408操作系统考纲知识点

【考查目标】

1.掌握操作系统的基本概念、方法和原理，了解操作系统的结构、功能和服

务，理解操作系统所采用的策略、算法和机制。

2.能够从计算机系统的角度理解并描述应用程序，操作系统内核和计算机硬

件协作完成任务的过程。

3.能够运用操作系统原理，分析并解决计算机系统中与操作系统相关的问

题。

一、操作系统概述

这部分是操作系统的"绪论"，旨在建立对OS的整体认知框架。它解释OS是什么、为什么需要它、它是如何构建和启动的。理解这些概念对后续学习进程、内存、文件等具体模块至关重要。

(一) 操作系统的基本概念

• 定义 ：操作系统（OS）是管理计算机硬件与软件资源的系统软件，是用户与计算机硬件之间的接口。

• 核心角色：

  1. 管理者 ：管理CPU、内存、文件、设备等资源。目标是安全、高效。

  2. 服务提供者：通过系统调用（System Call）为应用程序提供服务。

  3. 接口：为用户提供使用计算机的接口（命令行接口CLI、图形用户界面GUI）。

  4. 虚拟机/扩展机：将复杂的硬件操作封装起来，提供一个更简洁、强大、统一的抽象接口（如文件、进程），使得程序员和用户无需关心底层硬件细节。

• 四大核心功能（对应后续章节） ：进程管理 、内存管理 、文件管理 、设备管理。

• 408真题常见考点：

  • 选择题：直接考查OS的定义、目标和主要功能。

  • （与后续结合）判断某项具体功能（如处理机调度、地址映射、创建文件）属于OS哪个管理模块。

(二) 操作系统的发展历程

理解发展史是为了理解现代OS设计选择的动因 。推动力是：提高资源利用率、方便用户使用。

1. 手工操作阶段：人机矛盾突出，CPU等待人工操作，利用率极低。

2. 批处理系统：

   • 单道批处理 ：引入监督程序 （OS雏形），实现作业的自动切换。解决了人机矛盾，但CPU与I/O设备速度不匹配，CPU在I/O时仍空闲。

   • 多道批处理 ：划时代的意义 。内存中同时驻留多道程序，当一道程序因I/O请求阻塞时，CPU立即切换到另一道程序。实现了CPU与I/O设备的并行工作 ，极大提高了系统吞吐量和资源利用率。核心挑战：需要解决资源竞争和管理（内存分配、CPU调度、同步互斥）。

3. 分时系统 ：为了满足人机交互 需求。将CPU时间划分为很短的时间片 ，轮流为多个终端用户服务。由于人的反应时间远慢于计算机，每个用户感觉像是独占计算机。目标 ：及时响应。Unix是典型代表。

4. 实时系统 ：应用于需要严格时限 控制的领域（如工业控制、导弹制导）。分为硬实时 （错过时限会导致灾难性后果）和软实时（容忍偶尔错过）。

5. 现代OS发展：网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统等。

• 重难点与关联：

  • 多道程序技术 是理解现代OS并发性 的基础。它直接导致了进程 概念的产生和进程管理的复杂性。

  • 对比批处理 （追求吞吐量）、分时 （追求响应时间）、实时（追求时限）的不同设计目标。

（三）程序运行环境 - 硬件基础与OS接口

这是连接《计算机组成原理》与《操作系统》的关键桥梁，是理解OS如何实现"管理"和"保护"的基石。

• 1. CPU运行模式（模式位）

  • 用户模式（User Mode， 目态）：

    • 应用程序运行的模式。

    • 权限受限 ：不能执行某些特权指令（如直接操作硬件、修改CPU模式位、开关中断等），只能访问自己的内存空间。

  • 内核模式（Kernel Mode， 管态/核心态）：

    • 操作系统内核运行的模式。

    • 拥有最高权限：可以执行所有指令，访问所有内存空间。

  • 目的 ：实现保护 。防止应用程序有意或无意地破坏系统或其他程序。这是操作系统安全性的基石。

  • 模式切换 ：用户程序通过系统调用/中断/异常进入内核，硬件自动将模式从用户态切换为核心态；从内核返回用户程序时，再切换回用户态。

• 2. 中断和异常的处理

  • 中断（外部） ：来自CPU外部，与当前执行指令无关，用于处理外部设备事件。可屏蔽。

  • 异常（内部） ：由CPU正在执行的指令直接引发 ，如除零、缺页、非法指令、系统调用指令（int 0x80/syscall）。不可屏蔽。

  • 处理流程（硬件+软件）：

    1. 检测：硬件在每个指令周期末尾检测。

    2. 响应 ：保存现场（PC， PSW等），关中断（可嵌套时再开），根据中断/异常向量号查表。

    3. 处理 ：跳转到对应的中断服务程序（ISR） 或异常处理程序（OS内核代码）执行。

    4. 恢复：恢复现场，开中断，返回被中断点。

  • 重要性 ：中断/异常是操作系统获得CPU控制权的唯一途径 。没有中断，多道程序就无法实现并发。这是OS实现并发 和主动管理的硬件机制。

• 3. 系统调用

  • 定义 ：OS提供给应用程序的编程接口（API） ，是应用程序主动请求OS内核提供服务的唯一方式。

  • 与库函数/API的关系：

    • API（如C库的printf）是函数定义。

    • 部分API（如open, fork）内部封装了系统调用。

    • 系统调用是进入内核的特定指令 （如int 0x80或syscall）。

    • 关系：用户程序 -> 库函数API -> 系统调用 -> OS内核服务。

  • 执行过程：

    1. 用户程序传递系统调用号和参数。

    2. 执行陷入指令 （Trap Instruction），触发一个软中断/异常。

    3. CPU切换到核心态，根据系统调用号查系统调用表，跳转到对应服务例程。

    4. 内核执行服务（如读文件、创建进程）。

    5. 返回结果，恢复用户态，继续执行用户程序。

  • 408真题常见考点：

    • 区分系统调用 和库函数调用。

    • 理解系统调用过程中模式切换 、堆栈切换 、参数传递等细节。

• 4. 程序的链接与装入 & 5. 程序运行时内存映像与地址空间

  • 链接 ：将多个目标文件（.o）和库文件合并成一个可执行文件。解决外部符号引用。方式：静态链接 （运行时独立）、装入时动态链接 、运行时动态链接。

  • 装入 ：将可执行文件加载到内存。方式：绝对装入 （早期）、可重定位装入 （静态重定位， 装入时修改地址）、动态运行时装入 （动态重定位， 需要MMU硬件支持， 在指令执行时才进行地址转换）。

  • 地址空间：

    • 逻辑地址（虚拟地址）：程序员看到的地址，从0开始编址。

    • 物理地址：内存单元的实际地址。

  • 内存映像：一个进程在内存中的典型布局（由低地址到高地址）：

    1. 代码段（Text）：只读，存放程序指令。

    2. 数据段（Data）：存放已初始化的全局/静态变量。

    3. BSS段：存放未初始化的全局/静态变量（内容全0）。

    4. 堆（Heap）：动态分配的内存，向高地址增长。

    5. 栈（Stack）：函数调用时使用，存放局部变量、返回地址等，向低地址增长。

    6. 内核空间（每个进程虚拟地址空间的高位部分，映射到相同的物理内核内存）。

  • 重要性 ：这部分是学习内存管理（第四章） 的绝对前提。必须理解地址空间的抽象是OS提供的重要抽象之一，它让每个进程感觉自己独占整个内存。

• 408真题常见考点：

  • 综合应用题：给出进程的内存布局图，要求计算某个变量（如局部变量、全局变量、malloc分配的指针）的大致地址范围。

  • 选择题：比较静态链接与动态链接的优缺点。

（四）操作系统结构

• 1. 分层结构 ：将OS分为若干层，每层基于其下层提供的服务构建，并为上层提供服务。优点 ：易于理解和调试，依赖清晰。缺点：层间通信开销可能影响效率。

• 2. 模块化/宏内核（单体结构） ：如传统Unix、Linux。将OS所有主要功能（进程管理、内存管理、文件系统等）作为一个大的整体运行在内核空间。

  • 优点 ：模块间直接函数调用，性能高。

  • 缺点：内核庞大，耦合度高，一个模块的错误可能导致整个系统崩溃；难以扩展和维护。

• 3. 微内核结构 ：如Mach、Minix。将内核最小化，只保留最核心的功能（进程间通信IPC、少量内存管理、基本的调度）。其他服务（文件系统、设备驱动、网络协议栈）作为独立的用户态进程（服务器） 运行。

