数据库三四级备考经验分享——操作系统原理知识点篇

这个是跟着b站视频学了一遍所做的笔记，可供参考，如果也想看视频学习的话不妨就在其中添加一些内容，比自己重新做笔记应该轻松一些。

---

**

操作系统特征

1、并发性2、共享性：互斥共享 同时共享3、随机性“走走停停”
功能：进程管理、存储管理、文件、设备管理、用户接口
分类：
一、批处理系统 没有交互 自动化 资源利用率高 （作业控制说明书）SPOOLing假脱机技术 将独占设备改造成共享设备 （设备的虚拟分配）可以提高输入输出速度（设备工作时仍然可以提交 ）输入井 输出井（磁盘上开辟）输入缓冲区输出缓冲区、输入进程和输出进程

二、分时系统。 交互。时间片轮转 （多路性、交互性、独占性、及时性）

三、实时系统。强调在规定时间内要。。。多路 独立 及时 交互 可靠！
四、嵌入式 精简专用多任务
五、个人计算机操作系统 友好方便
六、网络操作系统 网络管理功能 C/S和对等模式
七、分布式 八、智能卡
网络和分布式：主从关系的有无 共享的程度 协作的有无

结构：整体式（随意的互相调用） 层次式（也将大问题分解） 微内核（C/S）只剩最重要的功能
UNIX系统是多用户分时DOS OS/2 单用户

运行机制

一、CPU：运算器 控制器
访问寄存器最快
用户可见寄存器：数据、地址、条件码寄存器（运算溢出、符号等）
控制和状态寄存器：部分可用OS访问。程序计数器（指令的地址）、指令寄存器、程序状态字
处理器状态包含管态和目态 非特权指令（目态）。特权指令（管态） 引起处理器状态变换
目-管 中断 管-目PSW（修改程序状态字）
高速缓存在CPU和物理内存之间 利用程序局部性原理（将内存中某块数据附近的局部信息都提取到高速缓存里）使得高速指令处理和低速内存访问匹配

二、存储体系
1、层次结构
2、存储保护：界地址寄存器、存储键（键值对应）

三、中断与异常机制
使OS可以捕获用户程序发出的系统调用
处理中断请求
启动指定程序
特点：随机、可恢复、自动处理的
中断可以屏蔽，异常不行。 优处理优先级高的中断。 屏蔽就不中断了 硬件捕获。 软件处理
中断寄存器由若干个中断位组成
中断处理程序存储在中断向量表 根据中断码查找
I/O中断 时钟中断（时）硬件故障中断 程序性中断 系统调用中断

四、系统调用（管态）

五、I/O技术：通道 （I/O处理机）、DMA技术 （在内存和I/O之间！成块！传输数据）、
缓冲技术：单缓冲区、多缓冲区（Cache技术）一级、二级Cache

六、时钟：硬件提供
可分为硬件时钟、软件时钟。 绝对、间隔（相对）时钟（时钟寄存器实现）
源程序、目标代码属于流式文件

进程线程模型：
顺序执行的特征：顺序性、封闭、结果的确定性、结果的可再现性
多道程序系统特点：独立性、随机性、资源共享性
并发的特性：并发程序制约关系、程序与计算不在一一对应、结果不可再现
进程是正在执行的程序，动态、静态。程序是进程的一部分
进程的特性：并发、动态（前两种最基本）、独立、交往、异步性

进程的基本状态及转换：就绪状态（除了cpu外资源都获得了） 运行状态 （多处理器可多个运行状态）。等待状态（出现请求输入输出、申请额外空间等操作从就绪转变为等待）
在以上基础上进行扩展（创建状态，结束状态，挂起：把进程从内存放到外存 相对的 激活状态）
转换：新状态➡️就绪状态。 就绪状态➡️执行状态。 执行到阻塞（I/O等等）。执行到就绪（时间片或优先权低）。阻塞到就绪。 执行到终止。
一般没说明都是单处理环境

进程控制快（PCB）
进程：程序、数据、进程控制块
PCB表的组织方式：1、线性方式2、索引方式3、链接方式

进程控制：通过原语：创建、撤销、阻塞、唤醒

fork（）函数：
父进程创建子进程，返回两个结果 PID 0
两个进程共享后面的代码

线程：进程的特点导致不能同时太多 限制并发性
将进程只作为资源分配和拥有的基本单位。 线程是进程调度的基本单位
线程之间也可以并发操作 增强并发性
线程可以访问属于进程的资源

