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1、操作系统总结 操作系统总结第一节 操作系统概述1、操作系统的定义，识记操作系统是计算机系统中直接控制和管理各种软硬件资源，以方便用户充分而有效地利用些资源的程序的集合2、操作系统的发展过程，领会发展历史经历三个变化 从人工操作 到 机器自动处理 人工操作缓慢 机器按照事先编辑好的过程完成任务的转换 从联机I/O 到 脱机I/O CPU速度迅速提高而I/O设备依然缓慢， CPU花大量时间等待设备 输入输出在外围机控制下进行，CPU不等待 从单道程序处理 到 多道程序同时处理 逐个运行作业，所有资源为一个作业独占 同时运行多个作业，充分利用资源3、操作系统的功能，识记 四大管理功能与用户接口功能，

2、或五大管理功能 处理机管理 存储器管理 设备管理 文件管理 作业管理（用户接口）4、操作系统的特征，识记 并发性、共享性、虚拟性和异步性 程序执行的并发性 并行与并发 并行：在某一时刻同时发生 并发：在一段时间内同时发生 程序并发执行可以大大提高资源利用率 在一段时间内多个程序都同时推进完毕 资源的共享性 含义：系统中的资源可供多个并发执行的程序共同使用 互斥共享 某些资源只能互斥访问，如打印机。 系统在一段时间内让多个程序分别访问了互斥资源共享 同时访问 某些资源允许多个程序同时访问，如屏幕。 系统并发调度多个程序共享资源共享性与并发性的关系互为条件（共享）对资源进行有效的管理，使得一个作业

3、在访问I/O设备而不使用CPU时，其他作业可以使用CPU并发执行（并发）程序并发执行，系统资源在一段时间内为多个程序共同访问，资源得到了共享资源的共享 对象的虚拟性 虚拟：把一个物理实体通过一定的技术变成若干个逻辑上的对应物。 程序执行的异步性（不确定性） 程序之间是以异步的方式推进的。 异步、不确定 可能程序完成的顺序与程序进入内存（系统）的顺序不同 不可预知：程序何时执行、何时暂停、推进进度、完成时间等5、批处理系统、分时系统和实时系统的特点，领会 单道批处理系统 作业成批进入系统后备队列 按照一定的策略调度一个作业在系统中运行 单道批处理系统特点： 内存中只保持一道作业运行 作业完成顺序

4、与其进入内存的顺序直接相关 多道批处理系统 作业成批进入系统后备队列 按照一定的策略调度多个作业在系统中运行 进一步提高系统吞吐量和利用率 多道批处理系统的特点： 多道性 无序性（作业进入内存的顺序与作业完成的顺序不直接相关） 需要进行两级调度 高级调度:选取多个作业进入内存 低级调度:在内存中的多个作业之间完成处理机使用权的切换 小结：批处理系统的特点： 资源利用率高，吞吐量大 能根据作业对系统资源的需求和系统当前状态，充分调度资源。 无交互能力 作业进入系统后，系统自动调度，管理员或用户不干预系统的调度情况 分时系统的提出： 主机少，用户多的情况下，如何让多人同时使用主机。 如果大家轮着用

5、主机，如何进行人机交互的及时响应共享主机 分时系统实现： 按时间片轮转 时间片：作业使用CPU的时间 时间片中断处理 分时系统的特点： 多路性 同时连接多台终端 独立性 终端间互不影响 及时性 在人们能接受的时间内响应 交互性 方便的人机对话（与多道批处理系统做对比） 实时系统的提出： 分时系统的响应往往要等待一个循环周期。 实时系统必须在规定的时间内对用户请求或外部事件及时响应 实时系统特点： 多路性： 多路信息采集，多对象控制 独立性： 信息采集和对象控制是相互独立的 及时性： 有较严格的时间限制，相应时间短 交互性： 主要与管理员进行简单的交互 可靠性： 多级容错6、其它操作系统，了解第

6、二节 处理机管理1、程序并发执行的特征，领会 程序间顺序执行和程序间并发执行的特征 顺序执行 顺序性：前一程序执行完后才执行后一程序 封闭性：程序运行时独占资源 可再现性：环境和初始条件不变下，程序多次重复执行，结果一样 并发执行 执行的间断性 资源占用的非封闭性 结果的不可再现性2、进程的定义，识记 进程的定义 可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个 独立单位 定义要点： 本质：运行过程 前提：可并发执行的程序 对象：数据集合 目的：独立单位：分配与调度 一个程序同时两次执行将是两个不同的进程3、进程的特征，识记 进程的特征 动态性：生命期 并发性：进程执

