2022年操作系统复习资料 .pdf
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1、第 1 页 共 25 页操作系统复习要点一、概论1. 操作系统的发展过程:(计算机操作系统的发展和计算机硬件的发展密不可分)(1)手工阶段(预约机时) - 无 OS (联机)(2)操作员(脱机)(3)简单批处理阶段(程序之间转换的“自动化”)软件:监控程序( monitor )操作系统的雏形常驻内存硬件:纸带(卡片)磁带监控程序不是为了解决某个具体应用而产生的,它是为了解决计算机自身正常运行而设计的。(4)多道程序阶段(中断技术、通道技术)多程序并发执行- 脱机多道程序阶段标志着操作系统真正的产生了!2. 什么是操作系统?操作系统是有效管理计算机系统中的资源,合理的组织计算机的工作流程,方便用
2、户操作的程序的集合。3. 操作系统的功能(1)处理机管理:处理机的调度策略精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 25 页第 2 页 共 25 页(2)内存管理:内存分配、回收收、扩充、保护和共享(3)设备管理:设备分配、设备回收、设备驱动(4)文件管理:文件的按名存取、文件的加密与保护、文件共享等等。4. 操作系统的分类分类追求的目标多道批处理系统资源的利用率分时系统联机(交互性)实时系统及时性通用系统同时具备多道、分时、实时两个或两个以上的功能个人机操作系统方便用户使用(好用)网络操作系统资源共享,通信能力多处理机系统充分提
3、高处理能力分布式系统充分提高处理能力嵌入式系统高效(用最少的资源做想要做的事情)分时系统:分时系统是指一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端,同进允许多个用户共享主机中的资源,每个用户都可通过终端以交互方式使用计算机。分时系统的特征如下:(1)多路性。即多个用户分时使用一台主机。(2)独立性。每个用户各占一个终端,独立操作,互不干扰。(3)及时性。用户的请求能在很短时间内获得响应。(4)交互性。用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。5. 计算机操作系统的硬件支撑(1)计时器(硬件时钟)绝对时钟、间隔时钟(闹钟)(2)系统堆栈(内存中的一个固定区域)a. 保存中断现场 b.操作系统子程序调
4、用,参数,返回值(3)特权指令和非特权指令非特权指令:算术运算、逻辑运算、位移指令、转移指令特权指令:设置中断向量、开关中断、停机、设置硬件时钟、修改PSW (4) 处理机状态管态:系统态、核心态精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 25 页第 3 页 共 25 页目态:用户态(5) 中断装置(中断:系统对于异步事件的响应)中断处理过程(6) 地址映射机制(7) 内存保护机制:界地址寄存器、存储保护键方式(8) 输入输出通道( I/O 处理机)二、进程管理1. 什么是进程?2. 进程概念的引入?3. 进程的特点(和程序的区别)
5、?(1)静态和动态(2)程序和进程( 1:N)(3)永久和暂时(4)并发性(5)结构性( PCB ): 操作系统通过 PCB感知进程存在(6)独立性 : 在系统中进程是竞争资源的独立(基本)单位(7)异步性(随机性)4. 进程的三个基本状态(1)运行:占有 CPU ,正在 CPU 上执行(2)就绪:等待 CPU以便执行(3)阻塞(等待):等待除 CPU以外的其他资源(等待某个事件的发生)精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 25 页第 4 页 共 25 页5. PCB 里面到底有什么?进程描述信息进程名和进程ID 用户名和用户
6、ID 父子关系( PID/PPID)进程控制信息进程当前的状态进程优先级各种计时信息(反馈)进程间通信的信息进程资源信息占内存(哪里,多少)占设备(哪些,设备号)占文件(访问了哪些文件,文件指针)进程现场信息通用寄存器值PSW 用户栈指针数据结构PCB指针:指向和自己具有同种状态的进程的PCB 6. PCB 的组织管理形式(1)基本的组织形式:数组(2)为了能有效的管理系统中的PCB, 常用的组织形式有:链式和索引式7. 进程控制系统中通过一些特定功能的程序段来完成进程的创建、终止以及完成进程间各种状态的转换。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -
7、- -第 4 页,共 25 页第 5 页 共 25 页8. 原语:原语是由若干个机器指令构成的完成某种特定功能的程序段,具有不可分割性,在执行过程中不允许被中断。 (原语具有不可中断性(或原子性) )9. 和进程控制相关的原语:创建原语、撤销原语、阻塞原语、唤醒原语、挂起原语、激活原语。(每个原语被调用的原因以及每个原语具体做什么事情)10. 线程( Thread)(1)线程引入的目的:进一步提高系统并发粒度。(2)线程和进程的区别:a. 调度: (进程拥有资源和调度,线程就是调度单位)b. 拥有资源(进程是拥有资源的基本单位, 线程除一点必须资源外不拥有系统资源)c. 并发性(引入线程后,
