完整word版操作系统复习提纲.docx

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完整word版操作系统复习提纲

第1章绪论

⏹OS地位、作用和定义

定义：

OS是一组的程序集合

控制和管理计算机硬件和软件资源

合理地对各类作业进行调度

作用：

OS是资源分配程序:

计算机系统的资源硬件软件数据

OS是管理程序:

管理用户程序的执行

管理I/O设备:

I/O设备的控制和操作

地位：

其他应用程序的基础

⏹OS分类和发展历史

Ø批处理、分时、实时、通用、多处理、网络（了解各自的特征和适用场合）

OS发展过程：

无操作系统简单批处理系统/单道批处理系统多道批处理系统分时系统

⏹OS特征

⏹OS功能

⏹一些概念

Ø监控程序（monitor）、多道程序设计、多道程序系统、多处理系统、批处理、分时

多道程序设计：

2个或多个作业同时进入主存、切换运行:

当一个作业需要等待I/O时,切换到另一个不在等待I/O的作业--让CPU保持忙碌

分时系统是多道程序设计的延伸。

在分时系统中，虽然CPU还是通过在作业之间的切换来执行多个作业，但是由于切换频率很高，用户可以在程序运行期间与之进行交互（有时间片）

Ø引入多道程序设计的目的：

I/O速度太慢提高资源利用率和系统吞吐量

Ø研究操作系统的几种观点

⏹什么是双重操作模式？

为什么要引进双重操作模式

两重独立的执行：

模式用户模式内核模式/管理模式/系统模式/特权模式/

监控程序模式/控制模式至少2种,还可以有更多种模式

OS必须确保错误程序（恶意程序）不能导致其他程序执行错误，为了确保操作系统正常执行

⏹系统态、用户态以及转换的条件

⏹特权指令和非特权指令

特权指令（课本p.17）：

可能导致危害的指令只允许在内核模式下执行如果在用户模式下执行特权指令不执行看作非法指令,陷阱特权指令的例子：

切换为内核模式,I/O控制,定时器管理,中断管理

⏹硬件保护机制：

双重模式操作CPU保护I/O保护内存保护

第2章操作系统结构

⏹用户与OS的两种接口：

定义和功能

命令接口：

用户输入控制语句

脱机（off-line）–批处理系统,作业控制语言JCL

联机（on-line）交互式系统:

命令行,联机

图形用户接口（GUI）：

提供基于鼠标的窗口和菜单系统作为接口

⏹系统调用：

定义、功能

进程与OS之间的接口/程序接口（界面）

方便程序员,屏蔽底层细节实行保护执行系统调用（访管/陷入）时,用户模式->内核模式

⏹操作系统的结构有几种？

各自的特点？

简单结构/整体式结构:

内存容量限制没有划分模块

分层结构:

将OS分为若干层最底层（0）—硬件,最高层（N）—用户接口每层只能利用低一层的功能（操作）和服务主要优点:

模块化简化调试和系统验证信息隐藏困难和问题:

如何划分层相互依赖的关系效率问题一种解决的方法:

数量更少、功能更多的分层

微内核:

水平分层客户/服务器结构进程间交互–消息传递优点:

易于扩展微内核易于将OS移植到新的体系结构上更可靠–在内核模式下运行的代码更少更安全缺点:

用户空间与内核空间通信带来的性能开销

虚拟机:

覆盖了软件的机器抽象、隔离硬件的特性—>简单、易用、系统功能增强.优点:

完全保护硬件资源系统开发不影响正常系统操作—>OS研究和开发困难:

完全复制底层机器

模块:

⏹操作系统特征

并发（Concurrence）

并行:

2个或多个事件在同一时刻发生

并发:

2个或多个事件在同一时间间隔发生

共享（Sharing）

互斥共享方式

同时访问方式

这里的“同时”往往是宏观的

虚拟（Virtual）:

通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物

异步性（Asynchronism）:

进程的运行方式:

“走走停停”

