2023 操作系统 R 复习大纲( 适用于太理软件 21 级)

目录

01.操作系统的定义

02.操作系统的基本类型及特征

1.批处理操作系统（单、多道）

2.分时操作系统

3.实时操作系统

03.操作系统的功能及特征

04.进程的定义、特征

05.进程基本状态及其转换原因

06.进程互斥、同步

07.进程控制块的内容、作用

08.用信号量和 PV 操作机制实现进程的同步和互斥

09.引入进程，线程的目的

10.典型的调度算法

(1)先来先服务(FCFS)：

 (2)短者优先(SJF) :

(3)高响应比优先(HRRN)：

(4)优先级调度：

(5)时间片轮转调度(RR):

(6)多级反馈队列调度：

11.死锁的原因、必要条件

12.预防死锁方法、避免死锁

13.连续分配原理和特点

①单一连续分配：

②固定分区分配：

③动态（可变）分区分配：

14.页式、段式存储管理原理

15.分页、分段存储管理的地址转换过程

16.虚拟存储器概念、理论基础

17.页面置换算法

（1）最佳置换算法：

（2）先进先出置换算法

（3）最近最久未使用置换算法

（4）时钟置换算法

（5）改进型时钟置换算法

18.存储管理的碎片问题

19.设备分配时应考虑的因素

20.设备独立性、虚拟设备

21.磁盘的调度算法

22.打开文件、关闭文件的操作

23.文件的物理结构

（1）连续分配

（2）链接分配

（3）索引分配

24.UNIX 系统多级混合(增量式)索引结构

25.文件存储空间的管理方法-空闲表法、位示图、空闲块链法

26.系统调用的过程

27.系统调用与一般过程调用的区别

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01.操作系统的定义

操作系统是计算机系统中的一个（系统软件），它管理和控制计算机系统中的（硬件和
软件资源）。

02.操作系统的基本类型及特征

1.批处理操作系统（单、多道）

      允许多个用户将多个作业提交给计算机集中处理的操作系统称为（批处理操作系统）

优缺点：

• 系统利用率高、系统吞吐量大

• 平均周转时间长、无交互能力

(平均周转时间短)是批处理操作系统中进程调度算法的重要准则

2.分时操作系统

      允许多个用户以交互方式使用计算机的操作系统称为（分时操作系统）

特点：

• 交互性、多路性、独立性、及时性

优点：

• 为用户提供友好的接口，即用户能在较短时间内得到响应。

• 便于资源共享和交换信息，为软件开发和工程设计提供良好的环境。

通常在分时系统中运行的作业称为 终端型作业

(响应时间快)是分时系统中进程调度算法的重要准则

3.实时操作系统

     计算机系统能及时处理过程，控制数据，并作出响应的操作系统称为（实时操作系统）

特点：

• 两个基本特征，（及时性）和（高可靠性）

（ 截止时间的保证 ）是实时调度算法的重要准则

03.操作系统的功能及特征

操作系统的功能：

①作为用户与计算机硬件系统之间的接口；                                                                                     

②作为计算机系统资源的管理者；

③实现了对计算机资源的抽象。

操作系统的特征：并发性、共享性(最基本的特征)、虚拟性和异步性。

04.进程的定义、特征

进程的定义：是一个程序对某个数据集在处理机上的执行过程，是系统进行资源分配和处理机调度的基本单位。

进程的特征：动态性(最基本的特征)，并发性，独立性，异步性，(结构性)。

05.进程基本状态及其转换原因

06.进程互斥、同步

同步指进程间存在一定的逻辑关系，需要在执行次序上协调

互斥指进程间在使用共享资源方面的约束关系

解决上述两个问题的一种常用的方法是（信号量机制）

原则：空闲让进，忙则等待，有限等待，让权等待

07.进程控制块的内容、作用

PCB 是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的记录型数据结构。

作用是使程序成为一个独立运行的基本单位，能与其他进程并发执行的进程。

并对并发执行的进程进行控制和管理。

08.用信号量和 PV 操作机制实现进程的同步和互斥

互斥：

互斥信号量的初值一般为 1

同步：

而同步信号量的初值应视具体情况而定，这里为0 （前V后P，P2等P1）

 

 拓展：单道程序系统不具有并发性，因此不需要同步和互斥

举例（多生产者消费者问题）：

父，子，女，吃苹果，橘子问题，儿子只吃橘子，女儿只吃苹果，爸爸一次盘子里放一个

分析：生产者放入缓冲区的产品有两类，消费者也有两类，每类消费者只消费其中固定的一类产品

int S=1;
int Sa=0;
int So=0;
main( )
{
  cobegin
  father();
  son();
  daughter();
  coend
}

father()
{
  while(1)
   {
     P(S );
     将水果放入盘中；
     if （放入的是桔子） V(So);
     else V(Sa);
   }  
}

son( )
{
  while(1)
   {
     P(So);
     从盘中取出桔子；
     V(S);
     吃桔子；
   }
}

daughter( )
{
  while(1)
   {
     P(Sa);
     从盘中取出苹果；
     V(S);
     吃苹果；
   }
}

