软件设计师学习-第四章 操作系统知识

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上午的客观题约占 7 分

1. OS 概述

1．OS 两大作用

• 通过资源管理提高计算机系统的效率
• 改善人机界面，向用户提供良好的工作环境

2．OS 基本概念

特征：并发性、共享性、虚拟性、不确定性。

功能：进程管理、文件管理、存储管理、设备管理、作业管理。

分类：批处理、分时、实时、网络（集中、C/S、对等）、分布式、微型、嵌入式。

2. 进程管理

1．基本概念

1. 前驱图

前驱图是一个有向无环图，由结点和有向边组成。

• 结点代表各程序段的操作
• 有向边表示程序间存在前驱关系，表示两者有执行先后

程序有顺序执行、并发执行特征。

2. 进程间通信

• 同步与互斥
• 信号量（S）：S >= 0 表示资源可用，S < 0，绝对值表示阻塞等待资源的进程数
• PV 操作：P 和 V 操作分别表示申请和释放一个资源

2．进程的状态

三态模型（运行，就绪，阻塞）、五态模型（运行，就绪，阻塞，终止，新建）

3．进程调度

• 三级调度：高级、中级、初级
• 调度算法：先来先服务、时间片轮转（固定、可变）、优先级调度、多级反馈调度
• 进程优先级确定

4．死锁

1. 概念

必要条件：互斥、请求保持、不可剥夺、环路。

处理：预防、避免（银行家算法）、检测、解除。

进程资源有向图：方框（资源）、圆圈（进程）、有向边（请求和分配资源）组成

2. 安全状态

系统能按某种序列为每个进程分配所需资源，直到最大需求，使每个进程都能顺序完成，该序列称为安全序列。

存在安全序列的，系统处于安全状态，否认，系统处于不安全状态。

3. 存储管理

1．存储结构

• 寄存器－Cache－主存－外存。
• 虚拟地址：又称相对地址、程序地址、逻辑地址等。
• 地址空间。
• 存储空间。

2．存储管理方案

• 固定分区。
• 可变分区：最佳适应、最差适应、首次适应、循环首次适应。

3．分页存储

1. 分页原理

将进程的地址空间划分成若干大小相等的区域，称为页。

将主存空间划分成与页大小相同的若干物理块，称为块或页框。

在为进程分配主存时，将进程中若干页分别装入多个不相邻的块中。

2. 地址结构

由两部分组成，页号 P 和偏移量 W ，即页内地址。

如下图，地址长度为 32 位，页内地址为 0-11，大小为 2¹²=4KB，，即页面大小为 4KB，页号为 12-31，所以允许的地址空间为 2²⁰=1MB 个页。

31               12 11        0
┌──────────────────┬──────────┐
│       页号       │ 页内地址 │
└──────────────────┴──────────┘

3. 页表

系统为每个进程建立了一张页面映射表，简称页表，每个页在页表中占一项，称为页表项，记录该页在主存中对应的物理页号。

4. 快表

页式存储需要至少两次才能访问主存，可增加联想存储器，存放访问频率高的页的相关信息。联想存储器由一组高速存储器组成，称为块表。

5. 两级页表机制

第一级是页目录表，其中每个表目是存放某个页表的物理地址；第二级是页表，其中每个表目存放页的物理块号。

4．分段存储

进程的地址空间划分成若干段，每段都有完整的逻辑信息，如主程序段、子程序段、数据段等，都是从 0 开始的编址空间，各段长度不等。

31               16 15        0
┌─────────────────┬───────────┐
│      段号s      │ 段内地址d │
└─────────────────┴───────────┘

系统为每个进程建立了一张映射表，简称段表。

5．段页式存储

基本原理是将整个主存划分成大小相等的存储块（页框），将用户程序按逻辑关系分为若干段，再将段号分成若干项，以页框为单位离散分配。地址结构为：

┌─────────────┬────────────┬───────────┐
│    段号s    │ 段内页号p  │ 页内地址w │
└─────────────┴────────────┴───────────┘

变换过程如下：

• 根据段号 s 查段表，得到页表起始地址
• 根据页号 p 查页表，得到物理块号 b
• 将物理块号 b 拼页内地址 w 得到物理地址

6．虚拟存储

之前的存储管理方案，必须为每个作业分配足够的空间来装入全部信息。

如果一个作业只部分装入主存便可开始启动运行，其余部分暂时留在磁盘上，在需要时再装入主存，这样的存储器称为虚拟存储器。

• 程序局部性原理：时间局部性、空间局部性。
• 虚拟存储器的实现：分页、分段、段页。
• 页面置换算法：最佳置换、FIFO、LRU、NRU。
• 缺页中断

4. 设备管理

1. I/O 软件

I/O 软件的操作过程如下：

2. 相关技术

• 通道：使数据独立于 CPU，CPU 向通道发送 IO 命令，通道从主存中取出要执行程序，完成后向 CPU 发送中断命令
• DMA：直接主存存取，指在数据主存和IO设备之间直接成块传送，此时不需要 CPU 干涉
• 缓冲
• Spooling：外围设备联机操作

5. 文件管理

1. 文件类型

• 按性质用途分：系统文件、库文件、用户文件
• 按信息保存期限分：临时文件、归档文件、永久文件
• 按文件保存方式分：只读、读写、可执行、不保护文件
• UNIX 系统分类：FAT、Vfat、NTFS、Ext2、HPFS 等

2．文件结构和组织

• 逻辑结构。
• 物理结构：连续、链接、索引、索引表。

3．目录

文件控制块、目录结构（一级、二级、多级）

4．存储方法与空间

• 空闲区表
• 位示图
• 空闲块链
• 成组链接法

5．共享与保护

• 文件共享：硬链接、符号链接（软链接）。
• 文件保护：存取控制矩阵、存取控制表、用户权限表、密码。

6．安全与可靠性

• 系统安全：系统级、用户级、目录级、文件级。
• 文件系统的可靠性：转储和恢复、日志文件、一致性。

6. 作业管理

1．作业与作业控制

• 作业控制
• 作业状态及转换：提交、后备、执行、完成
• JCB 和作业后备队列

2．作业调度

先来先服务、短作业优先、响应比高优先、优先级调度算法、均衡调度算法、调度算法均衡指标。