操作系统原理知识知识点复习.docx
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操作系统原理知识知识点复习
第一章操作系统概论
1.1操作系统概念
1.配备操作系统的目的
1）方便人们使用计算机
2）有效管理计算机
2.操作系统的目标
1）有效地管理计算机的硬件和软件资源
2）提高系统效率
3）具有可扩充性
4）具有开放性
5）具有可靠性
6）具有可移植性
1.2操纵系统的主要功能
1.处理器管理功能
1）进程控制
2）进程同步
3）进程通信
4）调度
2.存储管理功能
1）内存的分配与回收
2）内存保护
3）地址映射
4）内存扩充
5）内存共享
3.设备管理功能
1）缓冲管理
2）设备分配与回收
3）设备驱动
4）实现设备独立性
5）实现虚拟设备
4.文件管理功能
1）文件的存储空间管理
2）目录管理
3）文件的读写管理
4）文件保护
5.网络功能
1）网络资源管理
2）网络通信管理
3）网络管理
6.用户接口
1）命令接口
2）程序接口
3）图形接口
1.3操作系统的基本特征
1.并发
2.共享
3.异步
4.虚拟
1.4操作系统的逻辑结构和运行模型
1.操作系统的逻辑结构
1）单核结构
a）整体模块结构
b）分层结构
2）微内核结构
2.操作系统的运行模型
1）独立运行的内核模型
2）嵌入进程中的执行模型
3）作为独立进程运行模型
1.5操作系统的形成与发展
1.人工阶段
从计算机产生到20世纪50年代中期机器属于第一代计算机。
2.监控程序阶段
20世纪50年代中期出现了监控程序干预下的单批道处理系统。
3.操作系统成熟时期
20世纪60年代，随着通道技术和中断技术的实现，多道程序设计技术成为现实。
4.操作系统的进一步发展
20世纪80年代后期，随着微机技术的迅速发展，大规模及超大规模的集成电路技术得到广泛应用。
1.6操作系统主要类型
1.批处理操作系统
2.分时操作系统
3.实时操作系统
4.微机操作系统
5.网络操作系统
6.多处理器操作系统
7.分布式操作系统
8.嵌入式操作系统
第二章进程管理
2.1．进程概念
1.进程映像的组成
1）进程控制块（PCB）
2）进程执行程序（code）
3）进程执行所需数据（data）
4）进程工作区
2.进程的基本特征
1）动态性
2）并发性
3）独立性
4）异步性
5）共享性
3.进程与程序的区别
1）进程是实体的一次执行过程，是动态的，程序是有序代码，是静态的；
2）进程能够并发执行，程序只能顺序执行；
3）进程有生命周期，在计算机运期间才有可能存在，而程序可以永久在外存；
4）进程有程序，数据及相关控制块组成，程序只是进程执行中的一段代码；
5）程序与进程之间不是一一对应的；
4.进程控制块
进程存在的唯一标志；
5.进程状态及转换
时间片用完
事件发生调度
等待事件
2.2．进程控制
1.进程创建
1）申请一个空闲的PCB，为之分配一个唯一的标识符
2）新进程分配内存资源，
3）分配其他的资源
4）初始化PCB
5）将进程插入就绪队列
2.阻塞原语和唤醒原语的作用正好相反。
2.3．进程互斥与同步
1.进程访问临界区应遵守的原则：
1）空则让进
2）忙则等待
3）有限等待
4）让权等待
2.开关中断指令又称硬件锁
3.实现进程互斥与同步的方法
1）硬件法
2）软件方法
3）信号量机制
4.管程的组成：
1）管程内部的数据结构
2）对数据结构操作的一组过程
3）对共享数据结构的初始化
2.4．进程通信
1.信箱通信的同步规则
1）如法的信箱已满，则发送进程转变成等待信箱状态，直到有空格时才唤醒；
2）如信箱中没有信件，则接受进程转成等待信件状态，直到有信件时才唤醒。
2.管道通信的基础是文件系统
2.5.线程
1.引入线程后，线程与进程的工作分配
线程：
能够并发执行的实体，能够被系统独立调度与分派的基本单位
进程：
资源分配的实体
2.线程分类
1）用户级线程
2）内核支持线程
3）混合式线程
3.线程有点
1）用户级线程的切换速度高于支持内核线程的切换速度
2）用户级线程可以在任何操纵系统上运行
