2021考研408计算机操作系统知识点整理汇总（参考王道书、汤子瀛教材）【不断更新完善中...

计算机操作系统

一.操作系统引论

1.操作系统的目标和功能

• 目标
  • 方便性
  • 有效性
    • 提高系统资源利用率
    • 提高系统吞吐量
  • 可扩充性
  • 开放性
• 作用
  • OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口
    • 命令方式
    • 系统调用方式
    • 图标–窗口方式
  • OS实现了对计算机资源的抽象

2.操作系统的发展过程

• 未配置操作系统的计算机系统

  • 人工操作方式

  • 用户独占全机 CPU等待人工操作 严重降低了计算机资源的利用率

  • 脱机输入/输出(Off–Line I/O)方式

  • 减少了CPU的空闲时间 提高了I/O速度 效率仍然不理想

• 单道批处理系统

• 多道批处理系统

• 1.资源利用率高

• 2.系统吞吐量大

• 3.平均周转时间长

• 4.无交互能力

  • (宏观并行，微观串行)

• 分时系统

• 特征:

• 1.多路性

• 2.独立性

• 3.及时性

• 4.交互性

• 实时系统

• 集群系统–超算~云计算

• 微机操作系统的发展

3.操作系统的基本特征

• 1.并发concurrence

  • 区别并行和并发

  • 并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生→宏观并行，微观并行

  • 并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生→宏观并行，微观串行

    • 并发是进程宏观一起运行，微观上交替运行，而并行是指同时运行

  • 引入进程

  • 进程是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位，它是由一组机器指令，数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体

• 2.共享sharing

  • 1.互斥共享方式
  • 2.同时访问方式
  • 并发和共享是多用户(多任务)OS的两个最基本的特征。它们又是互为存在的条件

• 3.虚拟virtual

  • 时分复用技术
  • 空分复用技术

• 4.异步asynchronism

4.操作系统的主要功能

• 1.处理机管理功能
  • 进程控制
  • 进程同步
    • 进程互斥方式
    • 进程同步方式(协同)
  • 进程通信
  • 调度
    • 作业调度
    • 进程调度
• 2.存储器管理功能
  • 内存分配
    • 静态分配
    • 动态分配
  • 内存保护
  • 地址映射
  • 内存扩充
• 3.设备管理功能
  • 缓冲管理
  • 设备分配
  • 设备处理
    • 设备处理程序又称设备驱动程序
• 4.文件管理功能
  • 文件存储空间的管理
  • 目录管理
  • 文件的读写管理和保护
• 5.操作系统与用户之间的接口
  • 用户接口
  • 程序接口
• 6.现代操作系统的新功能
  • 系统安全
  • 网络的功能和服务
  • 支持多媒体

5.OS结构设计

• 传统操作系统结构
  • 无结构操作系统
  • 模块化OS
  • 分层式结构OS
• 微内核os结构
  • 客户/服务器模式
  • 面对对象的程序设计

第二章进程的描述与控制

前驱图和程序执行

程序并发执行

• 程序的并发执行
• 程序并发执行时的特征
  • 间断性
  • 失去封闭性
  • 不可再现性

进程的描述

• 进程的定义
  • 进程是程序的一次执行
  • 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动
  • 进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
• 进程的特征
  • 动态性
  • 并发性
  • 独立性
  • 异步性
• 从操作系统角度分类
  • 系统进程
  • 用户进程
• 进程和程序的区别
  • 进程是动态概念，而程序则是静态概念
  • 程序是指令的有序集合，永远存在；进程强调是程序在数据集上的一次执行，有创建有撤销，存在是暂时的；
  • 进程具有并发性，而程序没有
  • 进程可创建其他进程，而程序并不能形成新的程序
  • 进程是竞争计算机资源的基本单位，程序不是
• 进程和程序的联系
  • 进程是程序在数据集上的一次执行
  • 程序是构成进程的组成部分，一个程序可对应多个进程，一个进程可包括多个程序
  • 进程的运行目标是执行所对应的程序
  • 从静态看，进程由程序、数据和进程控制块（PCB）组成
• 进程的基本状态及转换
  • 进程的三种基本状态
    • 就绪状态ready
    • 执行状态running
    • 阻塞状态block
  • 三种基本状态的转换
  • 创建状态和终止状态
    • 五状态进程模型
  • 注意
    • 阻塞态->运行态和就绪态->阻塞态这二种状态转换不可能发生
• 挂起操作和进程状态的转换
  • 挂起和阻塞的区别
  • 挂起操作的目的
    • 终端用户的需要: 修改、检查进程
    • 父进程的需要：修改、协调子进程
    • 对换的需要：缓和内存
    • 负荷调节的需要：保证实时任务的执行
  • 关键图
• 进程管理中的数据结构
  • 进程控制块PCB的作用
    • 作为独立运行基本单位的标志
    • 能实现间断性运行方式
    • 提供进程管理所需要的信息
    • 提供进程调度所需要的信息
    • 实现与其他进程的同步与通信
  • 进程控制块的信息
    • 进程标识符
      • 外部标识符PID
      • 内部标识符(端口)
    • 处理机状态
      • 通用寄存器
      • 指令计数器
      • 程序状态字PSW
      • 用户栈指针
    • 进程调度信息
      • 进程状态
      • 进程优先级
      • 进程调度所需的其他信息
      • 事件
    • 进程控制信息
      • 程序和数据的地址
      • 进程同步和通信机制
      • 资源清单
      • 链接指针
    • 进程控制块的组织方式
      • 线性方式
      • 链接方式
      • 索引方式

