中级软考（软件工程师）第四章知识点——操作系统

中级软考（软件工程师）第四章知识点------操作系统

一、OS概述
- [1. OS的两大作用](#1. OS的两大作用)
- [2. OS的特征](#2. OS的特征)
- [3. OS的功能](#3. OS的功能)
- [4. OS的分类](#4. OS的分类)
- [5. 核心知识点补充（重点）](#5. 核心知识点补充（重点）)
二、进程管理
- [1. 进程的状态](#1. 进程的状态)
- - [1.1 三模态](#1.1 三模态)
  - [1.2 五模态](#1.2 五模态)
- [2. 进程间通信](#2. 进程间通信)
- - [2.1 同步与互斥](#2.1 同步与互斥)
  - [2.2 信号量](#2.2 信号量)
  - [2.3 PV操作](#2.3 PV操作)
- [3. 进程调度](#3. 进程调度)
- - [3.1 调度层次------三级调度](#3.1 调度层次——三级调度)
  - [3.2 调度算法](#3.2 调度算法)
- [4. 死锁](#4. 死锁)
- - [4.1 四大必要条件](#4.1 四大必要条件)
  - [4.2 死锁的处理策略](#4.2 死锁的处理策略)
  - [4.3 银行家算法简介](#4.3 银行家算法简介)
三、存储管理
- [1. 存储结构和地址](#1. 存储结构和地址)
- - [1.1 层次结构](#1.1 层次结构)
  - [1.2 地址](#1.2 地址)
- [2. 分区存储管理](#2. 分区存储管理)
- [3. 分页存储管理](#3. 分页存储管理)
- [4. 分段存储和段页式](#4. 分段存储和段页式)
- [5. 虚拟存储与页面置换](#5. 虚拟存储与页面置换)
- - [5.1 程序局部性原理](#5.1 程序局部性原理)
  - [5.2 页面置换算法](#5.2 页面置换算法)
- [6. 扩展缺页中断](#6. 扩展缺页中断)
- [7. 经典题目](#7. 经典题目)
四、设备管理
- [4.1 I/O软件的操作过程（重点）](#4.1 I/O软件的操作过程（重点）)
- [4.2 四大关键技术](#4.2 四大关键技术)
- [4.3 磁盘调度算法](#4.3 磁盘调度算法)
- [4.4 经典题目](#4.4 经典题目)
五、文件管理
- [5.1 文件和文件系统](#5.1 文件和文件系统)
- [5.2 文件结构和组织](#5.2 文件结构和组织)
- [5.3 真题解析](#5.3 真题解析)
六、作业管理
- [6.1 作业与作业控制](#6.1 作业与作业控制)
- [6.2 作业调度](#6.2 作业调度)
- [6.3 衡量指标](#6.3 衡量指标)
- [6.4 真题解析](#6.4 真题解析)
下一章：软件工程基础知识
分值占比：大约7分左右
题型：单选 & 多选
注意点： 这一章节比较重要，大多都是一些框架知识

一、OS概述

1. OS的两大作用

通过资源管理提高计算机系统的效率。
改善人际页面，给用户提供良好的工作环境。

2. OS的特征

并发性
共享性
虚拟性
不确定性

3. OS的功能

进程管理
文件管理
存储管理
设备管理
作业管理

4. OS的分类

批处理
分时
实时
网络（集中、C/S、对等）
分布式
微型
嵌入式

5. 核心知识点补充（重点）

简单说一下几种系统的区别

批处理： 用户无法干预程序运行，一般用于规范的计算，只能等待结果。
分时： 代表就是我们使用的手机电脑，一人独占CPU和资源，但是开销比较大。
实时系统： 导弹、航班等是代表，特点就是响应速度极快，而且要求安全可靠，就是资源利用率不一定高，毕竟重点还是快、安全。

