软考三——操作系统

引言：

        操作系统是计算机系统中必不可少的核心系统软件，是用户与计算机之间的接口。

总述：

        操作系统能有效地组织和管理系统中的各种软、硬件资源，合理地组织计算机系统工作流程，控制程序的执行，并且向用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。操作系统包括俩个重要作用：1 通过资源管理提高计算机系统的效率2改善人机界面向用户提供友好的工作环境。操作系统有四大特征：并发性、共享性、虚拟性和不确定性。操作系统在资源管理上的五大功能：处理机管理、文件管理、存储管理、设备管理、作业管理。操作系统分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、微机操作系统和嵌入式操作系统。

功能管理

       处理机管理

       这部分分为四部分：程序、进程、线程、死锁。

        一 ：程序的执行方式分为顺序执行和并行执行，顺序执行的特征分为顺序性、封闭性、可再现性；并行执行的特征分为：失去封闭性、和机器的执行程序的活动不在一一对应、相互制约性。

        二 ：进程分为组成、状态、控制、通信。

        进程组成分为程序、数据、进程控制块，进程控制块是进程存在的唯一标志，程序部分描述了进程需要完成的功能，数据部分包括程序执行时所需的数据及工作区，该部分只能一个进程专用，是进程的可修改部分。

        进程状态分为三态和五态模型，这里重点在于阻塞点的理解。

        进程控制主要内容为原语，原语指由若干条机器指令组成的，用于完成特定功能的程序段。

        进程通信内容主要有三部分：同步和互斥、信号量机制（PV操作）、高级通信原语，这三者都是不断进步，不断更新的结果。互斥和同步的临界区管理原则分为：有空即进、无空则等、有限等待、让权等待；信号量机制主要是PV操作、PV操作实现进程互斥和同步；因为PV操作实现进程通信存在 1编程难度大，通信对用户不透明，2效率低，生产者每次只能向缓冲区放一个消息，消费者只能从缓冲区取一个消息，所以提出高级原语，一共分为共享存储模式、消息传递模式、管道通信三种通信方式。

       进程的执行时通过进程调度实现的，进程的三级调度分别是高级、中级、低级调度，而中级调度也称为对换调度，因为这个概念建立在进程在交换区和内存之间的转换。进程的调度方式分为可剥夺和不可剥夺的调度方式。调度算法包括先来先服务（FCFS）、时间片轮转、优先级调度、多级反馈调度。1 FCFS特点：有利于长作业，不利于短作业；有利于CPU繁忙的作业不利于I/O繁忙的作业，主要用语宏观调度。2 而时间片轮转算法主要应用于微观调度，提高资源利用率，方法分为固定时间片和可变时间片。3 优先级调度算法分为静态和动态，静态：进程优先级在创建时确定，直到进程终止都不会改变；动态：进程每执行一个时间片，就降低其优先级，从而当一个进程持续执行时，其优先级会降低到让出CPU。4 多级反馈调度利用多级反馈队列算法是时间片轮转算法和优先级算法的终合与发展。

        为了解决进程分散编程的困难，提出了管程。管程的内容包括引入和结构。首先管程由一些共享数据、一组能为并发进程所执行的作用在共享数据的操作集合、初始代码、存取权组成。

         三 线程

        线程拥有俩个特性：可拥有资源的独立单位；可独立调度和分配的基本单位。线程具有就绪、运行和阻塞三种基本状态。线程分为用户级线程和内核支持线程，前者线程的创建、撤销和切换都不利用系统调用来实现；后者依赖于内核，创建、撤销、切换都利用系统调用来实现。

        线程和进程的区别与联系：1 线程作为调度和分配的基本单位，进程作为独立分配

资源的单位 2 线程是进程中的一个实体，是被系统独立分配和调度的基本单位 3 线程可创建另一个线程，同一个进程中的多个线程可并发执行 4 与线程不同，进程进行切换都要依赖内核中的进程调度。

