Jeffrey Wang
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【软考知识总结】操作系统

【软考知识总结】操作系统

前言

操作系统部分的重点是进程状态变化以及文件存储部分,对工作和考是来说还是挺重要的,信号量 PV 的操作是重点中的重点

大纲

进程管理

  • 状态
  • 前驱图
  • PV 操作
  • 进程调度
  • 死锁
  • 线程

存储管理

  • 分区存储
  • 页式存储
  • 段式存储
  • 段式页存储

文件管理 - 索引文件 - 树形结构 - 空闲存储管理 设备管理

  • I/O 软件
  • 输入输出技术
  • SPOOLING 技术

详细知识点

操作系统概述

操作系统的特征

  • 并发性
  • 共享性
  • 虚拟性
  • 不确定性

操作系统的功能

  • 进程管理
  • 存储管理
  • 文件管理
  • 设备管理
  • 作业管理

进程

进程的三态、五态及其转换(重点)

系统自动控制时,进程只有三态,就绪、运行、等待 五态图,多的两个状态都是人工操作切换的,静止就绪态和静止等待态分别和就绪、等待,有转换关系

进程的前驱图和 PV 操作(重点)

前驱图:表示哪些任务需要并行执行,哪些任务有顺序关系 进程资源图,一个箭头表示一个资源,箭头指向进程表示进程占有资源,箭头指向资源表示进程需要资源 阻塞进程:所需资源被分配完,即被阻塞 非阻塞进程:需要的资源还有剩余,可以在分配资源后继续执行 死锁:所有进程都是阻塞状态 临界资源:各进程间需要以互斥的方式进行资源访问,与之相对的是共享资源 临界区:对临界资源进行操作的那一段代码 互斥:临界资源只能被一个进程占用,比如打印机,与之相对的是共享 同步:任务可以并发执行,但是并发进行的任务可能有执行时间上的差异 互斥信号量,临界资源的可访问控制 同步信号量,对共享资源的访问控制,记录数量 P操作,申请资源,信号量S=S-1,如果减完 <0,进入阻塞进程队列 V操作,释放资源,信号量S=S+1 视频中有一个挺好的例题

进程死锁

产生死锁的四个条件 - 资源互斥 - 进程都占有并等待其他资源 - 系统不能强行剥夺资源 - 进程资源图是一个环 预防死锁,打破产生死锁的条件 - 避免:一般用银行家算法,提前算出来一条不会死锁的通路(重点) - 检测:查到之后尝试解除 - 解除:强制剥夺资源,杀死进程 死锁计算,系统有 n 个进程,每个进程需要 R 个资源,那么假设每个进程都已经持有了 r-1 个资源,所以发生死锁的最大的资源数量为 n * (r-1),那么不发生死锁的最小资源就是上述表达式 + 1

线程

传统进程的属性 - 可拥有资源的独立单位 - 可独立调度和分配的基本单位 线程是独立调度的最小单位,进程是拥有资源的最小单位,线程可以共享进程的公共数据,但不能共享线程独有的资源

计算机存储

页式存储结构

页存储结构:页号+页内地址,我想的话,应该是为了提高存取、缓存效率 优点:利用率高,管理简单,碎片小(按照 4k 来分配,一个大内存程序一般只会在最后的一个页出现碎片) 缺点:增加系统消耗,抖动 如何由页号表、逻辑地址算出物理地址呢?

  • 根据块大小,推算出页号和页内地址占多少位
  • 页内地址部分不变,把页号在页号表内找到其物理块号,替换即可,注意进制转换

页面置换算法(主存和辅存间的分配算法):进程空间有很多页面,但内存有限,可能同一时间只能有部分页面能被加载,以便进程任务能顺利进行,置换的意思就是把主存满了的时候,里边存在的部分页被移除,部分辅存被加进来。 缺页表示进程执行过程中发现页未被加载到内存中,就需要往辅存中取,缺页率越高,效率越低。 几种实现方法:

  • 最优算法 OPT,选择未来最长时间不被使用的页进行置换
  • 先进先出 FIFO,问题比较大
  • 最近最少使用 LRU,目前比较好的解决方案

页表是逻辑块号和物理块之间的映射关系,快表就是把这些关系存起来放到Cache中,慢表是把映射关系存内存里,所以慢表需要查两次内存,而快表是在 Cache 中查也关系的,所以需要查一次 cache,在查一次内存。

段式存储

段页式存储:先分段再分页,段页表结构中段表部分包含 段号、段基址、段长,段表还对应了一个页表 优点:结合上面两种存放的优点,利用率高碎片少,而且程序逻辑完整 缺点:数据结构复杂,逻辑复杂,开销大,速度慢

文件结构

对单个文件的存放索引,共有十三个索引节点,0-9为直接索引,10、11、12 分别为一级间接索引,二级间接索引,三级间接索引 假设物理盘块大小为 4kb,物理盘块地址 4B 直接索引就直接存内容,这里直接对应 4kb 的数据 间接索引的意思就是,不直接存物理盘块,而是存物理盘块的地址,所以 4k 的大小可以存 1024 个地址 一级间接索引存了 1024 个地址,所以就对应了 1024 * 4kb 的数据 二级间接索引同理,可对应 1024 * 1024 * 4kb 的数据 三级同理,1024 * 1024 * 4kb 数据 位视图法表示空闲空间是重点

虚设备

虚设备就是虚拟设备,SPOLLING 技术就是把类似打印机这种互斥资源,前面加一个队列,让调用者不会因为打印机被占用而报错,对每个进程的角度来讲,看起来就像是每个进程都有一个自己的打印机(物理设备虚拟化,共用互斥资源)。

磁盘寻道算法

这里说的是机械硬盘才会有的寻道和扇区,如果是固态的话,可以根据预先布线直接定位到数据,所以快很多,参考链接:https://www.zhihu.com/question/58752580 机械硬盘是由很多双面扇片组成的,每个盘面都有很多同心圆,一个同心圆又有多个扇区,数据就存在扇区上,从硬盘中找到数据分为寻道时间和等待扇区时间,其中寻道时间消耗较长。 寻道时间算法

  • FCFS 先来先服务,速度最慢
  • SSTF 最短寻道优先,可能远处的磁盘数据永远都拿不到
  • SCAN 扫描/电梯算法,一定是从内到外或者从外到内扫,如果有读取需求就读取
  • CSCAN 单向扫描,固定的从内到外或者从外到内,平均读取时间更稳定

微内核

微内核只实现基本功能,优点是内核小,缺点是功能少,需要不停的切换用户态和核心态,影响效率 单体内核,优点是功能多,缺点是庞大 嵌入式操作系统的特点是,微型化设计、实时性强

总结

这个章节里边的计算和 PV 以及概念挺多,教材上比较复杂,但应试的话跟着视频的重点走+刷题即可,里边很多细节视频都不求甚解,还需要自己去扩展了解。

本文作者:Jeffrey Wang
本文链接:https://blog.wj2015.com/2022/04/10/%E3%80%90%E8%BD%AF%E8%80%83%E7%9F%A5%E8%AF%86%E6%80%BB%E7%BB%93%E3%80%91%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F/
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