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1.1_1_操作系统的概念、功能是王道计算机考研 操作系统的第2集视频，该合集共计84集，视频收藏或关注UP主，及时了解更多相关视频内容。

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PPT重点整理

1. 概述

2. 体系结构

3. 进程管理

4. 内存管理

5. 文件管理

期末考点整理

1. 概述

1. 操作系统的定义
从用户角度：资源分配器 | 从硬件角度：控制程序 | 从程序员角度：内核程序
操作系统是控制和管理计算机硬件和软件资源，合理组织计算机工作流程以及方便用户的程序集合。

2. 操作系统的设计目标
方便、有效
OS特征：并发性、共享性、异步性、虚拟性
发展规律：由底层硬件、软件技术和上层应用需求的发展所推动的。每一步都是权衡的结果。

3. 操作系统的组成部分与设计目的
1. 进程管理—负责进程管理活动：创建和删除、挂起和继续、同步、通信等
2. 辅存管理—负责硬盘管理：空闲空间分配、调度，让文件便于查找
3. 主存管理—负责记录内存块使用状况、替换、分配与释放，让CPU高效利用内存
4. I/O管理—管理I/O设备
5. 文件管理—管理磁盘上的文件：创建/删除、读写、文件映射、备份、提供操作文件与目录的原语
6. 保护系统—控制程序、进程与用户可访问的计算机资源的机制
7. 联网—通信、共享资源
8. 命令解释系统—用来接收和解释控制语句（例：PowerShell）
a-e为功能模块
f-g为性能模块
OS的5大功能：文件管理、处理机管理、存储器管理、设备（IO）管理、提供用户与硬件系统之间的接口

4. 内核技术的发展
大内核→微内核→分层结构【不能跨层调用】→模块化→外核

5. 微内核
精心设计的、能实现现代OS核心功能（内存管理、CPU管理、设备管理、文件管理系统用户进程的形式，中断、原语、进程通信放入内核）的小型内核，通过消息传递来通信。
不是完整的操作系统，提供构建OS的基础

6. 同时性（并发和并行的区别）
并发：同一时刻发起，每个时刻交替执行（时间间隔）
并行：同一时刻发起，每个时刻一起执行（时刻）

7. 批处理等操作系统的特点：
操作系统发展阶段：手工->批处理->分时->平台（并行/分布）、分时（PC）、实时
速度低下->资源利用率|交互->处理紧急任务

8. 任务-进程-线程的关系
单个任务（作业）可分为多个进程，单个进程可以分为多个线程，同个进程的不同线程之间共享PCB和进程资源。

2. 体系结构

1. IO方式（硬件平台）



可编程I/O（PIO）：轮询检查IO状态
中断：交互时向处理器发出物理信号，不用轮询，适合少量数据
直接内存存取（DMA）：通过DMA控制器数据交换，不需要CPU切换上下文， 适合大量数据
通道技术：独立于CPU，专门负责数据IO传输的处理机，单边进出

2. 微内核结构（软件平台）
以微内核为OS核心，以客户/服务器为基础，采用面向对象程序设计特征，是当今最有发展前途的OS结构。
结构内容：

3. 进程管理

1. 为什么引入进程，为什么引入线程？从调度性、并发性、有用的资源和系统开销等方面如何区分和比较进程和线程、作业和线程？
线程是独立调度的基本单位，进程是资源分配的基本单位。
什么是进程：进程是执行中的程序/程序的执行，进程的执行有顺序要求。
进程的组成：PCB、程序（文本）、数据、栈。
引入进程：要求对各种程序提供更严的控制和更好的划分，以实现加载多个程序到内存来并发执行。
引入线程：为了减少类似任务创建进程的开销，将资源分配和处理机调度管理分开。可分为内核级线程和用户级线程，其对应关系为内1-用N，内核级线程的调度对用户是透明的。同时CPU资源N-内核N。
调度性：在无线程的OS中，进程为处理机调度的基本单位和资源分配的基本单位；在引入线程的OS中，进程仅作为资源调度的基本单位，而处理机调度的基本单位为线程。
并发性：进程之间可以并发，线程之间也可以并发
拥有的资源：进程拥有其对应的代码文本、栈、寄存器、数据；
而线程除了必要的栈和寄存器，几乎不占用系统资源，只存取所属的进程的资源
系统开销：进程的创建、调度、删除需要进行资源的重新调度，而线程不需要，因此进程的管理操作的开销比线程大。
在本教材，进程和作业的概念接近。