        四 死锁

        这部分知识包括死锁的产生和处理俩方面的内容。死锁是指俩个以上的进程相互都要求对方已经占有的资源导致无法继续运行下去的现象。

        死锁产生的原因：为竞争资源及进程推进顺序非法，当系统中有多个进程所共享的资源不足以同时满足它们的需求时，将引起它们对资源的竞争导致死锁；进程推进顺序非法指进程在运行的过程中请求和释放资源的顺序不当，导致进程死锁。

        死锁产生的必要条件：互斥条件、请求保持条件、不可剥夺条件和环路条件。

        死锁的处理策略分为：不理睬策略、预防策略、避免策略和检测与解除死锁。死锁处理的四个方法：死锁预防、死锁避免、死锁检测、死锁解除，死锁预防的俩种策略预先静态分配法和资源有序分配法；死锁避免采用银行家算法；死锁解除采用资源剥夺法和撤销进程法。

       存储管理

        这部分知识包括存储器、管理方案、存储管理功能三部分。

        一 存储器：计算机系统当中的关键性资源，是存放各种信息的主要场所。

        存储器的结构：寄存器-主存-外存和寄存器-缓冲-主存-外存，具体的结构分为虚拟地址、地址空间、存储空间。

        地址转换也叫做地址重地位，将逻辑地址变换成主存物理地址的过程。分为静态重定位和动态重定位，前者优点是无须硬件地址变换机构的支持，缺点是必须给作业分配一个连续的存储区域；后者的优点是程序在执行期间可以换入和换出主存，以解决主存空间不足的问题。

        二 管理方案：分区—分页—分段—段页式。

        分区存储管理分类：固定分区、可变分区和可重定位分区，俩种保护方式：上界/下界寄存器保护、基址/限长寄存器保护。

        分页存储管理：纯分页、快表、俩级页表机制。优点：分页过程由操作系统完成，用户不必关心分页的过程；缺点：不易实现共享。

        分段存储管理：段是信息的逻辑单位。优点：易于实现段的共享。

        段页式系统的基本原理先把主存分为存储块，然后根据程序的逻辑关系分为若干段，每一个段赋予一个段名，再将每个段分为若干页

        虚拟存储管理：为什么会出现：解决程序的时间和空间的局限性；实现：请求分页系统、请求分段系统、请求段页式系统。页面置换算法：最佳置换算法、先进先出置换算法、最近最少为使用置换算法、最近未用置换算法。

        三 功能

        存储管理的功能分为分配和回收主存空间、提高主存的利用率、扩充主存、对主存信息实现有效保护。

       设备管理

       设备管理是操作系统中最繁杂而且与硬件紧密相关的部分。这部分知识包括设备和管理俩部分内容。

       一 设备

       分类：1按数据组织分类：块设备、字符设备，块设备：以数据块为单位来组织和传送数据信息的设备，如磁盘；字符设备：指以单个字符为单位来传送数据信息的设备，如交互式终端、打印机等。2 从资源分配角度分类：独占设备、共享设备和虚拟设备 3 按数据传输率分类：低俗设备、中速设备和高速设备。

       I\O系统：设备、控制器、通道、总线和I/O软件组成。

       二 管理

       设备管理的目的：提高设备的利用率，为用户提供方面、统一的界面。

       任务：保证在多道程序环境下，当多个进程竞争使用设备时，按一定的策略分配和管理各种设备，控制设备的各种操作，完成I/O设备与主存之间的数据交换。

       技术：中断技术、DMA技术、通道技术和缓冲技术。通道技术将通道分为字节多路通道、数组选择通道和数组多路通道；缓冲技术利用专门的硬件寄存器作为缓冲，软件缓冲是通过操作系统来管理，引入原因：缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾；减少对CPU的中断评论，放宽对中断相应时间的限制；提高CPU和I/O设备间的并行性。缓冲可分为单缓冲、双缓冲、多缓冲和环形缓冲。

       磁盘调度： 目标为使磁盘的平均寻道时间最少。磁盘调度分为移臂调度和选择调度。常用的磁盘调度算法：先来先服务（FCFS）:根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度；最短寻道时间优先（SSTF）：要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近，每次寻道时间最短，但不能保证平均寻道时间最短；扫描算法（SCAN）：磁头先向一边移动，所要访问的磁道在当前磁道之外，而且距离最近，访问完所有的磁道，再回头访问另一边，也称为电梯调度；单向扫描调度算法（CSCAN）：磁头单向移动