  • 优点 ：内核小，可靠性高、可扩展性好、易于移植。

  • 缺点 ：服务间需要通过IPC通信，性能（尤其是频繁通信时）可能成为瓶颈。

• 4. 外核结构 ：一种研究性思想。外核负责将硬件资源安全地多路复用 给多个应用程序，而将资源管理的策略（如如何调度CPU、如何组织文件）交给用户态的库。目标是给应用程序更大的灵活性和控制权。

• 408真题常见考点：

  • 比较宏内核 和微内核在性能、可靠性、可扩展性等方面的优缺点。这是高频选择题考点。

（五）操作系统引导

• 过程（以x86为例）：

  1. BIOS/UEFI阶段 ：计算机加电，CPU从固定地址（如0xFFFF0）执行固件代码。进行加电自检（POST） ，然后按照启动顺序读取启动设备 的第一个扇区（主引导记录MBR 或UEFI分区中的引导程序）到内存固定位置（如0x7C00）。

  2. Bootloader阶段 ：MBR中的小程序（如GRUB）被执行。它的任务是加载操作系统内核映像到内存中。现代Bootloader功能复杂，可以显示菜单、加载模块、解压内核等。

  3. 内核初始化阶段 ：CPU控制权交给内核入口点。内核进行自身初始化 （解压、设置页表、初始化中断描述符表IDT、初始化关键子系统），最终创建第一个用户进程（如init或systemd），完成引导。

• 重难点 ：理解这是一个从"裸机"到"有管理能力环境"的逐层搭建过程，每一步都依赖于前一步建立的环境。

（六）虚拟机

• 基本概念 ：通过虚拟机监控程序（VMM/Hypervisor） 在物理硬件上创建出多个隔离的、完整的计算机系统（虚拟机）的软件环境。

• 类型：

  • 类型一（裸金属） ：Hypervisor直接运行在硬件上（如VMware ESXi， Xen， KVM+Linux）。性能高，用于服务器虚拟化。

  • 类型二（托管型） ：Hypervisor作为应用程序运行在宿主OS之上（如VMware Workstation， VirtualBox）。易于安装使用。

• 关键技术：

  • 虚拟化CPU ：通过陷入再模拟技术。当虚拟机中的OS执行特权指令时，会陷入到Hypervisor，由Hypervisor模拟指令行为。

  • 虚拟化内存 ：需要维护虚拟物理地址 到真实物理地址的映射（影子页表或硬件辅助如Intel EPT）。

• 与容器技术的对比 ：虚拟机虚拟化完整的硬件和操作系统，隔离性强但开销大 ；容器（如Docker）共享宿主OS内核，只虚拟化运行环境，轻量、快速启动、资源占用少，但隔离性较弱。

• 408真题常见考点：

  • 区分两类虚拟机的架构和应用场景。

  • 理解虚拟机与容器（Container）的本质区别。

总结与408备考策略

1. 建立宏观框架：本章是OS的"地图"。必须清晰理解OS的定义、目标、四大管理功能，以及发展历程背后的逻辑。

2. 攻克核心枢纽 ："（三）程序运行环境" 是本章乃至本学科最核心、最基础的部分。必须透彻理解：

   • CPU双模式 ：它是OS实现保护的硬件基础。

   • 中断/异常 ：它是OS实现并发 和主动管理的硬件机制。

   • 系统调用 ：它是OS对上层提供服务的标准接口。

   • 地址空间 ：它是OS为进程提供的最重要抽象，是内存管理的前提。

3. 理解结构演化 ：对宏内核/微内核的对比，以及虚拟机/容器的概念，反映了计算机系统设计在性能、可靠性、灵活性、资源开销之间不断权衡与演进的思想。

4. 真题导向：本章真题多为选择题和概念性简答题。重点在于辨析概念（如系统调用 vs API）、理解过程（如引导过程）、比较优劣（如内核结构、虚拟化技术）。

掌握好概述部分，就如同掌握了操作系统这座大厦的设计蓝图和地基原理，后续学习进程、内存等具体楼层时，才能明白每一部分在整个系统中的地位和作用。

二、进程管理

进程管理是操作系统的核心，它解决了"如何在单CPU上实现多任务并发"这一根本问题。

（一）进程与线程

• 1. 进程与线程的基本概念

  • 进程 ：资源分配的基本单位 。进程是程序的一次执行过程，是动态的 。进程实体（又称进程映像）包括：PCB（进程控制块）、程序段、数据段。

  • 线程 ：CPU调度的基本单位 。线程是进程中的一个执行流，共享进程的资源（内存、文件等），但拥有独立的线程ID、程序计数器PC、寄存器集合、栈。

  • 为什么引入线程？

    1. 减少并发开销：创建/切换线程比进程开销小得多。

    2. 提高并发粒度：一个进程内的多个线程可以并发执行（如Web服务器同时处理多个请求）。

    3. 充分利用多核：线程可以映射到不同CPU核心上真正并行。

  • 类比：进程是"车间"，拥有厂房、原料（资源）。线程是"工人"，在车间里工作，共享车间的资源，但各自独立完成不同工序（执行流）。

• 2. 进程/线程的状态与转换 - 核心模型

  • 三态模型 ：运行态、就绪态、阻塞态（等待态）。

  • 五态模型（更完整，408常考） ：在三态 基础上增加创建态 和终止态。

  • 重要转换：

    • 就绪 -> 运行：被调度程序选中。

    • 运行 -> 就绪：时间片用完，或被更高优先级进程抢占。

    • 运行 -> 阻塞 ：主动请求某种资源/事件（如I/O操作、等待信号量）。

    • 阻塞 -> 就绪：等待的资源可用/事件发生（如I/O完成）。

  • 关键点 ：阻塞是进程/线程自身的行为（主动），而调度/抢占是操作系统的行为（被动）。

• 3. 线程的实现 - 重难点

  • 内核级线程（KLT， 1:1模型） ：线程的管理工作（创建、调度、同步）完全由操作系统内核 负责。用户程序通过系统调用来操作线程。

    • 优点 ：内核知道所有线程，可以将一个进程的多个线程调度到多个CPU核心上实现真正并行；一个线程阻塞，内核可调度该进程的其他线程。

    • 缺点 ：线程操作需要陷入内核，开销较大。

  • 用户级线程（ULT， N:1模型） ：线程的管理工作由用户空间的线程库（如早期Java线程库）完成，内核对此一无所知，内核的调度单位仍然是进程。

    • 优点 ：线程操作在用户态 完成，无需陷入内核，切换极快、开销极小；可自定义调度算法。

    • 致命缺点 ：一个线程阻塞（如发起系统调用），则整个进程（包括其所有用户级线程）都被内核阻塞 ，因为内核看不到其他线程；无法利用多核CPU，因为内核调度的最小单位是进程。

  • 组合方式（N:M模型）：现代系统（如Java NIO， Go goroutine）采用混合模型。用户级线程库管理大量"轻量级线程"，并将其映射到少量内核级线程上执行。结合了两者优点，但实现复杂。

