操作系统期末复习资料(全)

第一章操作系统引论

1.操作系统的设计目标及作用

设计目的：(方便性和有效性是设计操作系统时最重要的两个目标)

1．有效性：提高系统资源利用率；提高系统吞吐量。

2．方便性：配置OS后可使计算机系统更容易使用。

3．可扩充性：现代OS应采用新的结构，以便于方便的增加新的功能和模块。

4．开放性：系统能遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连（OSI）国际标准。作用：1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口。

2.OS作为计算机系统资源管理者。

3.OS实现了对计算机资源的抽象。

2. 单道批处理系统和多道批处理系统特点及区别

单道批处理系统特点：

自动性顺序性单道性。

多道批处理系统特点（优缺点）：

1.资源利用率高。

2.系统吞吐量大。

3.平均周转时间长。

4. 无交互能力。

★☆单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，无法充分利用系统资源。多道批处理系统中，作业按一定算法从外存的“后备队列”中调入内存，使它们共享各种资源。

1.分时系统和实时系统的特点

特征比较：

1>．多路性。实时信息处理系统也按分时原则为多个终端用户服务。实时控制系统的

多路性则主要表现在系统周期性地对多路现场信息进行采集，以及对多个对象或多个执行机构进行控制。而分时系统中的多路性则与用户情况有关，时多时少。

2>．独立性。实时信息处理系统中的每个终端用户在向实时系统提出服务请求时，

是彼此独立地操作，互不干扰；而实时控制系统中，对信息的采集和对对象的控制也都是彼此互不干扰。

3>．及时性。实时信息处理系统对实时性的要求与分时系统类似，都是以人所能接受

的等待时间来确定的；而实时控制系统的及时性，则是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定的，一般为秒级到毫秒级，甚至有的要低于100微秒。

4>．交互性。实时信息处理系统虽然也具有交互性，但这里人与系统的交互仅限于访

问系统中某些特定的专用服务程序。它不像分时系统那样能向终端用户提供数据处理和资源共享等服务。

5>．可靠性。分时系统虽然也要求系统可靠，但相比之下，实时系统则要求系统具有

高度的可靠性。因为任何差错都可能带来巨大的经济损失，甚至是无法预料的灾难性后果，所以在实时系统中，往往都采取了多级容错措施来保障系统的安全性及数据的安全性。

4. 操作系统的基本特征

并发性、共享性、虚拟性和异步性四个基本特征；最基本的特征是并发性。

第二章 进程管理

1. 进程的基本状态及变迁

运行中的进程具有的三种基本状态:就绪状态、执行状态、阻塞状态。

另外还有挂起状态、创建状态、终止状态。

2. 进程的创建、终止

创建进程：（1）OS 发现请求创建新进程事件后，调用进程创建原语Creat()。

（2）申请空白PCB 。 （3）为新进程分配资源。 （4）初始化进程控制块。

（5）将新进程插入就绪队列。

终止进程：

（1）根据被终止进程标识符，从PCB 集中检索出进程PCB ，读出该进程状态。

（2）若被终止进程处于执行状态，立即终止该进程的执行，并置调度标志真，用于

指示该进程被 终止后应重新进行调度。

（3）若该进程还有子进程，应将所有子孙进程终止，以防它们成为不可控进程。

（4）将被终止进程拥有的全部资源，归还给父进程，或归还给系统。

（5）将被终止进程PCB 从所在队列或列表中移出，等待其它程序搜集信息。

3.进程同步

a) 临界资源及临界区的概念

临界资源：临界资源是指每次仅允许一个进程访问的资源。属于临界资源的硬件有打印机、磁带机等，诸进程间应采取互斥方式，实现对这种资源的共享

临界区：不论是硬件临界资源，还是软件临界资源，多个进程必须互斥地对它进行访问。每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区（Critical Section ） b) 同步机制应遵循的原则

