操作系统知识点总结(原稿).pdf

绪论1.操作系操作系统统的基本功能的基本功能答：操作系统的职能是管理和控制计算机系统中的所有硬、软件资源，合理地组织计算机工作流程，并为用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。操作系统的基本功能包括：处理机管理、存储管理、设备管理、信息管理（文件系统管理）和用户接口等。2.研究操作系研究操作系统统的几种不同的几种不同观观点点答：（1）作为计算机系统资源的管理者：处理机管理：分配和控制处理机；存储器管理：分配及回收内存；I/O 设备管理：I/O 分配与操作；文件管理：文件存取、共享和保护。（2）作为扩充机器：把覆盖了软件的机器称为扩充机或虚拟机；分层扩充的特点。操作系统用户界面1.操作系操作系统为统为用用户户提供哪两种接口提供哪两种接口答：操作系统为用户提供两个接口，一个是系统为用户提供的各种命令接口，用户利用这些操作命令来组织和控制作业的执行或管理计算机系统。另一个接口是系统调用，编程人员使用系统调用来请求操作系统提供服务，例如申请和释放外设等类资源、控制程序的执行速度等。2.什么是系什么是系统调统调用用答：系统调用是操作系统提供给编程人员的唯一接口。编程人员利用系统调用，在源程序一级动态请求和释放系统资源，调用系统中已有的系统功能来完成那些与机器硬件部分相关的工作以及控制程序的执行速度等。因此，系统调用像一个黑箱子那样，对用户屏蔽了操作系统的具体动作而只提供有关的功能。3.系系统调统调用与用与库库函数的区函数的区别别答：（1）函数库提供的函数通常不需要操作系统的服务，函数在用户空间内执行，除非函数涉及到 I/O 操作。系统调用是要求操作系统为用户提供进程，提供某种服务，通常是涉及系统的硬件资源和一些敏感的软件资源等。（2）函数库调用是语言或应用程序的一部分，而系统调用是操作系统的一部分。系统调用时在操作系统内核发现一个“trap”或中断后进行的（其中系统调用是软中断）。（3）库函数是在系统调用上的一层包装，运行在用户态。进程管理1.进进程控制程控制块块包含哪些信息包含哪些信息答：（1）描述信息：进程名或进程标识名；用户名或用户标识名；家庭关系。（2）控制信息：进程当先状态；进程优先级；程序开始地址；各种计时信息；通信信息。（3）资源管理信息：占用内存大小及其管理用数据结构指针；对换或覆盖用的有关信息；共享程序段大小及起始地址；输入输出设备的设备号，所要传送的数据长度、缓冲区地址、缓冲区长度及所用设备的有关数据结构指针；指向文件系统结构的指针及有关标识。（4）CPU 现场保护结构：存储退出执行时的进程现场数据。2.进进程的五程的五态态模型及模型及转换转换答：五个基本状态：初始状态、就绪状态、执行状态、等待（阻塞）状态、终止状态。3.进进程控制的原程控制的原语语与流程与流程图图答：把系统态下执行的某些具有特定功能的程序段称为原语。原语可分为两类：一类是机器指令级的，其特点是执行期间不允许中断，像原子一样，在操作系统它是一个不可分割的基本单位；另一类是功能级的，其特点是作为原语的程序段不允许并发执行。流程图如图。4.进进程阻塞与挂起（程阻塞与挂起（唤唤醒）的区醒）的区别别？内存就内存就绪绪与外存就与外存就绪绪的区的区别别？5.用用户户模式，系模式，系统统模式模式答：大多数处理器至少支持两种执行模式，某些指令只能在特权模式下运行，包括读取或改变诸如程序状态字之类控制寄存器的指令、原式 I/O 指令和与内存管理相关的指令。另外，有部分内存区域仅在特权模式下可以被访问到。特权模式可成为系统模式或系统态、控制模式或内核模式。非特权模式通常称为用户模式或用户态，这是因为用户程序通常在该模式下运行。6.进进程程创创建方式有哪两种？建方式有哪两种？