操作系统概念

1. 操作系统：操作系统是一组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 调度以及方便用户的程序集合，并充当计算机硬件和计算机用户的中介，控制和协调各 用户的应用程序对硬件的使用。

2. DMA （直接内存存取）

3. 存储设备层次金字塔：寄存器、高速缓存、主存、电子磁盘、磁盘、光盘、磁带。（都 是双向）

4. OS （操作系统）三种基本类型：批处理系统、分时系统、实时系统

5. 操作系统的主要设计目标：从用户方面，是为了方便用户使用：从系统方面，是为了保 证计算机系统高效执行

6. 操作系统是控制程序，控制程序管理用户，程序的执行和防止错误和计算机的使用不当

7. 人型计算机系统：是最早的计算机系统，用于处理许多商业和科学应用。包扌舌，批处理 系统，多道程序设计系统，分时系统

8. 各种系统的思想特点

批处理系统：脫机输入系统，批量送入执行，自动运行作业表

优点：节省作业装入时间

缺点：CPU经常空闲，人机交互性差

多道程序设计系统：同时在内存中驻留多个程序，当一个进程等待时，系统会自己切换 到另一个进程执行。

优点：通过组织作业使CPU中总有一个作业可执行，充分利用CPU

缺点：引起作业调度，CPU调度和内存磁盘管理的问题

分时系统：解决了批处理系统的交互问题，作为多道程序设计系统的扩展，使CPU可在 多个任务之间快速切换，用户可以得到在线交互

实时系统：用于对处理器操作和数据流动有严格时间控制，分硬实时系统和软实时系统。 硬实时系统保证关键任务按时完成。软实时系统保证关键任务的优先级要高于其他任务 的优先级且在完成之前保持其高优先级

9. 多道程序设计和分时是现代操作系统的主题

10. 双重模式操作分为用户模式和内核模式。

解决问题：保护资源不被非法使用，保护计算机的安全

特权指令：将能引起机器损害的指令成为特权指令，硬件仅允许在监督程序模式下执行 系统调用：用户与操作系统交互，从而请求系统执行一些只有操作系统才能做的指令, 每个这样的请求都是由用户调用来执行特权指令的，这种请求称为系统调用

11. 硬件保护:

I/O保护：为防止用户执行非法I/O,可定义所有I/O指令为特权指令 内存保护：通过基址寄存器和界限寄存器来确定程序所能访问的合法地址空间并保护其 他内存空间

CPU空间：使用定时器来防止用户程序运行的时间过长。作用：防止用户程序无限占用 CPU

12. 传递参数的三种方法：

a. 通过寄存器来传递参数

b. 寄存器传递参数块首地址

c. 参数通过程序存放或压入堆栈中，并通过操作系统弹出堆栈

13. shell：命令解释程序，含于内核中，主要作用是获取并执行用户指定的卞一条指令。 操作系统中最重要的服务是程序执行，即系统必须能将程序装入内存并运行程序。程序 必须能结束执行，包括正常或不正常结束。友好且有用的用户设计界面不再是操作系统 统管的功能

14. API： 一系列适用于应用程序管理员的函数 系统调用提供了操作系统的有效服务界面

15. I/O系统：一个包扌舌缓冲、高速缓存和假脫机的内存管理部分。包括•通用设备驱动器接

口和特定硬件设备的驱动程序

16. 系统结构的思想及特点

简单结构：较小，简单且功能有限

分层方法：将操作系统模块化，分成若干层，每层建立在较低层上。最底层为硬件，最 高层使用用户接II。（操作系统分为八个模块：进程管理、内存管理、文件管理、输入/ 输出系统管理、二级存储管理、联网、保护系统、命令解释系统）

