操作系統(tǒng)知識點總結(jié)(原稿)

1、第一章 緒論1. 操作系統(tǒng)的基本功能答：操作系統(tǒng)的職能是管理和控制計算機系統(tǒng)中的所有硬、軟件資源，合理地組織計算機工作流程，并為用戶提供一個良好的工作環(huán)境和友好的接口。操作系統(tǒng)的基本功能包括：處理機管理、存儲管理、設(shè)備管理、信息管理（文件系統(tǒng)管理）和用戶接口等。2. 研究操作系統(tǒng)的幾種不同觀點答：（1）作為計算機系統(tǒng)資源的管理者：處理機管理：分配和控制處理機；存儲器管理：分配及回收內(nèi)存；I/O設(shè)備管理：I/O分配與操作；文件管理：文件存取、共享和保護。（2）作為擴充機器：把覆蓋了軟件的機器稱為擴充機或虛擬機；分層擴充的特點。第二章 操作系統(tǒng)用戶界面1. 操作系統(tǒng)為用戶提供哪兩種接口答：操作系統(tǒng)

2、為用戶提供兩個接口，一個是系統(tǒng)為用戶提供的各種命令接口，用戶利用這些操作命令來組織和控制作業(yè)的執(zhí)行或管理計算機系統(tǒng)。另一個接口是系統(tǒng)調(diào)用，編程人員使用系統(tǒng)調(diào)用來請求操作系統(tǒng)提供服務(wù)，例如申請和釋放外設(shè)等類資源、控制程序的執(zhí)行速度等。2. 什么是系統(tǒng)調(diào)用答：系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)提供給編程人員的唯一接口。編程人員利用系統(tǒng)調(diào)用，在源程序一級動態(tài)請求和釋放系統(tǒng)資源，調(diào)用系統(tǒng)中已有的系統(tǒng)功能來完成那些與機器硬件部分相關(guān)的工作以及控制程序的執(zhí)行速度等。因此，系統(tǒng)調(diào)用像一個黑箱子那樣，對用戶屏蔽了操作系統(tǒng)的具體動作而只提供有關(guān)的功能。3. 系統(tǒng)調(diào)用與庫函數(shù)的區(qū)別答：（1）函數(shù)庫提供的函數(shù)通常不需要操作系統(tǒng)的服

3、務(wù)，函數(shù)在用戶空間內(nèi)執(zhí)行，除非函數(shù)涉及到I/O操作。系統(tǒng)調(diào)用是要求操作系統(tǒng)為用戶提供進程，提供某種服務(wù)，通常是涉及系統(tǒng)的硬件資源和一些敏感的軟件資源等。（2）函數(shù)庫調(diào)用是語言或應(yīng)用程序的一部分，而系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)的一部分。系統(tǒng)調(diào)用時在操作系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)現(xiàn)一個“trap”或中斷后進行的（其中系統(tǒng)調(diào)用是軟中斷）。（3）庫函數(shù)是在系統(tǒng)調(diào)用上的一層包裝，運行在用戶態(tài)。第三章 進程管理1. 進程控制塊包含哪些信息答：（1）描述信息：進程名或進程標識名；用戶名或用戶標識名；家庭關(guān)系。 （2）控制信息：進程當先狀態(tài)；進程優(yōu)先級；程序開始地址；各種計時信息；通信信息。 （3）資源管理信息：占用內(nèi)存大小及其管理用

4、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針；對換或覆蓋用的有關(guān)信息；共享程序段大小及起始地址；輸入輸出設(shè)備的設(shè)備號，所要傳送的數(shù)據(jù)長度、緩沖區(qū)地址、緩沖區(qū)長度及所用設(shè)備的有關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針；指向文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的指針及有關(guān)標識。 （4）CPU現(xiàn)場保護結(jié)構(gòu)：存儲退出執(zhí)行時的進程現(xiàn)場數(shù)據(jù)。2. 進程的五態(tài)模型及轉(zhuǎn)換答：五個基本狀態(tài)：初始狀態(tài)、就緒狀態(tài)、執(zhí)行狀態(tài)、等待（阻塞）狀態(tài)、終止狀態(tài)。 3. 進程控制的原語與流程圖答：把系統(tǒng)態(tài)下執(zhí)行的某些具有特定功能的程序段稱為原語。原語可分為兩類：一類是機器指令級的，其特點是執(zhí)行期間不允許中斷，像原子一樣，在操作系統(tǒng)它是一個不可分割的基本單位；另一類是功能級的，其特點是作為原語的程序段不允許并