进进程何程何时时会被撤会被撤销销答：进程创建方式有以下两种：（1）有系统程序模块统一创建；（2）由父进程创建。以下三种情况导致进程被撤销：（1）该进程已完成所要求的功能而正常终止；（2）由于某种错误导致非正常中止；（3）祖先进程要求撤销某个子进程。7.用信号量解决生用信号量解决生产产者者-消消费费者者问题问题。信号量的其它信号量的其它应应用用答：把并发进程的同步和互斥问题一般化，可以得到一个抽象的一般模型，即生产者-消费者问题。计算机系统中，每个进程都申请使用和释放各种不同类型的资源。把系统中使用某种一类资源的进程成为该资源的消费者，而把释放同类资源的进程称为该资源的生产者。生产者-消费者问题是一个同步问题。它们之间满足如下条件：消费者想接收数据时，有界缓冲区中至少有一个单元满；生产者想发送数据时，有界缓冲区至少有一个单元空；由于有界缓冲区是临界资源，因此，各生产者进程和消费者进程之间必须互斥执行。设公用信号量 mutex 保证生产者进程和消费者进程之间的互斥，设信号量 avail 为生产者进程的私用信号量，信号量 full 为消费者进程的私用信号量。信号量 avail 表示有界缓冲区中的空单元数，初值为 n；信号量 full 表示有界缓冲区中的非空单元数，初值为 0。信号量 mutex 表示可用有界缓冲区的个数，初值为 1。从而有：Deposit(data):begin P(avail)P(mutex)送数据入缓冲区某单元 V(full)V(mutex)EndRcmovc(data):Begin P(full)P(mutex)取缓冲区中某单元数据 V(avail)V(mutex)End由于一个过程中包含多个公用、私用信号量，P、V 原语的操作次序要非常小心。由于 V 原语是释放资源的，所以可以以任意次序出现。但 P 原语则不行，如果次序混乱，将会造成进程之间的死锁。8.解解释释有名管道（有名管道（FIFO），），（无名）管道（无名）管道（pipe），及两者的区），及两者的区别别答：管道是指能够连接一个写进程和一个读进程的并允许它们以生产者-消费者方式进行通信的一个共享文件，又称为 pipe 文件。无名管道是一个临时文件，是利用系统调用 pipe（）建立起来的无名文件，没有路径名，只有调用 pipe 的进程及其子孙进程才能识别此文件描述符而利用改文件（管道）进行通信；有名管道是利用 mknod 系统调用建立的，是可以在文件系统中长期存在的，既有路径名的文件，其他进程可以知道其存在，并利用该路径名来访问该文件。9.多多进进程架构，多程架构，多线线程程应应用用实实例例答：（1）多进程的案例：Nginx 主流的工作模式是多进程模式；几乎所有的 web sever 服务器服务都有多进程；Chrome 浏览器是多进程方式；Redis，多进程单线程。（2）多线程的案例：桌面软件，响应用户输入的是一个线程，后台程序处理是另外的线程；Memcached10.用用户级线户级线程，系程，系统级线统级线程，及二者区程，及二者区别别答：线程的两个基本类型是：用户级线程和系统级线程（核心级线程）。用户级线程的管理过程全部由用户程序完成，操作系统内核只对进程进行管理。核心级线程由操作系统内核进行管理。操作系统内核给应用程序提供相应的系统调用和应用程序接口 API，以使用户程序可以创建、执行、撤销进程。用户级线程有较高的灵活性和高效率，但并发能力较差。核心级线程有较好的并行能力，一个进程内的线程阻塞不会影响该进程内的其他线程，但线程管理的开销过大，缺乏灵活性。11.进进程和程序的区程和程序的区别别答：（1）进程是一个动态概念，而程序是一个静态概念，程序是指令的有序集合，无执行含义，进程则强调执行的过程。（2）进程具有并行特征（独立性，异步性），程序则没有。