操作系统期末复习

1.最高响应比优先算法（HRRF）及例题详解

响应比的计算公式是：响应比 = (等待时间 + 运行时间) / 运行时间

1.1 各个进程的等待时间相同时，运行时间长的优先运行还是延迟运行 ？

根据这个计算公式可以知道的是，当等待时间相同时，那么运行时间长的，响应比也就越小，据公式的话是延迟运行，先运行的是运行时间短的进程，但是注意的是这里是运行时间长的优先运行，为什么了？

1.运行时间长的进程往往代表该进程 CPU 占用时间长,工作量大,优先调度可以提高 CPU 利用率,减少进程占用 CPU 但空转的时间。
​
2.运行时间长的进程如果不及时调度,可能会导致其响应时间过长,影响该进程的交互性和实时性。因此,应优先调度运行时间长的进程,避免其响应时间过长。
​
3.相比而言,运行时间短的进程可以更容易在后续调度中得到满足,对其响应时间的影响也较小。因此,在等待时间相同的情况下,可以优先调度运行时间长的进程。
​
  综上,在响应比高者优先算法中,如果多个进程的等待时间相同,应优先选择运行时间较长的进程进行调度,而不是延迟其调度。这可以提高 CPU 利用率,缩短进程响应时间,在一定程度上也实现了公平性。因此,这种策略可以达到更好的系统整体效果。

1.2各个进程的运行时间相同时，等待时间长的优先运行还是延迟运行 ？

这里根据公式可以直接看出，等待时间长的肯定是优先运行的

2. 简述操作系统的定义和功能

操作系统是计算机系统中的核心软件，它是一种系统软件，用于管理和控制计算机硬件资源，并提供给应用程序执行所需的环境。操作系统的主要功能包括以下几个方面：
​
1.资源管理：操作系统负责管理计算机的各种资源，包括处理器（CPU）、内存、硬盘、输入输出设备等。它分配和调度这些资源，以便多个应用程序可以并发运行，并且能够高效地利用计算机资源。
​
2.进程管理：操作系统负责创建、终止和调度进程（也称为任务或作业）。它分配处理器时间片给不同的进程，并管理它们之间的通信和同步，确保它们能够正确地协同工作。
​
3.内存管理：操作系统负责分配和管理计算机的内存资源。它将物理内存划分为不同的区域，用于存储操作系统本身、应用程序和数据。操作系统还负责虚拟内存的管理，允许应用程序使用比物理内存更大的地址空间。
​
4.文件系统管理：操作系统提供了文件系统接口，使应用程序可以读取、写入和管理文件。它负责文件的组织、存储和访问控制，并提供文件的共享和保护机制。
​
5.设备管理：操作系统管理计算机的输入输出设备，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。它提供了对这些设备的驱动程序和接口，使应用程序可以方便地进行输入输出操作。
​
6.用户界面：操作系统提供了与用户交互的界面，可以是命令行界面、图形用户界面或其他形式。它接收用户的输入指令，执行相应的操作，并将结果返回给用户。
​
总的来说，操作系统的定义是一种控制计算机硬件资源并为应用程序提供执行环境的软件。它的功能包括资源管理、进程管理、内存管理、文件系统管理、设备管理和用户界面。操作系统的主要目标是提供高效、安全和可靠的计算机环境，使用户和应用程序能够方便地使用计算机系统。

3. 简述进程控制块的内容与作用

进程控制块（Process Control Block，PCB）是操作系统中用于管理和描述进程的数据结构。每个正在运行或等待运行的进程都有一个对应的PCB。PCB保存了进程的各种属性和状态信息，以便操作系统能够正确地管理和调度进程。下面是PCB通常包含的内容和其作用：
​
1.进程标识符（Process ID）：用于唯一标识一个进程，操作系统通过它来访问和管理进程。
​
2.程序计数器（Program Counter）：记录了下一条要执行的指令的内存地址，当进程被调度执行时，通过程序计数器确定下一步执行的指令。
​
3.寄存器集合（Register Set）：保存了进程的寄存器状态，包括通用寄存器、程序状态字等。在进程切换时，寄存器集合的内容被保存到PCB中，以便稍后恢复。
​
4.进程状态（Process State）：表示进程的当前状态，如运行、就绪、阻塞等。操作系统根据进程状态进行调度和管理。
​
5.进程优先级（Process Priority）：用于确定进程的调度优先级。具有更高优先级的进程可能会被优先调度执行。
​
6.资源占用情况（Resource Usage）：记录了进程所占用的系统资源信息，如内存、打开的文件、打开的设备等。
​
7.父子关系（Parent-Child Relationship）：记录了进程之间的关系，如父进程和子进程的标识符，用于实现进程的层次结构。
​
8.进程控制信息（Process Control Information）：包括进程的运行时间、创建时间、等待时间等统计信息，用于性能监控和调度决策。
​
PCB的作用是维护和管理进程的相关信息，使操作系统能够正确地跟踪、调度和恢复进程。操作系统根据PCB中的信息进行进程切换、资源分配和调度决策，从而实现多任务处理和进程间的协作。PCB的内容和结构可以因不同的操作系统而异，但它们都具有类似的功能和目的，用于描述和管理进程。
​
​