7、行时间的重叠（宏观） 独立性：资源分配与调度时相对独立 异步性：“走走停停”，不可预知 结构性：进程的结构进程的“映像”4、进程控制块的概念、内容和作用，识记 什么是PCB PCB是纪录进程动态特性，运行控制等信息的数据结构 进程标识符 识别进程的唯一标志。 内部标识符：一串数值，供系统识别 外部标识符：一串字符，供操作员识别 CPU现场： 程序指令计数器 各种寄存器：AX，BX，bp栈顶寄存器等 程序状态字 。 CPU现场就像一个工作环境， 当我们阻塞一个进程使其等待时，我们需要记录下这个环境的各种参数， 以便将来进程恢复执行时，系统根据记录，恢复现场， 使进程感觉像从来没有离开过 PCB的

8、作用 PCB可唯一标识一个进程 PCB中的信息为进程的控制提供依据 PCB将程序变成了进程 PCB是进程在系统中存在的唯一标志。5、进程状态及转换，领会 三种基本的进程状态 就绪态：进程已获得除CPU以外的其他资源（可以执行） 执行态：进程获得CPU正在运行的状态（正在执行） 阻塞态：进程因等待某事件而暂时不能运行的状态（不可执行） 事件 动作新状态就绪 接纳 进入就绪队列就绪执行 进程调度 分配CPU使用权执行结束 完成 释放所有资源执行就绪 中断或时间片用完强制放弃CPU进入就绪队列执行阻塞 IO请求或等待某事件发生主动放弃CPU进入阻塞队列阻塞就绪 IO完成或某事件发生 进程被释放，进入

9、就绪队列6、进程控制的步骤，了解7、进程调度的原因及方式，识记 原因：现进程运行完毕 现进程阻塞 现进程“超时” 优先权高的进程进入就绪队列8、进程调度算法及评价和应用环境，领会 先来先服务算法FCFS 按照就绪进程进入就绪队列的先后次序进行调度 简单易实现 公平 评价：利于长进程，CPU繁忙型作业 不利于短进程 排队时间相对过长 短进程优先算法 对系统服务时间需求短的进程优先被调度 评价：系统性能改善，平均带权周转时间优于FCFS 不利于长作业，当不断有短进程到达时，不保证长进程响应的及时性，甚至可 能得不到调度 调度算法评价指标 周转时间（Trunaround Time）：进程第一次进入就

10、绪队列到进程运行结束的时间间隔 TT 等待时间(WT) 服务时间(ST) 平均周转时间（ATT）：系统各进程周转时间的平均值 ATT TT / N 带权周转时间（QTT）：进程周转时间与系统服务时间的比值 QTT = TT / 服务时间 平均带权周转时间（AQTT） AQTT = QTT / N 等时间片轮转 保证人机交互的及时性 （1）按照FCFS顺序从就绪队列选取进程 （2）每个进程分配给相同的CPU时间片 （3）时间片到后将进程排到就绪队列尾 公平性的保证 响应及时性的保证 响应时间RT（Response Time） 从提交一个请求开始到计算作出响应，显示结果在屏幕上 RT q N （q

11、：时间片大小） q不能太大，保证响应时间；q不能太小，减小开销 不等时间片轮转法 在保证及时响应的基础上，为不同的需求分配大小不等的时间片降低周转时间 长进程，IO频繁型短时间片 短进程，CPU密集型长时间片 引入前台，后台 最高优先权调度算法（HPF） 保证实时性。（事件响应的及时性） （1）为每个进程设置优先级 （2）调度时选取优先级最高的进程，相同优先级的进程按照FCFS选取 抢占式调度： 高优先权的进程进入就绪队列时引起调度 非抢占式调度： 高优先权的进程进入就绪队列仅引起队列重排 静态优先权 进程的优先权在进程创建时设定，以后不会改变 动态优先权 进程的优先权在系统周转过程中动态改变

12、 就绪等待进程优先级随等待时间以a速率升高 执行进程的优先级以b速率下降 优先权=（等待时间+要求服务时间）/要求服务时间 等待时间一定：优先权与要求服务时间成反比 短进程优先 要求服务时间一定：优先权与等待时间成正比 优先权低的进程也能有运行的机会 多级反馈队列调度 综合各种算法长处 设计思想 设置多个就绪队列 各队列优先级不一样， 分配的时间片也不一样，高优先权队列进程的时间片较小 调度算法 （1）在选取进程时，选取高优先权队列里的进程。优先级调度 分配给相应的时间片。同一队列按照FCFS时间片轮转 （2）进程使用完时间片后，回到就绪态是则进入低一级优先权队列动态优先 权，不等时间片 （3

