02323操作系統(tǒng)概論考前白皮書

時間：2021-03-08作者：山東博信教育科技有限公司瀏覽：77

**章    操作系統(tǒng)簡介

操作系統(tǒng)的資源管理功能：處理機管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理和文件管理。

操作系統(tǒng)的發(fā)展：單批道處理系統(tǒng)、多批道處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)、實時系統(tǒng)。

操作系統(tǒng)的特征：并發(fā)，共享，虛擬，異步性




*二章    進(jìn)程管理

進(jìn)程的特征：并發(fā)性、動態(tài)性、獨立性、異步性、結(jié)構(gòu)特征

進(jìn)程的 3 種基本狀態(tài)：就緒態(tài)、執(zhí)行態(tài)、阻塞態(tài)。

調(diào)用創(chuàng)建新進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建進(jìn)程的一般步驟如下。

申請空白 PCB。

為新進(jìn)程分配資源。

初始化進(jìn)程控制塊。

將新進(jìn)程插入就緒隊列。

進(jìn)程的阻塞與喚醒

表 2-1   進(jìn)程的阻塞與喚醒




時機	阻塞過程	喚醒過程
（1）請求系統(tǒng)服務(wù)。	（1）將進(jìn)程的狀態(tài)改為阻塞態(tài)。	（1）將進(jìn)程從阻塞隊列中移出。
（2）啟動某種操作。	（2）將進(jìn)程插入相應(yīng)的阻塞隊列。	（2）將進(jìn)程狀態(tài)由阻塞態(tài)改為就緒態(tài)。
（3）新數(shù)據(jù)尚未到達(dá)。	（3）轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度程序，從就緒進(jìn)程	（3）將進(jìn)程插入就緒隊列。
（4）無新工作可做。	中選擇進(jìn)程為其分配CPU。




信號量機制：wait(s)表示 s=s-1，**(s)表示 s=s+1 6.線程的阻塞與喚醒

用戶線程的阻塞過程：①停止該線程的執(zhí)行，將該線程的狀態(tài)改為阻塞態(tài)。

②將該線程控制塊插入相應(yīng)的線程阻塞隊列。

③將該線程所屬進(jìn)程的狀態(tài)改為阻塞態(tài)。

④將該線程所屬進(jìn)程的進(jìn)程控制塊插入相應(yīng)的進(jìn)程阻塞隊列。

⑤將控制傳遞給進(jìn)程調(diào)度程序，重新進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度。 用戶線程的喚醒過程：①將該線程所屬進(jìn)程的狀態(tài)由阻塞改為就緒。

②將該線程所屬進(jìn)程的進(jìn)程控制塊從進(jìn)程阻塞隊列中移出。

③將該線程所屬進(jìn)程的進(jìn)程控制塊插入進(jìn)程就緒隊列。

④將該線程狀態(tài)由阻塞改為就緒。

⑤將該線程的線程控制塊從線程阻塞隊列中移出。

⑥將該線程的線程控制塊插入線程就緒隊列。

內(nèi)核線程的阻塞過程：①停止該線程的執(zhí)行，將該線程的狀態(tài)改為阻塞態(tài)。

②將該線程控制塊插入相應(yīng)的線程阻塞隊列。




③將控制傳遞給線程調(diào)度程序，重新進(jìn)行線程調(diào)度。 內(nèi)核線程的喚醒過程：①將該線程狀態(tài)由阻塞態(tài)改為就緒態(tài)。

②將該線程的線程控制塊從線程阻塞隊列中移出。

③將該線程的線程控制塊插入線程就緒隊列。




*三章    進(jìn)程調(diào)度與死鎖

在 Linux 內(nèi)核中，進(jìn)程調(diào)度功能的實現(xiàn)從調(diào)用內(nèi)核函數(shù) schedule（）開始。

選擇調(diào)度方式和算法的若干準(zhǔn)則

1 ? n    ?

T ? n ??Ti?




平均周轉(zhuǎn)時間

?i?1    ?




? 1 ? n T ?







W

平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間

調(diào)度算法

?? i ?

n ?i?1 Ts ?




