操作系统复习 | Happy Coding

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大二下即将结束，这里将操作系统的重点概念整理一下方便复习~

### 引论

#### 何谓多道程序设计？叙述它的主要特征和优点

*   多道程序设计是一种软件技术。该技术使同时进入计算机主存的几个相互独立的程序在管理程序控制之下相互交替执行。当某道程序因某种原因不能继续运行下去时，管理程序便将另一道程序投入运行。这样可以使中央处理器及各外部设备尽量处于忙碌状态，从而大大提高计算机的使用效率
*   单处理器系统中，多道程序运行特征：
    
    *   多道：即计算机主存中同时存放几道相互独立的程序
    *   宏观上并行：同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行但都未运行完毕
    *   微观上串行：微观上主存中多道程序轮流或分时地占用处理器，即多道程序交替执行
*   多道程序设计的优点：
    
    *   可提高 CPU 的利用率
    *   可提高主存和 I/O 设备利用率
    *   可增加系统吞吐量

#### 操作系统具有哪几大特征？

*   不同的操作系统都具有四个基本特征：
    
    *   并发：并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。多道程序环境下，并发性指宏观上一段时间内多道程序在同时运行；单处理器系统中，每一时刻只能执行一道程序即微观上交替执行
    *   共享：共享是指系统中的资源可供主存中多个并发执行的进程共同使用
    *   虚拟：指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物
    *   异步性：多道程序环境下允许多个进程并发执行，但由于资源等因素限制，进程是以异步方式允许的。只要运行环境相同，作业经多次运行都会获得完全相同的结果，因此异步运行是允许的

#### 在交互性、及时性和可靠性方面比较分时系统与实时系统

*   交互性：分时系统交互性强，实时系统交互性弱。因为交互性强不能满足实时系统响应速度快和高可靠性的要求
*   及时性：实时系统要求快速响应而及时性强，分时系统相比较弱
*   可靠性：实时系统要求高可靠性而可靠性强，分时系统相比较弱

### 处理器管理

#### 何谓进程？它有哪些基本状态？列举使进程状态发生变化的事件

*   进程是可并发执行的程序在一个数据集上的一次执行过程，是系统进行资源分配的基本单位
*   进程有就绪、执行、等待三个基本状态
*   状态变化事件
    
    *   就绪 -> 执行：进程调度程序分配 CPU
    *   执行 -> 等待：正在执行的进程因访问 I/O 设备而无法继续执行时
    *   等待 -> 就绪：因访问 I/O 设备正在等待的进程在访问 I/O 设备结束后
    *   执行 -> 就绪：正在执行的进程如因时间片用完而被暂停执行时 吧

#### 比较进程和程序的区别

*   程序是指令的有序集合，是一个在时间上按严格次序前后相继的操作序列，是一个静态的概念
*   进程是可并发执行的程序在一个数据集上的一次执行过程，是系统进行资源分配的基本单位，它具有以下五个基本特征：
    
    *   动态性：进程最基本的特性，表现为：“它由创建而产生，由调度而执行，因得不到资源而暂停执行，以及由撤销而消亡”
    *   并发性：多个进程实体同存于主存中，能在一段时间内同时运行；它是进程的重要特征，同时也是操作系统的重要特征。引入进程的目的正是为了使程序能和其它进程的程序并发执行，而程序不能并发执行
    *   独立性：进程实体是一个能独立运行的基本单位，也是系统中独立获得资源和独立调度的基本单位。未建立进程的程序都不能作为一个独立的单位参加运行。进程与程序并非是一一对应的，一个程序运行在不同的数据集上就构成不同的进程
    *   异步性：进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进即进程按异步方式运行。这一特征导致程序执行的不可再现性，因此在操作系统中必须采取某种措施来保证各程序之间能协调运行
    *   结构特征：进程实体在结构上由程序段、数据段、及进程控制块三部分组成，有人统称这三部分为 “进程映像”