空闲让进，忙则等待，有限等待，让权等待。

4.信号量机制

c) 理解整型、记录型信号量的机制

信号量S 是一个整数，S 大于等于零是代表可供并发进程使用的资源实体数，当S 小于零时则表示正在等待使用临界区的进程数。

Dijkstra 同时提出了对信号量操作的PV 原语。

P 原语 （或Wait(S)）操作的动作是：

（1）S 减1；

（2）若S 减1后仍大于或等于零，则进程继续执行；

（3）若S 减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。

V原语（或signal（S））操作的动作是：

（1）S加1；

（2）若相加结果大于零，则进程继续执行；

（3）若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。

PV操作对于每一个进程来说，都只能进行一次，而且必须成对使用。在PV原语执行期间不允许有中断的发生。

@整型信号量是一种最简单的信号量，主要用于解决并发程序互斥访问临界资源问题。

@记号信号量在整型信号量的举出上进行了改进，让不能进入临界区的进程“让权等待”，即进程状态有运行转换为阻塞状态，进程进入阻塞队列中等待。S.value的初值表示系统中某类资源的数目，因而又称为资源信号量。（P51）

2.经典的同步问题

生产者——消费者问题

哲学家进餐问题

读者——写者问题

3.进程通信

进程通信的概念：是指进程之间的信息交换，其所交换的信号量少者是一个状态或数

值，多者则是成千上万个字节。

进程通信的类型：共享存储器系统、消息传递系统、管道通信。

4.线程

为什么需要线程：在操作系统中引入线程，则是为了减少程序在并发执行时所付出的

时空开销，使OS具有更好的并发性，提高CPU的利用率。进程是

分配资源的基本单位,而线程则是系统调度的基本单位。

线程与进程的区别和联系

（1）调度性。线程在OS 中作为调度和分派的基本单位，进程只作为资源拥有的基本单位。

（2）并发性。进程可以并发执行，一个进程的多个线程也可并发执行。

（3）拥有资源。进程始终是拥有资源的基本单位，线程只拥有运行时必不可少的资源，本身基本不拥有系统资源，但可以访问隶属进程的资源。

（4）系统开销。操作系统在创建、撤消和切换进程时付出的开销显著大于线程。

第三章处理机调度与死锁

1.处理机调度的层次

a)高级、中级、低级，它们的特点及区别

高级调度又称为作业调度或长程调度，调度对象是作业，作业调度往往发生于一

个（批）作业运行完毕，退出系统，而需要重新调入一个（批）作业进入内存时，故作业调

度的周期长；

b)低级调度又称为进程调度和短程调度，调度对象为进程（或内核级线程），进程

调度的运行频率最高，是最基本的一种调度，多道批处理、分时、实时三类OS

中必须配置这种调度。低级调度的功能：保存处理机的现场信息、按某种算法选

取进程、把处理器分配给进程。

c)引入中级调度的主要目的：是为了提高系统资源的利用率和系统吞吐量。

2.处理机调度算法

d)理解各种调度算法的原理及应用场景

e)先来先服务、短作业优先、高优先权优先

f)周转时间及带权周转时间的概念及计算方法

1>.先来先服务调度算法

FCFS调度算法是一种最简单的调度算法，可用于作业调度和进程调度。每次调

度是从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程，为之分配处理机，使之投入

运行。该进程一直运行到完成或者发生某事件而阻塞后放弃处理机。FCFS算法有

利于长作业（进程）。

周转时间=完成时间—到达时间

带权周转时间=周转时间 / 服务时间

2>.短作业（进程）调度算法

是指对短作业（进程）优先调度的算法，可分别用于作业调度和进程调度。SJF （SPF）是从后备队列中选择一个或若干个估计运行时间最短的作业（进程），为

之分配处理机，使之投入运行。该进程一直运行到完成或者发生某事件而阻塞后

放弃处理机。

3>.高优先权优先调度算法

为了照顾紧迫性作业，引入FPF调度算法，常被用于批处理系统，可用于作业调度

和进程调度。该算法把处理机分配给优先权最高的进程或作业。

4>.高响应比优先调度算法：

用于批处理系统，为每个作业引入动态优先权，并使作业优先级随着等待时间的增加而已速率a提高，则长作业在等待一定时间后，必然有机会分配到处理机。响应比：Rp =（等待时间+要求服务时间）/要求服务时间=响应时间/要求服务时间。