（3）不同的进程可以包含同一个程序，同一程序在执行中也可以产生多个进程。12.什么是互斥？什么是同步？什么是互斥？什么是同步？答：进程间的互斥是指：一组并发进程中的一个或多个程序段，因共享某一公有资源而导致它们必须以一个不许交叉执行的单位执行，即不允许两个以上的共享该资源的并发进程同时进入临界区。进程间的同步是指：异步环境下的一组并发进程因直接制约互相发送消息而进行互相合作、互相等待，各进程按一定的速度执行的过程。13.互斥有哪几种可能的互斥有哪几种可能的实现实现方法方法答：对临界区加锁实现互斥；用信号量实现并发进程互斥；用 P,V 原语实现进程互斥14.分析加分析加锁锁法的原理和存在的法的原理和存在的问题问题答：当某个进程进入临界区之后，他将锁上临界区，直到它退出临界区时为止。并发进程在申请进入临界区时，首先测试该临界区是否是上锁的。如果非临界区已被锁住，则该进程要等到临界区开锁之后才有可能获得临界区。设临界区的类名为 S。为了保证每一次临界区中只能有一个程序段被执行，又设锁定位 keyS。keyS标识该锁定位属于类名为 S 临界区。加锁后的临界区程序描述如下。Lock(keyS)Unlock(keyS)设 keyS=1 时表示类名为 S 的临界区可用，keyS=0 时表示类名为 S 的临界区不可用。则 Unlock(keyS)只用一条语句即可实现。keyS1不过，由于 Lock(keyS)必须满足 keyS=0 时，不允许任何进程进入临界区，而 keyS=1 时仅允许一个进程进入临界区的推测，因而实现起来较为困难。15.线线程的概念，程的概念，进进程与程与线线程的区程的区别别答：传统操作系统中只允许线程中有一个执行引擎，而现代操作系统中，进程可以包含多个执行引擎。每个执行引擎称为线程。线程是进程的一部分，有时被称为轻权进程或轻量级进程，和线程一样是 CPU 调度的一个单位。线程与进程的区别可归纳为以下 4 点：（1）地址空间和其它资源（如打开文件）：进程间相互独立，同一进程的各线程间共享。某进程内的线程在其它进程不可见。（2）通信：进程间通信 IPC，线程间可以直接读写进程数据段（如全局变量）来进行通信需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。（3）调度和切换：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。（4）在多线程 OS 中，进程不是一个可执行的实体。处理机调度1.最短作最短作业优业优先法（先法（SJF）的原理，存在的）的原理，存在的问题问题及改及改进进方法方法答：（1）定义：对优先执行时间短的作业（进程）优先分配处理机。通常后来的短作业不抢先正在执行的作业。（2）缺点：对长作业非常不利，可能长时间得不到执行；未能依据作业的紧迫程度来划分执行的优先级；难以准确估计作业（进程）的执行时间，从而影响调度性能。（3）改进方法：最高响应比优先法（HRN）是对 FCFS方式和 SJF 方式的一种综合平衡。HRN 调度策略同时考虑每个作业的等待时间长短和估计需要的执行时间长短，从中选出响应比最高的作业投入执行。2.什么是分什么是分级调级调度度答：一般来说，处理机调度可以分为 4 级。（1）作业调度。又称宏观调度或高级调度。（2）交换调度。又称中级调度。（3）进程调度。又称微观调度或低级调度。（4）线程调度。调度关系如图 4.13.进进程程调调度的功能度的功能答：（1）记录系统中所有进程的执行情况；（2）选择占有处理机的进程；（3）进行进程上下文切换。4.常常见见的的进进程程调调度算法度算法答：（1）先来先服务（FCFS）调度算法；（2）轮转法；（3）多级反馈轮转法；（4）优先级法；（5）最短作业优先法；（6）最高响应比优先法。