Part2. 操作系统基本原理

一.操作系统基本概述

1.操作系统基本概述

  操作系统的作用是管理系统的硬件、软件、数据资源，控制程序运行
  人机之间的接口（例如windows系统，通过图形化界面，让人们直接操作图形化界面达到操作硬件的目的）
  软件与硬件之间的接口

2.微内核操作系统

  内核做得更小的操作系统。可靠性，稳定性，安全性都相对较高。

二.进程管理

1.进程状态转换图

  由于cpu资源非常宝贵，系统是通过时间片轮转算法分配cpu资源，每个进程只能运行一个时间片，时间片到期，转为就绪状态，等待下一次时间片的到来。
  进程的终止有两个阶段，1.等待操作系统进行善后处理 2.释放内存

  进程的状态：三状态模型
  运行状态：所有系统资源都给他配好
  就绪状态：除了cpu资源以外，其他资源都给他配好。
  等待（阻塞）状态：缺少cpu资源，和其他资源，等待操作系统分配资源和调度。

  进程的状态：五状态模型
  由于系统资源宝贵（包括cpu资源和内存资源），这时候必须将某些进程挂起，放到磁盘兑对换区，暂时不参加调度，以平衡系统负载，或者是系统故障，或者是用户调试程序人为挂起进程。所以出现了五状态模型，五状态模型是在三状态模型的基础上多了以下2种状态
  静止就绪状态：就绪进程被对换到辅存时的状态，不能被直接调度，需要先回到活跃就绪状态才能被调度。
  静止阻塞状态：阻塞进程被对换到辅存时的状态，不能被直接调度，需要先回到静止阻塞状态才能被调度。

2.前趋图

  前趋图：表达要完成的一系列活动的先后的约束关系（哪些任务可以并行执行，哪些任务有先后顺序关系）

3.进程的同步与互斥

  进程的同步和互斥：互斥（例如千军万马过独木桥，只能一个人过桥，独木桥可认为是共享资源）同步（速度有差异时，在一定情况停下等待，保证同时到达某个点）
  同步与异步相反
  共享与互斥相反

4.PV操作与前趋图

  PV操作用于解决并发进程之间某些约束关系之间的问题。本质就是对信号量的判断来决定进程之间如何运行。
  P：每执行一次，信号量S-1，当信号量S<0时（阻塞），V：每执行一次，信号量 S+1，当信号量S<=0时解锁（唤醒）P操作。

  临界资源：进程间需要互斥方式对其进行共享的资源，如打印机、磁带机等
  临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码
  信号量：是一种特殊变量，可以用于表示资源的可用数量。

  我们来结合上面2图来分析一下：
  首先分析p(s1)和v(s1)这对pv操作

  当生产者进程和消费者进程正常工作时（处于一个平衡状态）
  生产者：
  P操作：s1=s1-1=1-1=0，满足继续执行的条件，产品送到了缓冲区，
  消费者：
  V操作：s1=0+1=1，满足继续执行的条件，成功消费一个产品

  但是当生产者进程和消费者进程不处于一个平衡状态，则需要依靠信号量来决定进程如何运行。
  生产者：生产第1个产品时：
  P操作：s1=s1-1=0，满足继续生产下一个产品的条件，所以开始继续生产第2个产品
  这时，如果消费者并没有消费完产品，s1=s1-1=-1,进程开始阻塞，无法继续生产第2个产品
  此时消费者才开始消费：
  V操作：s1=-1+1=0,开始唤醒阻塞的进程，第2个产品得以继续完成。
  接着生产者继续生产第3个产品，P操作后进程阻塞，然后消费者V操作后继续完成……以此达到一个平衡。

  p(s2)和v(s2)的分析同理

  解答：首先先判断出先后顺序为：a1–>b1–>b2–>a2，a1和b1是一对信号量（b1等待a1唤醒），a2和b2是一对信号量（a2等待b2唤醒）,又因为S1和S2初始值为0，
则：
  a1为V(S1),b1为P(S1),a2为P(S2),b2为V(S2)
  或者 a1为V(S2),b1为P(S2) ,a2为P(S1),b2为V(S1)

  所以答案可以选择 A和C

5.死锁问题和银行家算法

（1）死锁问题

  如果一个进程在等待一件不可能发生的事，进程就死锁
  死锁4大条件，同时满足4个条件就会出现死锁，
  1.互斥：资源必须互斥，如果不互斥，就说明资源可以共享，就不存在死锁了。
  2.保持和等待：进程会保持自己的资源并且等待其他进程释放资源
  3.不剥夺：操作系统不会去剥夺进程的资源去重新分配
  4.环路等待：例如：A等B，B等C，C等A

