操作系统考前整理

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1、一操作系统概论1.1.1 操作系统的概念操作系统是配置在计算机硬件平台上的第一层软件，是一组控制和管理计算机系统硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，并为用户使用计算机提供方便的程序和数据的集合 理解操作系统的四种观点： 用户观点。操作系统是用户与计算机之间的接口，是用户使用计算机的界面。 系统观点。操作系统是计算机系统资源的管理者和控制中心。 软件观点。操作系统是与硬件直接相邻的第一层软件，其它软件和程序的运行都依赖于它的支持。 系统发展观点。操作系统是一台虚拟扩展机，是对计算机硬件功能的首次扩充。1.1.2 操作系统的分层结构1. 内核层：操作系统的核心部分，提供基础性、结构性的基本功

2、能，是唯一直接与硬件打交道的层次。2. 服务层：接受来自应用程序或命令层的服务请求，并将这些服务请求翻译成详细的指令传送给内核，或将处理结果送回给请求服务的程序。 I I 硬 #八！/ 访问I/O设备。 访问存储设备。 文件操作。 其他服务。3. 命令层：提供了用户接口界面，是操作系统中唯一直接与用户打交道的部分。1.1.3 操作系统的特征1. 并发性。在多道程序环境下，宏观上在一段时间内有多道程序在内存中同时运行，但每一时刻仍然只有一道程序执行，这些程序是分时交替地执行。区别 ：并行性,两个事件同时发生2. 共享性。指系统资源可以供内存中的多个并发程序共同使用。 互斥共享 同时共享并发性和共

3、享性是操作系统的两个最基本的特征。3. 虚拟性。将一个物理实体映射为若干个逻辑实体。4. 异步性。指程序的执行过程和执行结果的不可预测1.1.4 操作系统的功能1. 处理机管理 进程控制。 进程同步。 进程通信。 进程调度。2. 存储器管理 内存分配。 内存保护。 地址映射 内存扩充。3. 设备管理 缓冲管理。 设备分配。 设备处理。4. 作业管理 提供安全的用户登录方法和方便的用户使用界面。提供直观的用户信息记录形式。 提供公平的作业调度策略。5. 文件管理 文件存储空间管理。 目录管理。 文件读/写管理。 文件保护。1.3 操作系统的分类1.3.1 批处理操作系统 用户将一批作业提交给操作

4、系统后，就由操作系统来控制它们自动运行，不需要用户干预。1. 单道批处理系统磁带上的各道用户作业顺序地进入内存，正常情况下，各道用户作业完成的顺序与它们进入内存的顺序完全相同。(1) 联机单道批处理系统联机就是指用户作业的I/O操作完全是由CPU来控制和处理的。(2) 脱机单道批处理系统脱机是指用户作业的 I/O 操作完全脱离了主机的控制。单道批处理系统的特点：单道性独占性自动性封闭性2. 多道批处理系统 多道就是允许多个用户作业同时进入内存交替执行，共享系统资源。多道批处理系统的主要性能技术指标 资源利用率：资源利用率=作业(程序、进程)占用设备的总时间十作业(程序、进程)运行的总时间。吞吐

5、量周转时间 多道批处理系统的特点：多道性：共享性无序性调度性：作业完成需要两次调度：作业调度和进程调度。1.3.2 分时操作系统多用户多任务、交互式的操作系统。1.3.3 实时操作系统 实时系统对可靠性和安全性的要求极高2. 实时系统与分时系统的区别实时系统能够在限定的时间内执行完所规定的功能，并能在限定的时间内对外部异步事件作出响应。分时系统按照相等的时间片调度用户作业轮流运行，作业运行的优先级由调度程序自动计算，而不由 用户控制，系统无法实时响应外部异步事件。1.3.4网络操作系统(NOS)1.3.5 分布式系统各台计算机之间无主次之分，任意两台计算机之间可以进行信息交换和资源共享。 分布

