软考——架构师 chap2 计算机基础 存储管理

操作系统的概述

操作系统的定义：能够有效地组织和管理系统中的软硬件资源，合理的组织计算机系统工作流程，控制程序执行，并且向用户提供一个良好的接口。

操作系统的三个作用

1. 管理计算机中运行的程序和分配的各种软硬件资源
2. 交互界面
3. 提供高效率平台

• 四个特征
• 并发性
• 共享性
• 虚拟性
• 不确定性（异步性）

操作系统的功能

• 进程管理
• 文件管理
• 存储管理
• 设备管理
• 作业管理

操作系统的分类

• 批处理操作系统： 单道批处理和多道批处理
• 分时操作系统：一个计算机系统与多个终端设备连接，将cpu的工作时间划分为多个短的时间片，轮流为终端用户服务
• 实时操作系统：指的是计算机对于外来信息能够以足够块的速度进行处理，并且在被控对象允许的范围内做出快速反应。实时系统对交互能力要求不高，但要求可靠性保障
• 网络操作系统： 联网的计算机能够方便且有效的共享网络资源。三种： 集中模式(中心化），c/s p2p
• 分布式： 多个计算机组成的系统，没有主次
• 微型计算机操作系统： win linux 都属于这一种。

嵌入式操作系统

1. 微型化
2. 可定制
3. 实时性
4. 可靠性
5. 易于移植

嵌入式系统初始化过程按照自底向上，从硬件到软件的次序依次为：片级初始化-> 板级初始化->系统初始化

进程管理

进程的组成： 进程控制块pcb（唯一标志）、程序（描述进程要做什么）、数据（存放进程执行时所需的数据）

进程的状态 主要考三态图

1. 运行态：正在运行
2. 阻塞态：缺少运行其他必要数据
3. 就绪态：缺少计算资源（cpu）

前驱图

用来表示哪些任务可以并行执行，那些任务之间由顺序关系，确定了任务间的并行关系，任务间的先后顺序。

进程资源图

用来表示进程和资源之间的分配和请求关系

• p代表进程， R代表资源
• 阻塞节点：某进程所请求的资源已经全部分配完毕，无法获取所需资源，该进程被阻塞了无法继续
• 非阻塞节点： 某进程锁清秋的资源还有剩余
• 当一个进程资源图中所有进程都是阻塞节点时，即陷入死锁状态。

进程的同步和互斥

• 临界资源： 各进程间需要以互斥方式对其进行访问的资源
• 临界区： 进程中对临界资源实施操作的程序
• 互斥： 某资源在同一时间只能由一个任务单独使用，使用时需要加锁
• 同步：多个任务可以并发执行，
• 互斥信号量： 对临界资源采用互斥访问，使用互斥信号量后其他进程无法访问，初始值为1
• 同步信号量：对共享资源访问控制，初值一般时共享资源的数量。

进程同步与互斥

• p操作： 申请资源 s = s-1 （p(s)) 若s>= 0 则执行p操作的进程继续执行； 若s<0 ， 则置该进程为阻塞状态，并将其插入阻塞队列
• v操作： 释放资源， s= s+1 若s>0 则执行v操作的进程继续执行； 若s<= 0 则从阻塞状态唤醒一个进程，并将其插入就绪队列， 然后v操作可以继续执行。

经典问题： 生产者和消费者问题

进程调度

1. 先来先服务
2. 时间片轮转
3. 优先级调度
4. 多级反馈调度

死锁

当一个进程在等待永远不可能发生的时间时， 就会产生死锁。

必要条件：

1. 资源互斥
2. 每个进程占有资源并等待其他资源
3. 系统不能剥夺进程资源
4. 进程资源图是一个环路

死锁产生后，解决措施时打破四大条件

1. 死锁预防：
2. 死锁避免：一般采用银行家算法来避免，银行家算法就是计算出一条不会死锁的资源分配方法，才分配资源，否则不分配。
3. 死锁检测：允许死锁产生，但系统定时运行一个检测死锁的程序，若检测到发生死锁，则解除
4. 死锁解除：强制剥夺资源或者撤销进程等
5. 死锁资源计算：

需要了解一下银行家算法
银行家算法的考法，1. 计算剩余资源， 2.判断进程执行序列。

线程

传统的进程有两个属性： 可拥有资源的独立单位； 可独立调度和分配的基本单位。

• 原因： 进程开销大，线程开销小

线程时进程中的一个实体， 是被系统独立分配和调度的基本单位。线程基本上不拥有资源，只拥有一点运行中必不可少的资源，它可以同属于一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。

