Ts是启动磁臂时间s与磁头移动n条磁道的时间和，即Ts=m×n+s。
2Tr是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。
硬盘15000r/min时Tr为2ms；软盘300或600r/min时Tr为50~100ms。
3Tt是指数据从磁盘读出或向磁盘写入经历的时间。
Tt的大小与每次读/写的字节数b和旋转速度有关：
Tt=b/rN。
★单道批处理系统的特征：
自动性、顺序性、单道性。
★分时系统特点：
多路性、交互性、及时性、独占性、。
★实时系统特点：
有严格的时间限制，每一个信息的接受、分析处理和发送的过程必须在规定的时间内完成。
■在基于微内核结构的OS中，采用面向对象的程序设汁技术。
■微内核技术的概念：
把操作系统中更多的成分和功能放到更高的层次中去运行，而留下一个尽量小的内核，用它来完成操作系统最基本的核心功能，称这种技术为微内核技术。
■微内核技术的功能：
在微内核中通常提供了进程管理、低级存储器管理、中断和陷入处理等功能。
★引起进程创建的事件：
用户登录、作业调度、提供服务、应用请求。
★引起进程撤销事件：
正常结束、异常结束、外界干预。
★处理机调度的层次：
1高级调度（作业/长程调度）；2低级调度（进程/短程调度）；3中级调度（中程调度）。
■作业、作业步和作业流的概念：
1作业包含通常的程序和数据，还配有作业说明书。
系统根据该说明书对程序的运行进行控制。
批处理系统中是以作业为基本单位从外存调入内存。
2作业步是指每个作业运行期间都必须经过若干个相对独立相互关联的顺序加工的步骤。
3作业流是指若干个作业进入系统后依次存放在外存上形成的输入作业流；在操作系统的控制下，逐个作业进程处理，于是形成了处理作业流。
■调度算法的采用：
批处理系统的调度算法：
短作业优先、优先权、高响应比优先、多级反馈队列调度算法。
分时系统的调度算法：
时间片轮转法。
实时系统的调度算法：
最早截止时间优先即EDF、最低松弛度优先即LLF算法。
■按调度方式实时调度算法分类：
可分为非抢占式和抢占式两种算法。
而非抢占式算法又分为非抢占式轮转和优先调度算法；抢占式调度算法又分为基于时钟中断的抢占式优先权和立即抢占式优先权调度算法。
★连续分配方式：
1单一连续分配（这是最简单的一种存储管理方式，但只能用于单用户、单任务的操作系统中）；
2固定分区分配（划分分区的方法有：
分区大小相等和不等两种）；
3动态分区分配（分区分配算法：
首次/循环首次/最佳/最坏/快捷适应算法first/next/best/worst/quickfit）。
★分页（段）存储管理的概念：
讲一个进程直接分散的装入到许多不相邻接的分区中，即离散分配的方式，如果离散分配飞基本单位是页（段）则称为分页（段）存储管理方式。
★请求分页系统的常用哪页面置换算法：
最佳（Optimal）、先进先出（FIFO）、最近最久未使用（LRU）、Clock、最少使用（LFU）、页面缓冲（PBA）置换算法。
★I/O控制方式的种类和应用：
1程序I/O方式：
早期计算机无中断机构，处理机对I/O设备的控制采用程序I/O方式或称忙等的方式。
2中断驱动I/O控制方式：
适用于有中断机构的计算机系统中。
3直接存储器访问（DMA）I/O控制方式：
适用于具有DMA控制器的计算机系统中。
4I/O通道控制方式：
具有通道程序的计算机系统中。
■为何要引入设备独立性？
现代操作系统为了提高系统的可适应性和可扩展性，都实现了设备独立性或设备无关性。
基本含义是应用程序独立于具体使用的物理设备，应用程序以逻辑设备名请求使用某类设备。
优点：
1设备分配时的灵活性；2易于实现I/O重定向。
■如何实现设备独立性？
为了实现设备的独立性，应引入逻辑设备和物理设备概念。
在应用程序中，使用逻辑设备名请求使用某类设备；系统执行时是使用物理设备名。
鉴于驱动程序是与硬件或设备紧密相关的软件，必须在驱动程序之上设置一层设备独立性软件，执行所有设备的公有操作、完成逻辑设备名到物理设备名的转换（为此应设置一张逻辑设备表）并向用户层软件提供统一接口，从而实现设备的独立性。
★设备虚拟：
设备虚拟是指把独占设备经过某种技术处理改造成虚拟设备。
★实现设备虚拟所需技术：
可虚拟设备是指一台物理设备在采用虚拟技术后，可变成多台逻辑上的虚拟设备，则可虚拟设备是可共享的设备，将它同时分配给多个进程使用，并对这些访问该物理设备的先后次序进行控制。
■磁盘调度算法的种类和问题：
1先来先服务算法优先考虑进程请求访问磁盘的先后次序；
2最短寻道时间优先算法优先考虑要求访问的磁道与当前磁头所在磁道距离是否最近；
3扫描算法考虑欲访问的磁道与当前磁道间的距离，更优先考虑磁头当前的移动方向。
★文件系统模型的基本内容：
第一层：
对象及其属性说明；
第二层：
对对象操纵和管理的软件集合；
第三层：
文件系统接口。
★对空闲磁盘空间的管理分配方式：
空闲表法、空闲链表法、位示图法、成组链接法。
UNIX系统采用的是成组链接法。
●进程P1、P2、P3、P4：