4.指令的执行

教材说是两大重要步骤：取指和执行

指令执行过程包括取指令、译码、执行、访存和写回阶段。
取指令阶段：从内存中获取下一条指令。
译码阶段：对指令进行解码，确定操作类型和操作数。
执行阶段：执行指令所规定的操作，如算术运算、逻辑运算、数据传输等。
访存阶段：如果指令涉及内存操作，进行内存读取或写入。
写回阶段：将执行结果写回到寄存器或内存中。

5.中断和指令周期：

• 中断是指在程序执行过程中的某个事件打断了当前指令的正常执行流程，使得处理器转而去处理其他事务。

• 指令周期是指处理器执行一条指令所经历的一系列阶段。

• 当发生中断时，处理器会根据中断类型切换到相应的中断处理程序，中断处理程序会完成与中断相关的工作，并将控制权返回给被中断的程序。

P8 中断处理：

• 中断处理是指在发生中断时，处理器的响应和处理过程。

• 中断处理程序（或中断服务程序）是处理器用来响应和处理中断的特殊代码段。

• 中断处理程序通常包括以下步骤：

  1. 保存当前程序的状态，包括程序计数器、寄存器等。

  2. 切换到中断处理程序的执行环境。

  3. 执行中断处理程序的相关操作，如保存中断信息、处理中断事件等。

  4. 恢复先前保存的程序状态。

  5. 返回到被中断的程序继续执行。

P10 顺序中断和嵌套中断：

• 顺序中断是指多个中断请求按照优先级顺序进行处理的一种中断处理方式。处理器会按照中断优先级的高低依次处理各个中断请求。

• 嵌套中断是指在中断处理程序执行期间，又发生了新的中断请求，导致处理器暂停当前中断处理程序的执行，转而处理新的中断请求。在处理完新的中断请求后，处理器会返回到原来的中断处理程序继续执行。

P27 三种重要接口：

 

 

P29 串行处理：

• 串行处理是指一次只执行一个任务或作业的处理方式，任务按照顺序依次执行，每个任务执行完毕后才能开始下一个任务。

• 在串行处理系统中，任务之间通常需要手动切换或由操作系统进行调度，只有当一个任务执行完毕后，才能开始执行下一个任务。

P29 简单批处理系统：

• 简单批处理系统是一种基本的操作系统类型，主要用于批量处理一批作业或任务。

• 在简单批处理系统中，作业按照提交的顺序进行轮流执行，不需要人工干预。

• 作业通常按照一定的顺序排队等待执行，操作系统负责作业的调度和资源的分配。

P31 多道批处理系统：

• 多道批处理系统是一种支持并发执行多个作业或任务的操作系统类型。

• 在多道批处理系统中，多个作业可以同时进入系统并并发执行，系统根据调度算法和资源管理策略来分配资源和控制作业的执行。

• 多道批处理系统的特点是能够提高系统资源的利用率和作业的吞吐量，提高系统的效率和响应速度。

P32 多道程序设计：

• 多道程序设计是指在多道批处理系统中，允许多个程序同时驻留在内存中，并共享系统资源的一种技术。

• 多道程序设计的目标是提高系统的吞吐量和资源利用率，减少作业的等待时间和响应时间。

• 在多道程序设计中，操作系统负责对内存进行划分和管理，将多个程序装入内存并进行调度，以实现并发执行和共享资源的目的。

P92 【线程与进程】：

 

P65 进程的定义：

 

• 进程是计算机系统中正在执行的程序的实例。它是系统进行资源分配和调度的基本单位。

• 进程具有独立的执行流、程序计数器（记录当前指令执行位置）、内存空间、文件和设备的访问权限等。

• 每个进程在系统中都有一个唯一的标识符，称为进程标识符（Process ID，PID）。

P65 进程控制块：

 

