软件设计师02-操作系统原理

操作系统

OS的四个基本特征：井发性、共享性、虚拟性和异步性。最基本的特征是并发性和共享性。

进程管理

主要是对处理机进行管理。为了提高CPU的利用率而采用多道程序技术。通过进程管理来协调多道程序之间的关系，使CPU得到充分的利用。

进程是正在运行的程序实体，并且包括这个运行的程序中占据的所有系统资源，比如说CPU（寄存器），IO,内存，网络资源等。很多人在回答进程的概念的时候，往往只会说它是一个运行的实体，而会忽略掉进程所占据的资源。比如说，同样一个程序，同一时刻被两次运行了，那么他们就是两个独立的进程。

存储管理

存储器管理的对象是主存，也称内存。它的主要功能包括分配和回收主存空间、提高主存利用率、扩充主存、对主存信息实现有效保护。

文件管理

从系统角度来看，文件系统是对文件存储器的存储空间进行组织，分配和回收，负责文件的存储，检索，共享和保护。从用户角度来看，文件系统主要是实现"按名取存"，文件系统的用户只要知道所需文件的文件名，就可存取文件中的信息，而无需知道这些文件究竟存放在什么地方。

设备管理

设备管理是指计算机系统中除了CPU和内存以外的所有输入输出设备的管理。

作业管理

每个用户请求计算机系统完成的一个独立的操作称为作业。作业管理包括作业的输入和输出，作业的调度与控制（根据用户的需要控制作业运行的步骤）。

进程管理

进程的状态

三态模型进程的状态：运行、就绪（缺CPU）、等待（缺资源）

由于进程的不断创建，系统资源特别是主存资源已不能满足所有进程运行的要求。这时，就必须将某些进程挂起，放到磁盘对换区，暂时不参加调度，以平衡系统负载；进程挂起的原因可能是系统故障，或者是用户调试程序，也可能是需要检查问题。

五态模型进程的状态：静止就绪、活跃就绪、静止阻塞、活跃阻塞、运行

前趋图

完成一系列活动先后的约束关系

PV操作

同步与互斥

PV操作首先要了解同步与互斥一个资源同时只能服务于一个进程

P操作的动作是：

（1）S减1；

（2）若S减1后仍大于或等于零，则进程继续执行；

（3）若S减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转进程调度。

V操作的动作是：

（1）S加1；

（2）若相加结果大于零，则进程继续执行；

（3）若相加结果小于或等于零，则从该信号的等待队列中唤醒等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度。

PV操作对于每一个进程来说，都只能进行一次，而且必须成对使用。在PV执行期间不允许有中断的发生。

P操作不满足情况会阻塞进程，对应的V操作会唤醒阻塞的进程。

PV操作与前趋图

死锁问题

ABC三个进程都需要五个资源，如果是12个，一人分配四个的情况下依然会死锁，如果是13个，则不会发生死锁。因为总有一个会获取全部资源进程执行完后会释放资源。 

解决死锁问题 

银行家算法

存储管理

分区存储组织

页式存储组织

当程序需要分配一个1G的内存时，内存足够，但是内存不连续时，就不能使用分区存储组织。页式弥补了这个缺点。

基础概念：

逻辑地址：是程序编译后，生成的目标模块进行编址时都是从0号单元开始编址，称之为目标模块的相对地址，即为逻辑地址（页号+页内地址）。

页：将进程划分的块，对应的大小就叫页面大小。

页框：将内存划分的块。页和页框二者一一对应，一个页放入一个页框，（理论上）页的大小和页框的大小相等。

页表：就是一个页和页框一一对应的关系表(页号 - 页帧号)。【存放在内存中】 关系表只是起到一个索引的作用，说白了就是能根据关系表能查到某一个页面和哪一个页框（块号/页帧号）所对应。

操作两步：

第一次，访问内存中的页表，利用逻辑地址中的页号查找到页帧号(块号)，与逻辑地址中的页内地址（偏移）拼接形成物理地址；

第二次：得到物理地址后，再一次访问内存，存取指令或者数据。

1.页面大小 * 2 ^(页表项大小) = 操作系统最大支持内存大小（虚拟内存）， 4K * 2^(4B) = 16GB (4K为)
2.页表占用内存 = 操作系统内存/页面大小 * 页表项大小，假设操作系统内存为2GB。 2GB/4KB*4B = 2MB
3.页表占用的页数是=页表占用内存/页面大小，这题同上假设2MB/4K=512个页。

答题的约定成俗

访问内存，先查页表在查块，也就是说访问内存次数是指令+数据块数的二倍。

缺页中断，访问指令时，即使指令占了多个页，也是一次读取完（只能是一次缺页中断），读取数据时占用几个页就是几次缺页中断。

段式存储组织

段式存储结构根据程序来分段（一个main方法一个段，有点类似于JVM的方法区，各个线程共享类信息和常量），每个段大小都不一样（页式存储根据物理空间分页，每页大小一样）。段式存储内存共享（页式存储程序独享内存）。

段页式存储组织

结合段式存储和页式存储先将用户程序分成若干个段，再把每个段分成若干个页，并为每一个段赋予一个段名。

页面淘汰算法

四种算法：

1.最优算法

2.随机算法

3.先进先出（常考）

4.最近最少使用（常考）

文件管理

索引文件结构

上图中有13个索引结点（考试时默认13个结点），假设盘块大小为4k，每个索引地址占4B，

直接索引：索引结点直接对应物理盘块。上图中有十个是直接索引，存储的大小为4k*10=40k。

一级间接索引：10号盘块有4k/4B=1024块（n的大小），所以一级索引的存储总和为4K * 1024。

二级间接索引：1024 * 1024 * 4K

三级间接索引：1024 * 1024 * 1024 * 4K

树型目录结构

主要考察绝对路径和相对路径

空闲存储空间管理

空闲区表法：用一个表记录空闲区域

空闲链表法：将空闲区域链成一个表

设备管理 

内存和外设之间的数据的传输控制问题

程序控制方式：又称程序查找方式，最低级，CPU介入最高。外设无反馈。

程序中断方式：当外设完成数据传输等操作会发出一种中断。

DMA方式：直接存储控制方式。专门的DMA控制器，又这个控制器去管控数据传输，CPU只在开头做一个操作，等完成之后再由CPU接管工作。

通道

输入输出处理机

虚设备与SPOOLING技术

spooling（Simultaneous Peripheral Operation On-Line，即外部设备联机并行操作）技术便可将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑I/O设备，同样允许多个用户共享一台物理I/O设备。

微内核操作系统