特点：系统分层采用模块化，简化了系统的设计和实现，每层都是利用较低层所提供的 功能来实现的，但是对层的仔细认证的定义比较困难，与其他方法相比效率略差。

微内核：将所有非基本部分从内核中移走，并将它们实现为系统程序或用户程序，剩余 部分即为微内核。

优点：便于扩充操作系统，具有更好的安全性和可靠性，操作系统很容易从一种硬件平 台设计移植到另一种硬件平台设计°

缺点：要忍受系统功能总开销的增加而导致系统性能下降

17. 虚拟机：单个计算机的硬件抽彖为几个不同的执行部件。有的系统程序可以很容易的被 应用程序调用，虽然系统程序比其他子程序的层次要高，但是应用程序还是町以将他们 的一切下层当成硕件的一部分看做一个整体，这种分成方法自然而然的逻辑延伸为虚拟 机的概念

功能：提供与基本硬件的相同的接口

原因：在并行运行几个不同的执行环境（即不同的操作系统）时能共享相同的硬件 优点：在虚拟机坏境中，不同的系统资源具有完全的保护：不存在安全问题：系统容易 被调试，为运作体系提供了一个很好地平台，用于开发和研究的平台

18. 进程：可并发执行程序在一个数据集合上运行过程。进程是程序的一次执行，是可开发 的程序在一个数据集合上的运行过程。通常包拾堆栈段和数据段。

PCB：进程控制块，能感知进程的存在，是进程存在的唯一标识。包括许多与一个特定 进程相关的相关信息。如进程状态，程序计数器，CPU寄存器，CPU调度信息，内存管 理信息。

19. 进程状态：

新的：进程正在被创建 运行：指令正在被执行

等待：进程等待一定时间的出现 就绪：进程等待分配给某个处理器

终止：进程已经完成执行

20. 调度程序：进程在其生命周期中会在各种调度队列之间进行迁移，进程选择是由相应的 调度程序来完成的。

长期调度程序：从人容量存储设备的缓冲池中选择进程并将他们装入内存以执行。长期 调度程序控制多道程序设计的程度，即内存的进程数量。创建进程的平均速度等于进城 离开系统的平均速度。因此，长期调度程序需要在进程离开系统时才被唤起。由于每次 执行之间的较长的时间间隔，长期调度程序能使更多的时间来选择执行进程。

中期调度程序：也称为交换，将进程移出内存，因此降低了多道程序设计的程度，之后，

进程能被重新调用并从中断处继续执行。分时系统，引入中期调度程序。

短期调度程序：从准备可执行的进程中选择进程，并为其分配CPU。

区别:选择进程的位置不一样。

执行频率上看，短期调度程序执行频率最高，中期次之，长期最低。

21. 上下文切换： 将CPU切换到另一个进程需要保护当前进程的状态并回复另一进程的状态。

通过fork系统调用，创建一个新进程；对于新（子）进程，系统调用fork返回值为0, 而对于父进程，返回值为子进程的进程标识符。

当进程完成执行最后的语句并使用系统调动exit （）请求操作系统删除自身时，进程终 I1-.O这时，进程可以返回状态值（通常为整数）到父进程（通过系统调用wait （））所 有进程资源被操作系统释放。

22. 进程间通信IPC

共享内存消息传递

在操作系统试验中，TPG用共享内存；IPC用消息队列和信号量

消息传递对于交换较少数量的数据很有用，他通常用系统调用来实现，且比共享内存更 易于实现。而共享内存允许以最快的速度进行方便通信。比消息传递快。

23. 线程的概念

线程是一个实体：被系统调用和分配的基本单位：自己基本不用有资源，只拥有一些在 执行中必不可少的资源，可与同属于一个进程的其他线程共享所拥有的全部资源；可以 创建和撤销另一个线程；同一进程的多个线程可以并发执行。