注意一下并发和并行的区别

并发： 宏观上同步执行，微观实际上在不同进程之间来回切换。
并行： 多核CPU支持，不同的核运行不同的程序。

二、进程管理

1. 进程的状态

1.1 三模态

就绪态： 所有已准备好，等待CPU。
运行态： CPU执行代码。
阻塞态： 正在等待某个事件（比如键盘输入、硬盘读写），或者挂起

1.2 五模态

📝 在上面的基础上增加了出生和死亡

创建态： 进程的创建。
终止态： 进程的结束。

2. 进程间通信

2.1 同步与互斥

互斥： 只有一个设备（厕所），同一时间只能有一个人使用。
同步： 有顺序要求，A完成之后才能运行B。

2.2 信号量

📝 S S S是一个整数变量

S > 0 S > 0 S>0：表示当前可用的资源数量
S = 0 S = 0 S=0：表示资源刚好用完，且没有人排队
S < 0 S < 0 S<0：表示当前正在排队等待该资源的进程数（绝对值就是排队人数）

2.3 PV操作

📝 这是两个原语，也就是原子操作，执行过程不允许被中断

P操作：申请资源

V操作：释放资源

3. 进程调度

3.1 调度层次------三级调度

作业调度（高级）：将程序从硬盘调入内存（频率低）
内存调度（中级）：当内存紧张时，将不重要的进程阻塞（挂起），放入外存中。
进程调度（低级）：决定哪个就绪进程抢到CPU（发生频率极高，毫秒级别）

3.2 调度算法

先来先服务（FCFS）：
- 特点：那就是先到先得呗
- 缺点：对于耗时比较短的作业不公平，因为耗时长的会消耗很多时间
时间片轮转：
- 特点：轮转顾名思义就是，每个人咱都来运行一下子，时间到了你就撤退
- 优点：公平，适合分时系统，也就是我们常用的PC手机等
优先级调度：
- 静态优先级：创建时定义好，之后不会改变优先级
- 动态优先级：等待时间越长优先级越高，防止饿了（等的时间太长）
多级反馈队列：
- 集万众宠爱于一身，拥有多个队列，优先级不同，时间片也不一样，需求兼容性很好。
周转时间： 就是等待 + 服务时间
周转时间 = 完成时间 − 到达时间周转时间 = 完成时间 - 到达时间周转时间=完成时间−到达时间
带权周转时间： 其实就是效率，看看是不是在规定时间内完成任务

带权周转时间 = 周转时间 / 服务时间带权周转时间 = 周转时间 / 服务时间带权周转时间=周转时间/服务时间

4. 死锁

4.1 四大必要条件

互斥： 资源独占
保持请求： 占有资源的同时申请新的资源
不可剥夺： 只能等对方主动释放
环路等待： A等B，B等C，C等A，闭环

4.2 死锁的处理策略

预防： 比如一次性申请所有资源，但是代价很大
避免死锁： 银行家算法，在分配下一个资源的时候查看当前系统资源是否足够，足够了再分配。
检测与解除： 允许死锁发生，但定期检查，一旦发现就杀死进程，直接干掉干掉。

4.3 银行家算法简介

📝 首先记住一个公式：
N e e d = M a x − A l l o c a t i o n Need = Max - Allocation Need=Max−Allocation

之后的核心就是拿着剩下的Allocation慢慢算，直到有一个安全序列，只不过我们要注意计算P1的时候，归还的资源是减去请求后的新[3,0,2]就行。

三、存储管理

1. 存储结构和地址

1.1 层次结构

📝 层次结构生效的基础：局部性原理。

寄存器： 最快、最贵
Cache： 很快、也很贵
主存： 正常、价钱适中
外存： 一般、价钱合适

寄存器------Cache------主存------外存

1.2 地址

逻辑地址（相对地址）： CPU生成的、程序里写的地址，比如变量a的地址。
物理地址（绝对地址）： 内存条上真实的地址，我们也可以通过程序打印出变量的物理地址。
重定位： 逻辑地址和物理地址的映射过程