• 4. 进程与线程的组织与控制

  • PCB（进程控制块） ：进程存在的唯一标识，是内核中最重要的数据结构。包含：

    • 进程描述信息：PID， 用户标识。

    • 进程控制信息：状态、优先级、程序入口地址。

    • 资源信息：打开文件列表、内存分配情况。

    • CPU现场信息 ：当进程被切换出去时，其寄存器内容（PC， SP等） 保存在PCB中。这是上下文切换的关键。

  • 组织方式 ：通过链表 或索引表组织，便于调度器查找（如就绪队列、阻塞队列）。

• 5. 进程间通信（IPC）

  • 共享内存 ：多个进程映射到同一块物理内存区域。最快 的IPC方式，因为数据不需要在内核和用户空间之间复制。但需要同步机制（如信号量） 来防止竞态条件。

  • 消息传递 ：进程间通过发送（send）/接收（receive） 原语交换格式化消息。分为：

    • 直接通信：显式指定发送/接收方。

    • 间接通信 ：通过"信箱"（Message Queue）中转。解耦了发送和接收进程。

  • 管道（Pipe） ：一种特殊的文件 ，用于连接一个读进程和一个写进程，实现单向、先进先出 的字节流通信。|操作符就是管道。

    • 匿名管道：只能用于具有亲缘关系的进程（如父子进程）。

    • 命名管道（FIFO）：有文件路径名，可用于任意进程。

  • 信号（Signal） ：一种异步 通知机制，用于通知进程某个事件 已发生（如SIGKILL， SIGINT(Ctrl+C)）。处理简单，但不能携带大量信息。

• 408真题常见考点：

  • 选择题：进程/线程的定义、区别，状态转换的原因。

  • 综合题：分析用户级/内核级线程在系统调用阻塞 和多核利用场景下的表现。

  • 给出一段代码（如fork），分析进程/线程的创建和执行流。

（二）CPU调度与上下文切换

• 1-3. 调度的基本概念、目标与实现

  • 调度的层次：

    • 高级/作业调度 ：从外存后备队列中选择作业调入内存，创建进程。发生频率最低。

    • 中级/内存调度 ：将暂时不能运行的进程调至外存"挂起"，反之调入。引入了挂起态。

    • 低级/进程/CPU调度 ：从就绪队列中选择一个进程，分配CPU。发生频率最高（毫秒级），是本章重点。

  • 调度方式：

    • 非抢占式 ：进程一旦获得CPU，就一直运行直到终止或主动阻塞。实现简单，但响应慢。

    • 抢占式 ：OS可以强行暂停 正在运行的进程，将CPU分配给更重要的进程。现代OS通用方式，能提供更好的响应性。

  • 闲逛进程 ：当就绪队列为空时，调度器会执行一个特殊的、优先级最低的闲逛进程 。它执行一条特殊的指令（如HLT），使CPU进入低功耗状态，直到下一个中断发生。

• 4. CPU调度算法 - 必考计算题

  • 评价指标 ：CPU利用率、系统吞吐量、周转时间（提交到完成）、带权周转时间（周转时间/运行时间，衡量公平性）、等待时间、响应时间（提交到首次响应）。

  • 经典算法：

    1. 先来先服务（FCFS） ：非抢占，对长作业有利，对短作业不利（护航效应），可能导致平均等待时间很长。

    2. 短作业优先（SJF/SPF） ：理论上平均等待时间最短 。非抢占（SJF）或抢占（SRTN-最短剩余时间优先）。难点 ：需要预知作业运行时间，可能导致长作业饥饿。

    3. 优先级调度：可为进程设置静态或动态优先级。可能导致低优先级进程饥饿。

    4. 时间片轮转（RR） ：专为分时系统 设计。将所有就绪进程排成FIFO队列，轮流执行一个时间片 。性能高度依赖于时间片大小：太大退化为FCFS；太小导致频繁上下文切换，开销大。

    5. 多级队列（MLQ） ：将就绪队列分为多个独立队列（如前台交互队列-RR，后台批处理队列-FCFS），每个队列有自己的调度算法。队列间可采用固定优先级 或时间片划分。

