《计算机操作系统》课程复习

坐标：CUMT
教材：林果园等.计算机操作系统[M],北京:清华大学出版社,2011．

注：根据陆亚萍老师的复习疏理框架，个人参考书本加以整理，概念论述大多使用了简记。建议复习时可以先自己对着框架梳理，联系邮箱[email protected]，欢迎交流探讨。

§1概论

1.操作系统定义：操作系统是一组计算机程序的集合，用于控制和管理计算机软硬件资源。
地位：是计算机硬件与用户之间的接口，是支持应用程序开发、运行的基础平台。
2.操作系统功能：进程管理、存储管理、设备管理、文件管理。
3.操作系统特征：并发性、共享性、虚拟性、随机性。
4.多道批处理系统
5.三大操作系统：批处理操作系统（操作系统自动、依次执行一批作业，最后由操作员将作业结果交给用户）
                            分时操作系统（操作系统轮流把时间片分配给不同的用户，每道用户程序每次只运行一个时间片）
                            实时操作系统（计算机及时地响应外部事件的请求，并以足够快的速度完成事件处理）。
6.两种接口：程序接口（提供一组广义指令供用户程序和其他系统程序调用or给程序使用操作系统服务和功能的接口）
                     操作接口（提供一组控制操作方式或命令供用户去组织和控制自己作业的运行or向用户提供可以操控计算机的接口）。
7.用户态和核心态：操作系统内核代码、设备驱动运行于核心态（管态）；一般用户 进程代码运行于用户态（目态）

§2进程管理

1.进程定义：程序在某个数据集上的一次执行过程，是操作系统资源分配的基本单位。cf.线程。
2.cf.进程&程序：程序特指代码文件，强调其静态性。进程如上。
3.顺序执行&并发执行：具有独立功能的程序独占处理器直至最终结束的过程称为程序的顺序执行；一个程序未执行完另一个程序便开始执行，微观上程序分时地交替执行，即为并发执行。
4.并发程序的设计方法
5.进程的三态模型：

对其中的几种转换状态要十分熟悉：
（1）就绪→运行：CPU空闲时，OS就从就绪队列中选中一个就绪进程并分配CPU。
（2）运行→阻塞：正运行的进程需要等待某些事件发生时，会从运行便为阻塞态。
（3）阻塞→就绪：等待的事件到来而不需要再等待时，进程状态变从阻塞状态转换到就绪状态。
6.进程的五态、七态模型：五态即加入新建与终止态，七态即加入挂起就绪与挂起等待两种状态。
7.进程控制块PCB：PCB与进程一一对应，记录了描述进程的当前状态以及控制进程运行的信息。
                                包括进程标识信息、现场信息、控制信息。
8.进程映像，即进程实体（进程控制块PCB、程序块、数据块、堆栈）
   进程上下文，即进程实体和支持进程运行的环境，包括（用户级上下文、系统级上下文、寄存器上下文）。P27
9.进程队列的概念：如果一个系统中有多个进程都处于同一种状态，这些进程将被组织成队列的形式。
10.原语：由若干条指令所组成，用来实现某个特定功能，在执行过程中不可被中断的程序段。
cf.原语&系统调用    系统调用：由操作系统在机器指令基础上实现的，能完成特定功能的过程或子程序。
11.并发的多个进程之间存在的两种基本关系：竞争和协作。
12.同步：并发进程基于某个条件来协调其运行进度、执行次序而产生的协作制约关系。互斥：相互竞争独占性资源产生的竞争制约关系。
13.临界资源：在某段时间内，只能允许一个进程使用的资源。
     临界区：访问临界资源的代码段。
14.信号量，是一个与队列有关的整形变量（一个是信号量的值，另一个是在信号量关联资源上阻塞的进程队列的队头指针。）
PV操作
15.掌握PV操作解决实际问题
16.经典的三个同步与互斥问题。
17.（了解）管程概念。
18.管道是连接读写进程的一个特殊文件，发送进程以字符流形式把数据送入管到，接收进程从管道中接收数据。
共享内存通信，在内存区中划出一块共享区域，多个进程可通过对共享区域进行读写数据，实现通信。
消息传递通信，进程将通信数据封装在消息中，消息通过消息缓冲区在进程之间互相传递。
19.死锁，一个进程集合中的每个进程都在等待只能由该集合中另一个进程才能引发的事件。
产生原因：并发进程对临界资源的竞争。并发进程推进顺序不当。
20.死锁产生的四个必要条件：（1）互斥条件（2）请求与保持条件（3）不剥夺条件（4）环路等待条件。
21.死锁如何防止。（针对上面的四个必要条件，逐一进行破坏）
22.掌握银行家算法解题。
23.死锁解除方法（重启、撤销、剥夺、回滚）
24.高级调度：从后备作业中选出若干个作业，将其程序和数据调入内存。
     中级调度：将一些暂时不能运行的进程从内存对换到外存上等待。
25.计算周转时间、带权周转时间、平均时间。

