软考中级—— 操作系统知识

进程管理

操作系统概述

操作系统的作用：通过资源管理提高计算机系统的效率；改善人机界面向用户提供友好的工作环境。

操作系统的特征：并发性、共享性、虚拟性、不确定性。

操作系统的功能：进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理。

分类：批处理操作系统、分时操作系统（轮流使用CPU工作片）、实时操作系统（快速响应）、网络操作系统、分布式操作系统、微机操作系统（Windows）、嵌入式操作系统

计算机启动基本流程：BIOS → 主引导记录 → 操作系统

进程

组成：进程控制块PCB（唯一标识）、程序（描述进程要干什么）、数据（存放进程执行时所需数据）

状态：就绪、运行、等待

前趋图

前趋图可以确定两点：任务之间的并行关系、任务之间的先后顺序

进程资源图

进程资源图：用于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，R方框有几个圆就表示有几个资源，例如在本图中，R1指向P1，表示R1有一个资源已经分配给了P1，P1指向R2，表示P1还需要请求一个R2资源才能执行。

• 阻塞节点（看需要的资源是不是已经全部分配出去了）：某进程所请求的资源已经全部分配完毕，无法获取，该进程被阻塞了无法继续。如图中P2(R2分配来，但是R1满了，没有足够的资源让P2执行，已经将仅有的两份资源给了P1/P3)；
• 非阻塞节点：某进程所请求的资源还有剩余，可以分配给该进程继续运行。如图中P1、P3；
  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。

同步与互斥

互斥：同一时刻只能由一个任务单独使用，使用加锁，使用完后释放，如打印机；

同步：多个任务可以并发执行

临界资源：各进程间需要以互斥方式对其访问的资源

临界区：指进程中对临界资源实施操作的代码，比如synchronized代码

互斥信号量：初值为1

同步信号量：初值一般是共享资源的数量

信号量操作
P操作：申请资源，S=S-1【S>=0时表示可用的资源数量，S<0则表示等待资源】，若S>=0，则执行P操作的进程继续执行；若S<0，则该进程阻塞，将其插入阻塞队列；
V操作：释放资源，S=S+1，若S>0，表示当前还有资源可用，则执行V操作的进程继续执行；若S<=0，表示当前存在阻塞进程，则从阻塞队列中唤醒一个进程，并将其插入就绪队列，然后执行V操作的进程继续。
      是先操作完再判断,先P后V

信号量操作：先P后V，才开始计算（S1、2、3、4…都是代表资源使用）

存储管理

页式存储管理

      将进程空间分为一个个页，假设每个页大小为4K，同样的将系统的物理空间也分为一个个4K大小的物理块（页帧号），这样，每次将需要运行的逻辑页装入物理块中，运行完再装入其他需要运行的页，就可以分批次运行完进程，无需将整块逻辑空间全部装入物理内存中。

优点：利用率高、碎片小（只在最后一个页有）、分配及管理简单

缺点：增加系统开销、可能产生抖动现象

解析：考逻辑地址和物理地址的转换。页式存储的表示：高位【页号】+ 低位【页内地址/页内偏移】。页内地址是不会变的，不论是物理地址还是逻辑地址，只有页号的根据映射会变。页内地址就是页面大小。

• 4K=4*1024=2¹²⁼⁽²4)^3，表示3位16进制。因此D16H表示页内地址，1表示页号，其对应物理块号为3，因此物理地址为3D16H

页面置换算法

      进程空间分为100个页面，而系统内存只有10个物理块，无法全部满足分配，就需要将马上要执行的页面先分配进去，而后根据算法进行淘汰，使100个页面能够按执行顺序调入物理块中执行完。

缺页表示需要执行的页不在内存物理块中，需要从外部调入内存，会增加执行时间，因此，缺页数越多，系统效率越低。

• 最优算法：OPT，理论上的算法，无法实现，是在进程执行完后进行的最佳效率计算，用来让其他算法比较差距。原理是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。
• 先进先出算法：FIFO，先调入内存的页先被置换淘汰，会产生抖动现象，即分配的页数越多，缺页率可能越多（即效率越低）
• 最近最少使用：LRU，在最近的过去，进程执行过程中，过去最少使用的页面被置换淘汰，根据局部性原理，这种方式效率高，且不会产生抖动现象。

快表

      快表是一块小容量的相联存储器，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，一般用于存放当前最频繁的少数活动页面的页号。

      快表存储于Cache中，慢表将页表存储于内存中，因此慢表需要访问两次内存才能取出页，而快表则是一次Cache和一次内存。

段式存储管理

将进程空间分为一个个段，每段由段号+段内地址组成，与页式存储不同的是，每段物理大小不同，分段式根据逻辑整体分段的。

地址表示：段号+段内地址(段内偏移)，段内地址不能超过段号对应的段长，否则越界错误；而此地址对应的内存地址为：段号对应的基址+段内地址

段表：段长+基址，

优点：程序逻辑完整，修改互不影响
缺点：内存利用率低，内存碎片浪费大

段页式存储管理

两者结合，对进程空间先分段，再分页
优点：空间浪费小，存储共享容易，能动态连接
缺点：复杂性和开销增加，执行速度下降

文件管理

计算机系统中采用的索引文件结构如下图所示：

系统中有n个索引节点，直接索引，即每个索引节点存放的是内容，假设每个物理盘大小为4KB，则可存4KB*10=40KB数据；

其次索引节点为一级间接索引节点，大小为4KB，不是直接存放数据，而是链接到直接物理盘块的地址，假设每个地址占4B，则共有4KB/4B=1024个地址，可存1024*4KB=4MB数据；