g)实时调度算法的分类及应用场景

按调度方式的不同分类：

非抢占式调度算法非抢占式轮转调度算法：用于工业生产的群控制系统。

（小型实时系统、要求不太非抢占式优先调度算法：实时系统中存在着较为严格的实施控制系统）严格的任务。

抢占式调度算法基于时钟中断的抢占式优先权调度算法：某实时任务

（在要求较为严到达后，该任务的优先级高于当前任务的优

格的实时系统）先级，用于大多数实时系统。

立即抢占的优先权调度算法：要求系统具有快速响应

外部时间中断的能力。

3.处理机死锁

死锁的概念：死锁是指多个进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局，当进程处于这种僵持状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进。

产生死锁的原因：竞争资源、进程间推进顺序非法。

产生死锁的必要条件：互斥条件、请求和保持条件、不剥夺条件、环路等待条件。

及对应的预防死锁方法：预防、避免、检测、解除。

安全状态：是指系统能按照某种进程顺序（P1,P2,…Pn）来为每个进程Pi分配其所需资源，直至满足每个进程对资源的最大需求，使每个进程顺利完成。

银行家算法《P108》

解除死锁的方法：剥夺资源，撤销进程

第四章存储器管理

1.存储器的类型及特点

2.连续分配方式（特点、分配方法 :是指为一个用户程序分配一个连续的内存空间。）

1>单一连续分配：把内存分为系统区和用户区，系统区提供给OS使用，通常是放在

内存的低址部分，用户区是指除系统区以外的全部内存空间，提供给用户使用。

2>固定分配：将内存用户空间划分为若干个固定大小的区域，在每个分区中只装入

一道作业，这样便允许有几道作业并发运行。

3>动态分配：根据进程实际需要，动态分配内存空间。

4>可重定位分配方法(动态重定位)：

为什么要引入动态重定位？如何实现？

在程序执行过程中，每当访问指令或数据时，将要访问的程序或数据的逻辑地址转换成物理地址，引入了动态重定位；

具体实现方法是在系统中增加一个重定位寄存器，用来装入程序在内存中的起始地址，程序执行时，真正访问的内存地址是相对地址与重定位寄存器中的地址相加之和，从而实现动态重定位。

动态分配的五种算法：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、快速适应算法。

动态分配回收内存：《P125 》

3.对换 <为什么需要对换？ >

能将内存中暂时不运行的进程或暂时不用的程序和数据，换到外存上，以腾出足够的

内存空间，把已具备运行条件的进程或进程所需的程序和数据换入内存，从而大大地提高

了内存的利用率。

4.分页 ,分页

为什么引入分页？如何实现的？

为什么引入分段？与分页有何区别？

连续分配方式会产生很多碎片，虽可以通过“紧凑”方法将许多碎片装入许多不相邻接的分区中,则无须再进行“紧凑”，基于这一思想产生了离散分配方式。如果离散分配的基本单位是页（段），则称为分页（段）存储管理方式，分页存储管理是将一个进程的逻辑

地址空间分成若干个大小相等的片，成为页面或页，并编号。把内存空间分成与页面大小

相同的若干存储块，成为物理块或页框。

地址结构

地址变换结构

将逻辑地址中的页号，转换为内存中的物理块号。

为什么需要两级或多级页表？如何实现

5.如何使用分段实现信息共享？分页呢？

1.对于分页系统，每个页面是分散存储的，为了实现信息共享和保护，则页面之间需要一一对应起来，为此需要建立大量的页表项；

2.而对于分段系统，每个段都从0开始编址，并采用一段连续的地址空间，这样在实现共享和保护时，只需为所要共享和保护的程序设置一个段表项，将其中的基址与内存地址一一对应起来即可。