5、發(fā)執(zhí)行。流程圖如圖。4. 進程阻塞與掛起（喚醒）的區(qū)別？內(nèi)存就緒與外存就緒的區(qū)別？5. 用戶模式，系統(tǒng)模式答：大多數(shù)處理器至少支持兩種執(zhí)行模式，某些指令只能在特權(quán)模式下運行， 包括讀取或改變諸如程序狀態(tài)字之類控制寄存器的指令、原式I/O指令和與內(nèi)存管理相關(guān)的指令。另外，有部分內(nèi)存區(qū)域僅在特權(quán)模式下可以被訪問到。特權(quán)模式可成為系統(tǒng)模式或系統(tǒng)態(tài)、控制模式或內(nèi)核模式。非特權(quán)模式通常稱為用戶模式或用戶態(tài)，這是因為用戶程序通常在該模式下運行。6. 進程創(chuàng)建方式有哪兩種？進程何時會被撤銷答：進程創(chuàng)建方式有以下兩種：（1）有系統(tǒng)程序模塊統(tǒng)一創(chuàng)建；（2）由父進程創(chuàng)建。 以下三種情況導(dǎo)致進程被撤銷：（1）該進程

6、已完成所要求的功能而正常終止；（2）由于某種錯誤導(dǎo)致非正常中止；（3）祖先進程要求撤銷某個子進程。7. 用信號量解決生產(chǎn)者-消費者問題。信號量的其它應(yīng)用答：把并發(fā)進程的同步和互斥問題一般化，可以得到一個抽象的一般模型，即生產(chǎn)者-消費者問題。計算機系統(tǒng)中，每個進程都申請使用和釋放各種不同類型的資源。把系統(tǒng)中使用某種一類資源的進程成為該資源的消費者，而把釋放同類資源的進程稱為該資源的生產(chǎn)者。生產(chǎn)者-消費者問題是一個同步問題。它們之間滿足如下條件：消費者想接收數(shù)據(jù)時，有界緩沖區(qū)中至少有一個單元滿；生產(chǎn)者想發(fā)送數(shù)據(jù)時，有界緩沖區(qū)至少有一個單元空；由于有界緩沖區(qū)是臨界資源，因此，各生產(chǎn)者進程和消費者進程

7、之間必須互斥執(zhí)行。設(shè)公用信號量mutex保證生產(chǎn)者進程和消費者進程之間的互斥，設(shè)信號量avail為生產(chǎn)者進程的私用信號量，信號量full為消費者進程的私用信號量。信號量avail表示有界緩沖區(qū)中的空單元數(shù)，初值為n；信號量full表示有界緩沖區(qū)中的非空單元數(shù)，初值為0。信號量mutex表示可用有界緩沖區(qū)的個數(shù)，初值為1。從而有：Deposit(data): begin P(avail) P(mutex) 送數(shù)據(jù)入緩沖區(qū)某單元 V(full) V(mutex) EndRcmovc(data): Begin P(full) P(mutex) 取緩沖區(qū)中某單元數(shù)據(jù) V(avail) V(mutex)

8、 End由于一個過程中包含多個公用、私用信號量，P、V原語的操作次序要非常小心。由于V原語是釋放資源的，所以可以以任意次序出現(xiàn)。但P原語則不行，如果次序混亂，將會造成進程之間的死鎖。8. 解釋有名管道（FIFO），（無名）管道（pipe），及兩者的區(qū)別答：管道是指能夠連接一個寫進程和一個讀進程的并允許它們以生產(chǎn)者-消費者方式進行通信的一個共享文件，又稱為pipe文件。無名管道是一個臨時文件，是利用系統(tǒng)調(diào)用pipe（）建立起來的無名文件，沒有路徑名，只有調(diào)用pipe的進程及其子孫進程才能識別此文件描述符而利用改文件（管道）進行通信；有名管道是利用mknod系統(tǒng)調(diào)用建立的，是可以在文件系統(tǒng)中長期存

9、在的，既有路徑名的文件，其他進程可以知道其存在，并利用該路徑名來訪問該文件。9. 多進程架構(gòu)，多線程應(yīng)用實例答：（1）多進程的案例：Nginx主流的工作模式是多進程模式；幾乎所有的web sever服務(wù)器服務(wù)都有多進程；Chrome瀏覽器是多進程方式；Redis，多進程單線程。（2）多線程的案例：桌面軟件，響應(yīng)用戶輸入的是一個線程，后臺程序處理是另外的線程；Memcached10. 用戶級線程，系統(tǒng)級線程，及二者區(qū)別答：線程的兩個基本類型是：用戶級線程和系統(tǒng)級線程（核心級線程）。用戶級線程的管理過程全部由用戶程序完成，操作系統(tǒng)內(nèi)核只對進程進行管理。核心級線程由操作系統(tǒng)內(nèi)核進行管理。操作系統(tǒng)內(nèi)核

