第三章 操作系统基础知识

1、任何一个计算机系统都是由两个部分组成的：计算机硬件系统和计算机软件系统。操作系统是计算机系统中的核心系统软件，负责管理和控制计算机系统中硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程和有效利用资源，在计算机与用户之间起接口作用。

2、在计算机系统中引入操作系统的目的可以从4个方面来理解：用户观点、资源管理观点、进程观点、分层观点。

3、操作系统的基本类型有批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。

4、从资源管理的观点看，操作系统的功能分为5大部分，即处理机管理、存储管理、文件管理、设备管理和作业管理。

5、操作系统的结构设计模式主要包括以下几种：模块化结构、层次化结构、客户/服务器结构、对象模式、对称多处理模式。

6、进程是可以与其他程序并发执行的段程序的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的基本单位。进程是一个程序关于某个数据集的一次运行。也就是说，进程是运行中的程序，是程序的一次运行活动。进程是一个动态的概念，因此进程具有动态性和并发性。进程是资源分配的基本单位。

7、进程实体由程序块（描述该进程要完成的任务）、进程控制块PCB（包括进程的描述信息、控制信息、资源管理信息和CPU现场保护信息等）和数据块（包括程序在执行时所需要的数据和工作区）3部分组成。

8、进程控制块PCB是进程存在的唯一标志，描述了进程的基本情况。在创建一个进程时，首先创建其PCB，然后才能根据PCB中的信息对进程实施有效的管理和控制。当一个进程完成其功能后，系统则释放PCB，进程也随之消亡。一般情况下，进程的PCB结构都是全部或部分常驻内存的。

9、进程是程序的一次运行，是一个动态的概念。进程是有状态的，其状态如下：就绪状态（指进程分配到除处理机以外的必需的资源的状态，进程被创建后处于就绪状态，处于就绪状态的进程可以有多个）；执行状态（指进程占用处理机正在CPU上执行的状态，在单CPU系统中，每一时刻只有一个进程处于执行状态）；阻塞状态（指进程因等待某个事件的发生而放弃处理机进入等待状态。系统中处于阻塞状态的进程可以有多个）。

10、进程的状态随着自身的推进和外界的变化而变化。就绪状态的进程被进程调度程序选中进入执行状态；执行状态的进程因等待某一事情的发生转入等待状态；等待状态的进程在等待事件来到后边进入就绪状态。进程的状态可以动态地相互转换，但阻塞状态的进程不能直接进入执行状态，就绪状态的进程不能直接进入阻塞状态。在任何时刻，任何进程都处于且只能处于某一状态。

11、进程控制是通过进程控制原语实现的。用于进程控制的原语主要包括：创建原语、阻塞原语、撤销原语、唤醒原语、优先级原语、调度原语。在操作系统中，原语是一个不可分割的基本单位。

12、创建原语创建一个进程，包括系统创建和父进程创建都必须调用创建原语。新建立的进程开始处于就绪状态。调度原语是按照确定的算法，从就绪队列中选择一个就绪进程，将处理器分配给它，修改这个进程的进程控制块PCB的内容。唤醒原语负责叫醒阻塞队列具备运行条件的某进程，使其回到就绪队列。撤销原语将执行完毕的进程登记、回收资源并撤销这个进程及其子进程。

13、进程互斥定义为：一组并发进程中一个或多个程序段，因共享某一公有资源而导致它们必须以一个不允许交叉执行的单位执行。也就是说，互斥是要保证临界资源在某一时刻只被一个进程访问。

14、进程同步定义为：异步环境下的一组并发进程因直接制约而互相发送消息，进行互相合作、互相等待，使得个进程按一定的速度执行的过程称为进程同步。也就是说，进程之间是异步执行的，同步即是使各进程按一定的制约顺序和速度执行。

15、信号量可以有效地实现进程的同步和互斥。在操作系统中，信号量是一个整数，当信号量大于等于0时，代表可供并发过程使用的资源实体数；当信号量小于0时，则表示正在等待使用临界区的进程数。对信号量只能施加特殊的操作：P操作和V操作，P操作和V操作都是不可分割的原子操作，P-V原语执行期间不允许中断发生。

16、P操作的作用是将信号量sem值减1，若sem的值变成负数，则调用P操作的进程暂停执行，直到另一个进程对同一信号量做V操作。V操作的作用是将信号量sem值加1，若sem的值小于等于0，从相应队列（与sem有关的队列）中选择一个进程，唤醒它。

17、为了保护共享资源，使它们不被多个进程同时访问，就要阻止这些进程同时执行访问这些资源的代码段，这些代码段称为临界区，这些资源称为临界资源。进程互斥不允许两个以上共享临界资源的并发进程同时进入临界区。利用P-V原语和信号量可以方便地解决并发进程对临界区的进程互斥问题。

18、通信就是在进程间传送数据。一般来说，进程间的通信根据通信内容划分为两种：控制信息的传送和大批量数据的传送。把控制信息的传送称为低级通信，大批量数据的传送称为高级通信。进程的同步和互斥是通过信号量进行通信来实现的，属于低级通信。高级通信原语提供两种通信方式：有缓冲区的通信和无缓冲区的通信。

19、管程是一个由过程、变量及数据结构等组成的集合，即把系统中的资源用数据抽象地表示出来。

20、进程调度即处理器调度，由调度原语实现。进程调度的方式有两类：剥夺方式与非剥夺方式。非剥夺方式是指一旦某个作业或进程占有了处理器，别的进程就不能把处理器从这个进程手中夺走，直到该进程自己因调用原语操作而进入阻塞状态，或时间片用完而让出处理机。剥夺方式是指就绪队列中一旦有进程优先级高于当前执行进程优先级时，便立即发生进程调度，转让处理机。