§3内存管理

1.逻辑地址：目标程序使用的地址；物理地址：程序在物理内存中的实际存储位置。
2.静态重定位：作业装入内存时，一次完成地址转换；动态重定位：程序执行过程中，CPU在访问程序和数据之前才实现地址转换。
3.固定分区管理
基本思想：预先把可分配的内存空间分割成若干个大小固定的连续区域。
地址转换：将下限寄存器中保存的基地址与逻辑地址相加即得到绝对地址。
4.可变分区管理
基本思想：事先不确定分区的大小与数目，用户作业提出申请时检查内存是否有空的连续区域，有则分配。
地址转换：当逻辑地址小于限长值时，由逻辑地址加基址寄存器的值就可以得到绝对地址。
5.cf.固定分区&可变分区（联系和区别）
联系：连续性，会产生内碎片
区别：分区大小和数目事先一者确定，另一者不确定。
6.了解可变分区的内存分配算法：（1）最先适应分配算法（2）循环首次适应分配算法（3）最优适应分配算法（4）最坏适应分配算法（5）快速适应算法。
7.引入离散分配方式的原因：打破程序装入的整体性和存储分配的连续性，将用户进程的逻辑地址空间划分成多个子部分，离散储存充分利用内存。
8.分页管理的基本原理：将用户进程的逻辑地址空间划分为大小相等的页，将物理内存也划分成与页大小相等的物理块。当内存装入用户程序时，每一页装入一个物理块中，各个物理块之间不需要连续。
9.分页管理的地址转换：从逻辑地址中的得到页号和页内偏移。通过页号，在页表中查找到块号，外号和页内偏移构成物理地址。
10.分页管理中，逻辑地址与物理地址计算。
11.了解快表的概念：将已在相联存储器中的页及其对应块的块号组成快表存储于相联存储器中，优先查询。
12.了解多级页表：为页表页再设计一个地址索引表，即页目录表。这样系统将页表分为两级，一级为页目录表，二级为页表页。
13.分段管理
为什么引入分段管理：之前的内存管理方法都假设用户程序从0开始编址，逻辑地址空间都是一维的。实际上一个程序往往由若干工作区段所组成，每个段都从0开始编址，段内地址连续。
分段管理的特征：按照程序的逻辑段结构，按段为单位来分配内存，一段占用一块延续的内存地址空间，段与段之间不需要连续。
14.段式存储管理的地址转换：（1）逻辑地址分为段号和段内地址（2）查询段表在内存中的起始地址（3）将段号作为索引，对段表进行查询，得到该段的起始地址和短长（4）若段内地址小于段长，则该段起始地址与段内地址相加即得对应的物理地址。
15.？
16.cf.分页&分段（联系+区别）
联系:离散性
区别：段是信息的逻辑单位，用户可见，连接装配后保持二维结构；
页是信息的物理单位，用户不可见，页面只能以页大小的整倍数地址开始，连接装配后为一维结构。
PS:P95 3.4.5开头一段话不错。“页式存储基于存储器的物理结构，存储利用率高，便于管理，但难以实现存储共享、保护和动态扩充；段式存储基于应用程序的结构，有利于模块化程序设计，便于段的扩充、动态链接、共享和保护，但往往会形成段之间的碎片，浪费存储空间”
17.虚拟内存定义：虚拟存储器是指具有请求调入和置换功能，能够从逻辑上对内存空间进行扩展，允许用户的逻辑地址空间大于物理内存地址空间的存储器系统。
18.虚存管理的主要思想：以页为单位，部分装入，部分替换，给用户实现更大的存储空间。
19.虚存大小的主要影响因素：总线位数（逻辑地址空间）
20.请求分页虚拟存储管理的过程：P98（在页式存储管理的基础上增加请求调页和页面置换功能）
21.请求分页中页表扩充：增加页的状态位（驻留位）、外存地址、修改位、访问字段。
22.了解一些策略。页面分配（固定分配方式（进程平均分配法、按比例分配法、优先权分配法）、可变分配方式、进程的最小物理块数），页面调度（请求页调入、预先页调入），页面置换（全局置换、局部置换）。
23.（计算题）掌握三大页面置换算法（FIFO,OPT,LRU）。

§4设备管理

1.了解设备分类。P119
2.理解设备控制方法（查询方式、中断方式、DMA方式、通道方式）
3.缓冲区的主要作用：（1）改善CPU于外设之间速度不匹配的矛盾，提高CPU和I/O设备并行性。（2）减少I/O设备对CPU的中断次数，放宽对CPU中断响应时间的要求。（3）协调逻辑记录大小与物理记录大小不一致的问题。
单缓冲：在主存中分配一个缓冲区用来临时存放输入或输出数据。
双缓冲：设置两个缓冲区，当一个缓冲区中的数据尚未被处理时，可用另一缓冲区存放从设备读入或读出的数据。
4.设备独立性，指在用户程序中不直接使用物理设备名而只使用逻辑设备名。逻辑设备是实际物理设备属性的抽象，它不限于某类具体设备。
好处：（1）使得设备分配更加灵活，提高设备的利用率。（2）可以实现I/O重定向。
5.虚拟设备实现原理：利用快速、共享设备把慢速、独占设备模拟成为同类物理设备。

§5文件系统

1.文件组织方式
逻辑结构：流式文件、记录式文件。
物理结构：连续文件、链接文件、索引文件、多级索引文件、直接文件。
2.索引节点目录项组织方式：文件名+索引节点号。
3.（计算题）UNIX混合索引结构计算
4.理解用户打开文件表、系统打开文件表、活动索引节点表，及三者间的指向关系。
5.f_count反映不同进程通过同一个系统打开文件表项共享一个文件的情况，相同位移指针。
i_count反映不同进程通过不同系统打开文件表项共享一个文件的情况，不同读写位移指针。
i_nlink（文件链接数）指示该文件上的目录项的数目。