  死锁的预防（打破四大条件）

  所以：最少资源数=进程数*（所需资源数-1）+1

（2）银行家算法

  银行家算法（避免死锁）：分配资源的原则：

  （1）首先，求出剩余的资源数：
  R1剩余 9-1-2-2-1-1=2
  R2剩余 8-2-1-1-2-1=1
  R3剩余 8-2-1-1-2-1=0

  （2）然后计算P1到P5的还需资源数

  （3）所以，首先肯定必须先执行p2,—>执行完p2后会释放资源，得到新的剩余资源数，然后继续推理即可，答案为 B

三.存储管理

1.基本存储单位

  在计算机内部，信息都是釆用二进制的形式进行存储、运算、处理和传输的。信息存储单位有位、字节和字等几种。各种存储设备存储容量单位有KB、MB、GB和TB等几种。 [2]
  位（bit）：二进制数中的一个数位，可以是0或者1，是计算机中数据的最小单位。
  字节（Byte，B）：计算机中数据的基本单位，每8位组成一个字节。各种信息在计算机中存储、处理至少需要一个字节。例如，一个ASCII码用一个字节表示，一个汉字用两个字节表示。
  字（Word）：两个字节称为一个字。汉字的存储单位都是一个字。
  计算机存储单位一般用bit、B、KB、MB、GB、TB、PB、EB、ZB、YB、BB、NB、DB……来表示，它们之间的关系是：
  8bit=1B
  其他的都是1024倍数关系：1024B=1KB、、、以此类推

2.分区存储组织

  

  

3.页式存储系、段式存储、段页式存储

  （1）页式存储系

  例题：

  解：页面大小4K，转化为二进制，为2^12，一个十六进制位等于 2^4，所以，4K刚好占了3个十六进制位，那么可以知道A29为页内地址，5为页号，根据页号5找到对应的页帧号为6，则物理地址为6A29H，选择 D
  要访问的页面4的不再内存，它的访问位是0，和页号1相同，那么就应该淘汰页号1，把页号4放入内存中。选择 B
  
  （2）段式存储

  
  （3）段页式存储，优缺点介于段式和页式之间

  （4）快表

  

4.页面淘汰算法

  例题1

  解：开始内存为空，内存空间为3页，
  FIFO：当内存中已经存在需要的页，则不淘汰；当内存中不存在需要的页，按照先进先出的规则淘汰，先淘汰5–>0–>1–>2…。
  LRU：当内存中已经存在需要的页，则不淘汰；当内存中不存在需要的页，按照最近最少使用的规则淘汰（根据上图来理解应该可以很好的理解）。

  例题2

  解：页面大小1KB，
  0页号：内存单元0~1023
  1页号：内存单元1024~2047
  2页号：内存单元2048~3071
  3页号：内存单元3072~4095
  4页号：内存单元4096~5119
  5页号：内存单元5120~6413
  1b=8bit，指令swap，操作数A，操作数B都是16bit，肯定是跨页访问了，也就是说，一共需要6个页（而且题目也说了用户程序划分为6页，说明每个页都会用到）。在读取物理地址的时候，需要先去查页对应的页的块，再去找到真正的内存地址。所以，6x2=12次
  注意，执行指令即使跨页访问，也只会出现1次缺页中断，访问操作数A跨2个页，2次缺页中断，访问操作数B跨2个页，2次缺页中断，所以一共出现 1+2+2=5次缺页中断，选 C

四.设备管理

1.数据传输控制方式

2.虚设备与Spooling技术

五.文件管理

1.索引文件结构

  解：首先，磁盘数据块大小为1kb字节，内个地址4个字节，那么可以算出每个磁盘数据块可以有256个地址项。（下图解释的较为清楚了），最终答案为 C和D

2.树型目录结构

  注意：图中斜杠画反了，小问题。。

3.位示图

  空闲存储空间的管理办法之一。1代表已被占用，0表示空闲

  解：如题，字长32位，一共32个物理块，因为物理块从0开始编号，所以 4195物理块应该是第4195+1个位，即 4196， 4196/32=131.125，所以选 D，0.125x32=4，说明是在第4个位置，但是物理块号的编号应该是3，所以选B（或者按照下图的思路也可以）

  
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