线程的实现机制：用户级线程、内核级线程、混合式

Pthread线程包

进程调度

：高级（确定后备队列上那些作业调入内存）、中级（内存中处于等待的进程调至外存）、初级（进程调度 选一个给CPU）

调度算法设计原则：面向用户原则（快），面向系统（吞吐量）

进程、线程调度算法：
1、先来先服务（FCFS）调度算法。有利于长进程 不利于短进程
2、最短作业优先调度算法（SPF）不利于长进程。 降低平均等待时间 提高吞吐量
以上两种为非抢占式的
3、最短剩余时间优先调度算法（SRT）
4、时间片轮转调度算法（RR）适合于交互进程的调度。（或许可以理解为抢占式的）
5、最高优先级调度算符，可以抢占或非抢占。 仲裁规则：随机或先进先出。 静态或动态优先权
优先权由用户或者系统赋予
6、多级反馈队列调度算符（MLF）抢占或非抢占 仲裁规则是轮转或按时间先后
7、实时

并发与同步

相关进程与无关进程
进程互斥：共享资源的占用
进程同步：一个进程的执行以另一个进程的结束
进程互斥：资源共享程度分为三个层次：互斥、死锁、饥饿
临界资源：一段时间内只允许一个进程访问或使用。
进程同步机制应遵循的原则：1空闲让进2忙则等待（保证互斥的访问临界资源）3有限等待4让权等待
（不能进入临界区时要释放处理器）

进程互斥的软件方法：1、单标志算法（让两个进程轮流使用临界资源）2、双标志、先检查算法（可以多次使用临界资源，会出现同时访问临界资源的问题）。又改进 3、双标志、后检查算法(会出现饥饿) 又又改进4、先修改、后检查、后修改者等待算法
进程互斥硬件方法：1、TS指令。 2、Swap指令
以上两种是平等协商方法，下面由操作系统进行管理的方法
信号量：>0可用资源数目 <0被阻塞的进程数目 =0两个都没有
P V操作。
同步问题：几个进程几个信号量。同一对PV操作在不同进程里面
互斥的话按照临界资源数量。
进程中同时出现互斥与同步的P操作，需要先执行同步信号量的P操作（进程可以运行然后申请资源/先都竞争某一种资源，没有申请到第一种的不能申请第二种），V的顺序没有要求
进程的同步问题：生产者-消费者问题

管程：管程名称、共享数据的说明、对该数据进行操作的一组过程、对共享数据设置初始值的语句
（大量PV操作容易出现问题）
wait原语：使处于阻塞。 signal原语：唤醒阻塞队列的首进程
特征：模块化、抽象数据类型（数据+代码）、信息屏蔽

进程通信：同步和互斥为低级通信。高级通信（管道通信）
通信方式：共享内存、消息机制（缓冲、信箱）、通过共享文件
管道通信系统用于实现共享文件，首创于UNIX系统
管道通信具有数据传输量大的特点，但缺点是速度较慢

存储管理：（讲的内存）

内存两个区域：系统区、用户区
存储器管理的主要任务：内存的分配和回收、存储共享、存储保护、权限保护
分配和回收的实现方法：1、位视图表示法（那些是空闲的）。2、空闲页面表（那些页是空闲的） 3、空闲块表
分配的方式：静态分配（执行速度快）、动态分配（允许申请额外空间/搬家）

存储共享：代码共享 数据共享
存储保护：1、地址越界保护2、权限保护3、存储键
扩充内存：虚拟存储技术（程序的一部分数据和指令放入内存即可运行）等交互技术

地址转换：逻辑地址转换为物理地址（重定位）
静态重定位：程序装入的时候就全部转化为绝对地址，不能再改变。快
动态重定位：每执行一条指令由硬件的地址转换机将逻辑地址转换为物理地址。 可以移动
逻辑地址+基址寄存器的值

固定分区（多道程序在内存中怎么放的）要求把作业全部装入一个连续的存储空间，一个作业只能装入一个作业，反之亦然；通过对分区分配表的改写（改写分区的状态）实现分配与回收。限制并发执行的作业数量。 另