    6. 多级反馈队列（MLFQ） ：综合了RR和优先级，且能动态调整 。是最通用、最接近实际OS的算法。

       • 规则：进程初始进入最高优先级队列；用完时间片未结束则降级 到下一队列；在低优先级队列等待时间过长可能被升级（防止饥饿）。

       • 优点：短作业能快速完成，长批处理作业也能得到执行，I/O密集型（交互型）进程保持在高优先级队列获得良好响应。

  • 408真题风格 ：给出一组进程的到达时间、运行时间、优先级，要求手工模拟调度过程，计算完成时间、周转时间、带权周转时间、平均等待时间等。

• 5. 多处理机调度 ：更复杂，考虑负载均衡 、缓存亲和性（尽量让进程在同一个CPU上运行以减少缓存失效）等。

• 6. 上下文切换机制 - 核心过程

  • 上下文：一个进程/线程运行时，CPU中所有寄存器的值（PC， SP， 通用寄存器等）和状态。

  • 切换过程（发生在内核态）：

    1. 保存当前进程的上下文到其PCB中。

    2. 修改当前进程状态（如从运行改为就绪/阻塞），并将其PCB移到相应队列。

    3. 调度器选择一个新进程，修改其状态为运行。

    4. 从新进程的PCB中恢复其上下文到CPU寄存器。

    5. 切换地址空间（切换页表寄存器，这是开销较大的部分）。

    6. 跳转到新进程被中断的代码位置继续执行。

  • 开销：上下文切换需要时间和CPU资源，过于频繁会降低系统效率。

（三）同步与互斥 - 最核心、最难的部分

• 1. 同步与互斥的基本概念

  • 临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源（如打印机、共享变量）。

  • 临界区 ：进程中访问临界资源的代码段。

  • 互斥 ：保证对临界资源的访问是排他的。

  • 同步 ：在互斥的基础上，要求多个进程按照某种先后顺序执行（如生产者先生产，消费者才能消费）。

• 2. 基本的实现方法

  • 软件方法 ：Peterson算法、Dekker算法等。复杂且难以扩展到多进程，现代系统已不使用，但有助于理解互斥的本质。

  • 硬件方法：

    • 关中断 ：进入临界区前关中断，离开后开中断。简单但仅适用于单核，且将权力交给用户进程很危险。

    • 硬件原子指令 ：现代计算机提供的Test-and-Set（TS）指令 或Swap/XCHG指令 。它们是实现锁 等高级同步原语的硬件基础。

• 3. 锁

  • 一种最直观的互斥机制，只有"上锁"和"解锁"两种状态。

  • 忙等待锁（自旋锁）：获取不到锁时，进程在循环中持续检查 。适用于锁持有时间极短的场景（如内核数据结构），避免上下文切换开销。

  • 睡眠锁：获取不到锁时，进程主动阻塞 ，让出CPU。适用于锁持有时间较长的场景。

• 4. 信号量（Semaphore） - 核心机制

  • 定义 ：一个整数变量 S，只能通过两个不可分割的原子操作来访问：

    • P(S) / wait(S)：若S>0，则S--；否则进程阻塞 ，直到S>0。

    • V(S) / signal(S)：S++，并唤醒一个等待在该信号量上的进程（如果有）。

  • 类型与应用：

    • 互斥信号量（Mutex）：初始值 = 1。用于实现互斥。

    • 同步信号量（资源信号量）：初始值 = N（可用资源数）。用于实现同步和资源计数。

  • 使用信号量的核心原则 ：P、V操作必须成对出现。互斥的P、V在同一个进程内；同步的P、V在不同进程内。

• 5. 条件变量 ：常与锁（互斥锁）配合使用。当某个条件不满足时，线程可以释放锁并进入等待 ；当条件可能被改变时，其他线程可以唤醒等待该条件的线程。

• 6. 经典同步问题 - 必考大题

  • 生产者-消费者问题 ：最经典、最重要 。核心是维护一个有界缓冲区。

    • 信号量设置 ：mutex（互斥访问缓冲区，初值1）， empty（空槽数量，初值N）， full（满槽数量，初值0）。

    • 关键 ：对缓冲区的互斥访问（P(mutex)）必须放在对资源信号量（P(empty)）的后面，否则可能引发死锁。

  • 读者-写者问题：允许多个读者同时读，但写者必须独占。

    • 方案 ：读者优先 （可能导致写者饥饿）或写者优先。

    • 需要维护读者计数器 readcount，并用互斥信号量 rmutex 保护它。

    • 用一个互斥信号量 wmutex 实现读/写、写/写互斥。

  • 哲学家进餐问题：描述多个进程竞争有限资源时可能产生的死锁和饥饿。

    • 解决方案：限制同时拿起筷子的人数（如设置一个计数信号量）；让奇数号哲学家先拿左筷子，偶数号先拿右筷子（破坏循环等待）；使用一个"服务员"信号量实现互斥。

  • 408真题风格 ：给出现实问题描述，要求用信号量机制写出正确的同步伪代码。这是每年必考的压轴大题之一，分值高，综合性强。

（四）死锁

• 1. 死锁的基本概念

  • 定义 ：一组进程因竞争资源 而陷入相互等待的状态，若无外力作用，它们都将无法向前推进。

  • 必要条件（同时成立）：

    1. 互斥：资源独占。

    2. 请求和保持：持有资源的同时请求新资源。

    3. 不可剥夺：资源只能由持有进程主动释放。

    4. 循环等待：存在进程-资源的环形等待链。

  • 资源分配图 ：判断死锁的可视化工具 。如果图中存在环路且所有资源都是单实例的，则死锁发生。如果是多实例资源，有环路不一定死锁，还需要进一步判断。

• 2. 死锁预防 ：破坏四个必要条件中的至少一个。

  • 破坏请求和保持：一次性申请所有资源（"全有或全无"），资源利用率低。

  • 破坏不可剥夺：强行抢占资源，实现复杂，代价高。

  • 破坏循环等待：资源有序分配法（最佳实用方法）：给所有资源类型编号，进程必须按编号递增顺序申请资源。这样就不会形成环路。

• 3. 死锁避免 ：在资源分配时动态检测 ，确保系统始终处于安全状态。

  • 银行家算法 ：核心算法 。需要预知进程的最大需求。

    • 数据结构 ：Max, Allocation, Need, Available。

    • 安全性算法 ：检查系统是否存在一个安全序列。

    • 资源请求算法：当进程提出资源请求时，模拟分配，并调用安全性算法检查是否安全。只有安全时才真正分配。

  • 缺点 ：需要预知信息，进程数、资源数固定，实际系统很少使用。

• 4. 死锁检测和解除

  • 检测 ：允许系统进入潜在的不安全状态，但定期运行检测算法 （类似于银行家算法中的安全性算法，但Need矩阵用Request矩阵代替，检查是否有进程无法完成）。

  • 解除：检测到死锁后采取措施。

    1. 资源剥夺：挂起某些进程，抢占其资源。

    2. 进程终止 ：终止所有死锁进程 （简单粗暴）或逐个终止进程直到死锁解除（代价最小）。

    3. 进程回退：让进程回退到之前某个检查点重新执行。

• 408真题常见考点：

  • 选择题：判断死锁必要条件，分析资源分配图。

  • 综合应用题 ：银行家算法的手工模拟。给出现状和一系列资源请求，判断是否安全、请求能否立即批准。这是另一个几乎每年必考的大题。

总结与408备考策略

1. 两大核心支柱 ：本章所有知识围绕两大支柱展开------进程/线程的抽象与管理 ，以及并发带来的同步互斥问题。

2. 三条主线：

   • 进程/线程的生命周期：创建、状态转换、调度、终止。

   • 并发控制：从硬件原语（TS指令）到高级抽象（信号量），再到解决经典问题（生产者-消费者）。

   • 死锁问题：从产生原因到预防、避免、检测与解除。

3. 408必考题型与应对：

   • 调度算法计算 ：反复练习，特别是多级反馈队列（MLFQ） 的手工模拟。

   • 信号量同步大题 ：重中之重。务必亲手写出生产者-消费者、读者-写者的正确解法，理解每一行代码、每一个信号量的含义。尝试用管程（如果考纲要求）来表述。

   • 银行家算法：务必熟练计算安全序列，判断请求的合法性。数据结构（矩阵）要清晰。

4. 建立深刻理解：不要死记硬背。要理解为什么需要线程、为什么需要抢占式调度、为什么自旋锁和睡眠锁适用场景不同、为什么P操作顺序错了会导致死锁。理解了"为什么"，自然就能记住"是什么"和"怎么做"。

三、内存管理

（一）内存管理基础

• 1. 内存管理的基本概念

  • 逻辑地址 vs. 物理地址：

    • 逻辑地址（虚拟地址）：由CPU产生的地址。进程视角，从0开始连续编址。

    • 物理地址：内存单元的绝对地址。硬件视角，通过地址总线访问。

    • 地址变换（重定位）：将逻辑地址转换为物理地址。这是内存管理的核心工作。

  • 内存共享：允许多个进程访问同一段物理内存（如代码共享库）。提高了内存利用率。

  • 内存保护 ：确保每个进程只能访问自己合法区域的内存。通常通过越界检查 和访问权限位（读/写/执行） 实现，由硬件（MMU）支持。

  • 内存分配与回收：管理空闲内存，响应进程的分配请求，并在进程终止后回收其内存。

• 2. 连续分配管理方式（已过时，但有助于理解基本问题）

  • 单一连续分配 ：早期单道系统，内存分为系统区和用户区。无外部碎片，内存利用率极低。

  • 固定分区分配 ：将内存预先划分为若干固定大小的分区。存在内部碎片（进程小于分区大小时，分区内未用部分）。

  • 动态分区分配 ：根据进程实际大小动态创建分区。存在外部碎片（进程结束后释放的内存块过小，无法满足新进程需求）。分配算法包括：

    • 首次适应（First Fit）：从低地址开始，找到第一个足够大的空闲区。

    • 最佳适应（Best Fit） ：找到能满足需求的最小空闲区。容易产生大量极小外部碎片。

    • 最坏适应（Worst Fit） ：找到最大的空闲区。可以减少小碎片，但大分区容易被破坏。

  • 重定位 ：在连续分配下，地址变换通过基址寄存器（重定位寄存器） 完成：物理地址 = 逻辑地址 + 基址。通过界限寄存器检查越界。

• 3. 页式管理 - 非连续分配的核心

  • 基本原理 ：将进程的逻辑地址空间 划分为固定大小的页 。将物理内存空间 划分为同样大小的页框（Frame）。进程的页可以离散地装入内存的任一可用页框。

  • 核心数据结构 ：页表（Page Table） 。每个进程一张页表，存储在内存中。页表项（PTE）记录了逻辑页号 到物理页框号的映射，以及状态位（有效位、访问位、修改位、保护位等）。