存储管理1.虚存的概念虚存的概念答：将进程中的目标代码、数据等虚拟地址组成的虚拟空间称为虚拟存储器。虚拟存储器不考虑物理存储器的大小和信息存放的实际位置，只规定每个进程中互相关联信息的相对位置。每个进程都有自己的虚拟存储器，且虚拟存储器的容量是由计算机的地址结构和寻址方式确定的。2.页页式管理、段式管理、段式管理、段式管理、段页页式管理中的地址式管理中的地址变换过变换过程程答：如图分别是页式管理、段式管理、段页式管理中的地址变换过程3.有快表有快表时时的平均存取的平均存取时间计时间计算算例：有一页式系统，其页表存放在主存中：（1）如果对主存一次存取需要 1.5s，实现一次页面访问的存取时间是多少？（2）如果系统加有快表，平均命中率为 85%，当页表项在快表中时，查找时间忽略为 0，问此时的平均存取时间是多少？答：若页表存放在主存中，则要实现一次页面访问需两次访问主存：一次是访问页表，确定所存取页面的物理地址（称为定位）。第二次才根据该地址存取页面数据。页表在主存的存取访问时间=1.52=3（s）增加快表后的存取访问时间=0.851.5+（1-0.85）21.5=1.725（s）4.局部性原理局部性原理答：局部性原理是指 CPU 访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。5.页页式管理、段式管理、段式管理、段式管理、段页页式管理的式管理的实现实现原理及原理及对对比分析比分析答：（1）页式管理：将各进程的虚拟空间划分成若干个长度相等的页(page)，页式管理把内存空间按页的大小划分成片或者页面（page frame），然后把页式虚拟地址与内存地址建立一一对应页表，并用相应的硬件地址变换机构，来解决离散地址变换问题。页式管理采用请求调页或预调页技术实现了内外存存储器的统一管理。（2）段式管理：把程序按内容或过程（函数）关系分成段，每段有自己的名字。一个用户作业或进程所包含的段对应一个二维线形虚拟空间，也就是一个二维虚拟存储器。段式管理程序以段为单位分配内存，然后通过地址影射机构把段式虚拟地址转换为实际内存物理地址。程序通过分段(segmentation)划分为多个模块，如代码段、数据段、共享段。其优点是：可以分别编写和编译。可以针对不同类型的段采取不同的保护。可以按段为单位来进行共享，包括通过动态链接进行代码共享。（3）段页式管理：如右图（4）对比分析：页式 方法功能静态动态段式段页式适用环境多道多道虚拟空间一维二维重定位方式动态分配方式静态或动态页为单位非连续动态分配段为单位非连续动态分配页为单位非连续释放执行完毕释放淘汰与执行完后释放保护越界保护与控制权保护内存扩充覆盖与交换技术外存、内存统一管理的虚存共享较难方便硬件支持地址变换机构，中断机构保护机构段氏地址变换机，保护与中断，动态连接结构6.存存储储管理的主要功能管理的主要功能答：虚拟存储器；地址变换；内外存数据传输的控制；内存的分配与回收；内存信息的共享与保护7.常用的内存信息保常用的内存信息保护办护办法法答：常用的内存信息保护办法有：硬件法：上下界保护法；软件法：保护键法；软硬件结合法：界限寄存器与CPU 的用户态或核心态工作方式相结合的保护方式。8.动态动态分区管理的常用内存算法有几种？比分区管理的常用内存算法有几种？比较较它它们们各自的各自的优优缺点缺点答：动态分区式管理的常用内存分配算法有最先适应法（FF）、最佳适应法（BF）和最坏适应法（WF）。优缺点比较：从搜索速度上看最先适应法最佳，最佳适应法和最坏适应法都要求把不同大小的空闲区按大小进行排队。从回收过程来看，最先适应法也是最佳，因为最佳适应法和最坏适应法都必须重新调整空闲区的位置。最佳适应法找到的空闲区是最佳的，但是会造成内存碎片较多，影响了内存利用率，而最坏适应法的内存碎片最少，但是对内存的请求较多的进程有可能分配失败。