⏹几个概念

Shell（命令行解释程序：

获取并执行用户指定的下一条命令）、系统调用（进程与OS之间的接口/程序接口（界面））、虚拟机、陷入、陷入与中断的区别

第3章进程管理

⏹进程

Ø定义、特征、作用

装入内存并执行的程序通常称为进程

特征：

动态性最基本的特性有一定的生命期:

创建,执行,暂停,消亡

并发性多个进程实体,同存于内存中,能在一段时间内同时运行

独立性进程实体是一个能独立运行的基本单位,同时也是系统中独立获得资源和独立调度的基本单位

异步性进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进,即进程按异步方式运行

Ø程序顺序执行、并发执行的特点；

程序顺序执行严格按先后次序逐个执行语句/程序段

程序顺序执行的特征:

顺序性只有前一个操作结束,才能执行后续操作

封闭性程序运行时独占全机资源

可再现性与执行速度无关

程序的并发执行多道程序系统:

多道程序的并发执行

某道程序的可以包含若干个能够并发执行的程序段

好处充分利用系统资源提高系统处理能力

程序并发执行的特征:

间断性共享资源,相互合作相互制约

执行-暂停-执行

失去封闭性一个程序的执行受到其他程序的影响

不可再现性

Ø进程与程序的区别与联系

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

进程是程序在一个数据集合上的运行过程,是系统进行资源分配和调度的一个独立单位可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程

Ø进程状态（三状态和五状态）及其转换

ØPCB：

作用及其内容

内容：

进程状态程序计数器CPU寄存器CPU调度信息内存管理信息计帐信息（CPU使用时间用时限制帐户号进程号/作业号）I/O状态信息

作用：

PCB是进程存在的唯一标志OS中最重要的数据结构（OS通过PCB控制和管理并发执行的进程。

涉及调度、资源分配、中断处理）进程控制块的集合定义了OS的状态

⏹进程控制

Ø主要功能；创建、撤销、挂起、唤醒、阻塞、激活等原语所需完成的功能；了解fork（）和exec（）的工作原理

⏹进程通信的几种方法

Ø消息队列、共享内存

第4章线程

⏹什么是线程？

（轻量级进程用CPU的基本单位控制线索

在CPU上执行的单位）为什么要引进线程？

（减少程序并发执行时所付出的时空开销使OS具有更好的并发性进程的创建、切换、撤销时空开销）

⏹线程和进程的区别？

进程：

资源分配的单位，保护的单位

线程：

进程中的一个实体，调度和分派的基本单位只拥有运行所必须的资源（PC一组寄存器,栈）与同进程内的其他线程共享进程所拥有的资源（代码段，数据段，打开的文件）基本状态:

运行、就绪、阻塞

（多处理器体系结构利用一进程的多个线程可在不同处理器上并行执行）

⏹线程的实现方式

Ø用户级线程和内核级线程（多对一、一对一、多对多）

用户线程受内核支持，而无需内核管理；内核线程由操作系统直接支持和管理

第5章CPU调度

⏹调度的几种类型

Ø长程调度、中程调度、进程调度

⏹调度队列

⏹可剥夺调度和不可剥夺调度：

定义和特点

非抢占调度：

定义：

仅在“调度时机”第一、二种情况下（运行-终止，运行-等待）才进行调度的方案。

一旦把处理器分配给某进程,就让它一直执行,直到它完成或因等待某事件而阻塞实现简单,系统开销小,无需特别硬件支持适于大多数批处理系统

可抢占调度：

调度发生在“调度时机”的各种情况的方案。

避免一个进程独占处理器时间过长可能对所有进程提供较好服务系统开销增加对协作进程并发执行的影响

⏹调度算法的性能评价准则

CPU使用率吞吐量（单位时间内完成的作业数）周转时间：

作业/进程从提交到完成的时间间隔（等待进入主存,在就绪队列中等待CPU,在CPU上运行,执行I/O操作等）等待时间（在就绪队列中等待所花时间的总和）响应时间（对于一个交互式进程,从用户提出请求到系统开始输出响应）最优化准则（CPU使用率—最大化吞吐量—最大化周转时间—最小化等待时间—最小化响应时间—最小化）

⏹调度程序的功能、时机；

从位于主存的就绪进程当中选择一个,把CPU分配给它

分派程序：

一个模块,负责把CPU控制权交给调度程序选中的进程

功能：

切换上下文切换到用户模式–为什么?