#### 进程调度的功能有哪些？

*   记录系统中所有进程的执行情况
*   选择占有处理器的进程
*   把处理器分配给进程，即进行进程上下文切换
*   收回处理器

#### 进程调度的时机有哪几种？

*   正在执行的进程执行完毕
*   执行中的进程自己调用阻塞原语将自己阻塞起来进入等待状态
*   执行中的进程调用了 P 原语操作从而因资源不足而被阻塞或调用了 V 原语操作激活了等待资源的进程队列
*   执行中的进程提出 I/O 请求后被阻塞
*   在分时系统中时间片已经用完
*   在执行完系统调用等系统程序后返回用户进程即系统进程执行完毕时
*   在可剥夺 CPU 执行方式时就绪队列中某进程优先级高于当前执行进程的优先级

#### 在信号量 s 上作 PV 操作时，s>0、s=0、s<0 时的物理意义是什么？

*   s > 0：还有 s 个可用资源
*   s = 0：已无可用资源
*   s < 0：已无可用资源并且还有 | s | 个进程在等待使用资源

#### 若系统有同类资源 m 个，被 n 个进程共享，问：m > n 和 m <= n 时每个进程最多可以请求多少个这类资源使系统一定不会发生死锁？

*   m > n：m / n （向上取整）
*   m <= n：1

#### 何谓死锁？产生死锁的原因和必要条件是什么？

*   在系统中存在一组进程（两个以上），每一个进程都占用了某种资源而又都在永久等待其中另一进程所占用的进程所占用的资源
*   产生原因：
    
    *   竞争资源：系统中供多个进程所共享的资源不足以同时满足它们的需要时，引起它们对资源的竞争而产生死锁
    *   进程推进顺序非法：进程在运行过程中，请求和释放资源的顺序不当导致进程死锁
*   四个必要条件：
    
    *   互斥条件：进程应互斥使用资源，任意时刻一个资源仅为一个进程独占，若另一个进程请求一个已被占用的资源时，它被置为等待状态直到占用者释放资源
    *   占有且等待条件：一个进程请求资源得不到满足而等待时，不释放已占有的资源
    *   不剥夺条件：任一进程不能从另一进程那抢夺资源，即已被占用的资源只能由占用进程自己来释放
    *   循环等待条件：存在一个循环等待链，每一个进程分别等待另一个进程所持有的资源，造成永久等待

### 作业管理

#### 解释作业和作业步

*   把用户在一次解题过程中要求计算机所做工作的集合称为一个作业
*   任何一个作业都要经过若干加工步骤才能得到结果，每一个加工步骤称为一个 “作业步”

#### 作业的状态分成哪几种？各种状态之间是如何转换的

*   通常作业分成四种状态：
    
    *   提交状态：一个作业在用户手中经过输入设备进入到外存输入井，系统为其建立作业控制块
    *   后备状态：对于已进入输入井的作业，系统将它插入到输入井后备队列中，等待作业调度程序的调度运行
    *   运行状态：一个处于后备状态的作业，一旦被作业调度程序选中装入主存，系统就为它分配必要的软硬件资源并建立相应的进程插入到进程就绪队列中
    *   完成状态：作业完成其全部运行过程并释放其所占全部资源而正常结束或异常终止时

#### 叙述作业、进程和程序三者的关系

*   执行作业调度之前的作业是静态的，基本以文件形式存储在外部存储介质中
*   当作业经过作业调度的高级阶段调度后，其状态即从静态转变为动态执行状态，并为此创建了相应的作业进程，进程在经过若干次状态变更后即可完成作业功能并结束运行撤销
*   程序作为作业的主体部分，也是以文件形式存储在外部存储介质当中

#### 作业调度的性能指标

*   CPU 利用率：CPU 有效运行时间与总运行时间之比
*   吞吐能力：单位时间内完成作业数量
*   周转时间：从作业被提交进入输入井开始到作业执行完成的这段时间间隔
*   平均周转时间：所有作业周转时间的平均值
*   平均带权周转时间：带权周转时间即作业的周转时间与作业的运行时间之比

