2021软工操作系统原理复习

提示：张德军老师的提纲，看的万林老师的讲解ppt复习
有需求看，有错赶紧告诉我！！！晚上考！！！

复习前期提要

偶尔会加有自己理解以及语句多多包涵谅解

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一、引言

掌握操作系统的概念

1.控制管理计算机的软硬件资源，
2.合理调度各类资源，提高系统效率和吞吐量，
3.方便用户使用的系统软件。
是硬件系统上的第一层软件

通道：用于控制I/O设备与内存间的数据传输。启动后可独立于CPU运行，实现CPU与I/O的并行。

中断：CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。

脱机技术：脱离主机的控制进行输入/输出操作
SPOOLING技术（Simultaneous Peripheral Operation On Line ）假脱机技术：
用软件的方式模拟脱机技术，缓解设备与CPU速度的矛盾。
假脱机技术由输入井和输出井、输入进程和输出进程以及输入缓冲区和输出缓冲区组成。

了解操作系统的发展历史及各阶段主要特征

第一代（1946 ~ 50年代中期）：无操作系统
工作方式：人工操作方式
用户独占全机：不出现资源被其他用户占用，资源利用率低；
CPU等待用户：CPU利用率低

第二代(1955-65)：单道批处理系统
利用磁带把若干个作业分类编成作业执行序列，每个批作业由一个专门的监督程序自动依次处理。

CPU和I/O设备使用忙闲不均

第三代(1965-1980)：多道程序批处理系统
OS/360：第一个能够运行多道程序的操作系统！

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。

第四代(1980-至今)：微机操作系统
网络操作系统(network operating system)：仅访问不计算，有联网
分布式操作系统(distributed operating system) ：可联网 协作 计算

了解操作系统的组成

1、进程管理
2、存储管理
3、文件管理
4、设备管理
5、系统调用

掌握操作系统的类型

1、批处理操作系统
2、分时操作系统
3、实时操作系统
4、网络操作系统
5、分布式操作系统
6、嵌入式操作系统（Embedded Operating System，简称：EOS）
7、微内核操作系统

掌握系统调用、多道程序概念

操作系统和用户程序之间的接口是由一组操作系统提供的系统调用(System Call)来定义的
系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口。通过系统调用使用操作系统内核提供的各种功能
系统调用的执行不同于用户程序的执行。系统调用的执行是在核心态下，而用户程序则是在用户态下

多道程序设计指的是允许多个程序同时进入一个计算机系统的内存并启动进行计算的方法。并使他们交替进行，共享软件硬件资源。从宏观上看，多道程序是并行的，因为多道程序都在运行之中。从微观上看，多道程序是串行的，因为CPU每次只处理一个程序，交替执行。

了解操作系统发展中的各类典型结构。

无序结构
层次结构
面向对象结构
对称多处理结构
微内核结构

了解操作系统的分层结构图

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二、进程

概念

竞争条件：多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的精确时序

临界资源：系统中一种资源只允许一个进程使用

临界区：进程中访问临界资源的那段代码

进程调度：按照某种算法从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机

原语操作：由若干条指令组成的程序段，用来实现某个特定功能，在执行过程中不可被中断

互斥：当一个进程正在使用某资源时，其他希望使用该资源的进程必须等待，当该进程用完资源并释放后，才允许其他进程去访问此资源

同步：多个相互合作的进程在一些关键点上可能需要互相等待或互相交换信息；存在某种时序关系

进程控制块PCB：操作系统用于管理控制进程的一个专门数据结构，记录了进程的各种属性，描述进程的动态变化过程，PCB是系统感知进程存在的唯一标志，进程是与PCB一一对应的

线程：进程中的运行实体，cpu的调度单位。轻量级进程

什么是进程，进程与程序的区别是什么

进程是一个正在执行的程序

进程可以准确刻画并发，进程是动态的有生命周期的，程序是静态的长久的，一个程序可以对应多个进程，进程可以创建其他进程

进程的基本状态

创建状态（new）：进程在创建时需要申请一个空白PCB，向其中填写控制和管理进程的信息，完成资源分配。如果创建工作无法完成，比如资源无法满足，就无法被调度运行，把此时进程所处状态称为创建状态
就绪状态（ready）：进程已经准备好，已分配到所需资源，只要（就差）分配到CPU就能够立即运行
执行状态（running）：进程处于就绪状态被调度后，进程进入执行状态
阻塞状态（waiting）：正在执行的进程由于某些事件（I/O请求，申请缓存区失败、在程序中调用sleep（xx secs）函数 ）而暂时无法运行，进程受到阻塞。在满足请求时进入就绪状态等待系统调用
终止状态（terminated）：进程结束，或出现错误，或被系统终止，进入终止状态。无法再执行