可变分区 作业要求装入主存的时候动态地划分分区 使大小正合适 分区的大小和数目不固定
空闲表和分配表 分配算法？分区的分配和回收 进程也要全部装入连续存储空间
移动技术：碎片整理 移动会增加系统开销，且正在使用的数据和指令是不能移动的
采用的数据结构：已分分区表、空闲分区表（分区从小到大排序）。
先分配小地址、再大地址
常用的主存分配算法：（先小后大不太好）：
1、最先适应分配算法（FF）从前往后找空闲分区表。容易产生主存碎片 地址递增顺序放分区
2、最优适应分配算法（BF）找能满足需求的最小分区 按空间长度递增顺序放分区 也容易产生主 存碎片。 尤其是小碎片。回收的时候开销大
3、最坏适应分配算法（WF）按长度递减的顺序放在空闲表中。影响大作业的分配。碎片少
4、下次分配算法

主存空间的回收：根据回收分区上下有无空闲分区分为四种情况。空闲区-1 上下都有空闲区。。。

覆盖技术：一个程序的若干程序段或几个程序的某个部分共享一个存储空间
交换技术：
页式存储管理：将作业地址分为若干个大小相同的区域，称为页面或页。主存空间分成大小相同的块，称为物理快或叶框。不用连续存放了。逻辑地址由叶号和业内地址组成。先找到块号，再确定物理地址，动态重定位。 全部装入
空间分配与回收：分配：1、数据结构：主存分配表（存页表首地址）、位示图（哪些使用了哪些没有，空闲块个数）、页表（页号对应的块号）。回收对应的
计算块数量的时候一个字节8位二进制

地址转换和块表：页号=长度/页长度；页内地址=长度mod/页长度 物理地址=。。+基址

页表：1、多级页表。2、散列页表。3、反置页表（多个进程共用一个页表）。
快表：对于页表，需要先访问内存中页表得到物理地址，在访问一次内存取数据。降低了速度
可以采用快表/两级页表的方法进行改进，主要说快表
快表存放在高速缓存里面，存放一部分常用的页表，第一次访问 同时找快表和页表。（计算选择题，共两次访问注意）

虚拟存储管理方式：仅装入一部分作业，最大容量与计算机地址线位数有关 2的根数次方的容量
物理容量也称为实际容量（前提最大容量要比你划分的物理容量大）

页式虚拟存储管理：增加了请求调页功能和页面置换功能（内存满了就置换）块数不等于页数
调入策略：（1）请求调页 只调一页（2）预调页 局部性原理。
置页策略：局部性原理
置换策略：1固定分配局部置换 2可变分配全局置换 3可变分配局部置换。可变即分配的块数可变。局部全局的意识：将内存中作业的一页调出去还是从内存空间挑一页调出去

页面置换算法：1、先进先出（FIFO）2、最近最久未使用算法（LRU）局部性原理 利用一个特殊的栈
3、最近最不经常使用算法（LFU）访问次数最少的走 4、理想页面置换算法5、最近未使用页面置换算法（NRU）分为四类按类淘汰 6、第二次机会页面置换算法（先进先出的改进，没被访问过又在队首的调出去） 7、时钟页面置换算法（第二次机会的改进）

段式存储管理方式：页式容易将逻辑上一段的内容分开 不利于信息共享
主程序段MAIN、子程序段X、数据段D、栈段S。 每一段长度不等
是二维的：逻辑地址由段号和段内地址组成

段页式存储管理方式：先分段再分页。先通过段表找到对应的那个页表，再找物理地址

文件管理

分类
操作系统中文件和相关目录的子系统统称为文件系统
文件按用途分类：系统文件、库函数文件、用户文件
按组织形式：普通文件、目录文件、特殊文件
还有保护方式、流向、存取时限、使用的介质类型
按组织结构：逻辑文件；物理文件：顺序、链接、索引文件