10、給應(yīng)用程序提供相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用和應(yīng)用程序接口API，以使用戶程序可以創(chuàng)建、執(zhí)行、撤銷進程。用戶級線程有較高的靈活性和高效率，但并發(fā)能力較差。核心級線程有較好的并行能力，一個進程內(nèi)的線程阻塞不會影響該進程內(nèi)的其他線程，但線程管理的開銷過大，缺乏靈活性。11. 進程和程序的區(qū)別答：（1）進程是一個動態(tài)概念，而程序是一個靜態(tài)概念，程序是指令的有序集合，無執(zhí)行含義，進程則強調(diào)執(zhí)行的過程。（2）進程具有并行特征（獨立性，異步性），程序則沒有。（3）不同的進程可以包含同一個程序，同一程序在執(zhí)行中也可以產(chǎn)生多個進程。12. 什么是互斥？什么是同步？答：進程間的互斥是指：一組并發(fā)進程中的一個或多個程序段，因共享

11、某一公有資源而導(dǎo)致它們必須以一個不許交叉執(zhí)行的單位執(zhí)行，即不允許兩個以上的共享該資源的并發(fā)進程同時進入臨界區(qū)。進程間的同步是指：異步環(huán)境下的一組并發(fā)進程因直接制約互相發(fā)送消息而進行互相合作、互相等待，各進程按一定的速度執(zhí)行的過程。13. 互斥有哪幾種可能的實現(xiàn)方法答：對臨界區(qū)加鎖實現(xiàn)互斥；用信號量實現(xiàn)并發(fā)進程互斥；用P,V原語實現(xiàn)進程互斥14. 分析加鎖法的原理和存在的問題答：當某個進程進入臨界區(qū)之后，他將鎖上臨界區(qū)，直到它退出臨界區(qū)時為止。并發(fā)進程在申請進入臨界區(qū)時，首先測試該臨界區(qū)是否是上鎖的。如果非臨界區(qū)已被鎖住，則該進程要等到臨界區(qū)開鎖之后才有可能獲得臨界區(qū)。設(shè)臨界區(qū)的類名為S。為了保

12、證每一次臨界區(qū)中只能有一個程序段被執(zhí)行，又設(shè)鎖定位keyS。keyS標識該鎖定位屬于類名為S臨界區(qū)。加鎖后的臨界區(qū)程序描述如下。Lock(keyS)<臨 界 區(qū)>Unlock(keyS)設(shè)keyS=1時表示類名為S的臨界區(qū)可用，keyS=0時表示類名為S的臨界區(qū)不可用。則Unlock(keyS)只用一條語句即可實現(xiàn)。keyS1不過，由于Lock(keyS)必須滿足keyS=0時，不允許任何進程進入臨界區(qū)，而keyS=1時僅允許一個進程進入臨界區(qū)的推測，因而實現(xiàn)起來較為困難。15. 線程的概念，進程與線程的區(qū)別答：傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中只允許線程中有一個執(zhí)行引擎，而現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，進程可以包

13、含多個執(zhí)行引擎。每個執(zhí)行引擎稱為線程。線程是進程的一部分，有時被稱為輕權(quán)進程或輕量級進程，和線程一樣是CPU調(diào)度的一個單位。線程與進程的區(qū)別可歸納為以下4點： （1）地址空間和其它資源（如打開文件）：進程間相互獨立，同一進程的各線程間共享。某進程內(nèi)的線程在其它進程不可見。（2）通信：進程間通信IPC，線程間可以直接讀寫進程數(shù)據(jù)段（如全局變量）來進行通信需要進程同步和互斥手段的輔助，以保證數(shù)據(jù)的一致性。（3）調(diào)度和切換：線程上下文切換比進程上下文切換要快得多。（4）在多線程OS中，進程不是一個可執(zhí)行的實體。第四章 處理機調(diào)度1. 最短作業(yè)優(yōu)先法（SJF）的原理，存在的問題及改進方法答：（1）定義