13、）当高优先权队列里没有进程时，才调度低优先权队列进程 （4）进程创建后进入最高优先权队列短进程优先 多级反馈队列的性能 （1）短进程 在第一级队列的时间片中完成， 满足及时响应和短进程的周转要求 （2）动态变化的优先权 使优先权低的进程也得到执行的机会 （3）动态变化的时间片 长进程在长时间等待后获得长时间片，可减少周转时间和系统开销9、临界资源和临界区，识记 (1)临界资源 一次只允许一个进程访问的资源 资源状态为临界：0 或 1 (2)临界区 每个进程用于访问临界资源的那段程序 同类临界区：同类资源的临界区 进入区 退出区10、进程同步原则，识记 空闲让进（空闲让进与忙则等待是两个基本原则

14、，必须遵守） 当资源空闲时，应当允许访问资源的进程进入临界区 忙则等待 当资源被占用时，应使申请访问该资源的进程等待，等待使用者归还资源 让权等待 在进程等待资源时，从执行态转为阻塞态，应当让出CPU的使用权。系统将把CPU 分配给其它进程使用，以提高系统效率 有限等待 系统应保证等待的进程能在有限的时间内获得资源，继续执行，以防止无限等待浪费 该进程已占用的资源11、信号量的P、V操作，识记12、利用信号量进行进程的互斥和进程同步，领会及简单应用13、进程间通信的方式，领会 1）共享存贮器 共享数据 共享存贮区 通过数据、数据区的共享，写入与读出达到通信的目的 2）直接通信方式消息缓冲 采用

15、进程的消息缓冲队列 消息发送者将消息直接放在接收者的消息缓冲队列 3）间接通信方式 利用中间者信箱、邮局来传递信件。 发送进程将消息发送到信箱中，接收进程从信箱中取出消息 4）管道通信 用以连接读、写进程的共享文件14、死锁产生原因、和必要条件，识记；预防死锁、避免死锁和死锁的监测和解除方法，领会 死锁原因 资源不够 进程推进顺序不当 必要条件 1）资源访问的互斥条件 2）请求和保持条件 进程在需要时才申请资源进程对资源的申请是分步的 进程在申请新资源时，对旧资源仍然保持占用，不因为申请新资源而导致对已得 资源的丢失 3）不剥夺条件 资源一旦获得后在V(s)之前不放弃 4）环路等待条件 解决死

16、锁的方法之一预防 破坏死锁产生的四个条件的一个或几个 1）破坏互斥条件 互斥访问是大部分资源的固有属性难以破坏 2）破坏请求和保持条件 资源预分配，提前分完，不是需要时才分资源利用率低 3）破坏不剥夺条件 阻塞进程释放所有的资源进程先前工作白费 4）破坏环路等待条件 资源按序分配，即不能先申请2号资源，再在需要时申请1号资源资源利用 率低，进程流程受限 解决死锁的方法之二死锁避免 资源预测分配，分配资源前，检查分配的安全性 系统的安全状态和安全状态检测 1）安全状态 在当前的状态下，能找到一个正确的推进顺序满足所有的进程的资源需求，将它们推 进完毕 2）安全状态检测 假设本次分配，检测分配后的

17、系统状态是否安全 安全，则执行资源分配。 不安全，则不予分配，将进程阻塞 解决死锁的方法之三死锁的检测与解除 死锁产生后的解决办法 1）死锁的检测 找出死锁的进程和相应的资源 2）死锁的解除 对死锁进程和资源加以处理，解除死锁 死锁检测法资源图的化简 死锁的解除 （1）剥夺资源： 从其它进程处剥夺足够的资源给死锁进程使其能正常完成。 剥夺的策略 （2）撤销进程 撤销所有的死锁进程 撤销部分死锁进程，直到回收的资源可以使剩下的进程完成。 撤销的策略第三节 作业管理1、作业的概念，领会 作业： 工作任务 用户要求计算机处理的一件相对独立的工作任务 工作的集合 是指要求计算机系统按指定步骤对初始数据

