操作系统复习总结

操作系统复习总结

1.1 操作系统的目标

操作系统的目标主要包括有效性、方便性、可扩充性和开放性。有效性指提高系统资源的利用率和吞吐量；方便性指方便用户使用计算机系统，避免繁琐的机器语言编程；可扩充性指能增加新的功能和模块，并修改老的功能和模块；开放性指遵循世界标准规范，如开放系统互联（OSI）国际标准。

1.2 操作系统的作用

操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，有命令方式、系统调用方式和图形窗口方式。同时，它还作为计算机系统资源的管理者，包括处理器管理、存储器管理、I/O设备管理和信息管理。此外，操作系统实现了对计算机资源的抽象，增强了系统的功能，隐藏了硬件操作的具体细节，方便了用户使用。

1.3 推动操作系统发展的主要动力

操作系统发展的主要动力包括提高计算机资源的利用率、方便用户使用、器件的不断更新换代和计算机体系结构的不断发展。随着微电子技术的发展和计算机网络的出现，操作系统的功能和性能得到了迅速提高。

单道批处理系统和多道批处理系统是操作系统的两种主要形式。多道批处理系统的优点包括资源利用率高和系统吞吐量大，但缺点是平均周转时间长且无交互能力。多道批处理系统需要解决处理机的管理问题、内存的管理问题、I/O设备的管理问题、文件管理问题和作业的管理问题。另外，分时系统是一种能够支持多个用户共享计算机资源的操作系统形式。

定义：分时系统是一种在一台主机上连接多个带有显示器和键盘的终端，允许多个用户通过终端以交互的方式使用计算机并共享主机资源的系统。

分时系统特征包括多路性、独立性、及时性和交互性。宏观上，多个用户可以同时工作，微观上，每个用户轮流运行一个时间片。

实时系统是指计算机能够及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对原事件的处理，并且控制所有实时设备和实时任务协调一致的工作。实时系统的特征包括响应时间快、系统可靠性高、具有连续的人-机对话能力、具有保护过载能力以及整体性强。

操作系统的基本特征包括并发性、共享性、虚拟性和异步性。其中并发性包括并行合并发和引入进程、线程；共享性包括互斥共享性和同时访问性；虚拟性包括时分复用技术和空分复用技术。

操作系统的主要功能包括处理机管理、存储器管理和设备管理功能。处理机管理包括进程控制、进程同步、进程通信和调度。存储器管理包括内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充。设备管理功能包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备。这些功能的目的是提高系统的利用率、速度和方便性。

文件管理是操作系统中重要的一部分，它对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。文件存储空间的管理是其中的一个重要方面，它为文件分配必要的外存空间，提高外存利用率，并提高文件系统的存取速度。目录管理是另一个重要方面，它为每个文件建立目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，实现方便的按名存取。文件读/写管理和保护是文件管理的另外两个方面，其中文件读/写管理负责从外存中读取数据，或将数据写入外存，而文件保护则是防止未经核准的用户存取文件，防止冒名顶替存取文件，防止以不正确的方式存取文件。

用户接口是操作系统为用户提供的方便使用的接口，以命令、系统调用或者图形方式为用户提供接口。命令接口包括联机用户接口和脱机用户接口（即批处理用户接口），程序接口由一组具有特定功能的系统调用组成，而图形接口则是图形化的操作界面。

进程管理是操作系统中的重要部分，它处理进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。进程具有结构特征、动态性、并发性、独立性和异步性等特征。进程的三种基本状态是就绪、执行和阻塞。进程状态的转换有多种情况，如接收、新进、就绪、时间片完、I/O完成、进程调度、阻塞、I/O请求、死结、撤消等。进程控制块的组织方式有线性表方式、链接方式和索引方式，而进程控制实现方式则是通过原语来实现，原语由若干指令组成，完成特定功能，且是不可分割的基本单位。 单位在执行过程中不能被打断，原语存储在内核中并常驻内存。进程的创建、终止、阻塞和唤醒是操作系统中的重要概念。

进程创建的步骤包括：申请空白PCB、为新进程分配资源、初始化进程控制块和将新进程插入就绪队列。

进程终止有三种方式：正常结束、异常结束和外界干预。终止过程包括检索进程PCB、终止进程、终止子进程、归还资源和移除PCB。

进程阻塞和唤醒的事件包括请求系统服务、启动某种操作、新数据尚未到达和无新工作可做。阻塞过程包括调用Block原语、停止执行、改变PCB状态和插入阻塞队列。唤醒过程包括调用wakeup原语、移出阻塞队列、改变PCB状态和插入就绪队列。

进程的挂起和激活过程分别包括调用suspend和active原语、检查进程状态和改变状态。

进程同步的基本定义是对多个相关进程在执行次序上进行协调，以使并发执行的诸进程之间能有效地共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可再现性。临界资源是一段时间内只允许一个进程访问的资源，如打印机、扫描仪等。临界区是每个进程中访问临界资源的那段代码。

信号量是操作系统中用于管理资源和进程的重要机制。整型信号量描述资源数目的整型量S，它的值只能由原子操作wait(S)和signal(S)来访问，这两个操作又分别称为P操作和V操作。记录型信号量采取“让权等待”策略，它比整型信号量增加一个进程链表指针，用于链接等待的进程。在同步机制中，生产者消费者关系编程是一种常见的应用。