14、：對優(yōu)先執(zhí)行時間短的作業(yè)（進程）優(yōu)先分配處理機。通常后來的短作業(yè)不搶先正在執(zhí)行的作業(yè)。（2）缺點：對長作業(yè)非常不利，可能長時間得不到執(zhí)行；未能依據(jù)作業(yè)的緊迫程度來劃分執(zhí)行的優(yōu)先級；難以準確估計作業(yè)（進程）的執(zhí)行時間，從而影響調(diào)度性能。（3）改進方法：最高響應(yīng)比優(yōu)先法（HRN）是對FCFS方式和SJF方式的一種綜合平衡。HRN調(diào)度策略同時考慮每個作業(yè)的等待時間長短和估計需要的執(zhí)行時間長短，從中選出響應(yīng)比最高的作業(yè)投入執(zhí)行。2. 什么是分級調(diào)度答：一般來說，處理機調(diào)度可以分為4級。（1）作業(yè)調(diào)度。又稱宏觀調(diào)度或高級調(diào)度。（2）交換調(diào)度。又稱中級調(diào)度。（3）進程調(diào)度。又稱微觀調(diào)度或低級調(diào)度。（4）線

15、程調(diào)度。調(diào)度關(guān)系如圖4.13. 進程調(diào)度的功能答：（1）記錄系統(tǒng)中所有進程的執(zhí)行情況；（2）選擇占有處理機的進程；（3）進行進程上下文切換。4. 常見的進程調(diào)度算法答：（1）先來先服務(wù)（FCFS）調(diào)度算法；（2）輪轉(zhuǎn)法；（3）多級反饋輪轉(zhuǎn)法；（4）優(yōu)先級法；（5）最短作業(yè)優(yōu)先法；（6）最高響應(yīng)比優(yōu)先法。第五章 存儲管理1. 虛存的概念答：將進程中的目標代碼、數(shù)據(jù)等虛擬地址組成的虛擬空間稱為虛擬存儲器。虛擬存儲器不考慮物理存儲器的大小和信息存放的實際位置，只規(guī)定每個進程中互相關(guān)聯(lián)信息的相對位置。每個進程都有自己的虛擬存儲器，且虛擬存儲器的容量是由計算機的地址結(jié)構(gòu)和尋址方式確定的。2. 頁式管理、

16、段式管理、段頁式管理中的地址變換過程答：如圖分別是頁式管理、段式管理、段頁式管理中的地址變換過程3. 有快表時的平均存取時間計算例：有一頁式系統(tǒng)，其頁表存放在主存中：（1）如果對主存一次存取需要1.5s，實現(xiàn)一次頁面訪問的存取時間是多少？（2）如果系統(tǒng)加有快表，平均命中率為85%，當頁表項在快表中時，查找時間忽略為0，問此時的平均存取時間是多少？答：若頁表存放在主存中，則要實現(xiàn)一次頁面訪問需兩次訪問主存：一次是訪問頁表，確定所存取頁面的物理地址（稱為定位）。第二次才根據(jù)該地址存取頁面數(shù)據(jù)。頁表在主存的存取訪問時間=1.5×2=3（s）增加快表后的存取訪問時間=0.85×1.

17、5+（1-0.85）×2×1.5=1.725（s）4. 局部性原理答：局部性原理是指CPU訪問存儲器時，無論是存取指令還是存取數(shù)據(jù)，所訪問的存儲單元都趨于聚集在一個較小的連續(xù)區(qū)域中。5. 頁式管理、段式管理、段頁式管理的實現(xiàn)原理及對比分析答：（1）頁式管理：將各進程的虛擬空間劃分成若干個長度相等的頁(page)，頁式管理把內(nèi)存空間按頁的大小劃分成片或者頁面（page frame），然后把頁式虛擬地址與內(nèi)存地址建立一一對應(yīng)頁表，并用相應(yīng)的硬件地址變換機構(gòu)，來解決離散地址變換問題。頁式管理采用請求調(diào)頁或預(yù)調(diào)頁技術(shù)實現(xiàn)了內(nèi)外存存儲器的統(tǒng)一管理。 （2）段式管理：把程序按內(nèi)容或過程

18、（函數(shù)）關(guān)系分成段，每段有自己的名字。一個用戶作業(yè)或進程所包含的段對應(yīng)一個二維線形虛擬空間，也就是一個二維虛擬存儲器。段式管理程序以段為單位分配內(nèi)存，然后通過地址影射機構(gòu)把段式虛擬地址轉(zhuǎn)換為實際內(nèi)存物理地址。程序通過分段(segmentation)劃分為多個模塊，如代碼段、數(shù)據(jù)段、共享段。其優(yōu)點是：可以分別編寫和編譯?？梢葬槍Σ煌愋偷亩尾扇〔煌谋Ｗo?？梢园炊螢閱挝粊磉M行共享，包括通過動態(tài)鏈接進行代碼共享。 （3）段頁式管理：如右圖（4）對比分析： 方法功能頁式段式段頁式靜態(tài)動態(tài)適用環(huán)境多道多道虛擬空間一維二維重定位方式動態(tài)分配方式靜態(tài)或動態(tài)頁為單位非連續(xù)動態(tài)分配段為單位非連續(xù)動態(tài)分配頁為單