09.引入进程，线程的目的

引入进程：为了使程序在多道程序环境下能并发执行，并对并发执行的程序加以控制和描述

引入线程：缩短系统切换的时空开销，提高程序执行并发度

10.典型的调度算法

进程的调度方式有两种，一种是（非抢占式），令一种是（抢占式）

(1)先来先服务(FCFS)：

算法简单，效率低

利于长作业不利于短作业

利于CPU繁忙型，不利于I/O繁忙型作业

 (2)短者优先(SJF) :

为了使作业的平均周转时间最短

为了照顾短作业用户

平均等待时间，平均周转时间最少

对长作业不利

估计运行时间可能不准确

(3)高响应比优先(HRRN)：

为了兼顾短作业和长时等待的作业

响应比=(等待时间+要求服务时间)/要求服务时间

利于短作业，且长作业不至于产生饥饿

等待时间越长，优先级越高

(4)优先级调度：

为了照顾紧急作业的用户：基于优先权的可抢占式调度算法

总之谁优先级高谁上

抢占式，非抢占式；动态优先级，静态优先级

(5)时间片轮转调度(RR):

为能实现人机交互作用

时间片过高：交互性差；时间片过低：系统开销大

时间片轮转调度算法遍退化为( 先来先服务 )算法

(6)多级反馈队列调度：

为了使短作业、长作业及交互作业用户都比较满意

对于终端型作业用户：由于多为交互型小作业，短作业优先

对于短批处理作业用户：周转时间短

对于长批处理作业用户：不会长期得不到处理

11.死锁的原因、必要条件

死锁产生根本原因：可共享资源不足，另一个基本原因是：进程的推进顺序不当

死锁存在的必要条件：①互斥；②不可剥夺；③请求和保持；④循环等待

拓展：安全状态无死锁，非安全状态可能死锁

12.预防死锁方法、避免死锁

预防：

破坏互斥——spooling算法

破坏不可剥夺——优先级调度

破坏请求和保持——静态分配法

破坏循环等待——顺序资源分配法

避免：

银行家算法

当一个进程提出的资源请求将导致系统从（ 安全状态 ）进入（不安全状态）时，系统就会拒绝它的资源请求

13.连续分配原理和特点

①单一连续分配：

使用这种内存分配方式，内存空间会被分成 系统区 和 用户区 两部分，系统区仅提供给OS使用，系统区外的用户区提供给用户使用。

优：实现简单，无外部碎片

缺：只适用于 单道程序 的情况，存储器利用率低，有内部碎片

②固定分区分配：

将用户空间划分为若干个固定大小的分区，每个分区只能装入一道作业

若分区大小相等：缺乏灵活性，适用于一台计算机控制多个相同对象的情况

若分区大小不等：增加灵活性

优：实现简单，无外部碎片

缺：会产生内部碎片

③动态（可变）分区分配：

根据进程大小动态的建立分区

常用的数据结构：空闲分区链，空闲分区表

支持多道程序，相邻空间需要合并

没有内部碎片但有外部碎片

拓：动态分区分配算法

（1）首次适应算法

从头到尾适应分区

优：综合性能最好，算法开销小，不需要重排序分区

（2）最佳适应算法

优先使用小分区

优：利于满足大进程

缺：小碎片多，算法开销大

（3）最坏适应算法

优先使用大分区

优：产生小碎片少

（4）邻近适应算法

由首次适应算法演变，每次从上次查找结束位置开始查找

优：算法开销小

缺：会使高地址的大分区也被用完

14.页式、段式存储管理原理

分页式：页面+页框

每个进程对应一个页表

物理单位，用户不可见，一维的，不会产生外部碎片，容易实现信息共享

分段式：段号+段内地址

逻辑单位，用户可见，二维的，会产生外部碎片，容易实现信息保护

15.分页、分段存储管理的地址转换过程

分页：

（1）页号=逻辑地址/页面大小   ；页内偏移量=逻辑地址%页面大小

（2）比较页号和页表页表长度，若大于等于，则越界中断

（3）物理地址=页面大小*物理块号+页内偏移量

（物理块号一般一般题目中会和页号一一对应给出）

分段：

（一般会给一个表，由段号，内存始址，段长）（给一个逻辑地址（段号X，段内地址Y））

（1）由表数，得出段表长度

（2）对比段号和段表长度，若大于等于，则越界中断

（3）对比段内地址和段长，若大于等于，则越界中断

（5）物理地址=段号对应的内存始址+页内地址

16.虚拟存储器概念、理论基础

定义：在具有层次结构存储器的 计算机系统 中，自动实现部分装入和部分替换功能，能从逻辑上为用户提供一个比物理贮存容量大得多，可寻址的“ 主存储器 ”