2. 进程状态迁移图
进程的5个状态：





创建：创建PCB，未分配资源
就绪：资源分配完成，仅剩CPU资源未分配
等待：中断，失去CPU资源，等待一部分非CPU资源到位
运行：得到CPU资源，生成进程
终止：进程执行完毕，释放内存资源
等待状态分为阻塞（在内存中等待）和挂起（在外存中等待）

---

就绪->运行：调度程序调度新的进程进入运行，一般因为调入前的运行进程中断/需要结果/优先级低于就绪状态进程/时间片消耗完毕。
运行->就绪：时间片结束/低优先级被调出。
以上为调度操作（进程选择+上下文切换）
运行->等待：原运行的进程缺少了资源
等待->就绪：原等待的进程具备了除CPU以外的所需资源

3. 进程的组成和PCB
进程的组成：PCB+栈、寄存器、数据、文本（程序代码段）
PCB：用于记录进程状态、CPU调度信息、寄存器、内存信息等进程相关信息的数据结构。

4. 进程间的关系；临界区；临界区的互斥访问
进程间关系：（竞争指的是竞争CPU，不是竞争其他资源；协作包括互斥和同步、通信）

1. 竞争：进程间互相不感知，彼此无影响
2. 共享协作：间接作用感知，一个进程依赖另一进程的结果
3. 通信协作：直接作用感知，一个进程依赖另一个进程发出的信息
4. 间接作用（互斥）：进程之间通过某种中介发生联系，是无意识的。
5. 直接作用（同步、通信）：进程间的联系是被程序刻意安排的。
6. 相交进程（协作）：指多个进程之间在逻辑上存在某种联系
7. 无关进程（竞争）：即多个进程之间在逻辑上没有联系
---
同步、互斥：指行为，而不是状态。
同步：共享彼此的私有资源而导致
互斥：共享公有资源导致
临界区：一次仅允许一个进程使用的资源为临界资源，进程中访问临界资源的那段代码称为临界区
涉及到信号量为1，即一次只能被一个进程占用的公有资源（临界资源）的程序段。也被称为互斥区。
临界区的访问原则：
有空让进、无空等待、多中择一、有限等待、让权等待

5. P/V操作的含义；信号量的含义；如何定义信号量的初值；如何利用P/V操作实现进程间的互斥和同步？例如单个缓冲区的读写问题和生产着消费者问题
P操作：申请一个信号量，S=S-1，修改后，S>=0则继续；S<0则将该进程加入阻塞队列。
V操作：释放一个信号量，S=S+1，修改后，S<=0则引起阻塞进程的重启；S>0则无重启。
信号量：表示资源的实体，一个与队列有关的整型变量。
信号量只能被初始化和P/V原语访问，访问信号量的进程不会被进程调度中断（意思是对信号量的修改是原子性的，不是说整个进程是原子性的）
信号量的含义：
S>0：表示还有S份资源可分配
S<0：表示有abs（S）个进程在队列中等待
S=0：表示无资源可分配
公用信号量初值1，私有信号量初值0或N
P/V必须成对出现：互斥则必须在同一个进程内成对；同步则必须在关联的不同进程内出现。

6. 高级通信方式中，理解send（）和receive（）的工作过程
高级通信方式：能够传输任意数量的数据，分类：共享存储区、管道、消息传递系统消息传递系统：
Send（）与Receive（）可以是同步/异步的
1. 直接通信：
Send（P,M）-Receive（P,M）：其中P为进程标识，M为message。此机制下，Send和Receive之间不存在消息队列。
2. 间接通信：
Send（A,M）-Receive（A,M）：其中A为邮箱，M为message。此机制下，需要相互通信的进程之间共享邮箱。
邮箱可以属于操作系统或者进程，因此进程可以创建/删除邮箱，创建者默认为邮箱拥有者，系统调用可以传递拥有权和接收权给其他进程。
多进程接收消息的解决机制（有三种）：
1. 允许一个邮箱只能允许两个进程的关联
2. 允许一次最多一个进程执行Receive（）
3. 允许操作系统随机选择一个进程执行Receive（）