进程状态的转换关系

理解基于忙等待的互斥手段的实现

关闭中断（Disabling Interrupts）
cpu将不会切换到其他进程。但不适合多核系统
锁变量（Lock Variables）
当进程a把锁变量设为1之前恰好又有进程b进入临界区，临界区将有2个进程
严格交替法（Strict Alternation）
忙等待：连续测试一个变量直到某个值出现为止，称为忙等待。
自旋锁：用于忙等待的锁成为自旋锁。
Peterson解决方案（Peterson’s Solution）
解决了互斥访问的问题，克服了强制轮流的缺点，可正常工作

掌握生产者-消费者问题

掌握典型的调度算法，对常见的调度算法能熟练掌握

先来先服务FCFS
公平简单，等待长

短作业优先SJF
平均周期时间最短，不抢占，不公平：饥饿

最短剩余时间优先SRTN
抢占

最高相应比优先HRRN
不抢占
响应比R = 周转t/处理t = 1+（等待t/处理t）

时间片轮转调度算法RR
相应时间快，开销大

多级反馈队列调度算法MFQ
一种综合算法
是时间片轮转算法和优先级调度算法的综合和发展

掌握实时调度的基本条件

提供：
就绪时间
开始截止时间和完成截止时间
处理时间
资源要求
优先级

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三、输入/输出系统

概念

中断处理：CPU在收到外部中断信号后，停止原来工作，转去处理该中断事件，完毕后回到原来断点继续工作。

独占设备：让一个应用程序在整个运行期间独占使用的设备

死锁：死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象

存储器映射I/O：I/O设备被放置在内存空间

掌握死锁形成的四个必要条件

互斥条件 ：每个资源每次只允许一个进程使用或者空闲
占有和等待条件 ：已占有某些资源的进程可以请求新的资源
非剥夺条件 ：先前授予的资源无法强制地剥夺
循环等待条件 ：至少有2个或以上进程构成循环链，每个进程都在等待由循环链中下一个成员占有的资源

理解死锁的检测与恢复方法、死锁的预防方法

死锁检测
允许死锁发生，但是操作系统会不断监视系统进展情况，判断死锁是否真的发生
一旦死锁发生则采取专门的措施，解除死锁并以最小的代价恢复操作系统运行
单资源：资源图（环路死锁）
多资源：基于矩阵算法检测n个进程

死锁恢复（解除）
撤销
抢占
回退
杀死进程

处理死锁有以下四种策略：
忽略该问题。
也许你忽视它，它也会忽视你。
检测并恢复。
允许死锁发生，然后检测它们，再采取行动。
通过仔细地资源分配来动态地避免死锁。
通过在结构上破坏死锁的四个必要条件之一来预防死锁

了解I/O软件原理及分层的机制

设备独立性
用户编写程序可以访问任意io设备，无需事先指定设备
用户角度：编写时由逻辑设备到物理设备的转换
系统角度：设计实现io时，除了底层直接与设备打交道，其余都不依赖于硬件

了解DMA技术在I/O设备管理中工作原理

掌握操作系统中的安全状态与不安全状态，能够分析并得到安全序列

一个进程序列是安全的
不安全：没有安全序列

掌握多资源的银行家算法

安全性检查：安全序列

掌握I/O设备的分类

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四、存储管理

概念

交换技术：暂不需要的作业移到外存，让出内存空间以调入其它作业，交换到外存的作
业也可以被再次调入。目的是解决内存紧张问题，带来的好处是进一步提高了内存利用率和
系统吞吐量。

虚拟存储技术：所谓虚拟存储，就是把内存与外存有机的结合起来使用，从而得到一个容量很大的“内存”