• 进程控制块（Process Control Block，PCB）是操作系统中用于管理和控制进程的数据结构。

• PCB 包含了进程的各种属性和状态信息，如进程标识符（PID）、程序计数器（PC）、寄存器的值、内存分配信息、打开文件列表、进程优先级等。

• 操作系统通过修改和读取进程的 PCB 来控制和管理进程的执行。

P69 五状态进程模型：

 

• 五状态进程模型是描述进程状态的一种模型，包括以下五种状态：新建（创建）、就绪、运行、阻塞和退出。

• 新建状态（创建状态）：进程正在被创建，等待系统分配资源。

• 就绪状态：进程已经获取到了所需的资源，可以立即执行，等待被调度执行。

• 运行状态：进程正在被 CPU 执行。

• 阻塞状态：进程由于某些原因暂时无法执行，等待某个事件的发生。

• 退出状态：进程执行完毕或被终止，等待被操作系统清理。

P69 图3.6 是五状态进程模型的状态转换图，具体的状态转换及其原因可以参考该图。

P79 用户模式和内核模式：

• 用户模式（User Mode）和内核模式（Kernel Mode）是计算机操作系统中的两种特权级别。

• 用户模式是指程序运行时拥有的较低特权级别，只能访问有限的资源和执行受限的操作，不能直接访问和控制系统核心和硬件。

• 内核模式是操作系统内核运行时拥有的较高特权级别，具有对系统和硬件资源的完全访问权限，可以执行特权指令和关键操作。

P81 模式切换和进程切换：

• 模式切换是指从用户模式切换到内核模式，或者从内核模式切换回用户模式的过程。

• 模式切换通常由特殊的指令或中断触发，它涉及硬件和操作系统的协作。

• 进程切换是指在多道批处理系统中，从一个进程切换到另一个进程的过程。

• 进程切换涉及到保存和恢复进程的状态信息，包括上下文切换、寄存器保存、内存映射切换等操作，以保证进程的正确执行和资源的正确分配。

与线程关联的有：

• 线程标识符（Thread ID）：用于唯一标识一个线程。

• 线程控制块（Thread Control Block，TCB）：用于管理和控制线程的数据结构。

• 栈：每个线程拥有独立的栈空间，用于存储函数调用和局部变量等。

• 寄存器集合：每个线程拥有独立的寄存器集合，用于存储线程执行的上下文信息。

• 线程状态：线程的当前状态，如运行、就绪、阻塞等。

• 共享资源：线程可以共享进程的资源，如内存、文件、设备等。

P95线程分类：

用户级线程：

• 用户级线程是在用户空间中由用户级线程库（User-Level Thread Library）实现和管理的线程。

• 用户级线程的创建、调度和同步等操作不需要内核的参与，完全由用户级线程库负责。

• 用户级线程的切换开销较小，但受限于单个进程的地址空间，一个线程的阻塞可能导致整个进程的阻塞。

内核级线程：

• 内核级线程是由操作系统内核实现和管理的线程。

• 内核级线程的创建、调度和同步等操作由操作系统内核负责，涉及内核态和用户态之间的切换。

• 内核级线程的切换开销较大，但每个线程都有独立的内核数据结构，一个线程的阻塞不会影响其他线程。

P165 联合进程图：

联合进程图是用于描述并发系统中的进程活动和资源分配关系的图形表示方法。它将进程表示为矩形，资源表示为圆形，用箭头表示进程对资源的请求和释放。联合进程图可以清晰地展示进程和资源之间的交互关系，帮助分析并发系统的资源分配情况和可能的死锁情况。

P169 死锁的四个必要条件：

1. 互斥（Mutual Exclusion）：资源只能同时被一个进程占用，即一次只能被一个进程访问。

2. 不可抢占（Hold and Wait）：进程在持有某个资源的同时，又请求其他资源，而且不释放已经持有的资源。

3. 占有且等待（Hold and Wait）：进程在请求资源时，已经持有了其他资源，但由于请求被阻塞，进程仍然保持对已占有资源的持有。

4. 循环等待（Circular Wait）：存在一个进程资源的循环链，每个进程都在等待下一个进程所占有的资源。

P168 处理死锁的方法有三种：

1. 死锁预防（Deadlock Prevention）：采取预防措施消除死锁的四个必要条件之一，如破坏互斥、破坏不可抢占、破坏占有且等待、破坏循环等待。

2. 死锁避免（Deadlock Avoidance）：通过动态地进行资源分配和进程调度，避免进程进入死锁状态，利用安全序列算法预测进程的资源需求，只允许安全序列的进程执行。

