操作系统期末考试

计算机硬件是组成计算机系统的各部分的总称，是计算机系统快速、可靠、自动工作的物质基础。

计算机的硬件和软件以及应用之间是一种层次结构的关系。

操作系统是计算机系统中的一个系统软件，它是这样一些程序模块的集合，他们管理和控制计算机系统中的硬件及软件资源。

操作系统的主要特点是：它是一个管理计算机系统软硬件资源的系统软件，为用户提供尽可能多的服务，他的管理过程根据用户要求不同而有所不同，但主要是为了让用户高效率地共享计算机软硬件资源，但又要保证其可靠性、安全性、可用性和可管理性。

操作系统的发展过程：手工操作阶段（无操作系统）、批处理、执行系统、多道程序系统、分是系统、实时系统、通用操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等。

批处理系统指加载在计算机上的一个系统软件，在其控制下，计算机能够自动地成批地处理一个或多个用户的作业。

批处理系统的主要特征：1、用户脱机使用计算机。

2、成批处理。

3、多道程序运行。

多道批处理系统的优点是由于系统资源为多个作业所共享，其工作公式是作业之间自动调度执行，并在运行过程中用户不干预自己的作业，从而大大提高了系统资源的利用率和作业吞吐量。

多道程序设计和多重处理的区别：多重处理系统配置多个CPU，因而能真正同时执行多道程序，当然要想有效地使用多重处理系统，必须采用多道程序设计技术，多道程序设计原则上不一定要求有多重处理系统的支持。

批处理分为两种方式：联机批处理、脱机批处理联机批处理方式解决了作业自动转接的问题，从而减少了作业建立和人工操作时间，但是在作业的输入和执行结果的输出过程中，主机CPU仍处在等待状态，这样慢速的输入输出设备和快速主机之间仍处于串行工作，CPU资源大量浪费。

脱机批处理与联机批处理不同的是：1、脱机批处理方式的显著特征是增加一台不与主机直接相连而专门用于与输入输出设备打交道的卫星机。

2、主机与卫星机可以并行工作，二者分工明确，以充分发挥主机的高速计算能力。

3、提高了计算机的处理能力。

脱机批处理的缺点：磁带需要人工拆装，既麻烦又容易出错；还有就是系统的保护。

在进行批处理过程中，监督程序、系统程序和用户程序之间存在着一种调用关系。

多道程序系统的特点：1、多道：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序。

2、宏观上并行。

3、微观上串行。

4、无序性。

分时操作系统需要解决的问题：1、时间片的长短。

2、时间片的长度是否一致。

分时操作系统的特点：多路性、独立性、及时性、交互性。

分时技术：把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。

实时操作系统是以在允许的时间内做出响应为特征的（即时响应和高可靠性）。

特点：实时时钟管理、连续人机对话、过载防护、高可靠性。

通用操作系统同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或其中两种以上的功能。

云操作系统：网络操作系统、分布式操作系统、智能化操作系统操作系统的职能是管理和控制计算系统中的所有硬件和软件资源，合理地组织计算机工程流程，并为用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。

计算机系统的主要硬件资源有处理机、存储器、外存储器和输入输出设备。

软件和信息资源往往以文件形式存储在外存储器。

操作系统的基本功能包括处理机管理、存储管理、设备管理、信息管理（文件系统管理）、用户接口寄存器的功能可分为两类，即用户可编程的寄存器以及控制与状态寄存器。

一般来说，容量越大的存储介质，访问速度会越慢，但单位存储的成本越低。

操作系统为普通用户、管理员用户以及编程人员提供不同的用户界面。

在一次应用业务处理过程中，从输入开始到输出结束，用户要求计算机所做的有关该次业务处理的全部工作称为一个作业。

作业由不同的顺序相连的作业步组成。

作业步是在一个作业的处理过程中计算机所做的相对独立的工作。

一般来说，每一个作业步产生下一个作业步的输入文件。

作业由3部分组成，即程序、数据和作业说明书。

一个作业可以包含多个程序和多个数据集，但必须至少一个程序，否则将不成为作业。

程序和数据完成用户所要求的业务处理工作，作业说明书则体现用户的控制意图，由作业说明书在系统中生成一个称为作业控制块（JCB）的表格。

JCB是作业在操作系统中的唯一标识，作业的数据结构，包含了作业说明书的内容。

作业说明书主要包含了三个方面的内容，即作业的基本描述、作业的控制描述和资源要求描述。

输入输出方式可分为5种，即联机输入输出方式、脱机输入输出方式、直接耦合方式、spooling 系统和网络联机方式。

联机输入输出方式特点：用户和系统通过交互式会话来输入作业脱机输入输出方式特点：利用低档个人计算机作为外围处理机进行输入处理，存储在后备存储器上，然后将此后援存储器连接到高速外围设备上和主机相连，从而在较短的时间内完成作业的输入工作。

直接耦合方式特点：把主机和外围低档机通过一个公用的大容量外存直接耦合起来，从而省去了在脱机输入中那种依靠人工干预宋传递后援存储器的过程。

spooling系统特点：可译为外围设备同时联机操作。

在SPOOLING 系统中，多台外围设备通过通道或DMA 器件和主机与外存连接起来，作业的输入输出过程由主机中的操作系统控制。

网络联机方式特点：网络输入方式以上述几种输入方式为基础，当用户需要把在计算机网络中某一台主机上输入的信息传送到同一网中另一台主机上进行操作或执行时，就构成了网络输入方式。

操作系统为用户提供两个接口，一个是系统为用户提供的各种命令接口，用户利用这些操作命令来组织和控制作业的执行或管理计算机系统，另一个接口是系统调用，编程人员使用系统调用来请求操作系统提供服务。

