软件设计师：02-操作系统基本原理

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一、概述

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二、进程管理

2.1、进程的状态

为了能使程序并发执行，并且可以对并发执行的程序加以控制和描述，人们引入了“进程”的概念。

进程实际上就是程序的一次执行

• 进程是动态的，程序是静态的。
• 进程具有生命周期，程序是永久存在的。
• 进程是由程序段、相关数据段和进程控制块（PCB）组成，程序是指令的有序集合。

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2.2、前驱图

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2.3、进程的同步与互斥

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2.4、PV操作

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• 生产者：若S1为1，S2为0，执行生产，否则阻塞，生产后将S1减1，S2加1，之后阻塞
• 消费者：若S1为0，S2为1，执行消费，否则阻塞，消费后将S1加1，S2减1，之后阻塞

当进程阻塞的时候，它已经执行了P操作，并阻塞在该位置，如上图的消费者一开始被阻塞，先发制者应该是生产者，生产者生产完毕执行V操作唤醒消费者

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例题：

流程为购书者先购书，收银员后收银

• 初始状态收银员为P状态（没钱收），购书者购书后使用V操作（给钱）唤醒收银员
• 之后购书者为P状态（等找零），收银员收银成功后使用V操作（找零）唤醒购书者

综上所述，第一空选A，第二空选C！！！

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2.5、PV操作与前驱图

进程D首先被进程ABC的信号量P阻塞，进程E被进程D的信号量阻塞

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直接上题目

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2.6、死锁问题

1、什么是死锁

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，若无外力作用，这些进程都将无法向前推进。

2、产生死锁的原因

①竞争资源。②进程间推进顺序非法。

3、产生死锁的4个条件

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。

4、处理死锁的4种方法

①预防死锁。②避免死锁。③检测死锁。④解除死锁。

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2.7、死锁相关问题

我们来看上面这道例题，一共3个进程，每个进程都需要5个系统资源。

①如果系统中有5个资源，A分配2个，B分配2个，C分配2个，此时所有进程不能得到满足，都在等待资源，无法正常运行，即发生死锁；如果将A分配5个，运行完再分配给B，B运行完再分配给C，这样并不会发生死锁。但是，这类题我们考虑的是无论怎样都不会发生死锁的情况，所以要考虑它的一般性！！！

②如果系统中有10个资源，A分配4个，B分配4个，C分配2个，显然每个进程都无法获得5个资源去运行，即发生死锁；11、12个资源也是同样的道理；而当系统中有13个资源的时候，我们可以看到A分配4个，B分配4个，C分配4个，此时还剩下1个空闲资源，无论我们将这1个空闲资源分配给哪个进程，系统都是可以正常运行的，因为一个进程再获得1个资源即得到满足，运行完释放资源，另外两个进程也可以正常运行，即不会发生死锁！！！所以系统至少需要13个资源。

公式：假设有k个进程，每个进程都需要n个资源才可以正常运行，则系统不发生死锁的资源数至少为：k ×（n-1）+1

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2.8、银行家算法

分配资源的原则

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例题：

解答

1、先求剩下的资源数

2、若某一进程的未分配进程数小于剩余资源数，则应先执行该进程，才不会造成死锁问题

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三、存储管理

3.1、分区存储知识

• 首次适应算法：空闲分区以地址递增的次序链接。对于上面这个题，作业4申请内存9k，按照地址递增的情况，此时作业4会被分配到25k的空闲分区，占用9k，剩余25-9=16k。

• 循环首次适应算法：与首次适应算法的区别是：不是每次都从链首开始查找，而是从上一次找到的空闲分区的下一个空闲分区开始查找。所以作业4申请9k，而作业2和作业3所在的空闲分区的下一个空闲分区为28k，即作业4被分配到了28k这个空闲分区，占用9k，剩余28-9=19k。

• 最佳适应算法：空闲分区按其容量从小到大的顺序链接。作业4申请9k，而当前空闲分区的容量从小到大依次为：10k、25k、28k，所以作业4被分配到10k这个空闲分区，占用9k，剩余10-9=1k。（缺点是会产生多个较小的内存碎片）

• 最差适应算法：空闲分区按其容量从大到小的顺序链接。作业4被分配到容量最大的空闲分区28k中，占用9k，剩余28-9=19k。

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3.2、页式存储组织

逻辑地址 = 页号 + 页内地址

块号（页帧号） = 页号（通过查询页表得到）

物理地址 = 块号 + 页内地址

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例题：

第一空：先求出页面地址，再通过（逻辑地址-页面地址）得到页号查找块号（页帧号），拼接得到物理地址

页面大小为4K=2^12，表示页内地址为12位，所以在对逻辑地址变换的时候，就要保留它的低12位作为物理地址，因为逻辑地址是16进制数5A29H，它的低12位为是 A29（2转16每一个代表4个2进制位），那么只需要对前面的页号进行变换就可以了，由页表可知，页号5对应的物理块号（页帧号）为6，所以经变换后的物理地址为：6A29H