       文件管理

       文件管理分为文件和文件系统。

        一：文件：具有符号名、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的集合，信息项是构成文件内容的基本单位。

文件类型：1性质和用途：系统文件、库文件和用户文件；2信息保存期限：临时文件、档案文件和永久文件 3 保护方式：只读文件、读/写文件、可执行文件和不保护文件4 UNIX系统：普通文件、目录文件和设备文件（特殊文件）。目前常见的文件系统类型有FAT、Vfat、NTFS、Ext2、HPFS.

        文件组织和结构：文件的结构是指文件的组织形式，从用户角度看文件组织形式称为文件的逻辑结构，文件在文件存储器上的存放方式称为文件的物理结构。

        1 文件的逻辑结构：根据逻辑结构的有无结构分为有结构的记录文件和无结构的流式文件，有结构记录文件又分为定长和变长记录。

        2 文件的物理结构：文件的内部组织形式，即文件在物理存储设备上的存放方法。包括连续结构、链接结构、索引结构、多个物理块的索引表。

        3 文件目录：文件控制块的有序集合，文件控制块包括文件名和存放文件的物理地址。文件控制块包含的三类信息：基本信息类、存取控制信息类、使用信息类。文件目录的结构分为：一级目录结构、二级目录结构、多级目录结构（树型目录结构），这里有相对路径名和绝对路径名，绝对路径名从根路径开始，相对路径名从当前目录开始，/当前目录名。

       4 存取方法、存储空间：文件的存取方法指读/写文件存储器上的一个物理块的方法，包括顺序存取法、直接存取法、按键存取法，俩种存取方式：顺序存取和随机存取。文件存储空间的管理：空闲区表、位示图、空闲块链、成组链接法。

       文件的共享和保护

       1文件的共享：硬链接：不同文件名与同一个文件实体的链接；符号链接：建立新的文件或目录，并与原来文件或目录的路径名进行映射，当访问一个符号链接时，系统通过该映射找到原文件的路径，并对其进行访问。

       2 文件的保护：文件系统采用存取控制方式对文件进行保护。内容包括：存取控制矩阵、存取控制表、用户权限表、密码。

       二文件系统

       1 安全：文件安全管理分为系统级、用户级、目录级和文件级。系统级主要任务是不允许未经授权的用户进入系统，从而也防止了他人非法使用系统中各类资源（包括文件）；用户级通过对所有用户分类和对指定用户分配访问权；目录级为了保护系统中各种目录而设计的，与用户权限无关；文件级通过系统管理员或文件主对文件属性的设置来控制用户对文件的访问。

       2 可靠性：文件可靠性是指系统抵抗和预防各种物理性破坏和人为性破坏的能力。文件可靠性保证的方式：转储和恢复、日志文件、文件系统的一致性，文件系统的一致性检查包括块的一致性检查和文件的一致性检查。

       作业管理

       作业管理分为作业和用户界面。

        一 作业：系统为完成一个用户的计算机任务（或一次事物处理）所做的工作总和。作业涉及的内容包括作业组成、控制、状态、调度部分。

       1 组成：作业由程序、数据和作业说明书三个部分组成，作业说明书包括作业基本情况、作业控制、作业资源要求的描述，体现用户的控制意途。

       2作业控制方式分为脱机和联机控制用户作业的运行。

       3作业状态分为提交、后备、执行和完成，作业控制块是记录与该作业有关的各种信息的登记表，作业控制块（JCB）是作业存在的唯一标志，包括用户名、作业名和状态标志等信息。

       4作业调度：作业调度算法包括先来先服务、短作业优先、响应比高优先、优先级调度算法、均衡调度算法。

       二用户界面：计算机中实现用户与计算机通信的软/硬件部分的总称。发展阶段包括控制面板式、字符、图形、新一代用户界面。

 

总结

       操作系统这一章的重点在于存储管理和处理机管理，处理机管理的P-V操作和文法，存储管理的三种存储方式。操作系统也是一种系统软件。