《操作系统原理》课程复习LNQ

《操作系统原理》课程复习（计算机学院刘乃琦）第一部分课程内容与考试要求1．课程内容《操作系统原理》的课程内容实际上是现代操作系统的核心（kernel）部分的内容，重点包含程序执行（进程）所需要的重要系统资源：处理器、内存、I/O及设备、数据存储与文件系统。

其它现代操作系统所涉及的部分，如：多处理机（多核）、并行机制、安全性、实时性、网络层、服务机制的提供、命令设置与系统调用、系统初始化、系统工具等此次课程中暂时没有涉及。

对这些方向和技术感兴趣的学生可以参考其它相关书籍，也可以进一步选修“操作系统课程群”中的其它操作系统课程。

现代操作系统面对的需求（为什么要OS？）包含了三个重点：程序监控，资源管理和服务提供，围绕这三者需求，设计者给出了各种解决方案，从思路、策略、方案、支持、实现。

《操作系统原理》课程主要涉及前两者的基本概念、原理和设计实现思路。

因此，课程复习的重点也局限在“基于存储程序式电子数字计算机平台，对多道程序运行进行监控和对多道程序运行过程中的系统资源（处理器、内存、I/O及设备、数据与文件）进行管理”的范围内。

同时，也局限在“单处理器环境下的并发控制”的讨论。

这个限制，也适应2009年全国计算机科学与技术专业研究生统一考试计划中的操作系统大纲范畴。

2．教材要求课程参考教材针对双语教学班采用英文教材，配合中文翻译教材，其他班采用中文教材：1）[美] William Stallings,“Operating Systems: Internals and Design Principles, 5th edition”，即“操作系统：精髓与设计原理（第5版）”，电子工业出版社，20072）刘乃琦等编著，“操作系统原理、设计与应用”，高等教育出版社，2008在复习过程中，对参考教材1）各章节中针对当前主流操作系统（Windows，UNIX/Linux，Solaris等）的内容不做要求，对涉及多处理器，SMP，RAID系统等的内容不做要求，对第10章（实时调度除外）、第13、14、15、16章内容不做要求。

对参考教材2）中第6章“操作系统安全”内容不做要求。

3．考查目标1）了解操作系统在计算机系统中的作用、地位、发展和特点。

2）理解操作系统的基本概念、原理，掌握操作系统设计方法与实现技术。

3）能够运用所学的操作系统原理、方法与技术分析问题和解决问题。

第二部分内容复习一、操作系统概述（Operating System Overview）（一）操作系统的概念、特征、功能和提供的服务（Concepts, Features, Functions and Services）（二）操作系统的发展与分类（Evolution and Classification）（三）操作系统的运行环境（Run Environment）1．思考题（需要记忆的）：●操作系统的概念是什么？体现在哪里？●操作系统的特征是什么？对这些特征的解释，体现在哪里？●操作系统的功能有哪些？提供的服务有哪些？●操作系统是怎样发展起来的？●为什么会导致操作系统有各种分类？这些分类代表了什么？●为什么操作系统也需要运行环境？这个环境是什么？●操作系统与程序执行是个什么关系？操作系统如何监控程序的执行？●程序执行需要资源吗？需要哪些资源？哪些资源是最重要的？●系统资源不够时怎么办？系统资源是可以耗尽的吗？●单道程序的执行和多道程序的执行到底有哪些不同？●多道程序执行过程中彼此间有什么可能的关系？●系统硬件对操作系统的支持？2．概念与术语（记忆与正确理解）●串行、并行、并发（共行）●批处理、顺序、分时、实时●单用户、多用户、单道程序、多道程序、单任务、多任务●资源，占用、分配、管理●程序、模块、内核、微内核●作业、任务、进程、线程二、进程管理(Process Management)（一）进程与线程(Process and Thread)1）进程概念(Process Concept)2）进程的状态与转换(Process Status and Switch)3）进程控制(Process Control)4）进程组织(Process Organization)5）进程通信(Process Communication)6）线程概念与多线程模型(Thread concept and Multithread model)1．思考题（需要记忆的）：●进程的概念，几种说法。

●进程与程序的区别？动态与静态的体现在哪里？●用什么来描述进程？为什么要采用状态图？●进程有哪些状态？基本状态是什么？状态通过什么表现？●进程状态转换通过什么进行？为什么要进行转换？●如何对进程进行控制，控制的目的是什么？●操作系统怎么知道进程的存在？怎么组织进程？监控进程？●进程之间有什么关系？这些关系通过什么途径体现？●为什么进程的推进不能预测？这会带来什么问题？●什么是进程间通信，为什么要进行通信？怎么进行通信？●共享存储系统是个什么概念？它包括哪些内容？●线程的概念，为什么要采用线程？何时采用线程？●进程与线程有什么不同，主要不同点在哪里？什么情况下线程与进程等同？●多进程与多线程又是一个什么概念？为什么提出多线程模型？这个模型说明了什么？●操作系统内核和微内核的概念？2．概念与术语（记忆与正确理解）●程序、进程、线程、多线程、主进程、父进程、子进程●作业、任务、进程、线程●状态、就绪、运行、阻塞、挂起、退出、交换●进程控制块（PCB），线程控制块（TCB），映像，进程切换●队列、排队、权限、优先级、策略、3．灵活性思考与问题1）进程的状态与转换●进程在内存中的布局，程序执行（进程）的轨迹及相关的表示法。