第八章 文件系统1.文件的物理文件的物理结结构有哪几种及其工作原理构有哪几种及其工作原理答：（1）连续文件；（2）串联文件；（3）索引文件。2.串串联联文件文件结结构的构的优优缺点分析缺点分析答：（1）优点：提高了磁盘空间利用率，不需要为每个文件预留物理块；有利于文件插入和删除；有利于文件动态扩充。（2）缺点：存取速度慢，不适于随机存取；当物理块间的链接指针出错时数据丢失；更多的寻道次数和寻道时间；链接指针占用一定空间，降低了空间利用率。3.常用的文件存常用的文件存储设备储设备的管理方法及的管理方法及优优缺点分析缺点分析答：方法：空闲文件目录，位示图，空闲块链。优缺点：（1）空闲文件目录管理方法实现简单，适于连续文件结构的文件存储区的分配与回收。但是由于回收时不进行合并，所以使用该方法容易产生大量的小空闲区；（2）位示图法在查找空闲块时无须启动，但要占用空间；（3）空闲物理块链法简单，但因多次启动 I/O 效率较低。4.文件目文件目录录的概念的概念答：一个计算机系统中有成千上万个文件，为了便于对文件进行存取和管理，计算机系统建立文件的索引，即文件名和文件物理位置之间的映射关系，这种文件的索引称为文件目录。5.单级单级目目录录、二、二级级目目录录、多、多级级目目录录的比的比较较6.文件系文件系统统的的层层次模型次模型答：依次为：用户接口；符号文件系统层；基本文件系统层；存取控制验证层；逻辑文件系统层；物理文件系统层；文件存储设备分配模块和设备策略模块；启动输入输出层。第九章 设备管理1.外外设设与内存之与内存之间间的常用数据的常用数据传传送控制方式，各自的适用范送控制方式，各自的适用范围围及及优优缺点缺点答：（1）程序直接控制方式：其特点是控制简单，所需硬件支持少。其缺点是 CPU 和外部设备只能串行工作，CPU 的利用率低；不能实现设备之间的并行工作；只适用于那些 CPU 执行速度较慢，而且外部设备较少的系统。（2）中断控制方式：其优点是所需硬件支持较少，与程序直接控制方式相比，使 CPU 的利用率大大提高并且能支持多道程序和设备的并行操作。其缺点是消耗的 CPU 处理时间较多；随着外部 I/O 设备的增多和速度的提高，可能会造成 CPU 无法响应中断和出现数据丢失现象。（3）DMA 方式：其优点是 I/O 速度较快，大大减少了 CPU 进行中断处理的次数；排除了因并行操作设备过多时 CPU 来不及处理或因速度不匹配而造成数据丢失等现象。其缺点是所需硬件较多；多个 DMA 控制器的同时使用会引起内存地址的冲突并使得控制过程进一步复杂化。（4）通道方式：其优点是 I/O 速度快，进一步减轻了 CPU 的工作负担和增加了计算机系统的并行工作能力。其缺点是控制较复杂，所需的硬件最复杂。总结来说，编程控制方式和中断控制方式都只适用于简单的、外设很少的计算机系统，因为编程控制方式耗费大量的 CPU 时间，并无法检测与发现设备或其他硬件产生的错误，而且设备和 CPU 设备和设备之间只能串行工作。中断控制方式虽然在某种程度上解决了上述问题，但由于中断次数多，因而 CPU 仍需要花较多的时间处理中断，而且能够并行操作的设备台数也受到了中断处理时间的限制，中断次数增多会导致数据丢失。DMA 方式和通道方式较好地解决了上述问题。这两种方式采用了外设和内存直接交换数据的方式。只有在一段数据传送结束时，这两种方式才发生中断信号，要求 CPU 做善后处理，从而减轻了 CPU 的工作负担。DMA 方式与通道控制方式的区别是：DMA 方式要求 CPU 执行设备驱动程序来启动设备，给出存放数据的内存起始地址以及操作方式和传送字节长度等；而通道方式则是在 CPU 发出 I/O 启动之后，由通道指令来完成这些工作。