作业控制的方式有两种：分别是脱机方式和联机方式。

程序的顺序执行的特点：顺序性、封闭性、可在现性程序的并发执行：一组在逻辑上相互独立的程序或程序段在执行的过程中，其执行时间在客观上互相重叠，即一个程序段的执行尚未结束，另一个程序段的执行已经开始的这种执行方式。

程序的并发执行不同于程序的并行执行。

程序的并行执行是指一组程序按独立的、异步的速度执行。

并行执行并不等于时间上的重叠。

进程：描述程序的执行过程且能用来共享资源的基本单位。

进程和程序的区别：1、进程是一个动态概念，而程序则是一个静态概念。

2、进程具有并发特征，而程序没有。

3、进程是竞争计算机系统资源的基本单位，从而其并发性受到系统自己的制约。

制约就是对进程独立性和异步性的限制。

4、不同的进程可以包含同一程序，只要该程序所对应的数据集不同。

一个进程是一个程序对某个数据集的执行过程，是分配资源的基本单位。

进程的静态描述有三部分组成：进程控制块（PCB ）、有关程序段和该程序段对其进行操作的数据结构集。

进程控制块包含了有关进程的描述信息、控制信息以及资源信息，是进程动态特征的集中反映。

进程的PCB 是系统感知进程的唯一实体。

每一个进程，都有一个自己的地址空间，该空间称为进程空间或虚空间。

程序的执行都在进程空间内进行，进程空间的大小只与处理机的位数有关，进程空间还被划分为用户空间和系统空间两大部分。

进程的大小就是进程空间的大小。

在进程的生命周期内，一个进程至少具有五种基本状态：初始态、执行状态、等待状态、就绪状态和终止状态一般地，把系统态执行的某些具有特定功能的程序段称作原语。

用于进程控制的原语有创建原语、撤销原语、阻塞原语和唤醒原语等。

初始就绪执行等待终止创建原语调度时间片到阻塞原语撤销原语唤醒原语分时操作系统可以从执行状态到就绪状态，而批处理系统不可以。

临界区：进程使用临界资源的那段程序。

临界资源：一次仅能给一个进程使用的资源。

互斥：一组并发进程中的一个或多个程序段，因共享某一公有资源而导致他们必须以一个不允许交叉执行的单位执行。

也就是说，不允许两个以上的共享该资源的并发进程同时进入临界区称为互斥。

同步：把异步环境下的一组并发进程因直接制约而互相发送消息而进行互相合作、互相等待，使得各进程按一定的速度执行的过程称为进程间的同步。

间接制约：由共享公有资源而造成的对并发进程执行速度的间接制约。

直接制约：由共享私有资源而造成的对并发进程执行速度的直接制约。

实现进程之间的互斥的两种方法：加锁实现，信号量和P、V原语实现。

进程间的间接制约可以用加锁法和P、V原语操作实现，进程间的直接制约既可用P、V原语实现，也可用其他互相传递信号的方式实现。

进程数量不多时，可用加锁实现。

先关锁lock（key[S]），后开锁unlock（key[S]）。

P、V操作都必须以原语实现，且在P、V原语在执行期间不允许中断发生。

在单机系统中，进程间通信可分为4种方式：主从式、会话式、消息或邮箱机制、共享存储区方式。

一般来说，进程间的通信根据通信内容可以划分为两种，即控制信息的传送与大批量数据传送。

线程与进程的区别：进程和线程都是处理机调度的基本单位，线程的改变只代表了CPU执行过程的改变，进程所拥有的资源没有发生改变。

线程是进程的一部分。

它没有自己的地址空间，它和进程内的其他进程一起共享分配给该进程的所有资源。

进程不依赖于线程而独立存在。

消除死锁的方法：预防、回避、检测与恢复三种方法。

常用的衡量调度策略的指标是周转时间、吞吐率、响应时间以及设备利用率等。

周转时间是指将一个作业提交给计算机系统后到该作业的结果返回给用户所需要的时间吞吐率是指在给定的时间内，一个计算机系统所完成的总工作量。

响应时间则是指从用户向计算机发出一个命令到计算机把相应的执行结果返回给用户所需要的时间。

设备利用率主要指输入输出设备的使用情况。

处理机调度可以分为四级：作业调度、交换调度、进程调度、线程调度在多道批处理系统中，存在着作业调度和进程调度，但是，在分时系统和实时系统中，一般不存在作业调度。

而只有进程调度、交换调度和线程调度。

作业调度算法：先来先服务算法FCFS、优先级调度算法、短作业优先调度算法SJF、最高响应比优先算法HRN进程调度算法：时间片轮转算法、多级反馈队列轮转算法、先来先服务算法FCFS、优先级调度算法周转时间=完成时间-提交时间带权周转时间=周转时间/执行时间响应比R=（执行时间+等待时间）/执行时间作业与进程的关系：作业是用户向计算机提交任务的任务实体，进程则是计算机为了完成用户任务而设置的执行实体，是系统分配资源的基本单位。

显然，计算机要完成一个任务实体，必须要有一个以上的执行实体，也就是说，一个作业总是由一个以上的进程组成。

虚拟地址：每个指令或数据单元都在这个虚拟空间张拥有确定的地址虚拟存储器：进程中的目标代码、数据等的虚拟地址组成的虚拟空间虚拟存储器不考虑物理存储器的大小和信息存放的实际位置，只规定每个进程中互相关连的信息的相对位置。

实现地址重定位或地址映射的方法有两种：静态地址重定位、动态地址重定位静态地址重定位是在虚拟地址空间程序执行之前由装配程序完成地址映射工作。