然后是二级索引节点，存放一级节点地址，一级节点再存放物理盘块地址，再链接到物理盘块，容量扩大一个量级，102410244KB数据；

1然后是为三级间接索引，又多一层嵌套，102410241024*4KB数据。
以此类推

树形文件目录

相对路径：从当前目录开始的文件路径
绝对路径：从根目录开始的路径
全文件名：绝对路径 + 文件名
树形结构主要用于区分相对路径和绝对路径

空闲存储空间管理

空闲区表法：将所有空闲空间整合成一张表，即空闲文件目录
空闲链表法：将所有空闲空间链接成一个链表，根据需要分配
成组链接法：既分组，每组内又链接成链表，两者结合
位示图法：对每个物理空间用一位标记，为1则使用，为0则空闲，形成一张位示图。

设备管理

• 设备分类方式：
  按数据组织分类：块设备、字符设备。
  资源分配角度分类：独占设备、共享设备和虚拟设备。
  数据传输速率分类：低速设备、中速设备、高速设备

输入输出技术

• 程序控制（查询）方式：CPU主动查询外设是否完成数据传输，效率极低。CPU串行

CPU串行（Serial CPU）是一种单个指令流执行的计算机处理器，指令序列按顺序一个接一个地执行。这意味着每个指令必须在前一个指令完成后才能开始执行。这与并行处理器（Parallel CPU）不同，后者可以同时执行多个指令。串行CPU通常更容易设计和实现，但速度较慢。

• 程序中断方式：外设完成数据传输后，向CPU发送中断，等待CPU处理数据，效率相对较高。适用于键盘等实时性较高的场景。CPU并行

CPU并行是指将一个任务分解成多个子任务，由多个处理器核心同时处理，从而提高处理效率和性能的一种方式。CPU并行可以在单个处理器内的多个处理核心之间分配任务，或者将任务分配给多个处理器来执行。CPU并行可以使用多线程、向量化指令、SIMD（单指令多数据）和多核心等技术来实现。在现代计算机系统中，CPU并行通常用于高性能计算、数据分析、图形处理和深度学习等领域。

• 中断响应时间指的是从发出中断请求开始进入中断处理程序
• 中断处理时间指的是从中断处理开始到中断处理结束
• 中断向量提供终端服务程序的入口地址。
• 多级中断嵌套，使用堆栈来保护断点和现场。
• DMA方式（直接主存存取）：CPU只需完成必要的初始化等操作，数据传输的整个过程都有DMA控制器来完成，在主存和外设之间建立直接的数据通路，效率很高。适用于硬盘等高速设备。CPU并行

占用CPU时间：程序查询>中断>DMA>通道>I/O处理机

在一个总线周期结束后，CPU会响应DMA请求开始读取数据；CPU响应程序中断方式请求是在一条指令执行结束时；区分指令执行结束和总线周期结束。

虚设备和SPOOLING技术

SPOOLING技术
，就是在外设上建立两个数据缓冲区（输入井、输出井），这样无论多少进程都可以共用这一台打印机，只需要将打印命令发出，数据就会排队存储在缓冲区中，打印机就会自动按顺序打印，实现了物理外设的共享，使每个进程都感觉在使用一个打印机，这就是物理设备的虚拟化。

磁盘结构

磁盘有两个盘面，每个盘面又多个同心圆，一个圆就是一个磁道，磁道上划分多个扇区，数据就存在扇区中。

读取数据时，先找到对应磁道，等磁盘旋转到指定扇区，才能读取到，因此就有寻道时间（磁头移动到磁道所需时间）和等待时间（等待读写的扇区转到磁头下的时间），寻道时间最长
寻道时间调度算法：

先来先服务FCFS：根据进程请求顺序
最短寻道时间优先SSTF：请求访问的磁道与当前磁道最近的进程优先调度。问题：“饥饿现象”，远处的进程可能一直无法访问
扫描算法SCAN【电梯算法】：磁头在磁盘上双向移动，选择离磁头当前所在位置最近的请求访问的磁道，并且与磁头移动方向一致，磁头永远都是里→外或者外→里一直移动完才掉头
单项扫描调度算法CSCAN：与SCAN不同的时，只做单项移动，只能里→外或者外→里单向。

#微内核操作系统

只将最为核心必要的东西放入内核，其他能够独立的东西都放进用户进程中，用户态、核心态

嵌入式操作系统

嵌入式操作系统特点：微型化、代码质量高、专业化、实时性强、可裁剪可配置。

实时嵌入式操作系统的内核服务：异常和中断、计时器、l/O管理。

常见的嵌入式RTOS（实时操作系统）：VxWorks、RT-Linux、QNX、pSOS。

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。

芯片级是微处理器的初始化，板卡级是其他硬件设备初始化，系统级初始化就是软件及操作系统初始化。