操作系统核心概念解析-优快云博客

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本文深入探讨操作系统中的并发性、进程状态转换、局部性原理、链接方式、设备独立性、磁盘访问优化、缓冲区作用、死锁预防和同步机制。通过实例解析信号量的PV操作，介绍了系统调用的本质与实现，以及SPOLLING技术在提高I/O效率中的应用。

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1.说明一下并发的概念，并解释并发对操作系统为什么这么的重要？

并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生。而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

作用：正是系统中的程序能并发执行这一特征，才使得OS能有效的提高系统中资源利用率，增加系统的吞吐量。并发特征是操作系统最重要的特征，是其他特征的前提。

并发性是指在一段时间内宏观上有多个程序在运行，微观上这些程序只能分时的交替运行。

2.进程最基本的状态的转换。就绪、运行、阻塞。他们在什么情况下进行转换的。

进程的三种基本状态

就绪状态

当进程分配了除了CPU以外的所有必要的资源后，只要能在获得处理机，便可立即执行。这时的进程状态称为就绪状态。

执行状态

进程已经获得处理机，其程序正在执行。

阻塞状态

进程因发生某事件（如请求I/O，申请缓存空间等）而暂停执行的状态，亦即进程的执行受到阻塞，故称这种状态为阻塞状态，有时也称为“等待”或“睡眠”状态。

什么情况下互相转换

处于就绪状态的进程，在调度程序为之分配了处理机之后便可执行。
正在执行的进程如果因为分配给她的时间已完会被剥夺处理机暂停执行。
如果因为发生某事件，导致当前的进程受阻（例如进程访问某临界资源，而该资源正在被其他进程访问时），使之无法继续执行，则该进程状态由执行转变为受阻。

3.程序能够运行,保证性能不会有太大的损失是基于什么原理？

局部性原理

定义

程序在执行时将呈现出局部性规律，即在以较短的时间内，程序的执行仅限于某个部分，相应的，他所访问的存储空间也局限于某个区域。

表现

时间局限性

如果程序中的某条指令被执行，则不久以后该指令可能再次执行；如果程序中的某数据被访问过，则不久以后该数据可能再次被访问；

产生的原因:程序中存在着大量的循环操作。

空间局限性

一旦程序访问了某个存储单元,在不久之后,其附近的存储单元也将被访问,即程序在一段时间内所访问的地址可能集中在一定的范围之内,其典型的情况就是程序的顺序进行。

4.静态链接、动态链接（装入时动态链接和运行时动态链接）这三种链接有什么不同，对你编程有什么启示。即各自的优缺点。

静态链接方式

在程序运行之前,先将各目标模块及他们所需的库函数链接成一个完整的装配模块,以后不再拆分.我们将这种先进性链接的方式称为静态链接方式。

需解决:

对相对地址进行修改。
变换外部调用符号。

装入时动态链接

这是指将用户源程序编译后所得的一组目标模块，在装入内存时，采用边装入边链接的方式。

优点：

便于修改和更新。
便于实现对目标模块的共享。

运行时动态链接

在程序执行过程中，当发现一个被调用模块尚未装入内存时，立即由OS找到该模块，并将之装入内存，将其链接到装入模块上。

优点：加快程序的装入过程，节省了大量的内存空间。

5.在设备管理中，解释一下设备独立性的概念，它是为了解决什么问题，是如何做到的。

如果在程序中使用由“设备类、相对号”定义的逻辑设备，那么在程序执行时，系统将根据用户指定的逻辑设备转换为其对应的具体物理设备，并启动该物理设备工作。
设备独立性是指用户编制程序时使用的设备与实际使用哪台设备无关的特性。

设备独立性，即应用程序独立于具体使用的物理设备。为了实现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备这两个概念。在应用程序中，使用逻辑设备名称来请求使用某类设备；而系统在实际执行时，还必须使用物理设备名称。因此，系统须具有将逻辑设备名称转换为某物理设备名称的功能。