6.虚拟存储器的概念:是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统。

特征：离散性、多次性、对换性、虚拟性；

最本质的特征：离散性；最重要的特征：虚拟性。

7.请求分页存储是如何实现的？

硬件支持：一台具有一定容量的内存外存的计算机系统，页表机制，缺页中断机构，地址变换机构。

8.页面置换算法（P149）

最佳置换算法、先进先出

最近最久未使用、Clock算法

如何计算各种置换算法的缺页次数及缺页率

第五章设备管理

1.设备、设备控制器及通道的功能及关系

1、I/O设备的类型

1)按设备的使用特性分类

a)存储设备

b)输入/输出设备

输入设备：鼠标、键盘、扫描仪等

输出设备：打印机、显示器、音箱等

交互式设备

2)按传输速率分类

a)低速设备：几B~数百B/s

如键盘、鼠标、语音输入输出设备

b)中速设备：几KB~几百KB/s

如行式打印机、激光打印机等

c)高速设备：几百KB以上/s

如磁带机、磁盘机、光盘机

3)按信息交换的单位分类

a)块设备：用于存储信息

如磁盘：传输速率较高；可寻址；DMA方式

b)字符设备：用于输入输出

传输速率较低；不可寻址；中断驱动方式

4)按设备的共享属性分类

a)独占设备：属于临界资源

b)共享设备：必须可寻址和可随机访问

c)虚拟设备：通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台逻辑设备

2、设备与控制器之间的接口

3、引入设备控制器、通道的原因 ?

? 设备控制器是CPU 与I/O 设备之间的硬件接口，它接收从CPU 发来的命令，并去控

制一个或多个设备。

设备控制器的基本功能

1) 接收和识别命令

2) 数据交换

3) 标示和报告设备的状态

4) 地址识别

5) 数据缓冲

6) 差错控制

4、I/O 通道(I/O Channel)设备的引入

?

引入目的：进一步减少CPU 干预 ?

位于CPU 和设备控制器之间 ?

一种特殊的处理机，能执行通道程序(由I/O 指令构成) ?

与一般处理机的不同：仅能执行I/O 指令,没有自己的内存 ?

CPU 发指令->通道从内存取通道程序并执行->完成后发中断信号

3.I/O 软件

3.1 中断处理程序、设备驱动程序、设备独立性软件

为了更好地实现I/O 软件的目标，通常采用层次式结构来设计I/O 软件，并将它组织成以下四个层次：

1．用户层软件。实现与用户程序链接在一起的I/O 库函数，以及在操作系统核心外运行的程序(如Spooling 系统的守护进程)。

2．设备独立性软件。负责实现适用于所有设备的公用操作，并向用户层软件提供一个统一的接口。

3．设备驱动程序。与硬件直接相关，负责具体实现系统对设备发出操作指令、驱动I/O 设备工作的驱动程序。

4．中断处理程序。当CPU 接收到因I/O 操作结束而发出的I/O 中断时，CPU 将转入相应的中断处理程序进行I/O 善后处理。

3.2设备独立性的概念及实现方式

设备的独立性是指应用程序独立于具体使用的物理设备。

引入设备独立性，可使应用程序独立于具体的物理设备，是设备分配具有灵活性。另外容易实现I/O 重定向。

为了实现设备独立性，必须在设备驱动程序之上设置一层设备独立性软件，用来执行所有I/O 设备的公用操作，并向用户层软件提供统一接口。关键是系统中必须设置一张逻辑设备表LUT 用来进行逻辑设备到物理设备的映射，其中每个表目中包含了逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序入口地址三项；当应用程序用逻辑设备名请

信号数据至设备控制器

求分配I/O设备时，系统必须为它分配相应的物理设备，并在LUT中建立一个表目，以后进程利用该逻辑设备名请求I/O操作时，便可从LUT中得到物理设备名和驱动程序入口地址。

4.SPOOLing技术

4.1为什么引入？

SPOOLing技术的优点：

1 提高了I/O的速度

2 将独占设备改造为共享设备

3 实现了虚拟设备功能

4.2如何实现？

. 共享打印机

共享打印机技术已被广泛地用于多用户系统和局域网络中。当用户进程请求打印输出时， SPOOLing系统同意为它打印输出，但并不真正立即把打印机分配给该用户进程，在实现后台打印时，SPOOLing系统应为请求I/O的进程提供以下服务：（1）由输出进程在输出井中为之申请一空闲盘块区，并将要打印的数据送入其中；