UNIX操作系统中文件分类：普通、目录、特殊文件

功能：1空间管理 分配回收 2按名存取 3共享 保护保密措施 4方便的接口 5提供与I/O的统一接口67

逻辑结构：用户直接看到并操作的。选择原则：查找快捷、修改方便、空间紧凑、易于操作

逻辑结构分为两类：有机构的记录式文件、无结构的流式文件

物理结构：外存上的组织结构。文件分配和传输的基本单位式物理块（物理记录）与物理设备有关与逻辑记录大小无关

物理结构的形式：1、顺序结构 逻辑上连续 物理上也连续 文件不能动态增长 分配内存慢 容易产生存储碎片。 可顺序存取/随机存取
2、链接结构 物理块不必连续 每一个块有指针指向下一个块 FAT使用的就是这一结构。只能顺序存取 但改指针实现动态扩充方便。存储碎片得以解决。磁盘磁头移动多，慢
3、索引结构。克服了上述缺点。索引：逻辑块号和物理块号的对应关系。寻道次数和寻道时间不太行。索引占用空间比较多。
管理索引的方式（解决索引太长的问题）：1、索引表的链接模式 2、多级索引
I节点：多级索引。最早UNIX。前面几个直接对应物理块。然后一级索引，二级索引

文件的存储介质：1、顺序存储设备：磁带：从当前位置开始读区，物理块通过间隙区分；存取速度和信息密度与带速和间隙有关。容量比较大。
2、随机存储设备：可以存取任意物理块。磁盘。每个盘对应一个磁头。由磁道（同心圆 磁道号）、柱面（与中心距离相同距离的磁道的组合，所有磁头都在同一柱面上）、扇区（每个山区存放等量信息 扇区号）、磁头号（从上到下排序）
磁盘空间位置决定因素：柱面号、磁头号、扇区号。访问时间：寻道时间、延迟时间（旋转时间）、传输时间（数据的读写）
文件存取方式：顺序存储 、随机存储

文件目录：包含多条记录，每条记录为一个文件的文件控制块（FCB）最简单的记录包含文件名和文件的起始地址
目录项：FCB 目录文件：FCB的集合存储在外存
FCB：文件名、文件号、用户名、文件物理位置（对系统重要）、文件长度
文件目录的管理形式：一级目录（起始地址放的是索引表（逻辑块号和物理块号的对应）的位置）不便于实现文件共享，没有不同用户的概念，只适用于PC机单用户系统
二级目录：包含主文件目录（存用户文件目录）、用户文件目录。有用户的差别，适合于共享，可以实现保护和加密，只解决了不同用户（下面解决这个问题）之间同名问题
多级目录：UNIX DOS系统都采用了树型目录结构。主目录下面一级是用户目录。层次清楚，有利于文件的保护 ，解决了重命名问题，检索速度最快
根据路径检索的方法：全路径名（每次都从根目录开始）、相对路径名（从当前目录开始，本来就在内存 速度快）
文件目录的改进：目录项分解法（加快检索速度：先找符号目录项所在物理块，然后直接找到基本目录项）：分为符号目录项（包含文件名、文件号）、基本目录项

存储空间的分配和回收：1、位图法2、空闲块表（序号 首空闲块号 空闲块表）适合顺序结构
3、空闲块链表 4、成组链接法

记录：通过关键字唯一标识
记录的成组和分解：逻辑记录的大小由文件决定，块大小根据存储介质特性。为了提高主存利用率引入。成组的时候需要用一下缓冲区

为了确保文件系统的安全性：1、建立副本（容量小）2、定时转储（用于容量较大的文件）3、规定文件的存取权限
文件的存取权限：1、存取控制矩阵 2、二级存取控制（把用户分组）

UNIX访问权限字母与数值的转换

文件保密：防止文件被窃取1、隐藏文件目录 2、设置口令（可靠性差） 3、使用密码（将文件信息翻译成密码形式保存）
文件系统的优化：
1、块高速缓存：
2、合理分配磁盘空间：把可能顺序存取的块放在一起
3、磁盘的驱动调度：服务顺序调整。减少磁头移动
磁盘调度算法：（1）先来先服务FCFS。会使磁头反复移动。移动跨度大
（2）最短寻道时间优先SSTF。经常改变方向，容易出现饥饿现象
（3）扫描算法（SCAN电梯算法）：优先当前方向最近的
（4）循环扫描调度算法（C-SCAN）：单向循环。会出现黏着现象（小范围移动）
旋转调度算法：
RAID可以提高读取速度，实现并行操作。提高备份技术

