《操作系统》核心复习笔记

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一、操作系统基础概念

1. 定义与目标
   • 管理计算机硬件与软件资源，提供用户接口的系统软件13。
   • 目标：方便性（简化操作）、有效性（资源高效利用）、可扩展性（模块化设计）、开放性（兼容标准）。
2. 核心功能
   • 处理机管理：进程调度、并发控制
   • 存储管理：内存分配、虚拟内存
   • 设备管理：I/O控制、驱动管理
   • 文件管理：存储结构、访问控制
   • 用户接口：命令行（CLI）、图形界面（GUI）、系统调用37。
3. 主要特征
   • 并发性（多任务交替执行）
   • 共享性（资源复用，如CPU分时共享）
   • 虚拟性（物理资源逻辑化，如虚拟内存）
   • 异步性（进程执行速度不可预知）89。

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二、进程与线程管理

1. 进程核心概念
   • 定义：程序的一次执行实例，包含代码段、数据段、PCB（进程控制块）。
   • 状态转换：
     • 就绪态 → 运行态（被调度）
     • 运行态 → 阻塞态（等待资源）
     • 阻塞态 → 就绪态（资源就绪）36。
2. 同步与互斥
   • 临界资源：一次仅允许一个进程访问的资源（如打印机）。
   • 信号量机制：
     • P操作（申请资源，信号量减1）
     • V操作（释放资源，信号量加1）
     • 经典问题：生产者-消费者、读者-写者17。
3. 死锁处理
   • 必要条件：互斥、请求与保持、不可抢占、循环等待。
   • 解决策略：
     • 预防（破坏必要条件）
     • 避免（银行家算法动态检测）
     • 检测与恢复（资源剥夺/进程终止）37。
4. 线程与进程对比
   • 线程：轻量级执行单元，共享进程资源，切换开销小。
   • 区别：线程无独立地址空间，进程是资源分配单位9。

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三、内存管理

1. 分页与分段
   • 分页：物理内存划分为固定大小页框，逻辑地址通过页表映射。
   • 分段：按逻辑模块划分，支持动态扩展（如代码段、数据段）。
   • 对比：分页解决内存碎片，分段支持程序逻辑结构57。
2. 虚拟内存
   • 原理：将部分程序装入内存，其余保留在磁盘（如交换分区）。
   • 页面置换算法：
     • FIFO（先入先出，可能Belady异常）
     • LRU（最近最少使用，需硬件支持）
     • CLOCK（近似LRU，环形链表标记访问位）57。
3. 内存分配策略
   • 首次适应（FF）：从低地址开始查找可用分区。
   • 最佳适应（BF）：选择最小可用分区，易产生碎片。
   • 快速适应（按大小分类链表）37。

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四、文件系统

1. 文件逻辑结构
   • 流式文件：无结构字节序列（如文本文件）。
   • 记录式文件：结构化数据（如数据库表）79。
2. 物理存储方式
   • 连续分配：文件占用连续磁盘块，读写快但易碎片化。
   • 链式分配：通过指针链接非连续块，支持动态扩展。
   • 索引分配：集中存储文件块指针（如UNIX多级索引）37。
3. 存储空间管理
   • 位示图法：二进制位标记磁盘块使用状态。
   • 空闲链表法：链表链接空闲块，支持快速分配38。

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五、设备管理

1. I/O控制方式
   • 程序查询：CPU轮询设备状态，效率低。
   • 中断驱动：设备就绪时通知CPU，减少等待。
   • DMA：直接内存访问，数据块传输无需CPU干预37。
2. SPOOLING技术
   • 将独占设备（如打印机）虚拟为共享设备，通过磁盘缓存实现并行操作18。

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六、处理机调度

1. 调度层次
   • 高级调度（作业调度）：选择作业进入内存。
   • 中级调度（内存调度）：进程挂起与激活。
   • 低级调度（进程调度）：分配CPU时间片67。
2. 常见算法
   • FCFS（先到先服务）：公平但长作业等待久。
   • SJF（短作业优先）：平均等待时间最短，需预知时间。
   • 时间片轮转（RR）：适合分时系统，时间片大小影响效率。
   • 多级反馈队列：综合优先级与时间片，平衡响应与吞吐量67。

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七、典型例题与解题技巧

1. 进程同步问题：使用信号量实现互斥（如哲学家进餐问题）。
2. 页面置换计算：给定访问序列，计算FIFO/LRU缺页次数。
3. 调度算法分析：计算不同算法的平均周转时间（如FCFS vs SJF）。

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复习建议

1. 结合教材与实验（如Linux系统调用、进程创建实验）强化理解79。
2. 重点掌握高频考点：进程状态转换、死锁处理、页面置换算法、调度策略。
3. 参考往年试题（如6 ()中的选择题）熟悉题型，针对性练习计算题。