（2）输出进程再为用户进程申请一张空白的用户打印表，并将用户的打印要求填入其中，再将该表挂到请求打印队列上。

（3）一旦打印机空闲，输出进程便从请求打印队列的队首取出一张请求打印表，根据表中的要求将要打印的数据从输出井传送到内存缓冲区，再由打印机进行打印。

5磁盘调度

5.1先来先服务、最短寻道时间优先、扫描、循环扫描

1. 先来先服务FCFS

3.最短寻道时间优先SSTF

3.扫描(SCAN)算法

1.进程“饥饿”现象

SSTF可能导致某进程发生“饥饿”现象。

2.SCAN算法(电梯调度算法)

对SSTF略加修改，不仅考虑到欲访问的磁道与当前磁道间的距离，更优先考虑的是磁头当前的移动方向。

4.循环扫描(CSCAN)算法

5.2各种调度算法的特点、计算寻道时间及平均寻道时间 ?

6磁盘高速缓存

6.1引入高速缓存的原因

提高磁盘I/O速度

6.2其他提高磁盘I/O的方法

提前读，延迟写，优化物理块分布，虚拟盘。

第六章文件管理

1.文件的逻辑结构

1.1顺序文件、索引文件、索引顺序文件的组织方式

文件的组织方式是指文件在外存上的存储结构。

文件在外存上的基本的组织方式有四种：顺序组织，索引组织，散列组织和链组织；对应的的文件名称分别为：顺序文件、索引文件、散列文件和多关键文件。文件组织的各种方式往往是这四种基本方式的结合。

2.文件的物理结构

2.1连续分配、链接分配、索引分配的分配方式

连续分配要求为每一个文件分配一组相邻接的盘块

链接分配，可通过在每个盘快上的链接指针，将同属于一个文件的多个离散的盘块链接成一个链表，把这样形成的文件叫做物理文件。

索引分配，它为每一个文件分配一个索引块，再把分配给该文件的所有盘块号都记录在该索引中，因而该索引块就是一个含有许多盘块号的数组。

2.2以FAT、NTFS为例理解显式链接法

显式链接法：把用于链接文件的各物理块的指针，显式的存放在内存的一张链表中。

3.目录

3.1目录是什么？有什么作用？

文件目录是一种数据结构，用于标识系统中的文件及其物理地址。目的是对大量的文件实

施有效的管理，对他们加以妥善组织。按名存取文件

3.2目录的结构及特点

3.3单级目录、两级目录及多级目录

1、单级目录

单级目录是一种最简单、最原始的目录结构。它是把系统中所有文件的目录都建立在一张目录表中，整个目录组织是一个线性表，其结构比较简单，每当建立一个新文件时，就在目录表中增加一个新的表目；每当撤消一个文件时，就在该目录中将此文件的表目中的信息消除掉；每当访问某文件时，按文件名从目录表中查找到该文件，进行存取控制检查，待其合格后再进行相应的操作。如表9-1所示。