●进程到达的顺序和推进的顺序，进程的生命周期。

●导致进程创建、转换、终止的原因。

2）进程的描述与控制●不同的进程状态模型及其特征，描述图●进程序列在某个进程状态模型中的流程，以及相关的排队模型，描述图。

●扩展的进程状态模型，挂起状态的影响及其转换结构，描述图●不同状态模型和各种转换的概念，以及它们之间的关系。

●操作系统对进程的控制方式和通用控制结构。

●进程属性和进程控制块中必须要有的元素。

3）线程的描述与控制●线程与多线程的描述、解释和描述图。

●用户级与内核级的线程描述，描述图，相互关系及不同点。

（二）处理机调度(Processor Schedule & dispatch)1）调度的基本概念(Basic concept)2）调度时机、切换与过程(Time, switch and procedure)3）调度的基本准则(Basic standard)4）调度方式(Types)5）典型调度算法(Typical Schedule Algorithm)处理器调度是操作系统的关键，也是核心，通常与进程调度结合在一起。

也是理解和考试的重点部分1．思考题（需要记忆的）：●为什么要进行进程调度？谁来进行调度？●进程调度的依据是什么？谁引发了进程调度？●为什么要分长程、中程和短程调度？它们分别指什么？在什么情况下出现？●优先级是什么概念？它是怎么确定的？2．概念与术语（记忆与正确理解）●分派、调度、长程、中程、短程调度●抢占、非抢占、轮循、时间片、时间段3．灵活性思考与问题这里的重点是调度算法，学生应当掌握的是：●掌握各种调度算法：先来先服务、短作业（短任务、短进程、短线程）优先、时间片轮转、优先级调度算法；高响应比优先调度算法；多级反馈队列调度算法。

它们各自的特点、适用范围、调度原则和缺点。

●掌握调度问题的分析，即：●算法的原则，重点解决的问题，思路和结构步骤●时间片（time slice）●时间单位（time unit）●进程数与进程序列（顺序）●进程到达时间（Ti）●进程服务时间（Ts）●性能分析：进程时间分析●能够清楚地画出采用某种算法进行的进程调度过程图（如图9.5），并对该图产生的结果进行分析，能够指出相关的响应时间、完成时间、周转时间和相关的效率比较。

对错误的图或者调度步骤能够清楚，并指出出错的原因和位置。

（三）并发性：互斥与同步(Process Mutual & Synchronism)1）进程同步的基本概念(Basic concept)2）实现临界区互斥的基本方法(Basic methods of Mutual Exclusion)3）信号量(Semaphore)4）管程(Monitor)5）经典同步问题(Typical Synchronism Issue)1．思考题（需要记忆的）：●多道程序同时执行引发的问题？●多道程序执行中的冲突体现在哪些方面？●为什么会出现资源竞争？这些竞争主要体现在什么地方？有哪些条件？●进程的交互体现在哪些地方？它们如何知道对方的存在？●临界区与临界资源的定义、概念、区别与确定。

●什么是信号量，信号量的种类，应用的范围和位置？●信号量如何使用，信号量原语的定义和规范？●计数信号量和一般信号量的不同在哪里？为什么会有这两类信号量？●信号量集的概念是什么？什么情况下会采用信号量集？●管程与信号量的区别？什么情况下采用管程？2．概念与术语（记忆与正确理解）●分派、调度、抢占、非抢占、轮循、●临界区、临界资源、共享区、共享资源●互斥、同步、协调、协同、无阻塞、忙等、●信号量、标志、锁、信号量原语、信号量操作、信号量集、强信号量、弱信号量、管程3．灵活性思考与问题并发控制的实施是一个比较复杂的过程，学生应当遵循如下的思路，即：策略：确定临界资源与临界区；机制：选择互斥或同步标志或者信号量；实现：采用互斥原语wait（s）和signal（s），（或者P（s）和V（s））；应用：采用伪语言代码编程。

1）临界区访问与互斥●软件实现方法；硬件实现方法及其描述。

●举例说明资源竞争、共享、合作、依赖、交互等情况。

●利用标志（锁）等实现互斥的方式，以及存在的问题（Dekker’s algorithm）●互斥控制原语的使用：以两个进程互斥为重点理解，以一个共享资源为重点理解●分别使用信号量、标志、锁、管程或者消息传递来解决互斥的问题2）信号量的问题信号量应用的典型案例是生产者/消费者（P/C）和读者/写者（R/W）问题，围绕这两类问题的条件的变化对解决方案和解答有较大的影响，复习思路必须在理解经典P/C、R/W问题的情况下根据不同条件变化思考不同的解决方案，是非常灵活的问题解答过程。

并发控制问题解决的思路：①进程数：需要要几个进程？解决几个问题？（需要几个执行主体）以两个进程竞争和互斥来理解，多一个进程难度加大。

②资源数：有几个资源？哪些是临界资源？以一个共享资源为基础理解，增加资源数增加难度。

③处理器数量：有几个处理单元？以一个处理器理解（原理课程限制在单处理器），增加处理器增加难度。