6、式操作系统是一个统一的操作系统。 资源进一步共享。 透明性。 自治性。分布式和可靠性是分布式系统的最大优点。1.4 操作系统的运行环境(1) 特权 特权指令只能供操作系统使用，不允许用户程序使用。指令和非特权指令非特权指令是允许用户程序直接使用的指令。操作系统既可使用特权指令，也可使用非特权指令。(2) 处理器状态 管态目态 目的，是为了保护操作系统程序(2)操作系统对主存采取的存储保护方法界地址寄存器存储保护键1.4.2 中断和异常5种中断的优先级由高到低依次为：机器故障中断-访管中断-程序中断-外中断-I/O中断。1)异常的定义异常又称为“陷入”。是由正在执行的程序自身产生的，并且是与程序

7、的运行同步产生的。因此，异常不可屏蔽(2)产生异常的原因 程序错误。 系统调用。二进程管理程序的顺序执行有3个特征： 1.顺序性。 2.封闭性。 3.可再现性。2.1.2 程序的并发执行2. 程序的并发执行指两个或两个以上的程序，在系统中处于已经开始执行，但尚未结束的状态。例如，输入、计算、打印三个程序，对一批作业进行处理时，存在以下的前趋关系：Ii - Ci, IF Ii+1, Ci-Pi, Ci-Ci+1, Pi-Pi+13. 程序并发执行的特征 1)间断性。 (2)失去封闭性。 (3)不可再现性。1. 什么是进程？ 进程是OS结构的基础。 进程是一个正在执行的程序。 进程是程序在一个数据

8、集合上顺序执行时发生的活动。 可以分配给处理器并由处理器执行的一个实体。3. 进程的特征动态性。并发性。 独立性。 异步性。 结构性。动态性、并发性和异步性是进程最基本的特征。4. 进程与程序的关系 进程是动态的，程序是静态的。 进程是暂时的，程序是永久的。 程序是进程的组成部分之一。 一个已存在的进程可以创建新的进程，一个已存在的程序不能形成新的程序。2.2.1PCBPCB 是标识进程的存在、刻画进程瞬间特征的数据结构。PCB能够唯一标志一个进程，OS通过检测PCB的存在来感知一个进程的存在，通过PCB来管理和控制进程的运行。2.2.2 进程状态一个进程可以有创建、阻塞、就绪、运行、结束五种

9、状态。其中，运行、就绪、阻塞是一个进程的基本状态， 创建-就绪 就绪-运行 运行-结束 运行-就绪 运行-阻塞 阻塞-就绪 就绪-结束 阻塞-结束例2.1 :在一个分时OS中，进程可能出现如图2.5所示的进程状态转换，请分析该示意图，说明有哪5种进程状态转换，并简要说明产生对应转换的原因。解：1.运行态-就绪态。正在运行中的进程因处理机时间片用完，必须让出处理机，由运行态-就绪态。2. 运行态-阻塞态：正在运行中的进程因为请求数据资源而被阻塞，从运行态-阻塞态。3. 运行态-阻塞态：正在运行中的进程因等待I/O设备而由运行态-阻塞态。4. 阻塞态-就绪态：被阻塞的进程因获得数据资源而由阻塞态-

10、就绪态。5. 阻塞态-就绪态：被阻塞的进程因获得I/O设备由阻塞态-就绪态。例2.2 :进程A的工作流程如图2.6所示，如果该进程只有就绪、运行、阻塞三种状态，并且进程A被进程调度程序选中后即可投入运行，时间片q=200ms，请顺序列出进程A从开始到结束，所经历的主要状态转换过程并简要说明原因。简求二;卩虧过i-紀皿i-紀皿阳2,5逊住朮工比竝I解：进程A从开始到结束，经历了 7次状态转换。(1) 运行态-就绪态：一开始，进程A被调度程序选中投入运行，做完200ms计算操作后，因时间片到，必须让出处理机，由运行态-就绪态。进程A的计算操作尚需50ms才能完成。(2) 运行态-阻塞态：某时刻，进