（tcb：线程控制块）

分区存储管理

所谓分区存储就是整村，将某进程运行所需要的内存整体一起分配给他

• 固定分区： 静态分区方法，将主存分为若干个固定的分区，将要运行的作业装配进去。
• 可变分区： 动态分区
• 可重定位分区
  应该可以简单抽象为静态变量，malloc realloc

分区算法：

1. 首次适应：每次都从头找
2. 最佳适应：内存块从大到小排序，找到合适的，分割一块
3. 最差适应
4. 循环首次适配

分页存储管理

逻辑页分为页号和页内地址，页内地址就是物理的偏移地址，而页号与物理块号并非按照顺序对应，需要查询页表，才能得知页号对应的物理快好，再利用物理块号加上便宜地址才能得出真正运行时的物理地址
优点：利用率高，碎片小，分配及管理简单
缺点：增加了系统开销，可能产生抖动现象。

页面置换算法

• 最优算法：理论算法，选择未来最长时间内不被访问的页面置换，这样可以保证未来执行的都是马上要访问的
• 先进先出：会产生抖动现象
• 最近最少使用： 不会产生抖动现象
• 淘汰原则：优先淘汰最近未访问的

块表

• 一块最小容量的相连的存储器，由快速存储器组成，按内容访问，速度快，并且可以从硬件上保证按内容并行查找，一般用来存放当前访问最频繁的少数活动页面的页号
• 块表存在cache中

分段存储管理

• 将进程空间分为一个个段，每段有段号和段内地址，与分页式存储不同的是，每段物理带下不同，分段是根据逻辑整体分段的，因此段表与页表的内容不同，页表中直接是逻辑页号对应物理块号，段表有段长和基址两个属性，才能去欸的那个一个逻辑段在物理段中的位置。

段页存储

对进程空间先分段在分页，
优点：空间浪费小，存储共享容易，存储保护容易，能动态链接
缺点：复杂，性能低。

设备管理

设备是计算机系统与外界交互的工具，具体负责计算机与外部的输出输出工作

分类

• 按数据组织分类：块设备，字符设备
• 功能： 输入 输出 存储 网络 供电
• 资源分配角度： 独占 共享 虚拟
• 数据传输速率： 低速设备 中速 高速

设备管理的任务： 保证多到程序环境下，多个进程使用时，分配管理设备

IO

层次	功能
用户进程	进行IO调用、格式化io、spooling
设备无关软件	命名、保护、阻塞、缓冲、分配
设备驱动	设置设备寄存器；检查状态
中断处理程序	当IO结束时唤醒驱动程序
硬件	执行IO操作

一般的硬件与系统处理的交互逻辑 硬件-> 中断-> 驱动-> 缓存-> 用户

设备管理技术

spooling技术（外围设备联机操作技术） 就是在外设上建立两个数据缓冲区，分别称为输入井和输出井，这样无论多少进程都可以用这一台打印机都可以使用
说白了就是建立任务队列

文件管理

文件是具有符号名的、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的集合

信息项： 构成文件内容的基本单位，可以是一个字符，也可以是一个记录

文件管理系统： 操作系统中实现统一管理的一组软件和相关数据的集合，专本负责管理和存取文件信息的软件机构

文件的结构

• 逻辑结构

  • 有结构的记录式文件
  • 无结构的流式文件

• 物理结构

  • 连续结构：连续存储
  • 链接结构：不是软连接之类的，是链表的形式存储
  • 索引结构：将多级上的连续文件信息
  • 多个物理块的索引表： 由文件创建时由系统创建

索引文件结构

索引中有直接索引 直接指向物理盘块
间接地址索引： 多级， 一级间接地址索引可以指向1024个直接索引
二级间接地址索引可以指向一级间接地址索引

文件目录

文件控制块中包含三六信息：

• 基本信息类、存取控制信息类、存取控制信息、使用信息类
• 文件控制块的有序结合称为文件目录
• 相对路径
• 绝对路径
• 全文件名 = 绝对路径+文件名

文件存储空间管理

文件存储方法指的是 读写文件存储器上的一个物理块的方法，有顺序 随机存储

管理方法

1. 空闲区表
2. 位示图， 外存上建立一张位示图，记录文件存储器的使用情况，每一位对应文件存储器上的一个物理块，取0/1 标识空闲/占用
3. 空闲块链
4. 成组链接法