18、进行处理并得到结果这样一系列工作 的集合2、作业的状态，了解 提交、后备、运行、完成3、作业控制的方法，了解 早期系统的作业控制靠用户事先向系统提供作业说明书，系统照“书”执行 分时系统向用户提供了一组控制命令，方便用户完成作业控制，特别是在作业进入系统 以后 控制命令发展出Shell的概念 进一步形成用户接口。用户可以通过用户接口以命令、图形界面、程序调用等方式获得 系统服务（包括控制作业）4、作业调度算法，领会 算法的原则（准则） 与进程调度相关内容相似 算法的类型 FIFO 短作业优先 基于优先级 均衡调度 算法性能的评价指标 作业响应时间 周转时间、平均周转时间，带权周转时间，平均带权

19、周转时间第四节 存储管理1、存储管理的功能，识记 （1）存贮分配： 为进程分配足够的内存空间 （2）地址变换 （3）存贮空间保护 多进程之间不会越界访问 （4）主存的“扩充”问题 虚拟内存管理。2、地址映射和重定位，领会及简单应用 为什么要进行地址变换 多道程序并发执行： 相对空间到绝对空间的映射 如何进行地址变换 重定位 基地址是程序在内存中的定位 改变基地址程序就重新定位3、分区存储管理方法及分区分配算法，领会； 单一连续分配 适用于单用户系统 基本思想： 内存分为系统区和用户区 用户程序占据整个用户区仅允许一个用户 算法： 作业用户区？ Yes：给作业分配存贮空间，装入程序 No：不能分

20、配 固定分区分配 适应多用户系统 基本思想 内存分区 每个分区装入一道作业，同时可装入多道作业 对分区进行存贮保护 实现方法：分区说明表 动态分区分配（可变分区分配） 引入 固定分区分配会造成大量的内零头 基本思想 分配分区时，仅将进程需要的大小分配出去，其余的仍然留在空白内存表里。 空白内存表线性数据结构 索引 链表 实现方法 分区的数目一定，但大小可变空白分区说明表 分区的数目和大小均可变空白分区说明表 分配算法（空白分区选择） 从多个目标中选取一个 A、首次适应(First Fit) 第一次遇到可装入程序的分区就分配的算法 步骤： （1）将空白分区按地址递增顺序链接 （2）从链首开始查找

21、适合的分区 （3）从选中的分区中分出所需的大小，其余部分仍留在空白分区链表里 特点：优先分配内存中低地址部分 优点：简单 缺点：在低地址部分会积累大量外零头 B、循环首次适应 在首次适应算法的基础上，循环起来，均衡利用整个内存空间 实现： 将空白区链表首尾相接形成环形， 每次查找从上一次停留的位置开始 特点 可以均衡利用高址和低址内存 减慢了外零头形成的速度 外零头虽然不集中在低址部分，但未得到有效解决。“饼干越掰越碎” C、最佳适应 选取最适合大小的空白分区 空白分区按照分区大小递增排列 遇到的第一个可分配空白分区就分配 特点： 优点：保证总有大分区可分配（排在后面） 缺点：排在前面的分区不

22、断变小，能被分出去的概率也就越来越低 外零头形成速度快 D、最差适应 选取分区中最大的一个最不适合的 空白分区按大小递减排列 遇到的第一个可分配的空白分区就分配 特点： 优点：查找效率显著提高，一次就找到 缺点：大作业容纳能力会下降4、内零头和外零头，识记 内零头： 分配给用户但用户没有使用的空间 “多分配的空间” 外零头： 没有分配但无法分配的空间 太小而无法分配，“分不出去的空间” 单一连续分配有较大的内零头 分区分配有小于一个分区的内零头，如果分区太小就成为外零头5、覆盖和交换技术，了解 什么是覆盖与交换 两个程序模块使用同一个内存分区 为什么要进行覆盖与交换 节约内存，提高内存利用率

23、怎样进行覆盖与交换 对换区 换入、换出 相关知识： 挂起 中级调度6、虚拟存储管理概念，识记 虚拟存储方法的引入 原有存储管理方法中存在的问题 当作业很大，超过内存剩余时，无法装入 装入的作业对内存利用率不高 99%空间内的指令在短时间内都不会得到执行 解决问题的动机 解决装入作业受限 提高内存利用率 提高系统吞吐量 问题产生的原因 作业装入的“一次性” 作业装入后的“驻留性” 解决方法的探索 不需一次全部装入作业 只装入最近需要运行的部分 装入内存的程序可在不需要访问时暂时退出内存 最近不需要的已装入部分可退出内存 解决方案的可行性分析 程序执行的局部性规律 （1）顺序执行规律 （2）跳转的