  • 地址变换过程（基本流程）：

    1. CPU给出逻辑地址A，由硬件自动分离出页号P 和页内偏移W。

    2. 以P为索引查找进程的页表，得到物理页框号F。

    3. 拼接物理地址：物理地址 = F * 页面大小 + W。

  • 优点 ：无外部碎片，内存利用率高；便于共享（只需让不同进程的页表项指向同一物理页框）。

  • 缺点 ：存在内部碎片 （进程最后一页可能不满）；每次访存都需要访问页表（额外一次内存访问） ，速度慢。这是页式管理的核心性能问题。

  • 快表（TLB） ：为解决访问速度问题而引入。TLB是高速缓存 ，存放最近使用的页表项。先查TLB，命中则无需访问内存中的页表，极大加快了地址变换。

• 4. 段式管理

  • 基本原理 ：按照程序的逻辑结构 （如代码段、数据段、堆栈段）将进程地址空间划分为长度可变的段。每个段有段名、段基址、段长。

  • 核心数据结构 ：段表（Segment Table）。段表项包含段基址和段长。

  • 地址变换 ：逻辑地址 = <段号S, 段内偏移W>。

    1. 以S为索引查找段表。

    2. 检查W < 段长（越界保护）。

    3. 物理地址 = 段基址 + W。

  • 优点 ：按逻辑划分，易于共享和保护（如代码段只读，数据段可写）。

  • 缺点 ：存在外部碎片；地址变换开销大（需查段表）；内存分配算法复杂。

• 5. 段页式管理

  • 基本原理 ：结合两者优点。先将进程按逻辑模块分段 ，再将每个段分页。

  • 地址变换 ：需要段表 和页表 两级查找。逻辑地址 = <段号S, 页号P, 页内偏移W>。

    1. 查段表，得到该段的页表基址。

    2. 查该段的页表，得到物理页框号。

    3. 拼接物理地址。

  • 特点 ：兼具了段的逻辑性和页的物理管理便利性，但地址变换最复杂，需要三次访存（段表、页表、目标数据）。同样需要TLB来加速。

  • 408真题常见考点：

    • 计算逻辑地址结构：给定地址空间大小、页面大小，计算逻辑地址中页号、页内偏移各占多少位。

    • 计算页表大小：给定逻辑地址空间、页面大小、页表项大小（如4B），计算一个进程的页表最大需要多少内存。

    • TLB命中率对有效访存时间的影响计算：EAT = TLB命中时间 + (1 - 命中率) * (TLB访问时间 + 内存访问时间) + 内存访问时间。

（二）虚拟内存管理 - 核心中的核心

• 1. 虚拟内存的基本概念

  • 定义 ：在具有层次存储结构 的计算机系统中，操作系统为用户进程提供了一个比实际物理内存大得多的、统一的、连续的虚拟地址空间。

  • 核心思想：

    1. 部分装入：进程无需全部装入内存即可开始运行。

    2. 按需调页 ：当进程访问的数据不在内存时，由操作系统动态地从外存（通常是硬盘的交换区Swap）调入。

    3. 页面置换 ：当需要调入新页而内存已满时，需要将内存中某个暂时不用的页换出到外存。

  • 特征 ：多次性 、对换性 、虚拟性。

  • 优势：提供了巨大的地址空间，允许运行比物理内存大的程序；提高了内存利用率（更多进程可驻留）；简化了编程（程序员无需关心物理内存限制）。

• 2. 请求页式管理（基于页的虚拟内存）

  • 在基本页式管理的基础上，扩展页表项，增加了几个关键状态位：

    • 有效/无效位：1表示该页在内存（对应页框号有效），0表示不在内存（此时该页表项的其他位可能用于存放该页在磁盘上的位置）。

    • 访问位（引用位）：用于页面置换算法（如LRU近似）。

    • 修改位（脏位）：该页被修改过。被换出时，若脏位为1，需要写回磁盘；为0则直接丢弃。

  • 缺页中断 ：当CPU访问一个有效位为0 的页时，硬件会触发一个缺页异常。

    • 处理流程（软件，OS负责）：

      1. 保留现场，陷入内核。

      2. 从磁盘找到所需页面。

      3. 寻找一个空闲页框。若没有，则调用页面置换算法选择一个"牺牲页"换出。

      4. 将所需页面从磁盘读入空闲页框。

      5. 更新页表 和快表（TLB）（可能需要使相关TLB项无效）。

      6. 恢复现场，重新执行引起缺页的指令。

    • 注意 ：缺页中断是异常 ，与普通中断处理不同，因为指令执行了一半 ，处理完后需重新执行该指令。

• 3. 页框分配与回收

  • 分配策略：

    • 固定分配局部置换 ：每个进程分配固定数量的物理页框，缺页时只置换本进程的页。难以确定每个进程应分多少页框。

    • 可变分配全局置换 （最常用 ）：OS维护一个全局空闲页框池。发生缺页时，从全局池分配一个页框。如果全局池空，则从所有进程中 选择一个页置换（不考虑该页属于哪个进程）。实现简单，性能较好，但可能导致某个进程的页被频繁换出（抖动）。

    • 可变分配局部置换 ：根据进程的缺页率动态调整分配给它的页框数。缺页率高则增加页框，低则减少。性能最佳，但实现复杂。

  • 驻留集 ：指一个进程当前在物理内存中的页面集合。

• 4. 页置换算法 - 必考计算题

  • 目标：选择被换出的页面，使得未来发生缺页的次数最少。

  • 最佳置换算法（OPT） ：选择未来最长时间不再被访问 的页面。理论最优，但无法实现，用于评价其他算法。

  • 先进先出算法（FIFO） ：选择最先调入内存的页面。实现简单，但性能差 （可能出现Belady异常：分配的物理页框数增加，缺页率反而升高）。

  • 最近最久未使用算法（LRU） ：选择过去最长时间没有被访问 的页面。性能接近OPT，但实现开销大，需要硬件维护精确的访问时间戳或移动链表。

  • 时钟置换算法（Clock/NRU） ：LRU的近似实现 ，性能好且开销小 ，是实际OS最常用的算法。

    • 原理 ：将所有页框组织成一个环形链表，有一个"指针"。每页有一个访问位（R位）。

    • 流程：当需要置换时，检查指针指向的页：

      • 若R=0，则选择该页替换。

      • 若R=1，则将其置0，指针移向下一位。

      • 循环直到找到R=0的页。

    • 改进型Clock算法 ：同时考虑访问位R 和修改位M 。优先淘汰(R=0, M=0)的页（既没被读也没被写）。

  • 408真题风格 ：给定一个页面访问序列（如 1， 2， 3， 4， 1， 2， 5， 1， 2， 3， 4， 5）和物理页框数（如3或4），要求手工模拟各种置换算法的执行过程，计算缺页次数 和缺页率 。注意区分缺页 和置换（第一次调入不算置换）。

• 5. 内存映射文件

  • 原理 ：OS可以将一个文件（或部分）直接映射到进程的虚拟地址空间。进程可以像访问内存数组一样通过指针访问文件内容。

  • 工作方式 ：首次访问文件的某个"页"时，产生缺页中断，OS将该部分文件内容读入物理页框，并建立映射。对映射区的修改在未来的某个时刻（脏页回写） 会自动同步到磁盘文件。

  • 优点 ：简化了文件I/O编程（无需read/write系统调用）；便于实现文件共享（多个进程映射同一文件即可）；利用了虚拟内存的按需调页机制，高效。

• 6. 虚拟存储器性能的影响因素及改进方法

  • 影响因素：

    1. 页面大小：太小则页表过大，内部碎片少；太大则传输慢，内部碎片多。

    2. TLB大小与命中率。

    3. 页置换算法。

    4. 程序局部性 ：包括时间局部性 （最近访问的将来还可能访问）和空间局部性 （访问了某个位置，附近位置也可能被访问）。局部性越好，缺页率越低。

    5. 分配给进程的物理页框数 ：太少会导致颠簸（抖动）。

  • 颠簸（抖动） ：进程频繁缺页，大部分时间用于页的换入换出，而非实际工作。原因 ：分配给进程的物理页框数少于其工作集大小。

    • 工作集模型：一个进程在某段时间内实际访问的页面集合。OS应确保分配给进程的页框数不小于其工作集大小。

  • 改进方法：

    • 采用工作集模型 或缺页率算法来动态调整分配给进程的页框数。

    • 优化置换算法（如使用改进型Clock算法）。

    • 增加TLB容量和命中率。

    • 利用预调页策略，预测并预先读入可能需要的页面。

总结与408备考策略

1. 两条发展主线 ：从连续分配 到非连续分配 （页/段），再到虚拟内存。理解每一步演进所解决的问题（外部碎片、大地址空间需求）。

2. 三个核心数据结构 ：页表/段表 （映射）、TLB （加速）、空闲页框链表（资源管理）。

3. 两大硬件机制 ：缺页中断 （虚拟内存的触发与处理机制）、地址变换（MMU和TLB的协作）。

4. 408必考题型与应对：

   • 地址变换计算：页式/段页式下的逻辑地址分析、页表大小计算、有效访存时间计算（含TLB）。

   • 页面置换算法模拟 ：LRU和Clock算法是绝对重点。必须非常熟练地手工模拟，准确计算缺页率和置换次数。

   • 综合题：可能结合缺页中断处理、置换算法、分配策略，分析系统性能。

5. 建立系统观 ：内存管理与进程管理 （每个进程有自己的地址空间）、文件管理（内存映射文件、交换区）紧密相连。虚拟内存是实现"进程隔离"和"大程序运行"的关键技术。