8、不仅进程之间可以并发执行,且同一进程内的多个线程也可)d. 系统开销(进程创建和撤销时, 系统都得为其分配和回收资源,在进程切换时,设计整个进程当前的CPU 环境的保存以及新调度到进程的CPU 环境的设置,而线程切换只需保存和设置少量寄存器内容,开销很小, 而且进程内多个线程共享进程地址空间、多线程之间的同步与通信非常容易实现,甚至无需操作系统干预。(3)线程的状态(线程不拥有资源所以线程没有挂起状态)(4)线程的实现方式( ULT 、KLT 、ULT&KLT )- 各自的优缺点?三、并发控制互斥与同步1. 进程间的联系与相互作用2. 进程同步一个进程等待另一个协作进程给它提供消息,在消息到达
9、之前,该进程处于阻塞状态,一旦消息到达,该进程被唤醒进入到就绪状态,进程间的这种关系称为同步3. 进程互斥由于各进程要共享资源,但某些资源需要互斥的使用,因此进程间竞争使用这些资源的关系称为互斥。4. 临界资源( Critical Resource)和临界区 (Critical Section) 5. 临界区的使用原则(1)空闲让进。 当没有进程处于临界区是, 请求进入临界区的进程可以立即进入临界区。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 25 页第 6 页 共 25 页(2)忙则等待。 当已有进程进入临界区时, 其他试图进入临
10、界区的进程必须等待。(3)有限等待。 对要求访问临界资源的进程,应保证能在有限时间内进入临界区。(4)让权等待。当进程不能进入临界区时,应主动放弃CPU 的使用权。6. 互斥&同步解决方案(1)软件解决方法( Dekker 算法、 Peterson 算法)(2)硬件解决方法(开关中断、机器指令)(3)信号量( Semaphore )(4)管程 (Monitor) 7. 信号量 - 信号量是解决进程互斥问题的最优秀的解决方法(1) 定义:Struct Semaphore /信号量用于描述资源 int value ; / 必须有一个非负的初值,只能初始化一次&PCB queue; /该信号量的等待
11、队列 (2)P(wait ) 、V(signal)操作1.P(wait )操作相当于申请资源的操作Wait(semaphore s) s.value -; if(s.value 0) 将执行该 P操作的进程状态改为阻塞并且把执行该 P操作的进程 PCB插入到该信号量的等待队列中去。 2. V(Signal)操作相当于释放资源的操作Signal(semaphore s) s.value +; if(s.value 0 s.value表示可用资源个数b.S.value=0 表示无资源,无进程等待c.S.value 0) v(urgent); else v(mutex) cwait(semaphor
12、e s, int s_count) s_count + ; if(urgent_count 0) v(urgent) else v(mutex) p(s); csignal(semaphore s, int s_count) if(s_count 0) /P - Q s_count -; urgent_count+ v(s) p(urgent) 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 25 页第 12 页 共 25 页 preRead() enter() if(writer_count 0) cwait(sr,sr_count
13、); reader_count+ csignal(sr,sr_count); leave() finishRead() enter() reader_count -; if(reader_count = 0) csignal(sw,sw_count); leave() preWrite() enter() writer_count +; if(write_count 1 or reader_count 0) cwait(sw,sw_count); 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 25 页第 13 页 共 25 页 le
14、ave() finishWrite() enter() writer_count -; if(writer_count 0) csignal(sw,sw_count); else csignal(sr,sr_count); leave() Reader: preRead(); 到数据区中读取数据finishRead(); Writer: preWrite(); 向数据区中写入数据finishWrite();四、死锁处理1. 死锁:两个或两个以上的进程出现了永久性阻塞的情况2. 死锁产生的原因?精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页