跳转到用户程序的适当位置,使其重新开始执行执行频率高尽可能快

时机：

运行-终止运行-等待运行-就绪等待-就绪

⏹调度算法：

ØFCFS（最简单的调度算法采用非抢占方式,系统开销小，一个短进程可能要等很长时间才能运行）、SJF（平均等待时间最小最优，可能出现饥饿）、RR（时间片轮转法，时间片到-中断-抢占-运行进程回到就绪队列队尾，也称作时间片技术，每次只允许一个进程运行一小段时间。

时间片短响应快开销大:

频繁的时钟中断处理和调度、分派时间片过长,退化为FCFS，在通用分时系统和事务系统中很有效）、优先级（课本:

优先数越小优先权越高解题时根据题目要求易出现饥饿，采取老化:

等待时间长的提高其优先权。

非抢占:

主要用于批处理可抢占:

实时、分时、批处理）、多级队列（把就绪队列划分为2个或多个独立的队列，划分依据:

进程的性质或类型一进程固定属于某个队列，每个队列有各自的调度算法，必须有队列之间的调度）、多级反馈队列（进程可以在多个队列之间移动，老化:

在低优队列等待过久进入优先权较高的队列.最通用的CPU调度算法（也最复杂））、HRRN（最高响应比优先，响应比R=（等待时间+要求执行时间）/要求执行时间，是FCFS和SJF的折衷）增加了系统开销,既优待短作业,又照顾先来者）—优点和缺点、适用场合

Ø要求会计算：

调度顺序、周转时间、平均周转时间

第6章进程同步

⏹进程同步与互斥

Ø概念：

临界资源、临界区、信号量、同步、互斥、进程间的制约关系（直接、间接）

临界资源:

一段时间内只允许一个进程访问的资源

临界区/临界段：

每个进程中访问临界资源的那段代码，当一个进程在临界区内执行时,不允许其他进程在临界区执行时间上的互斥

信号量：

用于发信号的特殊变量,有一个整数值对信号量的操作只有三种：

初始化wait操作/P操作（原语）signal操作/V操作（原语）

间接制约：

共享某一公有资源的并发进程,在临界区内不允许交叉执行由于访问共享公有资源,造成了对并发进程执行速度的间接制约，受到间接制约的各并发进程执行临界区的顺序

是任意的

直接制约：

一组在异步环境下的并发进程,各自的执行结果互为对方的执行条件,从而限制了各进程的执行速度,这称作并发进程间的直接制约

⏹互斥问题

Ø准则

Ø实现方法：

硬件、信号量（软件方法不要求）

⏹信号量：

Ø定义、含义、操作（初始化，P,V）

⏹进程同步与互斥问题

Ø生产者与消费者（尽管所有的生产者进程和消费者进程都以异步方式运行，但它们之间必须保持同步,即:

不允许消费者进程到一个空缓冲区去取消息,也不允许生产者进程向一个已装有消息且尚未被取走消息的缓冲区中投放消息）

Ø读者写者问题

Ø其他

第7章死锁

⏹死锁

Ø定义、发生原因、4个必要条件

定义：

两个或多个进程无限地等待一个事件,而该事件只能由这些等待进程之一产生（指多个进程因竞争资源而造成的一种僵局,若无外力作用,这些进程将永远不能再向前推进）

死锁的原因：

资源不足导致的资源竞争进程推进顺序不合理

4个必要条件（同时发生产生死锁）：

互斥条件：

资源一次只能被一个进程使用。

占有且等待条件：

请求和保持一个进程在申请其他进程占据的资源,同时保

持着自己已经获得的资源

非抢占（非剥夺）条件：

资源不能被抢占—仅当使用资源的进程完成任务后,才自愿释放

循环等待（环路等待）条件：

在发生死锁时,必然存在一个进程-资源的环形

链,即:

进程集合{P0,P1,P2,…,Pn}中,

P0正在等待P1占用的资源；P1正在等待P2占用的资源

Ø掌握解决死锁的方法：

预防、避免、检测

摒弃“保持和等待/请求和保持”

方法一:

进程必须一次性地申请全部资源

方法二:

申请其他资源之前,必须释放所有已获得的资源

优点:

简单、易于实现、安全

缺点：

可能大大降低资源利用率可能导致饥饿

摒弃“非抢占”条件

方法：

一个已经保持了某些资源的进程,当它再提出新的资源请求而不能立即得到满足时,它已经获得的所有资源被剥夺进程等待直到原有资源和新申请资源都可满足后,重新开始执行

适用条件:

资源的状态可很容易地保存和恢复

缺点：

实现复杂、代价大,反复申请/释放资源,系统开销大,降低系统吞吐量

摒弃“环路等待”

方法：

系统把所有资源按类型进行线性排队，所有进程对资源的请求必须严格按资源序号递增的顺序提出,从而保证任何时刻的资源分配图不出现环路

问题：

要求资源类型序号相对稳定,不便于添加新类型的设备易造成资源浪费,类型序号的安排只能考虑一般作业的情况,限制用户简单、自主地编程

死锁避免：

在资源的动态分配过程中,采用某种策略防止系统进入不安全状态,从而避免发生死锁，如果满足一个进程新提出的一项资源请求有可能导致死锁,那么拒绝分配资源给这个进程。

不需要事先采取限制措施破坏产生死锁的必要条件，需要关于进程申请资源的信息各进程对每种资源的最大需求量

提供检测算法:

周期性检测是否出现死锁

等待图：

周期性检查等待图中是否环

Ø掌握银行家算法：

如何判别安全性

第8章内存管理

⏹存储器管理程序的功能

内存的分配与回收地址映射（逻辑地址物理地址）存储保护存储共享“扩充”内存容量（借助虚拟存储技术,逻辑上增加进程运行空间的大小）

⏹逻辑地址、物理地址、地址重定位、地址映射的概念

一个应用程序（源程序）经过编译、链接后形成可装入程序,地址从“0”开始,程序中的其他地址都是相对于起始地址计算的,这些称为逻辑地址/虚地址;

由内存中的一系列单元所限定的地址范围称为物理地址空间;其中的地址称为物理地址/绝对地址

⏹连续内存分配（固定分区、可变分区）：

Ø原理、数据结构、地址变换、特点

固定：

将内存空间划分为若干个固定大小的区域,每个区域可以装入一道作业

实现多道程序设计的存储管理技术简单,所需的OS软件和处理开销很小分区数目固定,限制活动进程数目分区大小固定,浪费存储空间（内碎片）

动态：

分区大小和数目是可变的，当一个进程装入时,按它的实际需要分配空间（内存利用率比固定分区提高了，存在外碎片问题,内存利用仍不充分，压缩开销大）

ØFirst-Fit,Best-Fit,Worst-Fit

⏹页式管理：

原理、数据结构、地址、地址映射过程、特点

原理：

内存划分为大小相同的许多区域，每个区域称为页框（frame）/块/物理块/帧/

页帧。

进程的逻辑地址空间划分为固定大小的页/页面（page）。

页的大小=块的大小

地址映射：

页表（逻辑地址中的页号内存中块号）页表放在内存

如果逻辑地址空间为2^m，页大小为2^n，那么逻辑地址的高m-n位表示页号，而低n位表示页偏移。

分页的优势：

页的大小固定,分页对程序员透明实现简单没有外碎片,主存利用充分

⏹碎片（内碎片，外碎片），怎么产生，如何解决？

⏹紧缩（移动内存内容，以便所有空闲空间合并成一整块。

若重定位是静态的，并且在汇编时或装入时进行的，那么就不能紧缩。

费时的操作浪费CPU时间要求系统支持运行时刻动态重定位）

⏹段式内存管理

Ø原理、数据结构、地址组成、地址变换、特点

逻辑地址<段名/段号,段内偏移量>为进程的每个段分配一个连续空间各段之间可以不连续为每个进程建立一张段表段与段表项一一对应段表项:

段在主存中的起始地址、长度

分段对程序员是可见逻辑意义明确方便共享和保护能处理动态增长的数据结构

⏹段页式内存管理

Ø原理、数据结构、地址组成、地址变换、特点

程序员把逻辑地址空间划分为若干段,系统再把每段划分为若干大小固定的页每个进程一个段表每个段有一个页表段表项:

段的页表的起始地址

⏹覆盖与交换：

原理、特点、比较

当内存紧张时,选择进程,暂时保存到后备存储—磁盘,让出占用内存空间把换出的进程重新装入内存,继续执行中程调度--选择换出的进程,选择换入的进程可以基于优先级选择交换的开销:

传输时间

第9章虚拟内存

⏹虚拟存储器

Ø概念、原理、实现方法、理论基础（局部性原理）

在一个新进程投入运行之前,OS只把开始时需要的几页/段装入内存，进程启动运行，其余部分留在磁盘上，进程运行时,如果欲取的指令或要访问的数据已在内存,则继续执行，如果不在内存（缺页/缺段）,OS负责把所需的页/段调入内存,然后进程继续执行–请求调入，如果内存已满,OS选择内存中暂时不用的页/段,调出到磁盘上;腾出内存空间后,再调入需要的页/段–置换功能

交换:

以进程为单位虚拟存储:

以页/段为单位

局部性原理:

在一段时间内,程序的执行仅限于某个部分,所访问的存储空间也局限于某个区域

Ø虚拟存储器的特征

离散性：

内存的分配方式—离散多次性（进程执行时不必全部装入内存进程被分成多次调入内存）对换性（在进程执行过程中,暂时不需要的代码和数据被换出,换入需要的部分进程的换入换出）虚拟性（从逻辑上扩充内存容量用户看到的）

⏹请求页式管理

Ø基本原理

仅当需要一页时,才把该页调入内存,调页程序/页面调度程序,只调入需要的页,进程装入需要I/O量减少进程需要的内存空间减少内存可以容纳更多用户进程

Ø什么是缺页中断、发生时机及处理过程

缺页/页故障/页错误（进程执行时,要访问页不在内存）

缺页中断（OS响应缺页中断,把所需页面调入内存）

缺页中断：

在指令执行期间产生中断信号,并被处理

普通中断:

CPU在执行完一条指令时检查是否有中断请求

一条指令执行期间,可能产生多次缺页中断。

引起缺页中断的指令被重新执行

Ø置换策略（OPT、FIFO、LRU）：

计算缺页次数、缺页中断率、判别是否有Belady异常

Opt（最优页置换算法）：

页错误率最低，绝对没有belady异常。

置换今后不再访问的页,或者下次访问距离现在时间最长的页

Fifo：

有belady异常

LRU：

最近最少使用算法的策略（LeastRecentlyUsed），没有Belady异常，需标记每页上次访问时间:

开销很大、实现困难

Ø逻辑地址到物理地址转换

⏹存储的共享与保护方法

存在位（P,present）/有效-无效位:

该页是否在主存

修改位（M,modify）/脏位（dirtybit）:

该页此次装入内存后是否被修改过

存取权限位:

页级的保护和共享

⏹什么是TLB？

其作用？

描述带有TLB的地址转换过程

转换表缓冲区（快表）提高内存访问速度。

TLB只包括页表中的一小部分条目。

⏹什么是Belady异常？

哪一种算法会产生？

为什么？

页框数增加，缺页次数增加。

FIFO产生。

替换的页可能是经常使用的页，则会出现更多次的缺页

⏹请求段式管理的原理

⏹虚拟段页式

Ø原理

Ø地址转换

⏹什么是颠簸（抖动）？

为什么会出现？

进程不断地缺页、调页,几乎不能完成有效工作:

分配给进程的页框数<进程当前运行需要的页面数

颠簸产生的原因：

CPU利用率低增加多道程序度每个进程的页框数更少缺页次数更多CPU利用率更低

第10章文件管理

⏹概念

Ø文件、目录、目录项、记录、域、文件管理系统、路径、当前路径

域/字段：

基本数据元素，一个域包含一个值。

描述一个域:

数据类型、长度域的长度:

固定的,可变的

记录：

一组相关的域的集合，用于描述一个对象某方面的属性

文件：

一组相关的记录的集合

目录：

文件属性的集合,本身也是文件。

提供了文件名到文件之间的映射。

文件控制块的有序集合一个文件控制块就是一个文件目录项

文件控制块FCB—filecontrolblock用于描述和控制文件的数据结构包括了文件名和文件的各种属性文件控制块与文件一一对应

已打开文件的属性信息在内存

文件系统/文件管理系统：

OS中负责操纵和管理文件的一整套设施，方便用户“按名存取”，实现文件的共享和保护，为用户提供管理各种文件的方法，存取方便、格式统一、安全可靠

路径名：

从根目录开始,把经过的全部目录文件名与文件名依次用“/”或“\”连接起来

⏹文件系统的功能和目的

文件管理—创建,删除,打开,关闭,读,写,执行

目录管理

文件存储空间管理

文件的共享和保护

提供方便的接口

⏹文件的组织（逻辑）结构：

类型、特点

有结构文件/记录式文件：

用户对文件内的信息按逻辑上独立的含义再划分信息单位—记录

由一个以上的记录构成定长记录变长记录域的数目不同,域的长度不定

无结构文件/流式文件：

用户对文件内的信息不再划分可独立的单位，整个文件由一串顺序的字符流组成

⏹文件的存取方法

顺序存取、直接存取/随机存取、索引存取

⏹文件存取控制矩阵与文件存取控制表

第11章文件系统实现

⏹文件系统的层次结构

I/O控制：

组成（设备驱动程序中断处理程序）任务（内存磁盘）

基本文件系统:

向设备驱动程序发命令

文件组织模块:

掌握关于文件及其逻辑记录和物理块的信息文件的分配和位置逻辑记录物理块磁盘空闲空间管理

逻辑文件系统:

管理关于文件系统结构的信息—元数据（目录文件控制块（FCB））负责文件的保护和安全

⏹文件分配方法/文件的物理结构

Ø三种方法：

原理、优缺点

连续分配:

每个文件占据磁盘上一组连续的物理块

优点：

实现简单:

只需记录起始位置（块号）和长度（块数）支持顺序访问、随机访问

缺点:

空间浪费回忆:

动态存储分配寻找足够大的连续空间,外碎片,紧缩难以预知文件的大小文件扩展困难

链接分配:

一个文件的物理块可以分布在整个磁盘目录项记录起始块号和终止块号每个物理块中包含指向下一块的指针—块号仅供系统使用

优点：

解决了连续分配的全部问题没有空间浪费不需要事先知道文件大小文件大小可以增长适合顺序访问

缺点：

不能有效支持随机访问“下一块”指针占用物理块空间可靠性

（簇：

由多个块组成,以簇为单位分配指针域占用空间比例↓内碎片↑）

索引分配:

把所有块指针一起放到一个位置—索引块

每个文件有自己的索引块索引块—磁盘块地址的数组索引块第i个条目—文件第i个物理块的块号文件目录项包括索引块的地址（块号）

优点：

支持随机访问没有外碎片充分利用磁盘空间

缺点：

索引块中的空间浪费

Ø多级索引分配

索引节点包含（13*n）字节的地址信息

第1~10个—指向文件的头10块（直接地址）

第11个—指向一个单重索引块

第12个—指向一个双重索引块

第13个—指向一个三重索引块

n的大小由系统决定

优点：

每个文件的索引表是该文件i-结点中的一部分,存取文件时,i-结点一直在主存，较小的文件可以通过直接寻址或很少的间接寻址减少了处理及磁盘访问时间,文件的最大长度足以满足各种应用程序的要求

⏹Unix的i