24. 多线程优点：响应度高；资源共享；经济；多处理器体系结构利用。

25. 线程和进程的比较

调度：传统OS中，调度和分派的基本单位是进程，用于资源的基本单位也是进程。引 入线程的OS中，调度和分派的基本单位是线程，拥有资源的基本单位是进程。

并发性：在引入线程的系统中，进程之间可以并发执行，同一进程的多个线程之间也可 以并发执行，使系统具有更好的并发性，进一步提高了资源利用率以及系统吞吐量。

拥有资源：进程是拥有资源的基本单位。线程本身不用有资源，只拥有一定的必不可少 的资源，可以访问其隶属进程的资源，可供同一进程的线程共享。

系统开销：系统创建及撤销进程时的开销远人于创建和撤销线程时的开销。进程间切换 的开销也远大于创建和撤销线程的开销。

26. 为什么要引入线程和进程

OS中进程的引入：使多个程序可以并发执行，改善资源利用率，提高系统的吞吐量。

OS中线程的引入：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。

27. 多线程模型含义及优缺点

优点：响应度高，资源共享，经济，多处理器体系结构的应用。

多对一模型：将多个用户级线程映射到一个内核级线程，线程管理在用户空间内完成。 效率较高，但如果一个线程执行了阻塞系统调用，就会阻塞整个进程。多个线程不可以 运行在多个处理器上。

一对一模型：将每个用户线程映射到一个内核线程，比多对一模型提供了更好的并发性, 允许多个线程在多个处理器上并发运行。如果创建一个用户线程，同时就需要创建一个 相应的内核线程。

多对多模型：将多个用户级线程映射到少于或等于其数目的内核级线程，一对一模型由 于用户线程和内核级线程是相对应的，因而一个应用程序不允许创建多于系统支持的最 大线程数的线程，在多对多的模型中不存在这个问题。

优点：开发人员可以创建任意多的用户线程，并且相应的内核线程能在多处理器上并发 执行，而且当一个线程执行阻塞系统调用时，内核能调度另一个线程来执行。

28. 调度准则： CPU使用率：是CPU尽可能忙

吞吐量：指一个时间单位内完成进程的数量 周转时间：从进程提交到进城完成的数量 等待时间：是在就绪队列中等待所花时间之和 响应时间：从提交请求到产生第一响应的时间 需要使CPU使用率和吞吐量最人化而使周转时间、等待时间、响应时间最小化

29. 可抢占式调度（CPU决策发生环境）

a. 当一个进程从运行状态切换到等到状态

b. 当一个进程从运行状态切换到就绪状态

c. 当一个进程从等待状态切换到就绪状态

d. 当一个进程终止时

a. d没有选择只有调度，此时称调度方案是非抢占的（或协作的），否则，称为抢占的。

30. 分派程序的功能：切换上卞文，切换到用户模式，跳转到用户程序的合适位置以重新启 动这个程序

31. 各种调度思想及其优点

（1） FCFS （先到先服务调度）

先请求CPU的进程，被首先分配到CPU

优点：每个进程都能按到达的先后顺序执行保证绝对公平，实现简单自然，属 于非占先式调度

缺点：平均等待时间最长；产生护航效果，使CPU和设备利用率变低（护航效

果：所有其他进程都等待一个大进程释放CPU）

（2） SJF （最短作业有限调度）

将每个进程与其下一个CPU区间段关联，当CPU可用时，它会赋给具有最短后 续CPU区间的进程

优点：系统吞吐量大，平均等待时间短，有利于短作业

缺点：不利于长作业，容易出现饿死现彖；由于下一个CPU区间长度无法精确 获得，因而只能采用预测的方法，这不适合于CPU短期调度

（3） 优先权调度

分为占先（如果新加入就绪队列的优先级高于正在执行的进程的优先级，则抢 占当前执行的程序）的和非占先的。

每个进程都有一个优先权与其相连，具有最高优先权的进程会被分配到CPU, 具有相同优先权的进程按FCFS顺序调度。

优点：用户通过进程设置优先级，可以在一定程度上干预CPU调度。 缺点：存在饥饿现彖

解决：逐渐增加在系统中等待时间很长进程的优先权。

（4） 轮转法调度（可抢占的专门为分时系统设计的）