先來先服務(wù)調(diào)度算法（FCFS）

FCFS 適合長進(jìn)程，不利于短進(jìn)程，短進(jìn)程等待時間相對運行時間而言太長。FCFS 有利于 CPU 繁忙型進(jìn)程（如科學(xué)計算），不利于 I/O 繁忙型進(jìn)程（如多數(shù)的事務(wù)處理）。

短進(jìn)程**調(diào)度算法（SPF） 算法的缺陷：

①對長進(jìn)程不利。如果系統(tǒng)中不斷有短進(jìn)程到來，長進(jìn)程可能長時間得不到調(diào)度。

②不能保證緊迫進(jìn)程的及時處理，因為該算法不考慮進(jìn)程的緊迫程度。

③進(jìn)程的長短根據(jù)用戶的估計而定，故不一定能真正做到短進(jìn)程**。

常用的幾種實時調(diào)度算法：.較早截止時間** EDF 算法、較低松弛度** LLF 算法

松弛度用來表示一個實時進(jìn)程的緊迫程度。如果一個進(jìn)程的完成截止時間為 T，當(dāng)前時間為 Tc，處理完該任務(wù)還需要的時間為 Ts，則松弛度 L 的計算式表示為 L=T-Tc-Ts

多處理器系統(tǒng)（MpS）的類型

對處理器系統(tǒng)有多種不同的分類方式，根據(jù)處理器的耦合程度，可以把多處理器系統(tǒng)分為緊密耦合多   處理器系統(tǒng)和松弛耦合多處理器系統(tǒng)；根據(jù)處理器結(jié)構(gòu)是否相同，可以把多處理器系統(tǒng)分為對稱多處理器   系統(tǒng)和非對稱多處理器系統(tǒng)。

進(jìn)程（線程）調(diào)度方式：自調(diào)度、成組調(diào)度、**處理器分配。

死鎖

概念：在多道程序系統(tǒng)中，多個進(jìn)程可能競爭數(shù)量有限的資源。如果一個進(jìn)程所申請的資源被其他處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程占有，該進(jìn)程就會因為不能獲得所申請的資源而被阻塞。若此時該進(jìn)程恰好又占有了前述其他進(jìn)程所需要的資源，那么這一組進(jìn)程就可能因為等待釋放自己所需要但被其他進(jìn)程已占有的資源而無法向前推進(jìn)。這種由于多個進(jìn)程競爭共享資源而引起的進(jìn)程不能向前推進(jìn)的僵死狀態(tài)稱為死鎖。

產(chǎn)生死鎖的必要條件：互斥條件、請求和保持條件、不剝奪條件、環(huán)路等待條件。




注意：只有當(dāng)上述 4 個條件同時滿足時才會發(fā)生死鎖。

處理死鎖的基本方法

處理死鎖的基本方法有預(yù)防死鎖、避免死鎖、檢測并解除死鎖和忽略死鎖問題。

①死鎖的預(yù)防：摒棄請求和保持條件、摒棄不剝奪條件、摒棄環(huán)路等待條件

②死鎖的避免

a.系統(tǒng)的安全狀態(tài)

不安全狀態(tài)不一定是死鎖狀態(tài)，但當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入不安全狀態(tài)之后，便可能進(jìn)入死鎖狀態(tài)。反之，只要系   統(tǒng)處于安全狀態(tài)，系統(tǒng)可避免進(jìn)入死鎖狀態(tài)。因此，避免進(jìn)程死鎖的實質(zhì)在于使系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。

③死鎖定理：用于檢測系統(tǒng)所處的資源分配狀態(tài) S 是否為死鎖狀態(tài)。

死鎖定理為：S 為死鎖狀態(tài)的充分條件是當(dāng)且僅當(dāng) S 狀態(tài)的資源分配圖是不可完全簡化的。




*四章    內(nèi)存管理

存儲器的層次結(jié)構(gòu)

圖 4-1 存儲器的層次結(jié)構(gòu)

程序的鏈接方法：靜態(tài)鏈接、動態(tài)鏈接

程序的裝入

將一個用戶的源程序變?yōu)橐粋€可在內(nèi)存中執(zhí)行的程序，通常要經(jīng)過編譯、鏈接和裝入 3 個階段。

根據(jù)形成在內(nèi)存中物理地址的時機不同，把程序的裝入方式分為**裝入方式、可重定位裝入方式（靜   態(tài)重定位）和動態(tài)運行時裝入方式。

連續(xù)分配方式有 3 種類型：單一連續(xù)區(qū)分配方式、固定分區(qū)分配方式、動態(tài)分區(qū)分配方式。

動態(tài)分區(qū)分配算法：**適應(yīng)算法 FF、循環(huán)**適應(yīng)算法 NF、較佳適應(yīng)算法 BF

內(nèi)存回收流程：釋放一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域，如果被釋放區(qū)域與其他空閑區(qū)間相鄰，則合并空閑區(qū)，   修改空閑分區(qū)鏈。