Windows的FAT文件系统：
FAT文件系统一簇为单位进行分配。12/16/32

UNIX文件系统：目录中为每个文件保留了一项，每个目录项包含文件名和I节点号。物理结构是三级目录结构

I/O设备管理：

按设备的使用特性分类：1、存储设备2、I/O设备（键盘 显示器 打印机）
按共享属性：1、独占设备 （打印机 SPooling技术 在外存上开辟输入井输出井 提交后由进程自动控制） 2、共享设备 （磁盘。宏观上多个进程进行访问）3、虚拟设备（虚拟打印机）
按信息组织方式：1、块设备（512B-4KB磁盘 磁带）。2、字符设备（键盘 显示器 打印机）
I/O的硬件组成：中央是CPU和主存，通过总线与第二层的接口部分相连，第三层各种外围设备控制器，最外层是外围设备。缓冲放在控制器里面
I/O设备数据传送控制方式：
1、程序直接控制方式（忙——等待 需要控制程序一直检测设备状态）
2、中断控制方式：任何预期或者非预期的时间，CPU暂停处理工作。根据中断码找到相应的中断处理程序代码执行。一次传输的数据还是不多，大量数据时中断多次，也不太行
3、直接存储器存取控制方式（DMA）：对输入输出设备的控制由DMA控制器完成，设备和主存可以成批的进行数据交换，不用CPU干涉。CPU告诉控制器怎么做。一块数据中断一次
4、通道控制方式：I/O通道是一种特殊的处理机 通道放在内存中 CPU干预的更少，实现CPU I/O 通道 输入输出设备三者之间的并行操作。适用于大量数据交换
通道分成三种（1）选择通道 每次只允许一个设备传输数据。速度快
（2）字节多路通道。多个子通道轮转使用主通道，适用于低速
（3）数组多路通道。数据成组传输。适合于多个高、中速设备

缓冲技术：1、单缓冲。单向传输2、双缓冲。可双向适合于输入输出速度差不多的时候3、多缓冲。费空间。4、缓冲池。属于系统操作空间 用户只能通过系统调用来使用它们

I/O性能常常称为性能瓶颈：1、缓冲技术。2、异步I/O技术（中断）3、DMA。4、虚拟设备

死锁：

活锁：数据资源释放时间不确定，导致某些事务长时间等待，得不到封锁的机会。（一直把某个资源批给别人，不给他）“相关进程没有阻塞，可被调度，但是没有进展”
得不到资源会到就绪（忙——等待。不放弃CPU 低效的 不停的查看。活锁）或者阻塞状态（主动放弃CPU高效的。饥饿）
死锁的原因：1、竞争资源。2、进程的推进顺序不合理。
产生死锁的必要条件：1、互斥条件（临界资源）2、不剥夺条件 3、请求和保持条件：请求得不到满足我也不释放资源4、循环等待条件

解决死锁的方法：
1、预防死锁：资源分配时加限制条件，会导致资源利用率下降
2、避免死锁：资源分配过程中对资源分配进行管理，限制较小，吞吐量较高。用的最多
3、检测死锁：
4、解除死锁：没有限制。实现难度大
死锁的预防：
破坏‘互斥条件’：让资源不被独占。难度大
破坏‘不剥夺’条件：申请得不到满足，释放已有资源。开销大，会出现多次释放 申请现象
‘请求和保持’：一次性申请所有资源。有些稍微资源一用但是一直占用
‘循环等待’：给资源排序赋予资源序号，资源数目最少的方在最前面，从前到后申请资源。申请到这个才能申请后面的不会再出现环路。
以上方法都不方便
死锁的避免：

安全状态和不安全状态：只要存在能顺利执行的资源分配顺序，就是安全状态。进入不安全状态才有可能发生死锁
银行家算法：Dijkstra 和Habermann
拿现有资源和每个进程的尚需资源比较，找到一个可以执行的，新的可用资源为原有+释放的。重复该过程

死锁的检测与解除机制：
死锁的解除：1、剥夺资源法。2、撤销进程法
资源分配图（发现死锁进程）：箭头指向边框：我要用一个这种资源。 箭头指向框内某个资源：我要申请这个资源
死锁定理：资源分配图中没有环路，不会出现死锁；出现环路，可能会出现死锁
如果环路中每个资源的数目只有一个，则有死锁。不是只有一个，则可能。
资源分配简化法：不是完全可简化的，则有死锁