3）线程调度灵活
第三章处理器调度与死锁
3.1．处理器调度
1.定义
按一定的规则分配处理器
批处理作业：
需要高级和低级调度
中断作业：
低级调度
3.作业
用户交给计算机所做的工作。
由程序，数据和作业说明组成。
交换式作业又称终端作业或连击作业
批处理作业又称脱机作业
4.选择调度算法的评判指标
（1）CPU的利用率
（2）系统吞吐量
（3）各类资源的平衡利用
（4）周转时间
（5）响应时间
（6）截止时间
（7）优先权原则
（8）公平原则
5.调度算法
（1）先来先服务算法
调用后背队列中最先进入队列的一个或多个作业。
属于非剥夺式调度。
特点：
利于长作业，不利于短作业。
简单易实现。
效率低。
只顾等待时间，不过执行时间。
（2）短作业/短进程优先调度算法
调用运行时间短的作业，属于非剥夺式调度。
特点：
降低平均等待时间，提过系统吞吐量。
对长作业不利。
（3）最高优先权调度算法
调度优先权高的作业，分为：
非抢占式：
被调进程一直运行，直到结束或等待事件发生才主动放弃CPU。
抢占式：
运行中的进程将CPU的使用权让给优先权高的
（4）最高响应比算法
系统响应时间作业等待时间+作业要求时间
R==
作业要求运行时间作业要求时间
属于非剥夺式调度。
（5）时间片轮转调度算法
进程在规定的时间内没有结束，系统将产生一个中断。
属于剥夺式算法
（6）最短剩余时间优先调度算法
短进程优先调度算法改造得到的剥夺式算法。
（7）多级反馈队列调度算法
（1）设置多个不同优先权队列，从上往下队列优先权依次降低。
各队列时间片不等。
优先权越高，时间片越短。
同一级进程，执行时间相同。
（2）新进程进入队列时，首先排在第一个就绪队列队尾，按照先来先服务原则等待调度。
调度中，按时间片轮转调度算法执行。
（3）仅当第一个就绪队列空闲时，才调用第二个就绪队列中进程执行。
依次类推。
（4）执行中，按最高优先权剥夺式调度算法执行。
6.实时调度
任务的空闲时间=任务的截止时间-任务剩余执行时间-当前时间
7.进程切换
处理器模式切换：
（1）保存中断进程的处理器现场
（2）将处理器由用户态转向和心态
（3）根据中断级别设置中断屏蔽位
（4）根据系统调用号或中断号，调用相关处理程序。
进程切换模式：
（1）保存CPU现场
（2）修改PCB
（3）给PCU挑选新进程
（4）修改新进程PCB设置新进程地址空间，恢复存储管理信息
（5）根据新进程PCB中保存的CPU环境，恢复CPU现场，执行新进程。
3.2．死锁
8.死锁产生的必要条件
（1）互斥条件
（2）请求和保持条件
（3）不剥夺条件
（4）循环等待条件
9.处理死锁的基本方法
预防：
破坏4个必要条件
避免：
分配资源前，进行安全性检查。
检测：
根据资源分配图进行检测。
解除：
第四章存储管理
4.1．程序的链接和装入
1.程序运行需经过的阶段
编译、链接和装入
2.物理地址和逻辑地址
逻辑地址空间：
一个目标模块（程序）或装入模块（程序）的所有逻辑地址空间结合称为逻辑地址空间或相对地址空间
4.将程序中的逻辑地址转换成机器能够直接寻址的物理地址，这种转换称为地址映射、地址变换、重定位。
4.2．分区式存储管理
（1）单一连续存储管理
原理：
内存空间分为系统区和用户区两部分，用户程序有装入程序从地地址开始装入，且一次只能装入一个程序。
（2）固定分区存储管理
原理：
在单一连续存储管理基础上，将用户区划分成若干个固定大小的区域，系统允许同时装入多道程序进入内存使他们能够并行执行。
（3）可变分区存储管理
1）原理：
程序装入前不建立分区，而是在程序运行时很据内存空间的需要而动态建立。
2）分配算法
a）最先适应算法：
有低地址找到能够满足程序要求的空闲分区。
b）最佳适应算法：
按空虚分区的长度从小到大组织空虚分区，然后从小的开始寻找能够满足程序要求的空虚分区。
c）最差适应算法：
将内存中最大的分区分配给请求装入的程序。
3）回收
4）覆盖于交换技术
覆盖技术：
程序内部的内存扩充技术
除了跟程序外，其余的所有程序有属于可覆盖程序。
交换技术：
程序间的内存扩充技术