四、文件管理

文件系统提供了对计算机外部存储设备（主要是硬盘）上信息的持久化、结构化管理，是用户视角最重要的操作系统功能之一。

（一）文件

• 1. 文件的基本概念

  • 定义 ：存储在外部存储介质上的、具有文件名 标识的相关信息的集合。

  • 属性：名称、标识符（内部ID）、类型、位置、大小、保护、时间戳等。

  • 操作系统对文件的视角 ：操作系统不关心文件的具体内容 ，只关心如何高效地组织、存储、检索和保护这些字节序列。文件的具体解释由应用程序负责。

• 2. 文件元数据和索引节点（inode） - 核心概念

  • 文件控制块（FCB） ：操作系统为每个文件建立的一个数据结构 ，用于存放该文件的所有元数据（除文件名和内容外的所有信息）。

  • 索引节点（inode） ：在类Unix系统（如Linux， Ext系列文件系统）中，FCB的具体实现称为inode。它是一个定长 的数据结构，与文件名分离存储 。这是理解Unix/Linux文件系统的关键。

  • inode包含的核心信息：

    • 文件类型（普通文件、目录、符号链接等）和权限（rwx）。

    • 文件所有者（UID， GID）。

    • 时间戳（创建、最后访问、最后修改）。

    • 文件大小。

    • 最重要 ：指向文件数据块的指针。包括直接指针、间接指针等，用于寻址文件内容。

    • 链接计数（硬链接数）。

  • 文件名与inode的关系 ：在目录中，一个条目就是<文件名， inode编号>的映射。同一个文件（同一个inode）可以有多个文件名（硬链接）。

• 3. 文件的操作

  • 基本操作原语：

    • create：创建一个新文件（分配FCB/inode，在目录中添加条目）。

    • delete：删除文件（减少链接计数，若为0则释放inode和数据块）。

    • open：将文件从外存"打开"到内存。系统为打开的文件在内存中维护一个打开文件表项 （包含文件偏移指针、访问模式等）。返回一个文件描述符（fd） 给进程。

    • close：关闭文件，释放内存中的打开文件表项。缓冲数据可能被写回磁盘。

    • read/write：在打开的文件上，从当前文件偏移处读写数据，并更新偏移。

  • "打开文件"的数据结构：

    • 系统级打开文件表 ：整个系统一张，记录所有打开文件的物理信息（如磁盘位置）。

    • 进程级打开文件表 ：每个进程一张，包含指向系统级表项的指针和进程特定的信息 （如当前文件偏移）。fd就是该表的索引。

    • 父子进程共享文件偏移 ：fork()后，子进程会复制父进程的文件描述符表项 ，两者指向同一个系统级表项，因此共享文件偏移。这是一个重要考点。

• 4. 文件的保护

  • 访问类型：读、写、执行、添加、删除、列表等。

  • 访问控制方法：

    • 访问控制列表（ACL） ：为每个文件维护一个列表，记录每个用户/组的权限。灵活但列表可能很长。

    • Unix简化模式（最常考） ：为文件所有者、同组用户、其他用户 三类主体，分别设置rwx权限位（共9位）。使用chmod命令修改。

  • 保护域：进程在某个用户ID下运行时，就拥有了该用户的访问权限。

• 5. 文件的逻辑结构 - 用户视角的文件组织

  • 无结构文件（流式文件） ：文件是字节的有序序列。操作系统提供的视角，也是最常见的类型（如文本文件、二进制可执行文件）。

  • 有结构文件（记录式文件）：文件由一组相关记录组成。通常由数据库系统在流式文件的基础上实现。

  • 408考点：理解操作系统提供的是最基本的流式视图，更复杂的结构由应用程序构建。

• 6. 文件的物理结构 - 操作系统视角的文件磁盘存储 - 核心重难点

  • 即文件的分配方式 。决定了如何为文件分配磁盘块，直接影响磁盘访问性能 和存储空间利用率。

  1. 连续分配：

     • 原理 ：为每个文件分配一组连续的磁盘块。

     • 优点 ：顺序访问速度极快 （磁头移动少）；实现简单，支持直接访问（逻辑地址/块大小即可得物理块号）。

     • 致命缺点 ：会产生外部碎片；文件创建时必须知道最终大小，且难以增长。

  2. 链接分配：

     • 原理 ：为文件的每个磁盘块包含一个指向下一个块的指针。

     • 隐式链接 ：指针存在块内，用户不可见。缺点：只能顺序访问；可靠性差（一个指针损坏，后面全丢）。

     • 显式链接 ：将所有块的指针集中放在内存的一张文件分配表（FAT） 中。MS-DOS/Windows的FAT文件系统使用。

       • 优点：无外部碎片，支持文件动态增长；FAT在内存中，随机访问比隐式快。

       • 缺点：FAT表需常驻内存，占用空间；不适合大磁盘（FAT表会过大）。

  3. 索引分配：

     • 原理 ：为每个文件建立一个索引块，其中存放指向该文件所有数据块的指针数组。

     • 优点 ：完美支持直接访问和随机访问；无外部碎片，文件可动态增长。

     • 缺点：索引块本身占用空间；小文件也有索引块开销。

     • 多级索引与混合索引（Unix inode采用）：解决大文件的索引问题。

       • 直接指针：inode中有若干项直接指向数据块（如12个），满足小文件需求。

       • 一级间接指针 ：inode中有一项指向一个索引块，该索引块再指向数据块。

       • 二级/三级间接指针：原理类似，用于支持超大文件。

     • 408高频计算题 ：给定inode结构（如12个直接指针，1个一级间接，1个二级间接，1个三级间接，块大小4KB，指针4B），求文件的最大长度。计算时需分清：直接块数、一级间接块数（一个索引块能存块大小/指针大小个指针）、二级间接块数（一级索引块个数 × 每个一级索引块的容量）。

  4. 小结对比 ：连续分配重性能，链接分配重灵活，索引分配是折中 。现代文件系统（如Ext4， NTFS）普遍采用类inode的索引分配。

（二）目录

• 1. 目录的基本概念

  • 定义 ：一种特殊的文件，其内容是<文件名， 指向文件的指针（如inode编号）>的集合。目录的"数据块"里存放的是目录条目。

• 2. 树形目录

  • 现代操作系统普遍采用树形（层次化）目录结构。有根目录 、子目录 、文件。路径分为绝对路径（从根开始）和相对路径（从当前目录开始）。

• 4. 硬链接和软链接（符号链接） - 核心考点

  • 硬链接：

    • 本质是在目录中创建一个新的条目 ，该条目指向同一个inode。

    • 特点 ：inode的链接计数加1 ；删除一个硬链接只是链接计数减1，只有当计数为0时，inode和数据块才会被真正释放；不能跨文件系统 （因为inode编号只在同一文件系统内唯一），不能链接目录（防止在目录树中形成环）。

