操作系统复习

第一章 操作系统概论

1、操作系统是什么？操作系统的任务？

        为用户及用户程序提供一个更好、更简单、更清晰的计算机模型，并管理所有硬件设备。方便使用，资源管理。

2、操作系统的发展史

3、操作系统的基本特征

        并发、共享、虚拟、异步。

4、用户接口与系统调用的概念

（1）用户态以及内核态

        内核态：当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，我们就称进程处于内核运行态（或简称为内核态）。其他的属于用户态。

        用户程序运行在用户态,操作系统运行在内核态。（操作系统内核运行在内核态，而服务器运行在用户态）。

        用户态不能干扰内核态。所以CPU指令就有两种，特权指令和非特权指令。不同的状态对应不同的指令。

• 特权指令：只能由操作系统内核部分使用，不允许用户直接使用的指令。如，I/O指令、置终端屏蔽指令、清内存、建存储保护、设置时钟指令（这几种记好，属于内核态）。
• 非特权指令：非特权指令是运行在用户态的指令。应用程序所使用的都是非特权指令，它只能完成一般性的操作和任务，不能对系统中的硬件和软件直接进行访问，对内存的访问范围也局限于用户空间。

系统态（核心态、特态、管态）：执行全部指令。
用户态（常态、目态）：执行非特权指令。

（2）系统调用过程、实现以及种类

   中断

系统调用种类

        凡是与资源共享的有关操作（如存储分配、I/O操作、文件管理），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出请求服务，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

系统调用的过程

 5、操作系统体系结构设计

（1）分层式结构

 分层式结构是什么？

• 按功能流图的调用顺序等原则划分为若干层（最底层为硬件，最高层为用户接口）
• 每层只能调用紧邻他的低层功能和服务（单向依赖）
• 每层对其上层隐藏其下各层的存在

• 优点

• 便于系统的调试和验证，简化了系统的设计和实现
• 易于理解、维护和维护

• 缺点 

• 效率低下
• 合理定各层比较困难

（2）模块化结构

（3）宏内核

（4）微内核

微内核原理是什么？

        在操作系统内核中只留下一些最基本的功能，而将其它服 务尽可能地从内核中分离出去，用若干个运行在用户态的服务 器进程来实现，形成“客户/服务器模式” 。普通用户进程通过内 核向服务器进程发送请求。

微内核的基本功能

• 进程管理
• 低级存储器管理
• 中断和陷入处理

微内核优缺点 

• 优点：易扩展、方便移植、安全可靠性高
• 缺点：消息传递开销+模式切换开，运行效率有所降低
• 例如：客户和服务器之间通信都需要通过微内核，致使同样的服务请 求至少需要四次上下文切换（之前需要2次），甚至更多。

（5）外核

6、动态可载入模块

        当前OS系统设计中当前最好的方法是使用可载入模块。其中内核有一个核 心组件的集合，可以在启动时或运行时通过模块连接附加的服务。这种方 法在目前得到了广泛的应用，如Linux、MacOS、Solaris和Windows等。

        这种设计的想法是内核提供核心的服务，其它服务动态实现。如我们可以 将CPU调度和内存管理算法直接放入内核，把对不同文件系统的支持放入 可载入模块中。

第二章 进程管理

1、进程的概念和特征

（1）进程的定义

        进程是程序在并发环境过程中的执行过程

        进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

（2）进程的特征

        动态、并发、独立、异步

（3）进程与程序的区别

        两者最本质的区别就是进程是动态的，程序是静态的。进程是暂时的，程序是永久的。

2、进程的状态与转换

(1) 五态模型

注意：进程从运行态变为阻塞态是主动的行为，从阻塞态变为被动态是被动的行为，需要其他相关进程的协助。

（2）挂起状态

        使执行的进程暂停执行，静止下来，不再参与CPU的竞争，我们把这种静止状态称为挂起状态 （从内存交换到外存）。

 挂起的原因

        引入挂起操作的原因，是基于系统和用户的如下需要：

• 终端用户的需要。
• 父进程请求。
• 负荷调节的需要。系统负荷过重，内存空间紧张 　　
• 操作系统的需要。操作系统可能需要挂起后台进程或一些服务进程，或某些可能导致系统故 障的进程。
• 进程全部阻塞，处理机空闲。

 

3、进程的描述和PCB 

（1）进程实体的组成

        PCB :当程序运行的时候，操作系统会为该进程构建一个叫进程控制块 (PCB)的数据结构，用以记录该进程的各种信息。

        进程实体 = PCB + 程序段 + 数据段。

        PCB是操作系统中最重要的记录型数据结构，每个进程都 有一个PCB；用以描述进程的当前情况以及管理进程运行的全部信息

（2）PCB的组成 

（3）PCB的作用

• 作为独立运行基本单位的标志。

        • 每个进程有唯一的进程控制块

        • PCB是进程存在的唯一标识 

• 能实现间断性运行方式。 
• 提供进程管理所需要的信息。 
• 提供进程调度所需要的信息。
• 实现与其它进程的同步与通信

 

4、进程控制 (具体王道P39)

 

5、进程管理-通信

（1）进程通信

（2）线程

 

6、进程管理-同步

（1）进程的同步与互斥 

 

（2）进程互斥的软件实现方法 

 

（3）进程互斥的硬件实现方法

         以上三种硬件方法都简单、高效，关中断方法则不适用于多CPU系统，但三 种方法都不符合“让权等待”原则

 （4）信号量机制

        代码题

（5）管程

 第三章 处理机调度和死锁

（1）处理机调度 

（2） 性能指标

 ​

 （3）处理机调度的时机

 （4）五种调度算法

 

 （5）死锁（资源分配图及化简）

 第四章 内存管理

（1）内存管理

（2）逻辑地址转换为物理地址

（3）三种链接方式

（4）扩充内存逻辑地址空间方法

 

（5）内存保护 

 （6）内存的分配与回收

动态分区算法

 

页式管理

 

段式管理