是安全状态，安全序列为：
<3214><3241><3412><3421>；不能实施分配，因为剩余资源不足。
五问答题
1．在单处理机环境下，进程间有哪几种通信方式，是如何实现的？
1.作业调度：
从一批后备作业中选择一个或几个作业，给它们分配资源，建立进程，挂入就绪队列。
执行完后，回收资源。
进程调度：
从就绪进程队列中根据某个策略选取一个进程，使之占用CPU。
交换调度：
按照给定的原则和策略，将外存交换区中的进程调入内存，把内存中的非执行进程交换到外存交换区中。
2.设备管理中的数据传送控制方式有哪几种？
分别简述如何实现的。
2.程序直接控制：
由用户进程来直接控制内存或CPU和外设间的信息传送。
中断方式：
进程通过CPU发出指令启动外设，该进程阻塞。
当输入完成时，I/O控制器通过中断请求线向CPU发出中断信号，CPU进行中断处理。
DMA方式：
在外设和内存之间开辟直接的数据交换通路。
通道控制方式：
CPU发出启动指令，指出通道相应的操作和I/O设备，该指令就可启动通道并使该通道从内存中调出相应的通道指令执行。
3.简述进程的几种状态和引起状态转换的典型原因，以及相关的操作原语。
3.进程的基本状态有：
新、就绪，阻塞，执行、挂起和终止六种。
新到就绪：
交换，创建原语
就绪到执行：
进程调度
执行到阻塞：
I/O请求，阻塞原语
阻塞到就绪：
I/O完成，唤醒原语
执行到就绪：
时间片完
阻塞到挂起：
挂起原语
挂起到就绪：
唤醒原语
执行到终止：
进程执行完毕
4.什么是段式存储管理？
它从逻辑地址到物理地址是怎么变换的？
4.把程序按内容或构成关系分成段，每段有自己的名字。
一个用户作业或进程包含的段对应于一个二维虚拟储存器。
以段为单位分配内存，然后通过地址映射机构把逻辑地址转换成物理地址。
只将那些经常访问的段驻留内存，其他的段放在外存，待需要时自动调入。
地址变换过程：
由虚地址中的段号为索引，查段表。
找出该段在内存的起始地址，并将其和段内地址相加，从而得到物理地址。
5.什么是请求页式管理？
能满足用户哪些需要？
答：
请求页式管理的基本原理是将逻辑地址空间分成大小相同的页，将存储地址空间分块，页和块的大小相等，通过页表进行管理。
页式系统的逻辑地址分为页号和页内位移量。
页表包括页号和块号数据项，它们一一对应。
根据逻辑空间的页号，查找页表对应项找到对应的块号，块号乘以块长，加上位移量就形成存储空间的物理地址。
每个作业的逻辑地址空间是连续的，重定位到内存空间后就不一定连续了。
此外，页表中还包括特征位（指示该页面是否在内存中）、外存地址、修改位（该页的内容在内存中是否修改过）等。
页式存储管理在动态地址转换过程中需要确定某一页是否已经调入主存。
若调入主存，则可直接将虚地址转换为实地址，如果该页未调入主存，则产生缺页中断，以装入所需的页。
页式存储管理将不常用的页面调出内存，使内存的利用率高；虚拟的容量大，用户不必担心内存不够；不要求作业连续存放，有效地解决了“碎片”问题。
6．在段页式虚拟存储系统中，不同进程之间是如何实现程序共享的？
6.在系统内设置有系统段表，用户段表指向系统段表，系统段表内有当前共享的用户数。
当用户进程调入一个程序段之前，先查找系统段表，如果所需段存在，则将共享用户数加一，在将此段登记在用户进程段表中。
当进程退出时，共享计数减一，最后一个用户删除共享代码段。
7.试比较内存管理和外存管理的异同点.
答：
主要任务：
内存管理的主要任务是为多道程序的运行，提供良好的环境；而外存管理的主要任务则是为文件提供存储空间。
基本功能：
内存管理的基本功能包含了内存空间的分配、回收、内存保护、对换、内存扩充等方面；而对外存管理的基本功能则只是对外存空间的分配和回收。
分配方式：
它们都可采用连续分配或离散分配方式，且都以离散分配方式为主。
分配算法或机制：
对于连续分配方式，内存与外存管理中的分配和回收算法类似，主要有首次适应算法、循环首次适应算法等；在离散分配方式中，两者采用的机制不同，内存管理主要是利用页（段）表；而在外存管理中，则主要利用文件分配表FAT。
8.SPOOLing的含义是什么？
试述SPOOLing系统的特点、功能以及控制过程。
答：
SPOOLing是SimultaneousPeripheralOperationOn-Line（即外部设备联机并行操作）的缩写，它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技术是在通道技术和多道程序设计基础上产生的，它由主机和相应的通道共同承担作业的输入输出工作，利用磁盘作为后援存储器，实现外围设备同时联机操作。
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。
9．在生产者—消费者问题中，能否将生产者进程的wait（empty）和wait（mutex）语句互换，为什
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