    • 创建 ：ln <源文件> <链接名>

  • 软链接（符号链接）：

    • 本质是创建一个特殊类型的小文件 ，其内容 是另一个文件的路径名。

    • 特点 ：有自己的inode和数据块；删除源文件，软链接将成为"悬空链接"（dangling link）；可以跨文件系统，可以链接目录。

    • 创建 ：ln -s <源文件> <链接名>

  • 408考点 ：给出一系列ln， rm操作，要求判断inode链接计数的变化、文件是否被删除、软链接是否有效等。

（三）文件系统

• 1. 文件系统的全局结构（layout）

  • 外存中的结构（磁盘布局）：一个格式化后的磁盘分区，其空间通常被划分为以下几个连续区域：

    1. 引导块：存储启动代码（可能为空）。

    2. 超级块 ：存储文件系统的元数据 （如文件系统类型、大小、空闲块数量、inode表位置等）。至关重要，损坏可能导致整个文件系统无法识别。

    3. inode表区：一个连续区域，存放所有文件的inode。

    4. 数据区：存放文件实际内容和目录内容。

  • 内存中的结构：为了提高性能，OS会将部分外存结构缓存在内存。

    • 安装表：记录已挂载的文件系统信息。

    • 目录缓存：最近访问过的目录信息。

    • 系统级打开文件表：如前所述。

    • 各种缓存 ：页面缓存/缓冲区缓存 （缓存文件数据块）， inode缓存（缓存活跃文件的inode）。

• 2. 外存空闲空间管理方法

  • 如何记录磁盘上哪些块是空闲的，以便快速分配给新文件。

  1. 空闲表法/空闲链表法 ：维护一个空闲块列表（表或链）。分配和回收简单，但效率不高。

  2. 位示图法（Bit Map） ：最常用、最高效 。用一个二进制位（0空闲， 1已用）表示一个磁盘块的状态。

     • 优点：查找连续空闲块快（找连续的0）；可以常驻内存，操作快。

     • 缺点：位示图本身需要占据一定的存储空间。

     • 408计算题：给定磁盘总容量和块大小，计算位示图需要占用多少字节。

  3. 成组链接法（Unix采用）：结合了链表和索引的优点，适用于大型文件系统。将空闲块分组，用栈的方式管理。

• 3. 虚拟文件系统（VFS） - 关键抽象层

  • 目的 ：为上层应用程序和操作系统其他部分提供一个统一的 文件操作接口，从而支持多种不同的具体文件系统（如Ext4， NTFS， FAT32）。

  • 原理 ：VFS定义了一组抽象接口 （如open， read， write）。每种具体的文件系统需要提供这些接口的实现。

  • 核心数据结构：

    • 超级块对象：代表一个已挂载的文件系统。

    • inode对象：代表一个文件。

    • 目录项对象 ：代表一个路径分量（如/usr/bin中的usr和bin），用于加快路径查找（目录项缓存dentry cache）。

    • 文件对象：代表一个打开的文件。

  • 意义 ：因为VFS的存在，cat命令才能同时读取Ext4分区和NTFS分区上的文件。

• 4. 文件系统挂载（mounting）

  • 定义 ：将一个文件系统 （通常是磁盘分区）关联到当前系统目录树的某个空目录（挂载点）上，使得该文件系统中的文件可以通过该目录被访问。

  • 过程 ：OS读取该磁盘分区的超级块，初始化相关数据结构（如VFS超级块对象），将其加入挂载表，最终使挂载点成为新文件系统的根目录。

  • 示例 ：mount /dev/sda1 /mnt 将sda1分区挂载到/mnt目录。之后，访问/mnt就等于访问sda1分区的根目录。

总结与408备考策略

1. 两条主线：

   • 文件的组织 ：从逻辑结构（用户看）到物理结构（系统看，重点是索引分配/inode）。

   • 文件系统的构建：从磁盘布局到内存缓存，再到统一接口（VFS）。

2. 三大核心机制：

   • 存储：文件如何存到磁盘块（物理结构）。

   • 检索：如何通过路径名找到文件（目录、inode、目录项缓存）。

   • 缓存：如何利用内存加速文件访问（缓冲区缓存、inode缓存）。

3. 408必考题型与应对：

   • 计算题：

     • 基于inode的最大文件长度计算（重中之重，务必掌握）。

     • 位示图大小计算。

     • 给定混合索引结构，求访问某个逻辑块需要的磁盘I/O次数。

   • 概念辨析题：

     • 硬链接 vs. 软链接（每年必考）。

     • 各种文件分配方式（连续、链接、索引）的优缺点。

     • 文件打开/关闭的内核数据结构变化。

   • 综合应用题：可能结合目录操作、链接、文件删除，分析inode链接计数和磁盘空间的变化。

4. 建立层次化理解 ：从/home/user/file.txt这个路径出发，理解其背后发生的所有事情：路径解析（VFS， dentry缓存）、权限检查、inode读取、数据块访问、缓存命中与回写。这能将本章所有知识点串联起来

五、输入输出（I/O）管理

I/O管理的核心目标是：在安全、正确的前提下，以统一的方式高效管理种类繁多、速度各异的I/O设备，并对上层应用提供简单易用的接口。

（一）I/O管理基础

• 1. 设备

  • 分类（按信息交换单位）：

    • 块设备 ：以数据块 为单位进行读写，支持随机访问。典型：磁盘、固态硬盘（SSD） 。核心特征：可寻址。

    • 字符设备 ：以字符 为单位进行读写，是顺序的数据流。典型：键盘、鼠标、打印机、网络接口（尽管网络也分帧）。核心特征：不可寻址，顺序访问。

    • 网络设备：可视为一类特殊的字符设备，但操作系统通常为其提供独立的访问接口（套接字Socket）。

  • I/O接口与端口 ：已在《组成原理》部分详细阐述。回顾核心：I/O接口是硬件控制器；I/O端口是CPU可寻址的寄存器；编址方式有独立编址 和统一编址。

• 2. I/O控制方式 - 硬件层面如何传送数据

  • 程序直接控制（轮询） ：CPU不断查询设备状态寄存器，直到设备就绪。CPU利用率极低。

  • 中断驱动方式 ：CPU发出I/O命令后继续执行其他任务，设备完成后主动中断 CPU。CPU与I/O设备部分并行 ，但每次数据单位（如1字节）的传输都需要CPU介入中断处理，对于大量数据传输开销大。

  • DMA方式 ：划时代的改进 。DMA控制器在内存与外设之间直接建立数据通路 。CPU仅在传输开始（设置DMA控制器参数）和结束（被中断通知）时介入，中间的整块数据传输无需CPU参与。这是高速设备（如磁盘）的必然选择。

    • DMA请求/响应 ：DMA与CPU通过总线仲裁 共享内存总线（通常采用周期窃取方式）。

    • 408高频计算题：给定磁盘数据传输率、DMA块大小、CPU处理DMA中断的开销，求CPU时间被I/O占用的百分比。

  • 通道方式 ：可看作是增强版的、更智能的DMA，能执行简单的通道程序，独立管理更复杂的I/O操作。用于大型机。

• 3. I/O软件层次结构 - 核心框架

  • 这是一个自底向上 的层次模型，体现了OS设计的分层 与抽象思想。

  1. 中断处理程序 （最底层）：位于OS内核。当I/O完成或出错时，设备控制器发中断，CPU执行对应的中断服务程序（ISR）。职责：进行最底层的设备寄存器操作，唤醒被阻塞的驱动程序。

  2. 设备驱动程序 （与硬件直接对话）：内核模块，与具体的设备型号/控制器 一一对应。职责 ：向上提供统一的设备操作接口（如read， write）；向下将OS的通用I/O请求翻译为针对特定设备的、一系列具体的控制器命令（写入特定寄存器），并排队、启动I/O操作。

