系统架构设计师-操作系统考点总结

一、操作系统

操作系统是一种大型、复杂的软件，通常由操作系统内核和其他许多附加的配套软件所组成。操作系统内核是指能够提供进程管理、存储管理、设备管理和文件管理等功能的那些软件模块，它们是操作系统中最基本的部分，为众多应用程序访问计算机硬件提供服务。

操作系统的作用：

（1）管理计算机中运行的程序和分配各种软硬件资源

（2）为用户提供友善的人机界面

（3）为应用程序的开发和运行提供一个高效率的平台

（4）辅导用户操作、处理软硬件错误、监控系统性能、保护系统安全等

操作系统的特征：

（1）并发性：单CPU环境下，宏观上同时运行，微观上交替、轮流执行；多CPU环境下，可实现多个程序分配到不同的CPU上并行运行。

（2）共享性：资源（包括硬件资源和信息资源）可以被多个并发执行的进程共同使用，而不是被一个进程所独占。

（3）虚拟性：物理实体和逻辑对应物；目的是为用户提供易于使用且方便高效的操作环境。

（4）不确定性：并发执行导致进程何时执行、何时暂定、需要花多少时间执行，这些都是不可预知的

操作系统的分类

（1）批处理操作系统：分为单道批处理和多道批处理。单道是指一次只有一个作业装入内存执行。多道指操作系统允许多个作业装入内存执行。多道批处理系统的3个特点：多道、宏观上并行运行和微观上串行运行。

（2）分时操作系统：将CPU的工作时间划分为许多很短的时间片，轮流为各个终端的用户服务。分时操作系统的4个特点：多路行、独立性、交互性和及时性。

（3）实时操作系统：实时是指计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控制对象允许的时间范围内做出快速反应。实时系统对交互能力要求不高，但要求可靠性有保障。分为实时控制系统和实时信息处理系统。

（4）网络操作系统：是使联网计算机能方便而有效的共享网络资源，为网络用户提供各种服务的软件和有关协议的集合。功能包括：高效可靠的网络通信；网络共享资源管理；提供电子邮件、文件传输、共享硬盘和打印机等服务；网络安全管理；提供互操作能力。

（5）分布式操作系统：由多个分散的计算机经连接而成的计算机系统，系统中的计算机无主次之分，任意两台计算机可以通过通信交换信息。

（6）微型计算机操作系统：简称微机操作系统，常用的有Windows、MacOS和Linux。

（7）嵌入式操作系统：运行在嵌入式智能设备环境中，特点有：微型化、可定制、实时性、可靠性和易移植性。

二、进程管理

进程

进程由程序、数据集合、PCB（进程控制块）组成。PCB是一种数据结构，是进程存在的唯一标识。

进程的三种状态：运行态、就绪态、阻塞态。

• 运行态：一个进程在处理机上运行时；
• 就绪态：一个进程获得了除处理机以外的一切资源，一旦得到处理机就可以运行；
• 阻塞态：一个进程正在等待某一事件发生而暂时停止运行，此时即使得到处理机也无法运行。

进程的三态模型

PCB（进程控制块）的三种组织方式：

• 线性方式：把所有的PCB组织在一张线性表中，每次查找时需要扫描全表，不论进程的状态如何，都将所有的PCB连续的存放在内存的系统区，适用于系统中进程数据较少的情况。
• 链接方式：通过链表的方式把相同状态的PCB连接起来。
• 索引方式：按进程的状态分为不同的索引表，把相同状态的进程归入同一个索引表中。

前趋图

前趋图(Precedence Graph)是一个有向无环图，记作->={(Pi, Pj) | Pi必须在Pj之前开始}，由节点和有向边组成，节点代表各程序段的操作，节点间的有向边表示两个程序段操作之间存在的前趋关系。

前趋图可以用来表示多个程序或进程的执行顺序。

进程的通信

进程的互斥是指系统中多个进程因争用临界资源而互斥执行，其中临界资源指的是一次只能供一个进程使用的资源。例如两个进程A和B都需要使用打印机，进程A正在使用打印机，进程B尝试获取资源，此时进程B被阻塞，等待进程A释放资源。

进程的同步表现为多个进程协作，顺序执行。例如例如两个进程A和B，假设进程B依赖进程A的执行结果，当进程A执行时，进程B为阻塞状态，进程A执行完后，进程B被唤醒开始执行。

PV操作：实现进程之间互斥。 P操作表示阻塞操作，将信号量S的值减1，S = S - 1。 V操作表示唤醒操作，将信号量S的值加1，S = S + 1。

三、存储管理

存储管理的主要目的是解决多个程序使用内存的问题。存储管理方案包括分区存储管理、分页存储管理、分段存储管理、段页存储管理和虚拟存储管理。

分区存储管理把内存的用户区划分为若干个连续的区域，每个区域分配给一个程序使用，并限定只能在此区域运行。

分页存储管理是将一个进程的地址空间划分为若干个大小相等的区域，称之为页，将内存空间划分为与页相同大小的若干个物理块，称之为块。

• 页号和块号的对应关系表为页表
• 逻辑地址由页号和页内地址组成
• 物理地址由块号和块内地址组成
• 逻辑地址转换为物理地址时，根据页号查找块号，页内地址等于块内地址

分段存储管理

分段存储管理为每一个段分配一个连续的分区，而进程中的各个段可以离散的分配到内存的不同分区中，为每个进程建立一个段映射表（段表），进程执行时通过查询段表找到每个段所对应的内存分区。

段页存储管理

段页存储管理中，地址结构由段号、段内页号和页内地址组成。将整个内存划分为大小相等的物理块，将程序按逻辑关系分为若干个段，再将每个段划分为若干页，以物理块为单位离散分配。

虚拟存储管理

虚拟存储是将外存虚拟为内存的方式，使用磁盘来虚拟内存。

四、设备管理

设备管理的主要目标是提高设备的利用率，为用户提供方便、统一的界面。提高设备的利用率，就是提高CPU与I/O设备之间的并行操作程度。设备管理主要技术有：中断技术、DMA技术、通道技术和缓冲技术。

中断技术

中断技术是一种使CPU中止正在执行的程序而转去处理特殊事件的操作。

磁盘调度

系统在每一时刻只允许一个进程对磁盘进行I/O操作，其它进程等待。操作系统采用适合的磁盘调度算法使各进程对磁盘的寻道时间最短。

磁盘调度分为移臂调度和旋转调度，先进行移臂调度，再进行旋转调度。移臂调度寻找磁道，旋转调度寻找扇区。

spindle：主轴 disk：磁盘 saved file：数据（保存在扇区内） read/write head：读写头(磁头) arm：磁臂

五、文件管理

文件是具有符号名的、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的集合。

文件的结构和组织

文件的结构是指文件的组织形式，分为逻辑结构和物理结构。逻辑结构是从用户角度看到的文件组织形式；物理结构是文件的内部组织形式，即文件在物理存储设备上的存放方法。

文件索引

• 直接索引：直接指向一个存储数据的磁盘块。
• 一级间接索引：指向一个内容全部都是直接地址索引的磁盘块。
• 二级间接索引：指向一个包含一级间接索引的磁盘块，每个一级间接索引再指向一个包含直接索引的磁盘块。

文件的存取方法

文件的存取方法是指读/写文件存储器上的一个物理块的方法。通常有顺序存取和随机存取两种方法。顺序存取是对文件中的信息按顺序一次进行读/写；随机存取是对文件中的信息可以按任意的次序随机读/写。

文件存储空间的管理

常用的空闲空间管理方法有空闲区表、位示图（Bitmap）、空闲块链和成组链接法。