11、程A重新被调度投入运行，完成剩余的50ms计算操作后，请求磁盘I/O而等待，由运行态-阻塞态。(3) 就绪态-运行态：当进程A获得磁盘I/O后，具备了运行的条件，由就绪态-运行态。(4) 运行态-阻塞态。进程A再做50ms计算操作后，请求磁带I/O而等待，由运行态-阻塞态。(5) 运行态-就绪态。当磁带I/O请求满足后，进程A由阻塞态-就绪态，某时刻又被调度程序选中执行，从就绪态-运行态，但做200ms计算操作后，由于时间片用完，必须让出处 理机，从运行态-就绪态。(6) 就绪态-阻塞态。某时刻，调度程序选中进程A执行，但因进程A又提出打印请求，从就绪态-阻塞态 运行态：进程在处理机上运行时的

12、状态。 活跃就绪态：进程在主存并且可被调度的状态。 静止就绪（挂起就绪）：进程被对换到外存时的就绪状态，为不能被直接调度的状态，只有当主存中没有活跃就绪态进程，或者是挂起就绪态进程具有更高的优先级，系统将把挂起就 绪态进程调回主存并转换为活跃就绪。 活跃阻塞态：进程已在主存，一旦等待的事件产生便进入活跃就绪状态。 静止阻塞态：进程对换到外存时的阻塞状态，一旦等待的事件产生便进入静止就绪状态。1. 处理机的三级调度运行频率：低级调度-中级调度-高级调度。响应时间=计算完成所消耗的时间/预计要消耗的时间计算完成所消耗的时间=等待时间+运行时间例2.3 ：一个作业8:00到达系统，其估计运行时间为

13、1小时。若10:00 开始运行该作业，计算响应时间。解：响应时间=计算完成所消耗的时间/预计要消耗的时间，消耗时间=等待时间+运行时间=2+1=3 小时。作业预计运行时间 1 小时，所以响应时间=3/1=3 小时。2.4.5 处理机的典型调度算法1. FCFS 调度算法按照作业或进程进入系统的先后顺序调度运行。特点： 比较有利于长作业，而不利于短作业。 有利于CPU繁忙的作业，不利于I/O繁忙的作业。例2.4 :假设有3个作业同时到达系统。J1运行 2.5小时，J2和J3各运行20分钟。系统按J1、J2、J3的顺序运行。计算它们的平均等待时间，并画出3个作业运行时的甘特图。解：平均等待时间=

14、（0+150+170）/3507（分钟）。3 个作业运行的甘特图如下：例2.5 :假设系统中有3个进程P1、P2和P3，它们的运行时间依次为24ms、3ms、5ms。 如果进程以P1、P2、P3的顺序在0时刻到达系统，并采用FCFS调度算法，画出3个进程执行的甘特图。 计算其平均等待时间。解：P1、P2、P3顺序到达时，3个进程的执行甘特图如下：P內1111iiiiii111 进程时间（单位：ms）CPU024 27323个进程的平均等待时间二（0+24+27） /3=17mso2, SJF调度算法在作业（进程）队列中选择运行时间最短的作业（进程）来运行口作业（进程）的运行时间有4种相关时间:（1）周转时间。指作业提交到完成之间的时间间隔作业i的周转时间Ti可表示为：TTci-Tsi （周转时间二完成时间-提交时间）（2）平均周转（等待）时间。指多个作业周转时间的平均 值。n个作业的平均周转吋间T可表示为：T=(T1+T2+-+Tn)/n例2.6 :假设3个作业同时到达系统，J】运行2.5小时，J2和J3各运行20分钟。系统按SJF算法运行这3个作业，计算3个作业的平均等待时间。解： 3 个作业的平均等待时间=（0+20+40）/3=20（分钟）（3）带权周转时间。指作业（进程）的周转时间与作业（进程）实际运行时间之比。W i=T/Ts（带权周转