15、,共 25 页第 14 页 共 25 页(1)资源不够(2)进程推进顺序不当3. 死锁产生的四个必要条件(1)互斥条件(2)占用并等待(3)非抢占(4)循环等待4. 死锁解决方案(1)死锁预防a. 打破互斥条件b. 资源静态分配c. 抢占d. 资源定序(2)死锁避免(银行家算法banker)(3)死锁检测与恢复 - 资源请求分配图的化简(4)鸵鸟算法五、处理机调度基本概念:轮转(周转)时间 tq 服务(执行)时间 ts 标准化轮转时间(带权周转时间) = tq / ts 要求:知道每一种策略的基本思路、优点以及缺点调度策略进程1 2 3 4 5 平均值到达时间0 2 4 6 8 服务 ts 3
16、 6 4 5 2 FCFS 非抢占完成时间3 9 13 18 20 2.56 轮转 tq 3 7 9 12 12 tq/ts 1 1.17 2.25 2.4 6 RR (1)抢占完成时间4 19 17 20 15 2.74 轮转 tq 4 17 13 14 7 tq/ts 1.333 2.83 3.25 2.8 3.5 RR (4)抢占完成时间3 19 11 20 17 2.58 轮转 tq 3 17 7 14 9 tq/ts 1 2.83 1.75 2.8 4.5 SPN 完成时间3 9 15 20 11 1.84 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - -
17、- - - -第 14 页,共 25 页第 15 页 共 25 页非抢占轮转 tq 3 7 11 14 3 tq/ts 1 1.17 2.75 2.8 1.5 SRT 可抢占式SPN 完成时间3 15 8 20 10 1.59 ( 其他策略参考值 ) 轮转 tq 3 13 4 14 2 tq/ts 1 2.17 1 2.8 1 HRRN 完成时间3 9 13 20 15 2.14 轮转 tq 3 7 9 14 7 tq/ts 1 1.17 2.25 2.8 3.5 FB (1) 完成时间4 20 16 19 11 2.29 轮转 tq 4 18 12 13 3 tq/ts 1.33 3 3 2
18、.6 1.5 FB (2n) 完成时间4 17 18 20 14 2.63 轮转 tq 4 15 14 14 6 tq/ts 1.33 2.5 3.5 2.8 3.0 六、内存管理1. 内存管理要解决的主要问题(1)内存的分配与回收(2)地址转换(3)内存扩充(4)内存的共享和保护2. 存储管理基本技术(1)重定位:静态重定位、动态重定位(2)分区法 : 固定分区法、动态分区法(3)进程放置时的适应算法(最优,最差,最先(循环最先)(4)程序浮动技术、多重分区法(5)覆盖技术、交换技术3. 页式存储(1) 页式存储如何分配回收内存(2) 页式存储如何实现地址转换(页表)逻辑地址 = 页号 +
19、页内偏移精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 25 页第 16 页 共 25 页查“页表”得出页号对应的块号物理地址 = 块号 * 页面大小 + 页内偏移(3)页式存储如何实现内存扩充: 虚拟内存的置换算法a.FIFO、LRU 、OPT 、第二次机会、时钟( CLOCK ) 、NUR b.Belady 异常c. 抖动( 物理块数量,页面置换算法,程序设计本身) (4)页式存储如何实现共享和保护共享:逻辑空间中的页面指向相同的物理块保护:页式存储管理自身的防越界机制、存储保护键4. 页式存储在实现时会遇到的主要问题及解决方法(
20、1)两次内存访问问题:使用快表(联想存储器)(2)最佳页面大小:和程序平均长度有关(3)页表跨页问题:二级页表或多级页表(4)用户程序对缺页中断的影响5. 段式存储和页式存储的区别分页与分段系统有很多相似之处,但两者在概念上完全不同,主要表现在:(1)页是信息的物理单位,分页是为实现离散分配方式,以消减内存的外汇零头,提高内存利用率。段是逻辑单位,分段的目的是为了更好的满足用户的需要。(2)页的大小固定,段的长度不固定(3)分业的作业地址是一维的,分段的地址空间是二维的,在标识一个地址时,要给出段名和段内地址(4)段式存储更有利于信息的共享七、I/O 设备管理1I/O 技术(程序 I/O 、中
21、断、 DMA 、I/O 通道)2Spooling 技术(独占型设备改造成共享型设备)3磁盘调度(1)磁盘的相关概念(磁头,磁道,柱面,扇区)(2)磁盘性能指标: a. 寻道时间 b. 旋转延迟(潜伏期) c. 处理时延(3)磁盘调度算法( FCFS 、最短寻道时间优先,扫描策略、循环扫描策略)精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 25 页第 17 页 共 25 页课堂上讲过的习题在单处理机环境中,下列中可以并行的是_ A.进程与进程 B. 处理机和设备 C. 设备和设备 D. 处理机和通道下列选项中,操作系统提供给应用程序的
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