软件设计师考试—第四章 操作系统知识

第四章 操作系统知识

1 操作系统概述

作用

管理系统的硬件、软件、数据资源；控制程序运行；人机之间的接口；应用软件与硬件之间的接口

特征：并发性 共享性 虚拟性 不确定性

功能：

• 进程管理：对处理机的执行时间进行管理，将CPU时间合理地分配给每个任务。
• 存储管理：对主存储器空间进行管理。
• 设备管理：对硬件设备的管理。
• 文件管理：文件存储空间字管理、目录管理、文件的读写管理和存取控制。
• 作业管理：包括任务、界面管理、人机交互、图形界面、语音控制和虚拟现实等。

计算机系统层次结构：计算机硬件=>操作系统=>系统软件=>应用软件=>最终用户

分类

2 进程管理

2.1 进程概念

进程是程序在一个数据集合上运行的过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位，由程序块、进程控制块（PCB）和数据块组成。

进程控制块PCB，进程存在的唯一标志，内容包含进程标识符、状态、位置信息、控制信息（参数、信 量、消息等）、队列指针（链接同一状态的进程）、优先级（进程调度的依据）、现场保护区等。

进程与程序：进程是程序的一次执行过程，是动态过程，可以创建销毁，程序是静态概念，没有程序就没有进程。

进程与线程：进程可拥有独立的资源，可独立地调度和分配资源；进程包含多个线程，线程可以共享该进程中的部分资源，如内存地址空间、代码、数据、文件等，但程序计数器、寄存器、栈的使用是独立的。

进程的状态

三态模型

运行状态挂起只能进入静止就绪状态，被激活后进入活跃就绪状态，等待再次被调度。

2.2 信 量与PV操作

临界资源：各进程之间需要通过互斥进行共享的资源。

临界区：进程中访问临界资源的那段代码。

进程的同步与互斥

进程同步：系统中因为需要相互合作、协同工作而相互制约的进程。间接制约关系

进程互斥：系统中因为争用临界资源需要互斥执行的多个进程。直接制约关系

PV操作

作用：实现进程的同步与互斥。

信 量S：是一种特殊变量，S>=0时表示可用的资源数量，S<0时表示阻塞队列中等待该资源的进程数。

P操作：

• 申请/锁定资源：S=S-1；
• 检查资源是否足够：若S>=0，继续执行进程；若S<0，则进程进入阻塞状态；

V操作：

• 释放/解锁资源：S=S+1；
• 检查是否有进程排队：若S>0，继续执行进程；若S<=0，则从阻塞状态唤醒1个进程，将其插入就绪队列再执行。

PV操作实现互斥模型

PV操作实现同步模型

PV操作实现互斥与同步模型

2.3 前趋图与PV操作

前趋图：用来表示哪些任务可以并行执行，哪些任务之间有顺序关系。结点P代表各程序段的操作，箭头代表两个程序段操作之间的前趋关系。输出箭头代表通知后继操作执行，即V(S)；输入箭头代表检查前趋活动是否完成，即P(S)。信 量S初始值为1。

2.5 资源进程图

资源进程图：表示进程和资源之间的分配和请求的关系。

• P代表进程，R代表资源，R中的圆圈代表资源数

• R1->P1代表R1已经分配了一个资源给进程P1

• P1->R2代表进程P1申请1个资源R2，等待分配

阻塞节点：某进程所请求的资源已经全部分配完毕，无法获取所需资源，该进程无法继续。

非阻塞节点：某进程所请求的资源还有剩余，可以分配给该进程继续运行。

当一个进程资源图中所有进程都是阻塞节点时，即陷入死锁状态。

页面置换算法

1.最优置换算法OPT：选择未来最长时间内不被访问的页面置换，理想化算法难以实现，用于评价其他算法。

2.先进先出算法FIFO：先调入内存的页先被置换淘汰，会产生抖动，即分配的页数越多，缺页率可能越多，效率越低。

3.最近最少使用算法LRU：最近最少使用的页面先被置换淘汰，局部性原理，效率高，不会产生抖动。

3.3 段页式存储管理

原理：对进程空间先分段后分页。

优点：空间浪费小、存储共享容易、能动态连接。

缺点：由于管理软件的增加，复杂性和开销也增加，执行速度下降。

4 设备管理

概念：设备负责计算机与外部的输入/输出工作，又称外设。计算机中负责管理设备和输入/输出的机构为I/O系统，I/O系统由设备、控制器、通道、总线和I/O软件组成。

设备分类

按数据组织分类：块设备、字符设备

按设备功能分类：输入设备、输出设备、存储设备等

按资源分配角度分类：独占设备、共享设备和虚拟设备

按数据传输率分类：低速设备、中速设备、高速设备

4.1 I/O软件层次结构

5.3空闲存储空间的管理

• 空闲区表法：将外存空间上的一个连续的未分配区域称为空闲区

• 空闲块链法：每个空闲物理块中有指向下一个空闲物理块的指针，构成链表

• 成组链接法：将空闲块分总若干组，每组的第一个空闲块记录下一个空闲块的物理盘块 和空闲块总数

• 位示图法：在外存上建立一张位示图，记录文件存储器的使用情况。每个物理块用一位表示，0为空闲1为占用。

6 作业管理

作业是系统为完成一个用户的计算任务（或一次事务处理）所做的工作总和。

6.1作业状态及其转换

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。

（1）提交状态。作业由输入设备进入外存储器（也称输入井）的过程称为提交状态。处于提交状态的作业，其信息正在进入系统。

（2）后备状态。当作业的全部信息进入外存后，系统就为该作业建立一个作业控制块（JCB）。系统通过JCB感知作业的存在。JCB主要内容包括作业名、作业状态、资源要求、作业控制方式、作业类型及作业优先权等。

（3）执行状态。一个后备作业被作业调度程序选中而分配了必要的资源并进入了内存，作业调度程序同时为其建立了相应的进程后，该作业就由后备状态变成了执行状态。

（4）完成状态。当作业正常运行结束，它所占用的资源尚未全部被系统回收时的状态为完成状态。

6.2 作业调度算法

先来先服务法：按作业到达的先后顺序进行调度，只考虑每个作业的等待时间。

时间片轮转法：根据先来先服务的原则，将需要执行的所有进程按照到达时间的大小排成一个升序的序列，每次都给一个进程同样大小的时间片，在这个时间片内如果进程执行结束了，那么把进程从进程队列中删去，如果进程没有结束，那么把该进程停止然后改为等待状态，放到进程队列的尾部，直到所有的进程都已执行完毕。

短作业优先法：按作业预计运行时间的长短进行调度，其目标是减少平均周转时间，只考虑作业的运行时间，可能产生饥饿现象。注意，第一到达的作业一定先运行，在后续比较作业长短的时候，要看作业是否到达，没有到达的作业是不能比较的。

最高响应比优先法：同时考虑每个作业的等待时间的和估需要的运行时间，从中选出相应比最高的作业投入执行。优先权=等待时间/(等待时间+运行时间)，每执行一次计算一次。

• 评价作业调度算法的优劣，通常看平均周转时间和带权周转时间
• 周转时间 = 作业完成时间 – 作业到达时间
• 平均周转时间 = （作业完成时间 – 作业到达时间）/ 作业数量
• 带权周转时间 = 作业周转时间 / 作业服务时间