进程控制

• 操作系统内核
  • 两大功能
    • 支撑功能
      • 中断管理
      • 时钟管理
      • 原语操作
        • 进程的管理，由若干原语（primitive）来执行
    • 资源管理功能
      • 进程管理
      • 存储器管理
      • 设备管理
  • 状态
    • 系统态，管态，内核态
    • 用户态，目态
• 进程的创建
  • 进程的层次结构
    • 父进程
    • 子进程
  • 引起创建进程的事件
    • 用户登录
    • 作业调度
    • 提供服务
    • 应用请求
  • 进程的创建过程
    • 1.申请空白PCB
    • 2.为新进程分配其运行所需的资源
    • 3.初始化进程块PCB
    • 4.如果进程就绪队列能够接纳新进程，便将新进程插入就绪队列
  • 进程的终止
    • 引起进程终止的事件
      • 1.正常结束
      • 2.异常结束
      • 3.外界干预
    • 进程的终止过程
      • 1.根据被终止进程的标识符
  • 进程的阻塞与唤醒
    • 引起进程阻塞和唤醒的事件
      • 请求系统服务而未满足
      • 启动某种操作而阻塞当前进程
      • 新数据尚未到达
      • 无新工作可做：系统进程
    • 进程阻塞过程(自己阻塞自己)
    • 进程唤醒过程(系统或其他进程唤醒自己)
  • 进程的挂起与激活
    • suspend
    • active
• 进程同步
  • 基本概念
    • 两种形式的制约关系
      • 间接相互制约关系
        • 互斥——竞争
      • 直接相互制约关系
        • 同步——协作
    • 临界资源
    • 分区
      • 进入区enter section
      • 临界区critical section
      • 退出区exit section
      • 剩余区remainder section
    • 同步机制应遵循的规则
      • 1.空闲让进
      • 2.忙则等待
      • 3.有限等待
      • 4.让权等待
  • 进程同步机制
    • 软件同步机制:都没有解决让权等待，而且部分方法还会产生死锁的情况
    • 硬件同步机制
      • 关中断
      • 利用Test-and-Set指令实现互斥
      • 利用swap指令实现进程互斥
    • 信号量机制
      • 整型信号量
      • 记录型信号量
        • 由于整型信号量没有遵循让权等待原则，记录型允许负数，即阻塞链表
      • AND型信号量
      • 信号量集
        • 理解:AND型号量的wait和signal仅能对信号施以加1或减1操作，意味着每次只能对某类临界资源进行一个单位的申请或释放。当一次需要N个单位时，便要进行N次wait操作，这显然是低效的，甚至会增加死锁的概率。此外，在有些情况下，为确保系统的安全性，当所申请的资源数量低于某一下限值时，还必须进行管制，不予以分配。因此，当进程申请某类临界资源时，在每次分配前，都必须测试资源数量，判断是否大于可分配的下限值，决定是否予以分配
        • 操作
          • Swait(S1，t1，d1…Sn，tn，dn)
          • Ssignal(S1，d1…Sn，dn)
        • 特殊情况
  • 经典进程的同步问题
    • 生产者–消费者问题
    • 哲学家进餐问题
    • 读者–写者问题