管程的定义是由代表共享资源的数据结构和对该共享数据结构实施操作的一组过程所组成的资源管理程序，可被请求和释放资源的进程所调用。

进程通信有三种类型，分别是基于共享数据结构的共享存储器系统和基于共享存储区的共享存储器系统，以及消息传递系统和管道通信。消息传递通信有直接通信方式和间接通信方式，其中间接通信方式包括私用信箱、公用信箱和共享信箱。进程同步方式有三种，分别是发送进程阻塞、接收进程阻塞、发送进程和接收进程均不阻塞。

线程又称为轻型进程，是处理机调度的单位。线程基本上不拥有资源，是独立调度和分派的基本单位，可并发执行，且拥有与进程相同的地址空间。与进程相比，线程的切换快且开销小。

处理机调度的层次包括高级调度、中级调度和低级调度。高级调度的主要功能是根据某种算法，把处于后备队列中的那些作业调入内存，当作业完成时做善后处理。中级调度提高内存利用率和系统吞吐量，使那些暂时不能运行的进程不再占用内存，把它们调至外存。低级调度保存处理机的现场信息，按照某种算法选择进程，然后把处理器分配给进程。

进程调度的三个基本机制包括排队器、分派器和上下文切换机制。进程调度方式有非抢占方式和抢占方式。面向用户的准则包括周转时间短、响应时间快、截止时间的保证和优先权准则。 地址是相对地址，需要在装入时进行重定位。C、动态运行时装入方式：程序在运行时才装入内存，不需要预先分配内存空间。

2.内存管理的基本问题：（知道）

A、内存分配问题：如何将进程装入内存并分配合适的内存空间。

B、内存保护问题：如何防止进程越界访问其他进程或系统内核区域。

C、内存共享问题：如何实现多个进程共享内存空间。

3.内存分配算法：（了解）

A、连续分配算法（首次适应算法、循环首次适应算法、最佳适应算法、最坏适应算法）。

B、非连续分配算法（分页存储管理、分段存储管理）。

4.虚拟内存：（了解）

A、虚拟内存是一种将磁盘空间作为扩展内存的技术，使得进程可以访问比实际内存更大的地址空间。

B、虚拟内存的实现需要使用到页面置换算法和页面调度算法。

C、虚拟内存的优点包括节省内存空间、提高系统吞吐量和响应速度等。 5.页面置换算法：（了解）

A、FIFO算法：选择最先进入内存的页面进行置换。

B、最佳置换算法：选择最长时间不被访问的页面进行置换。

C、LRU算法：选择最长时间未被使用的页面进行置换。

D、Clock算法：结合FIFO和LRU算法的优点，实现较好的页面置换效果。

6.页面调度算法：（了解）

A、先进先出算法（FIFO）：按照页面进入内存的时间顺序进行页面调度。

B、最近最少使用算法（LRU）：根据页面最近一次被使用的时间进行页面调度。

C、时钟算法（Clock）：结合了FIFO和LRU算法的优点，实现较好的页面调度效果。

过程调用将程序的执行从一个区域移动到另一个区域。程序中存在许多循环结构，虽然只由少数指令构成，但需要多次执行。数据结构（如数组）的操作通常局限于很小的范围内。这些都表现出时间和空间的局限性。

虚拟存储器是一种具有请求调入和置换功能的存储器系统，可以从逻辑上扩充内存容量。虚拟存储器的特征包括多次性、对换性和虚拟性。多次性指一个作业可以分成多次调入内存运行，只需将当前需要运行的部分程序和数据装入内存即可。对换性允许在作业运行期间进行换进和换出，提高内存利用率。虚拟性能够从逻辑上扩充内存容量，使用户所看到的内存容量远大于实际内存容量。实现虚拟存储器的方法包括请求分页系统和请求分段系统。

最小物理块数是指能保证进程正常运行所需的最小物理块数。当系统为进程分配的物理块数少于此值时，进程将无法运行。物理块的分配策略包括固定分配局部置换、可变分配全局置换和可变分配局部置换。内存分配策略和分配算法可以参考P148.

页面置换算法是虚拟存储器中的重要内容，可以参考作业P150-P152.

I/O设备可以按设备的使用特性、传输速率、信息交换的单位和设备的共享属性进行分类。按设备的共享属性可以将设备分为独占设备、共享设备和虚拟设备。

设备控制器的基本功能包括接收和识别命令、数据交换、标识和报告设备状态、地址识别、数据缓冲和差错控制。

设备控制器由设备控制器与处理机的接口、设备控制器与设备的接口和I/O逻辑组成。

通道的类型包括字节多路通道、数组选择通道和数组多路通道。

程序I/O方式包括中断驱动I/O方式。

DMA控制器采用DMA方式的特点包括数据传输的基本单位是数据块，所传送的数据是从设备直接送入内存的或相反，仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。DMA控制器设置四类寄存器，包括命令/状态寄存器CR、内存地址寄存器MAR、数据寄存器DC和数据计数器CR。