一般情况下，人们所说的交换是指进程交换。
4.3．分页式存储管理
采用离散分配内存的方式，基本单位时页面。
1）原理
一个进程的逻辑地址空间分为若干个大小相等的区域，称为页。
并对进程的所有页面从0开始进行编号
物理地址空间也按同样的方法换分与页面长度相同的区域
内存地址的所有页框也从0依次进行编号
2）页内碎片
由于最后一页往往不能装满物理块，于是会有一定的内存空间浪费现象，我们称为页内碎片。
3）逻辑地址结构
3112110
由图可知：
每个页面大小是212=4K
地址空间最多允许有220=1M个页面
逻辑地址=页号X页长+页内地址
4）地址变换
a）地址变换机构自动将一维逻辑地址划分成页号和页内地址
b）将页号和页表寄存器中的页长进行比较
若页号大于页表长度，系统产生中断
否则继续根据页表寄存器中页表在内存中的起始地址
c）在找到的页表中找到对应的物理块号，从而形成物理地址。
5）快表
一般允许存放32~1024个页表项
6）两级页表
对一个大页表进行分页，分的的各个页面称为页表页面或页表分页
每个越帮越忙在外层表中有一个外层页表项，用来记录页表页面在内存中所存放的物理块的块号。
31222112110
4.4．分段式存储管理
1）实现原理
将程序的逻辑地址划分才若干个子程序，每个子程序为一个段，每个段从0开始编址，一段为单位将程序存放于不相邻的内存空间。
2）二位逻辑地址
3124230
每个段的长度：
224=16M
一个作业最得多允许28=256个段
3）
段表
4.5．段页式存储管理
1）原理
将程序的逻辑地址分成若干个段，每个段分成若干个页。
2）逻辑地址结构
31242312110
4.6．虚拟存储管理
1.虚拟存储管理的基本特征
1）离散性
2）多次行
3）部分装入
4）逻辑扩充
5）交换性
2.虚拟存储器的大小由内存和外存容量之和决定。
3.请求分页虚拟存储管理
在分也是存储管理的基础上，增加了支持虚拟存器而形成的一种存储管理方式。
1）页表结构
2）分页式存储管理和请求分页式虚拟存储管理的区别
i.页表机制不同
ii.请求分页虚拟存储管理是在分也是存储管理的基础上，增加了支持虚拟存器而形成的一种存储管理方式
iii.地址变换机构不同
3）缺页中断结构与中断的异同
相同点：
有CPU保护现场环境、分析中断原因、转中断处理和CPU恢复现场等几个过程
不同点：
在却也中断结构中
中断的产生和处理时在指令执行期间
程序运行过程中，一条指令执行期间可能会产生多次中断。
4）页面置换算法
A.最佳置换算法
淘汰将来再也不访问或长时间不访问的页面；
B.先进先出置换算法
选择驻留主存时间最长的页面进行置换
C.最近未使用置换算法
淘汰最近未使用的页面
具体分为：
i.最不经常使用
页面被访问时，计数器加1，淘汰页面时，选择计数器里面值最小的那个
ii.最近没有使用
页面别访问时，访问位加1，系统在规定的时间将所有的访问位重新置0，淘汰时，从当前访问位为0的页面内随即选择一个
iii.Clock算法
当页面被访问时，计数器加1
淘汰时，从当前位置开始循环扫描队列，若页面的访问位位1，则将它重新置0，在检查下一个，若访问位为0，则它就是将被淘汰的那个页面
第五章设备管理
5.1．输入输出系统
1.计算机的分类
（1）按信息传输速度
低速设备、中速设备和高速设备
（2）按信息交换单位
字符设备和块设备
（3）按设备属性
独占设备：
一段时间内只允许一个用户（进程）访问设备
共享设备：
一段时间内有许多个用户（进程）访问设备
虚拟设备：
通过虚拟技术（如：
spooling技术）将一台独占设备改成若干台逻辑共享设备，提供给多个用户（进程）同时使用。
（4）按使用特效分类
存储设备：
若磁盘等
输入输出设备：
键盘，显示器等
3.设备控制器
位于输入输出设备和CPU之间的电子设备，主要职责是负责控制一个或多个I/O设备，实现计设备与计算机存储器之间数据交换。
分为两种：
（1）控制字符的设备控制器
（2）控制块的设备控制器
5.通道（又称I/O控制器）
功能：
减少CPU对输入输出的干预。
一般通道没有自己的内存，通道程序存入到主机内存中，既通道与CPU共存。