### 存储管理

#### 分页式存储管理和分段式存储管理有何区别？

*   分页和分段都采用离散分配主存方式，需要通过地址映射机构来实现地址变换
*   区别：
    
    *   页是信息的物理单位，是系统管理的需要而不是用户的需要；而段则是信息的逻辑单位，含有一组意义相对完整的信息，分段是为了更好地满足用户的需要
    *   页的大小固定且由系统决定，即一个系统只能有一种大小的页面；而段的长度却不固定，由用户所编写的程序决定，通常由编译程序对源程序进行编译时根据信息的性质来划分
    *   分页式作业的地址空间是一维的，页间的逻辑地址是连续的；而分段式作业的地址空间则是二维的，段间的逻辑地址是不连续的

### 设备管理

#### 简述采用通道技术时，I/O 操作的全过程

*   采用通道技术当进程提出 I/O 请求后：
    
    *   系统首先分配通道和外设
    *   然后按照 I/O 请求编制通道程序并存入主存，将其起始地址送入通道地址寄存器（CAW）
    *   然后 CPU 发出 “启动 I/O” 指令启动通道工作
    *   启动成功后通道逐条执行通道程序中的通道指令，控制设备实现 I/O 操作

#### 叙述引入缓冲的主要原因，其实现的基本思想是什么？

*   主要原因：
    
    *   缓和 CPU 与 I/O 设备间速度不匹配的矛盾
    *   减少对 CPU 的中断频率，放宽对 CPU 中断响应时间的限制
    *   提高 CPU 和 I/O 设备之间的并行性
*   实现方法：
    
    *   采用专用硬件缓冲器
    *   划分具有 n 个单元的主存缓冲区

#### 何谓虚拟设备？简述虚拟设备的设计思想

*   虚拟设备是指采用相应的技术和方法将独占型设备变换为若干台对应的逻辑设备
*   其设计思想是将独占型设备改造为共享型设备。宏观上虽然十多个进程在同时使用一台独占型设备，但为每一个进程而言，它们都认为自己独占了一个设备

#### SPOOLing 系统由哪些部分组成？简述它们的功能

*   预输入程序：把一批作业组织在一起形成作业流，由预输入程序把作业流中每个作业的初始信息由输入设备输入到输入井保存，并填写好输入表以便在作业执行中要求输入信息时可以随时找到它们的存放位置以备作业调度
*   井管理程序
    
    *   井管理读程序：当作业请求从输入机上读文件信息时就把任务转交给井管理读程序，从输入井读出信息供用户使用
    *   井管理写程序：当作业请求从打印机上输出结果时就把任务转交给井管理写程序，把产生的结果保存到输出井中
*   缓输出程序：缓输出程序负责查看输出井中是否有等待输出的结果信息，如果有则启动打印机把作业的结果文件打印输出，当一个作业的文件信息输出完毕后，将它占用的井区回收以供其它作业使用

### 文件管理

#### 文件系统应具有哪些功能？

*   目录管理
*   文件的组织
*   文件存储空间的管理
*   文件操作
*   文件的共享、保护和保密

#### 简述文件的结构和组织方式

*   逻辑结构：用户所观察到的文件组织形式，是用户可以直接处理的数据及结构，独立于物理特性构造而成。由用户构造的文件称文件的逻辑结构
    
    *   无结构的流式文件
    *   有结构的记录式文件
*   物理结构：文件在辅存上的存储组织形式，与存储介质的存储性能有关
    
    *   顺序结构
    *   链接结构
    *   索引结构

#### 文件的存取方式

*   顺序存取：严格按照文件中的逻辑信息单位排列的逻辑地址顺序依次读取
*   随机存取：按任意次序随机读写文件中的信息
*   按键存取：用于复杂文件系统、特别是数据库管理系统中的存取方法

#### 链接法共享文件主要采取哪几种实现技术？比较每种实现技术的特点

*   目录链接技术：将共享文件的存储地址、长度等文件信息记录在文件目录项中，但链接后的目录结构变成了网状结构，使管理更复杂同时会导致删除异常和更新异常
*   基于索引结点的链接技术：将共享文件的存储地址、长度等文件信息记录在索引结点中，大大减少了删除异常和更新异常，但也会导致指针悬空及共享文件所有者为等待其他用户完成而付出高昂的代价
*   符号链接技术：通过调用系统过程 “link” 来创建一个 LINK 型新文件登记被链接的文件的路径名，优点主要体现在避免了指针悬空和实现网络环境下任意文件的共享两方面