3. 死锁检测（Deadlock Detection）：采用周期性地检测系统资源分配状态，通过资源分配图或银行家算法等方法判断系统是否处于死锁状态，一旦检测到死锁，可以采取相应的措施进行恢复，如进程终止或资源抢占。

P171 安全状态和不安全状态：

• 安全状态（Safe State）：存在一种进程执行顺序，使得所有进程都能按照其需求顺利执行并完成，不会发生死锁。即使系统进一步分配资源也能保持安全状态。

• 不安全状态（Unsafe State）：无法找到一种进程执行顺序，使得所有进程都能按照其需求顺利执行并完成，存在死锁的可能性。如果系统进一步分配资源，可能导致死锁发生。

P171 银行家算法：

银行家算法是一种用于避免死锁的资源分配算法。它基于每个进程对资源的最大需求和已经占有的资源情况，通过判断系统是否处于安全状态来决定是否分配资源给进程。银行家算法保证系统不会进入不安全状态，只有当存在安全序列时才进行资源分配。

 

 

P199 内部碎片（Internal Fragmentation）：

内部碎片是指在内存分配中，分配给进程的内存空间中存在未被利用的部分。它是由于内存分配以固定的块（如固定大小的页框）为单位进行，而进程所需的内存大小可能不完全匹配这些块的大小，导致剩余部分无法被其他进程使用的情况。内部碎片存在于每个分配给进程的内存块内部，但对进程本身来说是不可见的。

P200 外部碎片（External Fragmentation）：

外部碎片是指在内存分配中，已分配给进程的内存块之间存在的一些未被利用的空闲内存空间。这些空闲空间虽然总量可能足够分配给其他进程使用，但由于它们被分散在已分配块之间且大小不连续，无法满足大于其单独大小的进程内存需求。外部碎片造成了内存资源的浪费，限制了进程的并发执行和内存利用效率。

P201 动态分区放置算法：

动态分区放置算法用于在可变大小的内存空间中，决定如何分配和放置进程的内存需求。常见的动态分区放置算法有首次适应算法（First Fit）、最佳适应算法（Best Fit）、最坏适应算法（Worst Fit）等。这些算法根据空闲内存块的大小和进程的内存需求选择最合适的内存块进行分配，以最大程度地减少碎片化并提高内存利用率。

P203 逻辑地址（Logical Address）和物理地址（Physical Address）：

逻辑地址是指由进程生成的虚拟地址，它是相对于进程而言的地址，通常是一个抽象的地址空间，进程可以在其中寻址和访问数据。逻辑地址由处理器生成并用于访问内存。

物理地址是指实际存储器中的地址，它是与硬件实现和内存结构相关的地址，用于直接访问物理内存单元。

P204 页表（Page Table）、页（Page）、页框（Page Frame）：

页表是一种数据结构，用于将逻辑地址（虚拟地址）转换为物理地址。页表记录了每个页面（逻辑地址空间的固定大小块）与其对应的物理页框（实际存储器中的固定大小块）之间的映射关系。

页是指逻辑地址空间被划分为固定大小的块，用于管理和分配内存。逻辑地址通过页号和页内偏移量来访问和定位页中的数据。

页框是指物理内存被划分为固定大小的块，与页具有相同的大小。页框是实际存储器中可分配给页的物理空间。

P248 长程调度、中程调度、短程调度：

• 长程调度（也称为作业调度）：负责从作业队列中选择适当的作业，并将其加载到内存中创建进程。长程调度的目标是控制系统中的作业数量，保持合理的作业吞吐量和系统资源利用率。

• 中程调度（也称为内存调度或进程调度）：负责从内存中选择就绪的进程并分配处理器时间片。中程调度的目标是平衡系统负载，提高系统的响应性和吞吐量。

• 短程调度（也称为CPU调度或进程切换）：负责在就绪队列中选择一个进程，并将处理器分配给该进程，使其开始执行。短程调度的目标是公平地分配处理器时间，实现公平性和响应性。

P252 决策模式：抢占和非抢占：

• 抢占（Preemptive）调度：允许一个正在执行的进程被强制中断并剥夺处理器，然后将处理器分配给优先级更高的进程。抢占调度可以提供更好的响应性和实时性，但可能引入额外的开销和上下文切换。