在通道输入输出控制下，CPU向通道发出一条I/O指令后，转向其他运算，输入输出则在通道控制下进行。
6.通道类型
（1）字节多通道
（2）数组选择通道：
以块为单位传输信息
（3）数组多通道：
前两种的结合。
5.2．输入输出控制方式
1．程序直接控制输入输出
早起的计算机不存在中断机构，CPU对I/O设备的控制只能由程序直接控制
2.中断输入输出控制方式
否
是
未完
完毕
3.DMA输入输出控制方式
优点：
（1）以块为单位进行信息传输
（2）CPU不介入数据传输
（3）开始和结束时CPU才干预
步骤如下：
CPU
设备
否
是
否
是
4.通道输入输出控制方式
实现CPU、通道和设备之间的并行操作。
步骤：
（1）进程提出I/O请求，CPU给通道发启动命令并传递相应的参数后转向其他的进程
（2）通道收到命令，调用通道执行程序，于是设备、通道和CPU并行工作
（3）通道逐条执行通道程序中的通道命令
（4）数据传输后，通道向CPU发出中断请求。
（5）CPU响应中断请求，进行响应的处理。
5.3．缓冲技术
1.目的
缓和CPU和设备间速度不匹配问题，提高他们的并行性。
2.几种缓冲区类型
（1）单双缓冲
（2）循环缓冲
（3）缓冲池
3.设备分配
5.4．分配策略：
5.5．输入输出软件
用户使用外部设备的过程中，与输入输出操作有观点操作的软件集合。
1.设备无关软件
独立于设备的软件
2.设备驱动程序
通道程序由设备驱动程序构成
5.6．虚拟设备
利用磁盘和软件技术来模拟独占设备工作，从而是每个用户进程都觉得获得了全部的I/O设备，虚拟设备技术常采用SPOOLing技术。
5.7．磁盘存储管理
1.磁盘访问时间的构成
（1）寻道时间（占主要的）
（2）旋转延迟时间（即将欲访问的扇区旋转到磁头下所需时间）
（3）数据传输时间
2.磁盘调度
（1）先来先服务算法
（2）最短寻道时间优先算法
根据请求进程要访问的磁盘离当前磁头的距离的远近来决定调用顺序
（4）扫描算法
又称电梯调度算法。
思想：
有访问时，磁头来回扫描，每次选择磁头移动方向上离当前磁头位置最近的访问进行处理。
又很短的平均寻道长度
（5）循环扫描调度算法
单向扫描
若磁头自里向外，每次访问位于磁头位置或者外侧离磁头位置最近的访问进行处理
磁头自外向里同理
（6）分布扫描调度算法
多个队列
队列内按先来先服务算法，队列间按扫描调度算法
（7）FCNA调度算法
第六章文件管理
6.1．概述
1.目标文件属于二进制文件
目录文件属于检索文件
6.2文件数据的组织和存储
1.文件的逻辑结构
（1）流式文件：
无结构文件，由字符流组成。
（2）记录文件：
有结构文件
2.文件的物理结构
（1）连续结构
（2）链式结构
（3）索引结构
优点：
支持直接访问
缺点：
外存空间浪费很大。
（4）散列结构
具有散列结构的文件称为直接文件、散列文件或哈希文件。
6.3．文件目录
数据结构，有若干文件名、物理地址以及其他属性按照一定的方式组织到一起，用于实现文件检索等目的。
1.FCB（文件控制块）
该文件的唯一标识
2.目录结构
文件目录的组织形式。
6.4．文件储存空间管理
连续分配方式具有较高的访问速度，但容易产生碎片
离散发布的相反
常用的文件储存管理方法
1.空闲区表法
分配连续外存空间的方法，常用与建立连续文件。
2.空闲块链表法
磁盘上当前的所有空闲块通过指针连成一个链表
空间盘块是指磁盘上当前所有空虚空间，以块为单位连成一个链表
空闲盘区链磁盘上当前所有的空闲空间，以空间盘区为单位连成一个链表
3.位示图法
一个二进制位对应一个盘块
1表示已分配，0表示空闲
建立mXn个盘块数
位示图法分配磁盘的方法：
（1）顺序扫描，根据需要找出一个或者一组二进制位0的二进制位
（2）找到后换算成对应的盘块号
盘块号b=nx（i-1）+j
其中，n代表位示图的列数
（3）修改位示图，令Map[i][j]=1
回收一个盘块时：
（1）将盘号b转换成对应的二进制位的行号i和列号j：
i=（b-1）DIVn+1
j=（b-1）MODn+1
（2）令Map[i][j]=0
升级会员 