2. 分区存储管理

固定分区： 死板，存在内部碎片（也就是无法完整利用存储空间）
可变分区： 按需分配，存在外部碎片（不同分区之间的空隙）
四大分配算法：
- 首次适应： 从头开始找能放下的，最快，但是会破坏低地址空间（因为不一定完全适应，然后导致内存切割）
- 最佳适应： 找大小最合适的，最烂，因为会留下无数极小且无法利用的外部碎片。
- 最差适应： 找最大的一块切割。适用于大作业。
- 循环首次适应： 从上次找的地方接着找，分布均匀。

3. 分页存储管理

原理： 把物理内存切成一块块（页帧），把逻辑程序切成大小一样的一页页。
地址结构：
逻辑地址 = 页号 P + 页内偏移量 W 逻辑地址 = 页号P + 页内偏移量W 逻辑地址=页号P+页内偏移量W
物理地址 = 块号 ∗ 页面大小 + 页内偏移量 W 物理地址 = 块号 * 页面大小+ 页内偏移量W 物理地址=块号∗页面大小+页内偏移量W
页表： 记录"页号和物理块号"的映射表。
块表（TLB）： 放在寄存器 / 高度缓存里的"精简版页表"，用来加速查表。

4. 分段存储和段页式

分段： 按逻辑功能分（主函数一段、子函数一段、数据一段）。利于共享和保护。
段页式： 先分段，段内在分页。结合了段的共享和页的内存利用率优点。

5. 虚拟存储与页面置换

5.1 程序局部性原理

时间局部性： 刚访问过的指令马上又访问（循环结构）
空间局部性： 访问了某个位置，马上访问它隔壁（数组遍历）

5.2 页面置换算法

OPT（最佳置换）： 踢出未来最久不用的，无法实现，因为谁也不知道。
FIFO（先进先出）
LRU（最近最少使用）： 踢掉最近一段时间没有使用过的。
NRU（最近未使用）： 成本相比LRU低一些

6. 扩展缺页中断

这是当访问的页面不在内存中，可能因时间太长被清理出内存了，然后产生了所谓的"缺页中断"现象，这时候会阻塞进程，然后重新调入页面，修改页表，重新执行指令。

7. 经典题目

分页地址计算
页面置换LRU

四、设备管理

4.1 I/O软件的操作过程（重点）

4.2 四大关键技术

DMA（直接存储器读取）：
- 原理： 数据在内存和I/O设备之间成块传输，不需要CPU搬运，这个之前说过。
- 特点： 减少CPU干预，只在申请总线和释放总线的时候干预。
Spooling（假脱机）：
- 原理： 在磁盘上开辟输入井/输出井，先存盘在排队处理。
- 作用： 将独占设备（打印机）改造成共享设备。
缓冲：
- 目的： 缓和CPU和设备速度不匹配的问题。
通道： 一种比DMA更加高级的手段，有一个专门的硬件来处理IO。

4.3 磁盘调度算法

先来先服务（FCFS）：公平，但效率低。
最短寻道时间优先（SSTF）：谁距离磁头近就去哪儿，但可能导致饥饿现象，因为排队远的就耗时长。
扫描算法（SCAN / 电梯算法）：先规定一个方向，扫描结束后换一个方向
循环扫描（C-SCAN）：单向扫描，到终点之后直接从头开始再次扫描

4.4 经典题目

磁盘调度计算

五、文件管理

5.1 文件和文件系统

文件： 具有名称和后缀名的一组相关信息的集合，对用户来说这是存取数据的基本单位。
文件系统： 操作系统中负责管理和存取文件的软件机构，负责把用户的文件名对应到硬盘上的物理地址。

5.2 文件结构和组织

（1）逻辑结构

流式文件： 看做是一串字符流，没有结构，类似我们常见的txt文件。
记录式文件： 由若干条记录组成，每条记录有固定的字段，也就是数据库类似的。

（2）物理结构

连续结构： 文件存放在连续的物理块中。优点是顺序读取快，缺点是不能灵活扩展。
链接结构： 文件离散存放，用指针串联。优点是容易扩展，缺点是随机访问慢。
索引结构： 为每个文件建立一张索引表，记录逻辑块到物理块的映射。支持随机访问，而且易于扩展，是现代的主流。