24、局部性 程序的跳转和调用范围不大 （3）数据访问的局部性 局部性 时间的局部性 在短时间内多次被访问 空间的局部性 在较短程序范围内多次访问 结论：可以只装入程序的部分内容 虚拟存储器的定义 虚拟存储指仅把作业的一部分装入内存便可运行的存储管理系统，通过作业各部分的 动态调入和置换，用户所感觉的存储空间比实际空间大，称之为虚空间。 虚存的特征 离散性 虚拟存储建立在离散内存管理基础上 多次性 程序页面会多次进/出内存 对换性 在置换页面时需要在外存建立对换区 虚拟性 程序部分装入就可以执行 给用户感觉比实际空间大的虚拟空间7、分页存储管理基本原理，识记；地址转换结构及过程，领会及简单应用分页存

25、储管理方法 离散分配方式 1）离散分配方式的引入 连续分配方式有大量的内/外零头。 为解决零头问题又要进行拼接、紧凑等高开销活动 2、什么是离散分配 程序在内存中不一定连续存放 3、怎样离散分配 分配方式的详细纪录空间映射关系 灵活的地址变换方式 分页存储管理基本思想 1）离散的基础 分页：将程序地址空间分页 分块：将内存空间分块 页/块：几K几十K字节 2）离散分配的体现 内存一块可以装入程序一页 连续的多个页不一定装入连续的多个块中 注：系统中页块的大小是不变的。 3）离散分配的优点 没有外零头 不受连续空间限制，每块都能分出去 仅有小于一个页面的内零头 程序大小一般不是页大小的整数倍 最

26、后一个页面不是“满”的 建立并管理以下三种表格 （1）作业表（JT） 整个系统一个，记录作业的页表情况。 （2）页表（PT） 每个进程一个，记录进程的程序页与块的关系 （3）存储分块表（MBT） 整个系统一个，记录空白块 N：可用的空白块总数 Fptr：空白块链表表首指针 每个空白块记录了下一个空白块的块号，因此形成了空白块链表 地址变换过程 1）将相对地址形成有效地址（页号和页内地址）； 2）根据页表始址和页号找到页表并查询页表相应表项； 3）得到物理块号，将块号放入物理地址寄存器； 4）将页内地址作为块内地址填入物理地址寄存器 5）根据块号和块内地址访问内存8、分段存储管理基本原理，识记；

27、地址转换机构及过程，领会及简单应用 分段存储管理的基本原理 分段 作业空间按逻辑信息的完整性分成若干段，段由段名和段号 各段的大小不等 每段从0开始编址，各段长度不等 分段的相对地址是二维的 相对地址= （段号，段内地址） 分段存储管理的实现 离散的思想 系统为每个分段分配一个连续空间，多个分段之间不一定连续 解决两个基本问题 地址空间的映射 地址的变换 地址空间映射 建立并管理作业表(JT)、段表(ST)、空白内存表 段表： 每进程一个，记录进程内段与内存实际段存放基地址的映射关系。 分段式与分页式的区别 （1）可见与不可见 “分页”是系统活动，用户无法介入，页的大小固定 “分段”是用户可见

28、的，段大小可变 （2）物理单位与逻辑单位 页是信息的物理单位，不是完整的逻辑单位 段是完整的逻辑信息单位 （3）地址空间 分页的作业空间是一维的，是单一线性空间 分段的作业空间是二维的。9、快表，领会 引入原因 原有的地址变换机构要进行两次内存访问 快表的设计思想 快表是高速缓存 高速缓存是具有并行查录能力的特殊的硬件存储器，可以认为查询高速缓存的内 容并不花费时间 高速缓存里放置经常使用的页表项 如果在高速缓存里查到页表项，访问动作只需访问一次内存 高速缓存是昂贵的硬件资源 如CPU的cache 基于快表的访问过程 先查快表，未果“再”查页表 两个表是同时查的 因为快表查询速度快，查到了，结果就提前出来；没查到，等页表出结果，不额 外花费时间 快表能否提高系统效率取决于： 命中率 缓存容量 缓存的更新机制10、段页式存储管理基本原理，领会 段页式存储管理的引入 分页管理内存管理效率高 没有外零头 内零头小 分段管理符合模块化思想 每个分段都具备完整的功能 方便代码共享、保护 段页式管理的基本思想 用户程序分段、段内分页 系统内存分块 每块装入一页，各块之间可以不连续 一个有效地址（段名，段内地址） （段名，段内页号+页内地址）第五节 设备管理1、设备管理的任务和功能，识记；设备分类，了解 为用户提供简单一致的方式访问各种I/O