• 非抢占（Non-preemptive）调度：不允许正在执行的进程被强制中断，只有在进程主动释放处理器或发生I/O等阻塞事件时才进行调度。非抢占调度可以减少上下文切换的开销，但可能导致低优先级进程长时间占用处理器，降低系统的响应性。

P252 进程调度算法：

• 先来先服务（First-Come, First-Served，FCFS）调度算法：按照进程到达的顺序进行调度，先到达的进程先执行。FCFS调度算法简单易实现，但可能导致长作业优先和饥饿现象。

• 最短进程优先（Shortest Process Next，SPN）调度算法：选择估计运行时间最短的进程先执行。SPN调度算法可以最小化平均等待时间，但需要准确估计进程的运行时间。

• 最短剩余时间（Shortest Remaining Time，SRT）调度算法：在执行过程中动态调整进程的优先级，选择估计剩余运行时间最短的进程先执行。SRT调度算法可以进一步减少等待时间，但需要实时跟踪进程的剩余时间。

• 最高响应比（Highest Response Ratio Next，HRRN）调度算法：根据进程的等待时间和估计运行时间，计算响应比，选择响应比最高的进程先执行。HRRN调度算法综合考虑等待时间和运行时间，避免长作业优先和饥饿现象。

周转时间是指一个进程从开始执行到完成的时间。可以通过计算进程的完成时间减去到达时间得到进程的周转时间。

P301 I/O缓冲：

• 单缓冲（Single Buffering）：使用一个缓冲区来存储输入/输出数据。当数据传输完成后，应用程序可以读取或写入缓冲区中的数据。

• 双缓冲（Double Buffering）：使用两个缓冲区，一个用于输入数据，另一个用于输出数据。数据可以同时进行输入和输出，提高了数据传输的效率。

• 循环缓冲（Circular Buffer）：使用多个缓冲区，形成一个循环队列。当一个缓冲区满了或空了，就切换到下一个缓冲区，实现连续的数据传输。

P303 寻道时间、旋转时间、传输时间：

• 寻道时间（Seek Time）：磁盘磁头从当前磁道移动到目标磁道的时间。寻道时间取决于磁头的移动距离。

• 旋转时间（Rotation Time）：磁盘旋转使得目标扇区位于磁头下方的时间。旋转时间取决于磁盘的旋转速度。

• 传输时间（Transfer Time）：磁盘将数据传输到或从磁盘表面的时间。传输时间取决于数据的大小和磁盘的传输速率。

P305 磁盘调度策略：减少寻道时间

• 先进先出（First-Come, First-Served，FIFO）：按照I/O请求的顺序进行调度，不考虑磁头的位置。FIFO策略简单易实现，但可能导致长寻道时间和低效率。

• 最短服务时间优先（Shortest Seek Time First，SSTF）：选择离当前磁道最近的请求进行调度，以最小化寻道时间。SSTF策略可以减少寻道时间，但可能导致某些请求长时间等待。

• 扫描（SCAN）：磁头按一个方向移动，处理该方向上的请求，直到到达磁道的边界，然后改变方向继续移动。SCAN策略可以提高磁盘的吞吐量，但可能导致某些请求长时间等待。

"平均寻道长度"是一个指标，表示在一次磁盘调度过程中平均需要移动磁头的距离。通过计算每个请求的寻道距离，并求平均值得到。

P327 文件组织指文件的逻辑结构，有以下五种：

1. 堆（Heap）：堆文件组织将记录按照它们被插入文件的顺序存储。记录的物理位置可以是连续的，也可以是分散的，文件中的记录没有特定的排序。

2. 索引文件（Indexed File）：索引文件组织使用一个索引结构来加速记录的检索。每个记录都有一个键（key），索引结构根据键来组织记录，使得检索更加高效。

3. 顺序文件（Sequential File）：顺序文件组织按照记录的特定顺序存储记录。记录的插入和检索必须按照顺序进行，而且通常需要进行整个文件的扫描。

4. 索引顺序文件（Indexed Sequential File）：索引顺序文件是顺序文件和索引文件的结合。它使用一个索引结构来加速记录的检索，同时记录按照顺序存储。

5. 直接或散列文件（Direct or Hashed File）：直接文件组织使用散列函数将记录映射到物理位置，从而实现快速的记录访问。记录的物理位置是根据记录的键计算得到的，而不是按照顺序存储。

这些文件组织方法可以根据应用的需求选择，以提高文件的访问效率和性能。