21、进程调度的算法是服务于系统目标的策略，调度方法有以下几种：先来先服务FCFS即先进先出FIFO；优先数调度；轮转法。

22、产生死锁的必要条件是互斥条件、保持和等待条件、不剥夺条件、环路等待条件。

23、解决死锁有两种策略：一种是在死锁发生前采用的预防和避免策略；另一种是在死锁发生后采用的检测和恢复策略。

24、在支持线程的操作系统中，线程是进程中的一个实体，是系统实施调度的独立单位。线程只拥有一些在运行中必不可少的资源，它与属于同一进程的其他线程共享该进程所拥有的资源。各线程可以并发运行。线程切换时只需保存和设置少量寄存器的内容，而并不涉及存储器管理方面的操作，所以线程切换的开销远远小于进程的切换。线程是处理器分配的最小单位。

25、存储管理的主要对象是内存，存储管理主要是指对内存储器的管理，负责对内存的分配和回收、内存的保护和扩充。存储管理的目的是尽量提高内存的使用效率。

26、分区存储管理包括固定分区和可变分区，基本思想是把内存划分成若干个连续区域，每个分区装入一个作业运行。要求作业一次性装入内存，且分区内部地址必须连续。

27、存储分配算法：首次适应算法、循环适应算法、最佳适应算法、最差适应算法。

28、覆盖技术是一种解决校内存运行大作业的方法。主要是在同一作业内进行的。

29、交换技术可以将暂不需要的作业移到外存，让出内存空间以调入其他作业，交换到外存的作业也可以被再次调入。主要是在作业之间进行的。

30、分页的基本思想是把程序的逻辑空间和内存的物理空间按照同样的大小划分成若干页面，以页面为单位进行分配。在页式存储管理中，系统中虚地址是一个有序对（页号，位移）。系统为每一个进程建立一个页表，其内容包括进程的逻辑页号与物理页号的对应关系、状态等。

31、页面调度算法有以下几种：最优OPT算法；随机RAND算法；先进先出FIFO算法；最近最少使用LRU算法。

32、外围设备和内存之间的常用数据传送控制方式如下：程序控制方式、中断方式、直接存储访问DMA方式、通道方式（字节多路通道、选择通道和成组多路通道）

33、设备分配方式有两种：静态分配、动态分配。

34、访问磁盘的时间因子由三部分构成：查找（查找磁道）时间、等待（旋转等待扇区）时间和数据传输时间，其中查找时间是决定因素。

35、Spooling是外部设备同时联机操作，又称为假脱机输入/输出操作，采用一组程序或进程模拟一台输入/输出处理器。Spooling系统必须有高速、大容量并且可随机存取的外存支持。

36、文件管理时对外部存储设备上的以文件方式存放的信息的管理。

37、文件是信息的一种组织形式，是存储在辅助存储器上的具有标识名的一组信息集合。

38、文件的结构是指文件的组织形式，可分为两种：无结构的字符流文件和有结构的记录文件。

39、文件的物理结构是指文件在存储设备上的存放方法。

40、文件分配策略有顺序分配（连续分配）、链接分配（串联分配）、索引分配。

41、文件的访问方式有两种：顺序访问和随机访问。

42、文件存储设备的管理实质是对空闲块的组织和管理问题，包括空闲块的组织、空闲块的分配与空闲块的回收等问题。有三种不同的空闲块管理方法，它们是索引法、链接法和位图法。

43、文件控制块FCB是系统在管理文件时所必需的信息的数据结构，是文件存在的唯一标志。文件目录就是文件控制块FCB的有序集合。

44、一个作业从交给计算机系统到执行结束退出系统，一般都要经历提交、后备、执行和完成4个状态。

45、UNIX是一个分时操作系统，分为3层，最内层是UNIX操作系统核心，最外层是用户程序，中间层是Shell命令解释层。UNIX中的文件分为3类：普通文件、目录文件和设备文件。UNIX系统的进程调度采用动态优先数的算法。UNIX采用段页式管理。分配的单位是块。采用最近最少使用算法LRU作为虚存中的淘汰算法。

46、UNIX系统中有三个标准文件：标准输入文件、标准输出文件和标准错误文件。

47、在UNIX系统中，不同进程可以用系统调用Link原语来链接非目录文件，从而可以直接共享该非目录文件，并且不同的用户还可以对此文件使用不同的文件名。

48、当存储器采用段页式管理时，主存被划分为定长的页，程序按逻辑模块分为段。系统为每个进程建立一个段表，为每一段建立一个页表。

49、内外存间交换信息的基本单位有两种：一种是以作业为单位即Swapping技术（交换技术）；另一种是在作业内部以“页”或“段”为单位进行部分信息的调入调出，这就是虚拟存储技术。

50、虚拟存储管理的基础是程序的局部性原理。

51、在UNIX系统中，把一个命令执行的结果输出给下一个命令作为其输入，并加以处理，这种机制叫管道。如果命令的执行结果不送显示器输出，而是输出到一个文件中，这种机制称为输出重定向。如果命令所处理的信息不从键盘输入，而是取自一个文件，这种机制称为输入重定向。批处理方式是指按命令语言的语法规定一系列命令保存在一个正文文件内，让操作系统调用这个批处理文件，成批地执行其中的命令。