7. 常用的进程调度算法；引起进程调度的事件有哪些？多级反馈队列调度算法的分析？
常用的进程调度算法：
1. FCFS算法（类似队列，先到先处理）→有空让位、无空等待
2. SJF算法（检测任务大小，最短的先处理）
3. 优先级调度算法→让权等待
4. RR算法（轮转调度算法）→有限等待
5. 多级队列算法
6. 多级反馈队列算法
引起进程调度的事件：
1. 处于running的进程中断（由于同步、互斥、时间片、优先度等原因）
2. 时间片启用、优先级高的进程就绪
多级反馈队列调度：
如何定义：
1. 队列数量
2. 各队列使用的调度算法
3. 用以处理进程何时升级到高优先级队列中的条件
4. 用以处理进程何时降级到低优先级队列中的条件
5. 用以处理进程创建时放入什么优先级的队列中的条件

8. 死锁的四个特征？如何针对这四个特征克服死锁？如何用资源分配图的方法判定死锁？
四个特征克服方式：
1. 互斥（资源）→几乎不能动，因为总有资源是共享的
2. 持有并等待（进程）→要求进程在申请资源时不可占用其他资源，或者进程申请资源时直接分配给该进程所有资源。前者允许申请部分资源，后者允许提前占有其他资源。问题：资源利用率低且容易发生饥饿
3. 非抢占（资源）→要求进程在占用资源时申请无法立即分配的资源时，将该进程持有的资源隐式地进行释放（即转变为都可被抢占状态），适用于状态可以保存和恢复的资源。一般不适用于互斥锁和信息量。
4. 循环等待（可用资源分配图反映）→给资源编号，要求进程按照编号顺序申请资源（在申请成功时需要先释放所有已有资源）
死锁避免（通过要求进程声明所需资源量，分配前判定是否会出现死锁来回避持有并等待）
死锁恢复（直接中止一个或多个进程来释放资源/抢占其他进程的资源）
资源分配图判定：
5. 图中无环则一定不死锁
6. 图中有环，则
1. 环内各个资源只有一个实例，那么必定死锁
2. 环内各个资源存在若干个实例，那么可能死锁

9. 三个层面的调度（高级调度、中级调度、低级调度）之间的区别
高级调度：也被称为作业调度/宏观调度。时间尺度一般是分钟、小时或天，发生频率低。高级调度的单位为作业。外存->内存。
中级调度：涉及内外存双向调度，调度的单位为进程，频率居中。
低级调度：也称为微观调度，涉及CPU（处理机）和内存之间的双向调度，发生频率高。

10. 同步、互斥、通信的概念
同步：由于进程之间拥有共享的私有资源，彼此间需要等待对方的执行结果/消息
互斥：由于进程之间共享公有资源，彼此间对公有资源有竞争
通信：允许进程间交换信息与数据的机制，有两种——共享资源/消息传递
通信是同步完成的方式。

4. 内存管理

1. 在动态分区分配中，分配算法有？如何实现？
基本原理：将内存分为一个个区（页），一个区分配给一个或多个进程。动态分区则是可以动态创建内存分区。问题：存在外碎片（固定分区则存在内碎片）
算法：
1. 最先适配：每次从头开始查找分区，选择第一个适配的分区
优点：分配简单，合并空闲区也方便
缺点：每次从头开始，低地址空闲空间不足，查找次数过多（开销大）
2. 循环最先适配：每次从上次选择的分区开始查找第一个适配的分区，如果查到最后一个分区则从头重新开始查找。
优点：分配和释放合并的效率高，空闲空间分配均匀
缺点：大的空闲区难以保留
3. 最佳适配：在所有大于等于要求分配的长度的分区内选择最小的分区，实现方式为将空闲空间管理表使用从小到大的排序。
优点：大的空闲区容易保留
缺点：合并与释放需要查表，开销上升
4. 最坏适配：分区时选择所有空闲区中最大的一块。
优点：分配时只需要查找一次
缺点：大空间无法保留，不能装载大程序

2. 什么是虚拟存储器？特征？其容量是如何确定的？
虚拟存储器：将用户逻辑内存和物理内存分开，利用外存的一部分空间作为物理内存的扩展，以此扩展逻辑内存的空间，方便大程序的执行和更多程序的并行，易于开发。
特征：
不连续性——物理内存分配不连续+虚拟地址空间使用的不连续性
部分交换
大空间
容量：不超过物理内存和外存交换区的总和