     • 关键点 ：驱动程序是内核中唯一知道设备控制器细节的部分。

  3. 设备独立软件（设备无关软件层） ：OS内核中与具体设备无关的部分。核心层。

     • 职责：

       • 设备命名与保护 ：将用户友好的设备名（如/dev/sda）映射到具体的驱动程序。

       • 提供统一的系统调用接口 （如open， read）。

       • 缓冲区管理（见后文）。

       • 错误报告。

       • 分配与释放独占设备。

       • 提供与设备无关的块大小（如上层认为所有块设备块大小都是4KB，由驱动程序负责与实际物理扇区大小转换）。

  4. 用户层I/O软件 ：库函数（如C语言的printf， fread）和SPOOLing系统（见后文）。它们封装系统调用，提供更友好的API。

• 4. 输入输出应用程序接口（API）

  • 块设备接口 ：提供read/write等面向块的接口。文件系统建立在块设备接口之上。

  • 字符设备接口 ：提供get/put等面向字符流的接口。也可能实现read/write。

  • 网络设备接口 ：通常通过套接字（Socket） 接口访问，支持bind， listen， send， recv等操作。

  • 阻塞/非阻塞I/O：

    • 阻塞I/O ：进程发起I/O请求后，若数据未就绪，则主动阻塞，让出CPU。

    • 非阻塞I/O ：进程发起I/O请求后，无论数据是否就绪都立即返回 。进程需要轮询检查状态。

    • 异步I/O ：进程发起I/O请求后立即返回，继续执行。当I/O操作完成后 ，系统会通知 进程（如通过信号或回调函数）。真正的"后台"操作。

    • 408考点 ：区分这三种I/O模型。阻塞/非阻塞关注等待数据时的行为 ，同步/异步关注数据就绪后的通知方式。

（二）设备独立软件

• 1. 缓冲区管理 - 核心性能优化手段

  • 目的：

    1. 缓和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾。

    2. 减少对CPU的中断频率（DMA/块设备一次传输一块数据才中断一次）。

    3. 提高CPU与I/O设备的并行性。

    4. 解决数据粒度不匹配（如网络数据包与磁盘块大小不同）。

  • 单缓冲区 ：分配一个缓冲区。当进程需要数据时，先将磁盘块读入缓冲区，然后进程从缓冲区取数据。处理一块数据的总时间 ≈ max(C, T) + M，其中C是计算时间，T是传输时间，M是从缓冲区复制到用户区的时间。

  • 双缓冲区 ：设置两个缓冲区。当进程从一个缓冲区取数据时，操作系统可以同时向另一个缓冲区写入数据。可实现连续输入和连续处理的重叠 。处理一块数据的时间 ≈ max(C, T)。若C < T，则可使设备连续工作；若C > T，则可使进程连续工作。

  • 循环缓冲区 和缓冲池 ：将多个缓冲区组织成队列或公用池，由系统统一管理，动态分配。现代操作系统的主流方式。

  • 408考点：缓冲区工作过程分析，计算使用缓冲区后系统处理数据的总时间。

• 2. 设备分配与回收

  • 静态分配 ：进程运行前即分配所有所需设备，运行结束后释放。简单，不会死锁，但设备利用率低。

  • 动态分配 ：进程在运行过程中根据需要申请设备。需要预防死锁（如使用银行家算法）。

  • 数据结构 ：系统维护设备控制表（DCT） 、控制器控制表（COCT） 、通道控制表（CHCT） 和系统设备表（SDT） 来跟踪设备状态和分配情况。

• 3. 假脱机技术（SPOOLing） - 将独占设备改造成共享设备

  • 全称：Simultaneous Peripheral Operations On-Line（外部设备联机并行操作）。

  • 核心思想 ：利用高速的共享设备（磁盘） 模拟低速的独占设备（如打印机）。

  • 工作原理（以打印为例）：

    1. 当用户进程请求打印时，SPOOLing系统 将数据快速输出到磁盘的"输出井"（一个特定区域）。

    2. 用户进程认为打印已完成，可以继续执行。

    3. 后台的SPOOLing进程 负责在打印机空闲时 ，从输出井中取出数据，真正地、顺序地送给打印机打印。

  • 特点：

    • 将物理的独占设备 变成了逻辑的共享设备。

    • 实现了虚拟设备功能。

  • 应用：打印机共享、早期批处理系统的输入/输出井。

• 4. 设备驱动程序接口

  • 设备独立软件层通过一组标准的、与设备无关的函数调用接口来调用驱动程序。驱动程序的编写者需要实现这些接口。

  • 在类Unix系统中，这个接口通常表现为一个包含函数指针（如open， read， ioctl）的数据结构（如file_operations）。驱动程序初始化时，向内核注册这个结构。

（三）外存管理

• 1. 磁盘 - 传统机械硬盘，I/O性能的瓶颈所在

  • 结构 ：由多个盘片 叠加，每个盘面有对应的磁头 。数据存储在磁道 上，多个盘面的同一磁道组成柱面 。磁道划分为扇区（通常512B或4KB）。

  • 访问时间 ：访问时间 = 寻道时间 + 旋转延迟 + 传输时间。

    • 寻道时间 ：磁头移动到目标磁道的时间。最长、影响最大。

    • 旋转延迟：盘片旋转，使目标扇区到达磁头下方的时间。平均为旋转半圈的时间。

    • 传输时间：读写数据的时间。

  • 磁盘调度算法 - 核心考点，目标是减少平均寻道时间

    1. 先来先服务（FCFS） ：按请求顺序服务。公平但性能差，寻道时间长。

    2. 最短寻道时间优先（SSTF） ：总是选择当前磁头位置距离最近 的请求。性能优于FCFS，但可能导致饥饿（边缘磁道的请求可能长时间得不到服务）。

    3. 扫描算法（电梯算法，SCAN） ：磁头从一端开始，单向 移动到另一端，沿途服务所有请求；到达另一端后立即反向 移动并继续服务。性能好，无饥饿，但对刚扫描过的区域响应慢。

    4. 循环扫描算法（C-SCAN） ：改进SCAN。磁头单向移动 服务请求，到达另一端后立即快速返回起点 （不服务），重新开始单向扫描。提供了更均匀的等待时间。

    5. LOOK与C-LOOK算法 ：SCAN和C-SCAN的优化 。磁头移动无需到达磁盘端点 ，只需移动到最远的一个请求 就立即反向（LOOK）或返回（C-LOOK）。现代系统实际采用的方式。

  • 408真题风格 ：给出一系列柱面请求序列和初始磁头位置，要求手工模拟上述调度算法，计算磁头移动的总柱面数（寻道距离）。

• 2. 固态硬盘（SSD）

  • 读写性能特性：

    • 以页为单位读写 （如4KB， 8KB），以块为单位擦除（通常由几十上百个页组成）。

    • 读快，写慢，擦除极慢。

    • 随机读写性能远超机械硬盘（无寻道和旋转延迟）。

  • 磨损均衡 ：SSD的每个存储单元（Cell）有写入次数限制 。磨损均衡技术旨在将写操作均匀分布到所有存储单元上，避免部分单元过早损坏。

    • 动态磨损均衡：写入时，选择擦除次数最少的块。

    • 静态磨损均衡：当检测到某些块很少被更新时，主动将冷数据移到写次数多的块，腾出冷块来接收新数据。

  • 与操作系统的交互：现代操作系统（如Windows的TRIM命令）需要感知SSD特性，在删除文件时通知SSD，以便其内部进行垃圾回收和磨损均衡，维持性能。

  • 408考点：比较SSD与HDD的特性差异；理解磨损均衡的必要性。

总结与408备考策略

1. 明确两个视角 ：本章内容是**《组成原理》I/O硬件控制** 的软件延续。硬件决定"能不能做"（DMA），软件决定"如何高效、统一地做"（驱动、缓冲、调度）。

2. 抓住三个性能核心：

   • 减少中断开销 -> DMA。

   • 缓和速度矛盾 -> 缓冲区管理。

   • 减少机械延迟 -> 磁盘调度算法。

3. 理解四大抽象/改造：

   • 设备无关性抽象（设备独立软件层）。

   • 共享化改造（SPOOLing）。

   • 块设备抽象（文件系统的基础）。

   • 网络设备抽象（Socket）。

4. 408必考题型与应对：

   • 磁盘调度算法计算 ：与进程调度类似，给请求序列，模拟SCAN（LOOK） 和C-SCAN（C-LOOK） 算法，计算磁头移动距离。SSTF也要掌握。

   • DMA/中断开销计算：结合《组成原理》知识，计算CPU时间利用率。

   • 缓冲区工作分析：理解单/双缓冲区的工作原理和时间计算。

   • 概念辨析选择题：I/O控制方式比较、I/O软件层次功能、阻塞/非阻塞/异步I/O、SPOOLing原理。

I/O管理章节的知识点相对分散但逻辑清晰，核心在于理解操作系统如何通过软件分层、缓冲、调度等一系列策略，来管理和优化性能差异巨大、种类繁多的I/O设备。真题中的计算题（磁盘调度、DMA）和概念题是复习的重点。

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