基本分頁存儲管理方式

頁：將一個進(jìn)程的邏輯地址空間分成若干個大小相等的片，稱為頁。

頁框：將物理內(nèi)存空間分成與頁大小相同的若干個存儲塊，稱為頁框或頁幀。

基本分頁的邏輯地址結(jié)構(gòu)包含兩部分：頁號 p 和頁內(nèi)偏移量 W。若用 m 位表示邏輯地址，頁大小為 2n 字節(jié)，則用低 n 位表示頁內(nèi)偏移量 W，用高 m-n 位表示頁號 p。




若 A 為邏輯地址，L 為頁大小，p 為頁號，W 為頁內(nèi)偏移量，則有以下計算關(guān)系。

p=INT（A/L） W=MOD（A/L）

物理地址=頁框大小 x 頁框號+頁內(nèi)偏移量。

快表：也稱轉(zhuǎn)換后援緩沖（TLB），是為了提高 CPU 訪存速度而采用的**緩存，用來存放較近被訪問過的頁表項。

在 TLB 中找到某一個頁號對應(yīng)的頁表項的百分比稱為 TLB *率。當(dāng)能在 TLB 中找到所需要的頁表項時，有效訪存時間等于一次訪問 TLB 的時間加上一次訪問內(nèi)存的時間。當(dāng)沒有在 TLB 中找到所需要的頁表項時，訪存時間等于一次訪問 TLB 的時間加上兩次訪問內(nèi)存（一次訪問內(nèi)存頁表，一次訪問內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)或指令）的時間。

基于分頁的虛擬存儲系統(tǒng)

虛擬存儲技術(shù)的好處：提高內(nèi)存利用率、提高多道程序度、把邏輯地址空間和物理地址空間分開，使程序員不用關(guān)心物理內(nèi)存的容量對編程的限制。

主要特征。離散性、多次性、對換性、虛擬性。

頁分配和置換策略：固定分配局部置換、可變分配全局置換、可變分配局部置換

分配算法

按比例分配算法：為進(jìn)程分配的頁框數(shù)=進(jìn)程頁數(shù)/所有進(jìn)程頁數(shù)的總和×頁框數(shù)。

頁置換算法

較佳置換算法

該算法選擇以后永遠(yuǎn)不會被訪問的頁或者在未來較長時間內(nèi)不再被訪問的頁作為換出頁。因此,該算法主要用于理論研究。

**先出頁置換算法（FIFO）

FIFO 是較簡單的頁置換算法。實現(xiàn)這種算法的一種方式是為每個頁記錄該頁調(diào)入內(nèi)存的時間，當(dāng)選擇換出頁時，選擇進(jìn)入內(nèi)存時間較早的頁。

較近較久未使用 LRU 置換算法

LRU 置換算法是選擇較近較久未使用的頁換出。

對該訪問序列采用 LRU 置換算法發(fā)生了 9 次置換，性能** FIFO 算法，但較較佳置換算法差。

抖動：多道程序度太高，使運行進(jìn)程的大部分時間都用于進(jìn)行頁的換入、換出，而幾乎不能完成任何有效工作的狀態(tài)稱為抖動。引起系統(tǒng)抖動的主要原因是系統(tǒng)中的進(jìn)程數(shù)量太多，每個進(jìn)程能分配到的   頁框太少，以至于進(jìn)程運行過程中頻繁請求調(diào)頁。

分段機制的引入：優(yōu)點是方便編程、分段共享、分段保護、動態(tài)鏈接，以及存儲空間的動態(tài)增長。

分頁與分段的主要區(qū)別

分頁和分段都屬于離散分配方式，都要通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與硬件的配合來實現(xiàn)邏輯地址到物理地址的映   射，主要區(qū)別如下。

頁是按物理單位劃分的，分頁的引入是為了提高內(nèi)存的利用率和支持虛擬存儲。而段是按邏輯單位劃分的，一個段含有一組意義相對完整的信息。引入分段的目的是為了方便程序員編程。

頁的大小是固定的。而段的大小不固定，取決于用戶編寫的程序和編譯器。

分頁的地址空間是一維的，程序員給出的地址只是一個助記符，已知的邏輯地址是一個數(shù)。分段的地址空間是二維的，程序員在標(biāo)識一個邏輯地址時需要給出兩個數(shù)：一個是段號，一個是段內(nèi)偏移。

段頁式存儲管理：物理地址=頁框號×頁框大小+頁內(nèi)偏移 W













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