实现虚拟存储器需要 请求分页(段)的页(段)表机制，缺页(段)中断机制，地址变换机构这三个硬件支持
虚拟存储器的最大容量 由计算机的地址结构决定

实现虚拟存储器的目的是 扩充内存容量

理论基础：程序的局部性理论

虚拟内存：页面置换，请求调页

有多次性（基本），对换性，虚拟性

17.页面置换算法

为保证最低的缺页率

（1）最佳置换算法：

理想型，无法实现

（2）先进先出置换算法

会产生bleady异常（内存块越大，缺页率越高）

（3）最近最久未使用置换算法

最接近最佳置换算法，性能好，但是开销大

（4）时钟置换算法

访问位为1：最近访问过

访问位为0：最近未访问过

最多经历两轮扫描

（5）改进型时钟置换算法

18.存储管理的碎片问题

单一连续分配：有内部碎片

固定分区分配：有内部碎片

动态分区分配：有外部碎片

分页式存储管理：有内部碎片

段页式存储管理：有内部碎片

分段式存储管理：有外部碎片

19.设备分配时应考虑的因素

设备固有属性

设备分配算法

设备分配的安全性

设备独立性

20.设备独立性、虚拟设备

设备独立性的概念：用户进程独立于具体使用的物理设备。（进程只需用逻辑设备名称请求使用某类设备。）

优：设备分配时的灵活性，易于实现I/O重定向

虚拟设备：

为了方便我们管理设备的 I/O 操作

 虚拟设备是通过（SPOOLING）技术把（独占）设备变为能为若干个用户（共享）的设
备。

SPOOLING组成：

(1) 输入井和输出井
(2) 输入缓冲区和输出缓冲区
(3) 输入进程和输出进程
(4) 井管理程序

21.磁盘的调度算法

先来先服务(FCFS)

最短寻找时间优先(SSFS 会“饥饿”)

扫描算法(电梯调度算法 SCAN)

循环扫描算法(C-SCAN)

22.打开文件、关闭文件的操作

打开：建立用户和文件的联系，将待访回文件的目录信息读入内存活动文件表中

关闭：把内容写到文件目录项，撤销主存中有关该文件的目录信息，切断用户与该文件的联系
 

23.文件的物理结构

（1）连续分配

（逻辑块号，块内地址）—起始块号+块数—>（物理快号，块内地址）

  物理块号=起始块号+逻辑块号

优：支持顺序访问和随机访问

缺：不方便文件拓展，存储空间利用率低，会产生磁盘碎片

（2）链接分配

隐式链接：

优：方便拓展，不会有碎片问题

缺：只能顺序访问，不能随机访问；查找i块需要访问i+1次，效率低

显式链接：

把指针存放到一张文件分配表（FAT）中（末尾指向-1）

优：支持顺序和随机访问，块号转换不需要磁盘，访问速度开，无碎片问题

（3）索引分配

索引表存放的磁盘块：索引块

文件数据存放的磁盘块：数据块

链接方案：低效

多层索引：各索引表大小不能超过一个磁盘块

K层索引需要K+1次I/O操作

混合索引：几几索引指向几层索引表

24.UNIX 系统多级混合(增量式)索引结构

增量式混合索引结构在索引节点中用13 个地址项表示，其中有10个直接地址，1个一次间接地址，1个三次间接地址。

计算单个文件的最大长度：

索引表大小=盘块大小/盘块所占字节

10*盘块大小+

1*索引表大小*盘块大小+

1*索引表大小*索引表大小*盘块大小+

1*索引表大小*索引表大小*索引表大小*盘块大小

25.文件存储空间的管理方法-空闲表法、位示图、空闲块链法

（1）空闲表

记录空闲块号和空闲块的数目

分配：首次适应和最佳适应算法

（2）位示图

0——空闲

1——已分配

字长n

盘块号b=ni+j

位号（行号）i: b%n

字号（列好）j：b/n

（3）空闲块链法

空闲盘区链

空闲盘块链

成组链接法

26.系统调用的过程

①传递系统调用系数；

②执行陷入指令(用户态)；

③执行相应的服务程序(系统
态)；

④返回应用程序（用户态）

27.系统调用与一般过程调用的区别

运行状态：系统调用主调程序为用户态，被调程序为系统态   一般调用两者在同一态

状态切换：系统调用通过软过程中断，一般调用不切换

返回问题：系统调用可调度，一般调用不调度

嵌套调用：系统调用限制，一般调用不限制