单级目录结构操作比较方便，主要用在单用户的操作系统中。单级目录的优点是简单且能实现目录管理的基本功能——按名存取，但却存在下述一些缺点：

①查找速度慢；

②不允许重名；

③不便于实现文件共享。

为了克服单级目录结构的缺点，提高查寻速度，解决文件重名和支持文件共享以及

提供更灵活的命名能力，文件系统允许每个用户再建立各自的文件目录表，这样就产生了二级目录。

2、二级目录

二级目录结构突出了用户的概念，它的引入有效地解决了当系统文件过多时文件目录表过于庞大，以及查找搜索速度慢的问题。具有以下优点：

①提高了检索目录的速度。

②在不同的用户目录中，可以使用相同的文件名。

③不同用户还可使用不同的文件名来访问系统中的同一个共享文件。

3、三级目录

采用多级目录具有如下优点：

①层次清楚。由于不同性质、不同用户的文件可以构成不同的子目录，便于系统和用

户对文件进行管理。不同层次、不同用户的文件可以被赋予不同的存取权限，以利于文件的保护。

②解决了文件重名的问题。文件在系统中的搜索是按完全限定名进行的，因此，只要

在同一子目录下的文件名不发生重复，就不会因文件重名而引起混乱。

③查找搜索速度快。由于对多级目录的查找每次都是只查找目录的一个子集，因此，

搜索速度比单级、二级目录都要快。

4.外存的组织（文件存储空间管理）

4.1空闲表法、空闲链表法、位示图法、成组链接法（以上方法的特点、外存的分配

与回收方法）

1>.空闲表法

属于连续分配方式，它与内存的动态分配方式雷同，它为每个文件分配一块连续的存储空间，即系统也为外存上的所有空闲区建立一张空闲表，每个空闲区对应于一个空闲表项，其中包括表项序号、该空闲区的第一个盘块号、该区的空闲盘块数等信息。

再将所有空闲区按其起始盘块号递增的次序排列。

分配：空闲盘区的分配与内存的动态分配类似，同样是采用首次适应算法、循环首次适应算法等。

回收：系统在对用户所释放的存储空间进行回收时，也采取类似于内存回收的方法，即要考虑回收区是否与空闲表中插入点的前区和后区相邻接，对相邻接者应予以合并。

2>.空闲链表法

是将所有空闲盘区拉成一条空闲链，根据构成链所用基本元素的不同，可把链表分成两种形式：空闲盘块链和空闲盘区链。

(1) 空闲盘块链。这是将磁盘上的所有空闲空间，以盘块为单位拉成一条链。

这种方法的优点是用于分配和回收一个盘块的过程非常简单，但在为一个文件分配盘块时，可能要重复操作多次。

(2) 空闲盘区链。

这是将磁盘上的所有空闲盘区(每个盘区可包含若干个盘块)拉成一条链。在每个盘区上除含有用于指示下一个空闲盘区的指针外，还应有能指明本盘区大小(盘块数)的信息。

分配：通常采用首次适应算法。

回收：在回收盘区时，同样也要将回收区与相邻接的空闲盘区相合并。

3>.位示图法：

位示图是利用二进制的一位来表示磁盘中一个盘块的使用情况。当其值为“0”时，表示对应的盘块空闲；为“1”时，表示已分配。这样，由所有盘块所对应的位构成一个集合，称为位示图。

根据位示图进行盘块分配时，可分三步进行：

(1) 顺序扫描位示图，从中找出一个或一组其值为“0”的二进制位(“0”表示空闲时)。

(2) 将所找到的一个或一组二进制位转换成与之相应的盘块号。b = n(i - 1) + j式中，n代表每行的位数

(3) 修改位示图，令map[i,j]=1。

盘块的回收分两步：

(1) 将回收盘块的盘块号转换成位示图中的行号和列号。转换公式为：

i = (b - 1)DIV n + 1

j = (b - 1)MOD n + 1

(2) 修改位示图。令map[i,j] =0。

4.成组链接法

当系统要为用户分配文件所需的盘块时，须调用盘块分配过程来完成。该过程首先检查空闲盘块号栈是否上锁，如未上锁，便从栈顶取出一空闲盘块号，将与之对应的盘块分配给用户，然后将栈顶指针下移一格。若该盘块号已是栈底，即

S.free(0)，这是当前栈中最后一个可分配的盘块号。由于在该盘块号所对应的盘块中记有下一组可用的盘块号，因此，须调用磁盘读过程，将栈底盘块号所对应盘块的内容读入栈中，作为新的盘块号栈的内容，并把原栈底对应的盘块分配出去(其中的有用数据已读入栈中)。然后，再分配一相应的缓冲区(作为该盘块的缓冲区)。最后，把栈中的空闲盘块数减1并返回。

5.文件的共享与保护

5.1共享：基于索引节点的共享方式，利用符号链接实现文件共享

5.2容错技术

1.第一级容错技术(SFT-Ⅰ)是最基本的一种磁盘容错技术，主要用于防止因磁盘表面缺陷所造成的数据丢失。它包含双份目录、双份文件分配表及写后读校验等措施。

2.第二级容错技术SFT-Ⅱ

3.基于集群技术的容错功能

5.3数据的一致性检查