3. 请求分页机制中的页面置换算法有哪些？具体过程是？
1. FIFO：替换建立最早的页面，问题：性能差，抖动，Belady现象
2. OPT：选择未来不再使用或距离当前执行位置最远的页面替换，最理想的算法
3. LRU：选择距离过去N个页中最久不被使用的页进行替换
4. LFU：选择最久不被使用的页进行替换，每次使用页时访问计数器+1，调页时选最小的计数器的页替换。
5. Clock：每页添加标志位（use），访问时置1；置换时使用一个指针，从当前位置开始检查各页，找到第一个use=0的页作为替换页，并将过程中扫描到的use=1置0，最后指针停留在替换页的下一页。

4. 什么是快表？其中内容是？什么是页表？其结构是？
快表：即相联存储器，为缩短查找时间，可将页表从内存住装入到TLB（转换表缓冲区，联想寄存器），按内容查找。内容为键值对：页码-帧码（虚拟页号-物理页号）
页表：
1. 进程页表：系统为每个进程建立的表，用以存放逻辑页号和物理内存块号相应的关系，属于进程的现场信息（上下文）。
2. 物理页面表：整个系统唯一的物理页面表，描述物理内存空间的分配使用状况。
3. 请求表：整个系统唯一，描述各个进程页表的位置和大小。
页表结构：（请求页机制下）
页号+中断位+内存块号+外存地址+访问位+修改位

5. 缓冲池

5. 文件管理

1. 什么是文件、文件系统？文件系统的设计目标是？
文件：以硬盘为载体的储存在计算机上的信息集合
文件系统：对文件进行管理的操作系统的构成之一
目标：统一管理文件的存储空间，实施存储空间的分配与回收

2. 什么是文件的逻辑结构、物理结构？文件的物理结构有哪些？怎么实现？有什么特点？

3. UNIX的综合索引方式是怎么实现的？优点是？
直接间接->三级索引
灵活性：综合索引方式允许文件系统高效地管理不同大小的文件，从非常小到非常大。
存储效率：小文件只使用直接指针，这意味着没有浪费空间来存储不必要的间接块。
扩展性：对于大文件，使用间接、双间接和三间接指针可以支持非常大的文件。
随机访问：由于i-node结构为文件的每个块提供了一个指针，因此可以快速随机访问文件的任何部分，而无需遍历整个文件。
元信息集中存储：所有关于文件的元信息（如权限、所有者、时间戳等）都存储在i-node中，使得元信息的访问和修改都非常高效。
独立于文件名：由于i-node不存储文件名，因此文件的重命名和移动操作可以在不修改i-node的情况下完成。这也支持了UNIX中的硬链接功能，允许多个文件名引用相同的i-node。

4. 磁盘空闲空间的管理方法？图示成组链接法？其优点是？
管理方法：位示图或成组链接法
成组链接法：适用于大的外存，将空闲空间块链成链表，可以建立多级空闲空间的目录
优点：可扩展性强，适用于大的外存。

5. 什么是目录文件的组成？目的是？目录的改进方法和性能比较；常用的目录结构？
把所有FCB组织在一起，就构成了文件目录【FCB即目录项】。
为实现对文件目录的管理，通常将文件目录以文件形式保存在外存，这个文件就叫目录文件
改进：目录项分解为主部【除次】和次部【名字、号】
高效性、重命名、逻辑组

6. RAID的概念是？关键技术？
RAID：廉价磁盘冗余阵列
技术（SFT-III）特点：并行交叉存取
SFT-II：磁盘镜像&磁盘双工
SFT-I：双份目录和双份文件分配表、热修复重定向
SFT-I到III统称为磁盘容错技术，分别从低到高。

7. 文件操作中open函数的实现过程和完成的内容
Open（文件路径，打开方式）过程：
1. 根据文件路径查目录，找到FCB主部分
2. 根据打开方式、共享说明和用户身份检查访问合法性
3. 根据文件号查系统文件表，用以更新系统文件表：若已存在于系统文件表，则共享计数+1；否则利用FCB创建系统文件表的新项，并将共享计数置为1.
找FCB主部、检测访问合法性、查看系统文件打开表

8. 影响磁盘访问的因素有？列举几种磁盘调度算法和磁盘调度的时间
磁盘读取时间的影响因素：寻道时间、旋转延迟、数据传输
磁盘的存取时间：
一次访盘时间=寻道时间+旋转延迟时间+存取时间
磁盘调度：
目的：公平、高效
算法：FCFS、SSTF、SCAN、单向SCAN