地址映射：为了保证CPU执行指令时可正确访问存储单元，需将用户程序中的逻辑地址转换为运行时由机器直接寻址的物理地址的过程。

逻辑地址空间：由程序中逻辑地址组成的地址范围

物理地址空间：内存中物理单元的集合

页面置换：进程运行时，若其访问的页面不在内存而需将其调入，但内存已无空闲空间时，就需要从内存中调出一页程序或数据，送入磁盘的对换区

驻留集：虚拟内存管理时，一个作业会按系统规定的大小划分成若干个单位，称为页，而这些页可以不全部装入内存，一段时间间隔中装入内存的若干页面就是驻留集

掌握重定位

重定位就是把程序的逻辑地址空间变换成内存中的实际物理地址空间的过程。它是实现多道程序在内存中同时运行的基础。重定位有两种，分别是动态重定位与静态重定位。

静态重定位：用户程序加载到内存时，一次性实现逻辑地址到物理地址的转换（软件完成）
动态重定位：在进程执行过程（逐条指令）中进行地址变换（MMU硬件支持）

掌握物理地址和虚拟地址之间的区别

物理地址：内存中存储单元的地址
虚拟地址：用户程序编译形成代码，代码采用相对地址形式，首地址为0，其余地址相对于首地址编址

熟悉基于位图法的内存管理和基于链表法的内存管理的原理和优缺点

位图：
优点：存储空间和速度最优化
缺点：查找位图中指定长度的连续0串是耗时操作
链表：
优点：逻辑顺序，清晰明了
缺点：空间消耗大

掌握基于链表的内存管理中的内存分配策略

首次分配：空闲区按地址从小到大
下次分配
最佳分配：空闲区长度递增
最坏分配：长度递减

**基本内存管理方案（连续区域、不连续区域）

连续区域：
单一连续区、固定分区、可变分区->碎片问题：紧缩技术

不连续区域：
页式存储管理、段式存储管理、段页式存储管理

虚拟页式存储管理系统：请求调页、预先调页

例题：

掌握MMU的工作原理，并掌握地址映射的机制与数据定位过程

当cpu发出一个读写请求的虚拟地址,MMU首先查看它的高速缓存TLB中是否存在这个虚拟地址到物理地址的转换关系(后面简称转换关系)。如果存在,说明物理地址找到，转换流程完成。如果不存在,就需要用到页表来查找

掌握页表的作用与组成，多级页表的工作原理

根据页表查到某页面页框的关系
页表由页表项组成：一个页和页框一一对应的关系表，
多级页表的的秘诀是避免把全部页表一直保存在内存中，由索引顶级页表得到的表项中含有二级页表的地址或页框号

掌握掌握常见的页面置换算法

最佳页面算法opt：以后不再需要或者最远的将来才会用到
先进先出FIFO：页面链表法
第二次机会算法scr：访问位R=1->0
时钟算法clock：循环链表
最近未使用算法nru：访问位+修改位
最近最少使用算法lru：置换未使用最长的一页

最不经常使用算法nfu：访问次数最少：软件计数器：时钟中断+R（aging老化算法）
老化算法aging：

了解页式存储管理和段式存储管理的区别

都采用离散分配主存方式，都需要通过地址映射机构来实现地址变换

1、页是信息的物理单位，是系统管理的需要而不是用户的需要；而段则是信息的逻辑单位，它含有一组意义相对完整的信息，分段是为了更好地满足用户的需要。
2、页的大小固定且由系统决定，因而一个系统只能有一种大小的页面；而段的长度却不固定，由用户所编写的程序决定，通常由编译程序对源程序进行编译时根据信息的性质来划分。
3、分页式作业的地址空间是一维的，分段式作业的地址空间则是二维的；
4、而页间的逻辑地址是连续的，段间的逻辑地址是不连续的。

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五、文件系统

概念

文件：一组带标识的，逻辑上有完整意义的信息项序列

信息项：构成文件内容的基本单位（信息项之间有顺序关系）

目录：统一管理每个文件的元数据，以支持文件名到文件物理地址的转换，将所有文件管理信息组织在一起，构成文件目录

文件系统：操作系统中负责管理和存储文件信息的软件机构

*文件控制块FCB：文件控制块是操作系统为管理文件而设置的数据结构，存放了为管理文件所需的所有有关信息，文件控制块是文件存在的标志。

掌握文件系统的主要功能

操作系统中统一管理信息资源的一种软件，管理文件的存储、检索、更新，提供安全可靠的共享和保护手段，并且方便用户使用

掌握硬链接和符号链接

硬链接：通过索引节点来进行连接。相当于一个指针，指向文件的索引节点，系统不会增加索引节点（也可以理解成一个文件在不同的环境下叫的别名，名字有多个，文件只有一个）即元数据是一样的。
符号链接（也叫软链接）包含的是另一个文件的位置信息。相当于一个软链接文件类似于Windows的快捷方式，是不同的文件，它们的元数据是不同的。软链接不直接使用索引号作为文件指针，而是使用文件路径名作为指针

掌握磁盘空间管理的方法

位图法
空闲块表
空闲块链表
成组链接法

可参考：操作系统之文件系统：4、文件存储空间管理(空闲表法、空闲链表法、位示图法、成组链接法)

**文件的物理结构

1.连续分配（顺序结构）

优点：简单 顺序存储 磁盘寻道次数时间少 可以读很多块
缺点：不能动态（浪费） 不利于文件插入删除

2.链接分配（不连续）（链接式结构）

优点：磁盘利用率大 文件插入删除 动态扩充
缺点：存取速度慢 可靠性（指针） 寻道次数时间大 指针占用空间
变形：文件分配表fat

3.索引分配（索引式结构）

数据结构：索引表
优点：顺序+随机存储 动态插删 磁盘空间好
缺点：寻道次数时间大 索引表系统开销

三级索引：

理解文件安全保护的实现手段

用户身份验证：权限
访问控制：访问控制表（文件），能力表（用户）

掌握如何保证文件系统的可靠性

可靠性：抵御和预防各种物理性破坏和人为性破坏的能力
坏块问题
备份
转储内容：全量转储、增量转储
转储方式：物理转储、逻辑转储

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总结

麻了，真的，发现什么错赶紧告诉我！！！