操作系統(tǒng)知識點總結(原稿).doc

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：分配及回收內存；I/O設備管理：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)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)調用，編程人員使用系統(tǒng)調用來請求操作系統(tǒng)提供服務，例如申請和釋放外設等類資源、控制程序的執(zhí)行速度等。2. 什么是系統(tǒng)調用答：系統(tǒng)調用是操作系統(tǒng)提供給編程人員的唯一接口。編程人員利用系統(tǒng)調用，在源程序一級動態(tài)請求和釋放系統(tǒng)資源，調用系統(tǒng)中已有的系統(tǒng)功能來完成那些與機器硬件部分相關的工作以及控制程序的執(zhí)行速度等。因此，系統(tǒng)調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的功能。3. 系統(tǒng)調用與庫函數(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)的服務，函數(shù)在用戶空間內執(zhí)行，除非函數(shù)涉及到I/O操作。系統(tǒng)調用是要求操作系統(tǒng)為用戶提供進程，提供某種服務，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)庫調用是語言或應用程序的一部分，而系統(tǒng)調用是操作系統(tǒng)的一部分。系統(tǒng)調用時在操作系統(tǒng)內核發(fā)現(xiàn)一個“trap”或中斷后進行的（其中系統(tǒng)調用是軟中斷）。（3）庫函數(shù)是在系統(tǒng)調用上的一層包裝，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：占用內存大小及其管理用數(shù)據(jù)結構指針；對換或覆蓋用的有關信息；共享程序段大小及起始地址；輸入輸出設備的設備號，所要傳送的數(shù)據(jù)長度、緩沖區(qū)地址、緩沖區(qū)長度及所用設備的有關數(shù)據(jù)結構指針；指向文件系統(tǒng)結構的指針及有關標識。 （4）CPU現(xiàn)場保護結構：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指令和與內存管理相關的指令。另外，有部分內存區(qū)域僅在特權模式下可以被訪問到。特權模式可成為系統(tǒng)模式或系統(tǒng)態(tài)、控制模式或內核模式。非特權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。 以下三種情況導致進程被撤銷：（1）該進程已完成所要求的功能而正常終止；（2）由于某種錯誤導致非正常中止；（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之間必須互斥執(zhí)行。設公用信號量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) 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)調用pipe（）建立起來的無名文件，沒有路徑名，只有調用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)調用建立的，是可以在文件系統(tǒng)中長期存在的，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，多線程應用實例答：（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服務器服務都有多進程；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)內核只對進程進行管理。核心級線程由操作系統(tǒng)內核進行管理。操作系統(tǒng)內核給應用程序提供相應的系統(tǒng)調用和應用程序接口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，一個進程內的線程阻塞不會影響該進程內的其他線程，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，因共享某一公有資源而導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)。設臨界區(qū)的類名為S。為了保證每一次臨界區(qū)中只能有一個程序段被執(zhí)行，又設鎖定位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)Unlock(keyS)設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，有時被稱為輕權進程或輕量級進程，和線程一樣是CPU調度的一個單位。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：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，從而影響調度性能。（3）改進方法：最高響應比優(yōu)先法（HRN）是對FCFS方式和SJF方式的一種綜合平衡。HRN調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，從中選出響應比最高的作業(yè)投入執(zhí)行。2. 什么是分級調度答：一般來說，處理機調度可以分為4級。（1）作業(yè)調度。又稱宏觀調度或高級調度。（2）交換調度。又稱中級調度。（3）進程調度。又稱微觀調度或低級調度。（4）線程調度。調度關系如圖4.13. 進程調度的功能答：（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. 常見的進程調度算法答：（1）先來先服務（FCFS）調度算法；（2）輪轉法；（3）多級反饋輪轉法；（4）優(yōu)先級法；（5）最短作業(yè)優(yōu)先法；（6）最高響應比優(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構和尋址方式確定的。2. 頁式管理、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=1.52=3（s）增加快表后的存取訪問時間=0.851.5+（1-0.85）21.5=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存地址建立一一對應頁表，并用相應的硬件地址變換機構，來解決離散地址變換問題。頁式管理采用請求調頁或預調頁技術實現(xiàn)了內外存存儲器的統(tǒng)一管理。 （2）段式管理：把程序按內容或過程（函數(shù)）關系分成段，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存，然后通過地址影射機構把段式虛擬地址轉換為實際內存物理地址。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。可以針對不同類型的段采取不同的保護?？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保護內存擴充覆蓋與交換技術外存、內存統(tǒng)一管理的虛存共享較難方便硬件支持地址變換機構，中斷機構保護機構段氏地址變換機，保護與中斷，動態(tài)連接結構6. 存儲管理的主要功能答：虛擬存儲器；地址變換；內外存數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?；內存的分配與回收；內存信息的共享與保護7. 常用的內存信息保護辦法答：常用的內存信息保護辦法有：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)工作方式相結合的保護方式。8. 動態(tài)分區(qū)管理的常用內存算法有幾種？比較它們各自的優(yōu)缺點答：動態(tài)分區(qū)式管理的常用內存分配算法有最先適應法（FF）、最佳適應法（BF）和最壞適應法（WF）。優(yōu)缺點比較：從搜索速度上看最先適應法最佳，最佳適應法和最壞適應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，最先適應法也是最佳，因為最佳適應法和最壞適應法都必須重新調整空閑區(qū)的位置。最佳適應法找到的空閑區(qū)是最佳的，但是會造成內存碎片較多，影響了內存利用率，而最壞適應法的內存碎片最少，但是對內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. 文件的物理結構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)文件結構的優(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留物理塊；有利于文件插入和刪除；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)文件結構的文件存儲區(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；文件存儲設備分配模塊和設備策略模塊；啟動輸入輸出層。第九章 設備管理1. 外設與內存之間的常用數(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和外部設備只能串行工作，CPU的利用率低；不能實現(xiàn)設備之間的并行工作；只適用于那些CPU執(zhí)