（3）目录

文件控制块（FCB）： 由FCB组成的表，里面记录了文件大小、物理位置、创建时间等等各种信息。
目录结构：
- 一级目录： 最开始的划分，所有文件在一张表里，不能重名。
- 二级目录： 按照用户划分目录，但也只是解决了不同用户文件重名的问题。
- 多级目录： 树形结构，目录按照理论来说可以无限嵌套，层次清晰，便于分类。

（4）存储方法与空间

📝 思考：当硬盘上有很多空位，怎么管理这些空位？

空闲区表： 用一张表来记录哪一段是空的（起始位置+长度），适用于连续分配。
位示图（重点中的重点）： 用二进制位构成的地图来表示磁盘块的使用情况，1代表占用，0代表空闲。
空闲块链： 把空闲的块向链条一样串起来。
成组链接法： unix系统专用。把空闲块分成组，每一组的第一个块记录下一组的地址。结合了空闲表和链表的优点，适合大型的系统。

（5）共享与保护

文件共享：
- 硬链接： 利用索引节点共享，多个文件名指向同一个物理索引。删除时通过计数器判断，计数器为0时才真的删除。
- 符号链接（软链接）： 通俗的就是快捷方式，这是一个存储了另一个文件地址的文件，如果源文件删除，这个链接就失效了。
文件保护：
- 存取控制矩阵/表： 一张二维表，记录哪个用户对哪个文件有什么权限。

（6）安全和可靠性

系统安全： 分级管理（系统级，用户级），防止未授权访问。
可靠性：
- 转储和恢复： 定期备份（全量备份和增量备份）
- 日志文件： 记录每一次操作，系统奔溃重启后，根据日志系统重做或者撤销未完成的操作，保证一致性（类似强制重启后打开浏览器，还能恢复之前的页签的功能）

5.3 真题解析

（1）索引结构计算

📝 首先要记住两个公式：

N ( 地址数量 ) = 物理块大小 / 地址项大小 N(地址数量) = 物理块大小 / 地址项大小 N(地址数量)=物理块大小/地址项大小
索引容量 = N ∗ 物理块大小索引容量 = N * 物理块大小索引容量=N∗物理块大小

题目：某文件系统采用索引节点管理，直接索引10个，一级间接索引1个，二级间接索引1个。物理块大小4KB，地址项大小4字节。

问：该系统支持的最大文件长度是多少？

（2）位示图计算

题目：某系统字长32位，位示图从0开始编号（字号0，位号0）。若物理块号为 4195，它对应位示图的位置是？

（3）硬链接与软链接

题目：用户A对文件F创建了硬链接H，用户B对文件F创建了软链接S。

六、作业管理

📝 作业管理主要解决的是："系统如何接纳用户的任务，并决定先干哪一个"

6.1 作业与作业控制

作业： 用户提交的一个任务，对于计算机来说是一个各种工作的集合。（相当于说我打开了微信，那后台可能分为好几个进程，这个进程对于计算机来说才是一个一个任务）
作业状态：
- 提交： 用户正在进行数据的准备，比如正在键盘输入或者其它的数据输入。
- 后备： 提交后作业存放在"后备队列"中，等待内存的调度（所谓的作业调度就发生在这里）
- 执行： 作业被调入内存之后就变成了进程，然后开始执行。
- 完成： 任务完成，输出结果。

6.2 作业调度

先来先服务（FCFS）： 自己感悟吧，这个说太多了。
短作业有限（SST）： 谁运行时间短谁先来，但容易出现长作业饥饿现象，因为短的老是插队。
响应比高优先（HRRN）： 折中方案，具体就是你等的时间太长把你放前面。
响应比 = 1 + 等待时间 / 服务时间响应比=1+等待时间 / 服务时间响应比=1+等待时间/服务时间
优先级调度： 根据用户指定的优先级或者系统内置的优先级调度。

6.3 衡量指标

周转时间： 完成时间 - 提交时间
带权周转时间： 周转时间 / 服务时间。（且必定大于1，越接近1越好）