第二空：需要淘汰在内存中的页面（状态位=1）且未访问过的页面（访问位=0），由图可知1号页应该淘汰，因为未访问代表其可能就是垃圾内存

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3.3、段式存储组织

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3.4、段页式存储组织

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3.5、块表

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3.6、页面置换算法

3.6.1、先进先出（FIFO）

由以下可知当页面增多时容易发生抖动现象

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3.6.2、最佳置换

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3.6.3、最近最久未使用（LRU）

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3.6.4、FIFO和LRU的区别

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3.6.5、例题

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四、文件管理

4.1、索引文件结构

假设每个物理盘块大小为4K，未引入索引时，该文件只能存放 4K x 13 = 52K 内容

当引入索引节点

0-9号位直接存放物理盘块内容

10号位存放每个物理盘块的地址，假设每个地址占4个字节，那么可以存放 4K / 4 = 1024个地址，也就是可以存放1024个物理盘块，此为一级间接索引，即10号位可以存放1024个物理盘块，依次类推二级三级间接索引

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例题

物理块号50对应逻辑块号0，物理块号67对应逻辑块号1，物理块号68对应逻辑块号2，物理块号78对应逻辑块号3，物理块号89对应逻辑块号4，这五个采取的是直接地址索引；而物理块号90和91采取的是一级间接地址索引，90→58对应的是逻辑块号5，所以逻辑块号5对应的物理块号为58。

因为题目中说每个地址项的大小为4字节，每个索引块为1KB，所以一级间接索引可以存放256个物理块，因为逻辑块号90(5-260)，所以逻辑块号91(261-516)，所以第261个逻辑块号存放在91->187处

观察上图可知，101号物理块显然采取的是二级间接地址索引的方式，所以其中存放的是二级地址索引表

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4.2、文件和树形目录结构

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4.3、空闲存储空间的管理

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例题

一个字占32位，4195/32=131.12，131号字已经溢出，所以存放在第132个字中 （选D）

因为 131 x 32 = 4192，且索引是从0开始，所以第131号字的最后一个物理块地址为4191，所以4192对应132号字的第0个位置，依次类推，4193(1)、4194(2)、4195对应第3位置，置为1代表占用 （选B）

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4.4、数据传输控制方式

1、直接程序控制

直接程序控制是指外设数据的输入/输出过程是在CPU执行程序的控制下完成的。这种方法分为：无条件传送和程序查询方式两种情况。

• 无条件传送：在此情况下，外设总是准备好的，它可以无条件的随时接收CPU发来的输出数据，也能够无条件的随时向CPU提供需要输入的数据。

• 程序查询方式：在这种方式下，利用查询方式进行输入/输出，就是通过CPU执行程序来查询外设的状态，判断外设是否准备好接收数据或准备好了向CPU输入的数据。

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2、中断方式

对于程序控制I/O的方法，其主要的缺点在于CPU必须等待I/O系统完成数据的传输任务，整个系统的性能严重下降。

利用中断方式完成数据的输入/输出过程为：当I/O系统与外设交换数据时，CPU无需等待也不必去查询I/O的状态，而可以抽身出来处理其他任务。当I/O系统准备好了以后，则发出中断请求信号通知CPU，CPU接到中断请求信号后，保存正在执行程序的现场，转入I/O中断服务程序的执行，完成与I/O系统的数据交换，然后再返回被中断的程序继续执行。

与程序控制方式相比，中断方式因为CPU无需等待而提高了效率。

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3、直接存储器存取方式（DMA）

在计算机与外设交换数据的过程中，无论是程序控制方式，还是中断方式，都需要CPU通过执行程序来实现，这就限制了数据的传送速度。为进一步提高相应的速度，我们引入了DMA。

DMA是指数据在内存与I/O设备间（通俗的说，就是主存与外设）的直接成块传送，即在内存与I/O设备间传送一个数据块的过程，不需要CPU的任何干涉，只需要CPU在过程开始时启动、在过程结束时处理，实际操作全部由DMA硬件自动执行完成，CPU在此传送过程中可以去做别的事情。

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4、输入/输出处理机（IOP）

DMA方式的出现减轻了CPU对I/O操作的控制，使得CPU的效率显著提高。而通道方式的出现则进一步提高了CPU的效率。通道是一个具有特殊功能的处理器，又称为输入输出处理器（IOP），它分担了CPU的一部分功能，可以实现对外围设备的统一管理，完成外围设备与主存之间的数据传送。

通道方式大大提高了CPU的工作效率，然而这种效率的提高是以增加更多的硬件为代价的。

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4.5、虚设备与SPOOLING技术

开辟缓冲区将需要输出的数据存放并按进入的顺序输出，这样可以防止打印机一直被占用的情况

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4.6、微内核操作系统