19、位非連續(xù)釋放執(zhí)行完畢釋放淘汰與執(zhí)行完后釋放保護越界保護與控制權(quán)保護內(nèi)存擴充覆蓋與交換技術(shù)外存、內(nèi)存統(tǒng)一管理的虛存共享較難方便硬件支持地址變換機構(gòu)，中斷機構(gòu)保護機構(gòu)段氏地址變換機，保護與中斷，動態(tài)連接結(jié)構(gòu)6. 存儲管理的主要功能答：虛擬存儲器；地址變換；內(nèi)外存數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂疲粌?nèi)存的分配與回收；內(nèi)存信息的共享與保護7. 常用的內(nèi)存信息保護辦法答：常用的內(nèi)存信息保護辦法有：硬件法：上下界保護法；軟件法：保護鍵法；軟硬件結(jié)合法：界限寄存器與CPU的用戶態(tài)或核心態(tài)工作方式相結(jié)合的保護方式。8. 動態(tài)分區(qū)管理的常用內(nèi)存算法有幾種？比較它們各自的優(yōu)缺點答：動態(tài)分區(qū)式管理的常用內(nèi)存分配算法有最先適應(yīng)法（FF）

20、、最佳適應(yīng)法（BF）和最壞適應(yīng)法（WF）。優(yōu)缺點比較：從搜索速度上看最先適應(yīng)法最佳，最佳適應(yīng)法和最壞適應(yīng)法都要求把不同大小的空閑區(qū)按大小進行排隊。從回收過程來看，最先適應(yīng)法也是最佳，因為最佳適應(yīng)法和最壞適應(yīng)法都必須重新調(diào)整空閑區(qū)的位置。最佳適應(yīng)法找到的空閑區(qū)是最佳的，但是會造成內(nèi)存碎片較多，影響了內(nèi)存利用率，而最壞適應(yīng)法的內(nèi)存碎片最少，但是對內(nèi)存的請求較多的進程有可能分配失敗。第八章 文件系統(tǒng)1. 文件的物理結(jié)構(gòu)有哪幾種及其工作原理答：（1）連續(xù)文件；（2）串聯(lián)文件；（3）索引文件。2. 串聯(lián)文件結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點分析答：（1）優(yōu)點：提高了磁盤空間利用率，不需要為每個文件預(yù)留物理塊；有利于文件插入和

21、刪除；有利于文件動態(tài)擴充。（2）缺點：存取速度慢，不適于隨機存?。划斘锢韷K間的鏈接指針出錯時數(shù)據(jù)丟失；更多的尋道次數(shù)和尋道時間；鏈接指針占用一定空間，降低了空間利用率。3. 常用的文件存儲設(shè)備的管理方法及優(yōu)缺點分析答：方法：空閑文件目錄，位示圖，空閑塊鏈。 優(yōu)缺點：（1）空閑文件目錄管理方法實現(xiàn)簡單，適于連續(xù)文件結(jié)構(gòu)的文件存儲區(qū)的分配與回收。但是由于回收時不進行合并，所以使用該方法容易產(chǎn)生大量的小空閑區(qū)；（2）位示圖法在查找空閑塊時無須啟動，但要占用空間； （3）空閑物理塊鏈法簡單，但因多次啟動I/O效率較低。4. 文件目錄的概念答：一個計算機系統(tǒng)中有成千上萬個文件，為了便于對文件進行存取和管理，計算機系統(tǒng)建立文件的索引，即文件名和文件物理位置之間的映射關(guān)系，這種文件的索引稱為文件目錄。5. 單級目錄、二級目錄、多級目錄的比較6. 文件系統(tǒng)的層次模型答：依次為：用戶接口；符號文件系統(tǒng)層；基本文件系統(tǒng)層；存取控制驗證層；邏輯文件系統(tǒng)層；物理文件系統(tǒng)層；文件存儲設(shè)備分配模塊和設(shè)備策略模塊；啟動輸入輸出層。第九章 設(shè)備管理1. 外設(shè)與內(nèi)存之間的常用數(shù)據(jù)傳送控制方式，各自的適用范圍及優(yōu)缺點答：（1）程序直接控制方式：其特點是控制簡單，所需硬件支持少。其缺點是CPU和外部設(shè)備只能串行工作，CPU的利用率低；不能實現(xiàn)設(shè)備之間的并行工作；只適用于那些