设备独立性是指操作系统把所有外部设备统一当作成文件来看待，只要安装它们的驱动程序，任何用户都可以象使用文件一样，操纵、使用这些设备，而不必知道它们的具体存在形式。

原因：为了提高操作系统的可适应性和可扩展性。

优点：（1）设备分配时的灵活性；（2）易于实现I/O重定向(指用于I/O操作的设备可以更换即重定向，而不必改变应用程序)。

解决的问题:用户和物理的外围设备无关，系统增减或变更外围设备时程序不必修改；易于对付输入输出设备的故障，例如，某台行式打印机发生故障时，可用另一台替换，从而提高了系统的可靠性，增加了外围设备分配的灵活性，能更有效地利用外围设备资源，实现多道程序设计技术。

如何做到的:为了实现设备的独立性，应引入逻辑设备和物理设备两个概念。在应用程序中，使用逻辑设备名称来请求使用某类设备；而系统执行时，是使用物理设备名称。鉴于驱动程序是一个与硬件（或设备）紧密相关的软件，必须在驱动程序之上设置一层软件，称为设备独立性软件，以执行所有设备的公有操作、完成逻辑设备名到物理设备名的转换（为此应设置一张逻辑设备表）并向用户层（或文件层）软件提供统一接口，从而实现设备的独立性。

6.磁盘访问时间由哪些部分构成的？有哪些方法可以优化磁盘访问时间？

磁盘访问时间分成以下3部分

寻道时间Ts。这是指磁头移动到指定磁道上所需要的时间。
Ts = m * n + s
n为磁头的时间
s为磁臂的时间
旋转延迟时间T饕。这是指定扇区移动到磁头下面所需要的时间。
传输时间Tt。这是指把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。
Tt = b/rN
其中r是磁盘每秒的转速,N为一条磁道上的字节数,b是每次读写的字节数。

优化磁盘访问时间

首先可以通过选择最佳的磁盘调度算法，以使各进程对磁盘的平均访问时间最小,减少磁盘的寻道时间；其次通过提高磁盘I/O速度，以提高文件的访问速度；

提高磁盘I/O速度的途径

磁盘高速缓存
在磁盘中为磁盘盘块设置一个缓冲区，保存了某些盘块副本。
其他方法
1. 提前读
2. 延迟写
3. 优化物理块分布
4. 虚拟盘
  用内存空间仿真磁盘，形成虚拟盘，又称RAM盘，该盘的设备驱动程序可以接受所有标准的磁盘操作，但是操作执行不在磁盘而在内存中。

虚拟盘与磁盘高速缓冲的区别

虚拟盘中内存完全由用户控制，而磁盘高速缓存是由OS控制，RAM盘刚开始是空的，仅当用户在RAM盘中创建了文件后，RAM盘中才有内容。

7.引入缓冲区可以减少CPU的中断频率，可以延长中断响应时间？

缓冲的引入:

缓和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾。
减少对CPU的中断频率,放宽对CPU中断响应时间的限制。在数据通信中,如果从远地终端发来的数据仅用一位缓冲来接收,则必须每收到一位数据中断一次CPU。
解决数据粒度不匹配的问题。
提高CPU和I/O设备之间的并行性。

8.预防死锁有哪些方法（破坏协议）

破坏“请求和保持”条件
破坏“不可抢占”条件

死锁的定义:如果一组进程中的每一个进程都在等待仅由该组进程中的其他进程才能引发的条件,那么该组进程是死锁的。

产生死锁的必要条件

互斥条件
请求和保持条件
不可抢占条件
循环等待条件

9.信号量 PV操作

10.写一下记录型信号量，PV操作怎么实现的，怎么写？

wait(S)
{
    while(S<=0);
    S--;
}

signal(S)
{
    S++;
}

typedef struct {
    int value;
    struct procrss_control_block *list;
}semaphore;

wait(semaphore *S)
{
    s->value--;
    if(S->value<0)
            block(S->list);
}

signal(semaphore *S)
{
    s->value++;
    if(S->value<=0)
            wakeup(S->list);
}