操作系统复习笔记

第一章

1.软件的层次：硬件（裸机）→OS（操作系统）→实用程序→应用程序。

2.虚拟机的概念：通过软件扩充计算机的功能，使功能更加强大，使用更加方便。

3.操作系统的功能：

（1）操作系统作为用户与计算机接口。

①操作系统不但本身具有优良的的图形用户界面，而且与用户界面生成环境一体化，可为用户开发的应用程序自动生成图形用户界面。

②操作系统与软件开发环境一体化，可按用户要求建立、生成、运行和维护应用程序。

③与数据库系统一体化。

④与通讯功能网络管理一体化。

（2）操作系统作为资源管理者。（①处理器管理②存储器管理③输入输出设备管理④信息管理）

4.操作系统的特性：（1）并行性（2）共享性

5.操作系统的分类：

（1）多道批处理操作系统

（2）分时操作系统

（3）实时操作系统

（4）Windows NT

课后习题

1.6什么是操作系统，它的主要作用和功能是什么？

答：操作系统的含义：用以控制和管理系统资源，方便用户使用计算机的程序的集合。

操作系统的主要作用：（1）管理系统资源；（2）使用户能安全方便地共享系统资源，操作系统并对资源的使用进行合理调度；（3）提供输入输出的便利，简化用户的输入输出工作；（4）规定用户的接口，以及发现并处理各种错误的发生。操作系统的主要功能是为用户方便地使用计算机提供更友好的接口和服务。

1.7什么是多道程序设计技术，引入多道程序设计技术的起因和目的是什么？答：（1）所谓多道程序设计是指“把一个以上的作业存放在主存中，并且同时处于运行状态。这些作业共享处理器时间和外部设备等其他资源”。

（2）由于通道技术的出现，CPU可以把直接控制输入输出的工作转给通道。起因：为使CPU在等待一个作业的数据传输过程中，能运行其他作业，我们在主存中同时存放多道作业。当一个在CPU上运行的作业要求传输数据时，CPU就转去执行其他作业的程序。

目的：引入多道程序设计技术的根本目的是提高CPU利用率

1.10 为何要引入分时系统，分时系统具有什么特性？

答：为了能够提供用户和程序之间有交互作用的系统，所以才要引入分时系统。分时系统具有以下特征：多路性；交互性；独占性。

第二章操作系统的运行环境

课后习题

2.3 什么叫特权指令？为什么要把指令分为特权指令和非特权指令？

答：特权指令是指在指令系统中那些只能由操作系统使用的指令，这些特权指令

是不允许一般的用户使用的。因为如果一个使用多道程序设计技术的微型计算机的指令允许用户随便使用，就有可能使系统陷入混乱，所以指令系统必须要区分为特权指令和非特权指令。

2.5 CPU如何判断可否执行当前的特权指令？

答：CPU是通过处理器状态标志来执行当前的特权指令的，当处理器处于管理态时可以执行全部指令，当处理器处于目态时，就只能执行非特权指令。

2.6 什么是程序状态字？主要包括什么内容？

答：如何知道处理器当前处于什么工作状态，它能否执行特权指令，以及处理器何以知道它下次要执行哪条指令呢？为了解决这些问题，所有的计算机都有若干的特殊寄存器，如用一个专门的寄存器来指示一条要执行的指令称程序计数器PC，同时还有一个专门的寄存器用来指示处理器状态的，称为程序状态字PSW。

主要内容包括所谓处理器的状态通常包括条件码--反映指令执行后的结果特征；中断屏蔽码--指出是否允许中断，有些机器如PDP-11使用中断优先级；CPU的工作状态--管态还是目态，用来说明当前在CPU上执行的是操作系统还是一般用户，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其它的特殊权力。

2.11 CPU如何发现中断事件？发现中断事件后应做什么工作？

答：处理器的控制部件中增设一个能检测中断的机构，称为中断扫描机构。通常在每条指令执行周期内的最后时刻中扫描中断寄存器，询为是否有中断信号到来。若无中断信号，就继续执行下一条指令。若有中断到来，则中断硬件将该中断触发器内容按规定的编码送入程序状态字PSW的相应位（IBM-PC中是第16~31位），称为中断码。

发现中断事件后应执行相中断处理程序，先由硬件进行如下操作：

1、将处理器的程序状态字PSW压入堆栈

2、将指令指针IP（相当于程序代码段落的段内相对地址）和程序代码段基地址寄存器CS的内容压入堆栈，以保存被子中断程序的返回地址。

3、取来被接受的中断请求的中断向量地址（其中包含有中断处理程序的IP，CS的内容），以便转入中断处理程序。

4、按中断向量地址把中断处理程序的程序状态字取来，放入处理器的程序状态字寄存器中。

第三章进程管理

1.进程的定义：进程是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。

2.进程的状态及其变化：（1）运行状态（Running）（2）就绪状态（Ready）（3）等待状态（Blocked）

进程状态变化图

3.进程的挂起和解除挂起的状态：

具有挂起功能的进程状态变化

3.进程控制块（PCB）

一般PCB应包含以下三类信息：

（1）进程标志信息（2）处理器状态信息（3）进程控制信息

4.进程的控制原语：为了对系统中的进程进行有效的管理，通常系统都提供了若干基本的操作，这些操作通常称为原语。

课后习题：

3.1为什么要引入进程概念？进程的基本特征是什么？它与程序有何区别？答：进程的概念是操作系统中最基本、最重要的概念。为了核画系统内部出现的情况，

描述系统内部各作业的活动规律而引进的一个新的概念，由于处在这样一个多道程序系统所带来的更为复杂的环境中，程序具有了并行、制约、动态的特征，使得原来的程序概念已难以刻画和反映系统中的情况了。

进程的基本特征是动态性，并行性；

进程与程序的区别：

1、进程是程序的执行，故进程属于动态概念，而程序是一组指令的有序集合，是静态的概念。

2、进程既然是程序的执行，或者说是“一次运行活动”，因而它是有生命过程的。从投入运行到运行完成，或者说是进程存在诞生（建立进程）和死亡（撤消进程）。换言之，进程的存在是暂时，而程序的存在是永久的。

3、进程是程序的执行，因此进程的组成应包括程序和数据。除此之外，进程还由记录进程状态信息的“进程控制块”组成。

4、一个程序可能对应多个进程。

5、一个进程可以包含多个程序。

3.3 为什么说PCB是进程存在的唯一标志？

答：操作系统用一个称为进程控制块PCB的数据结构来记录本进程的属性。进程控制块PCB是操作系统中最重要的数据结构。PCB的作用不但是记录进程的属性信息，以便操作系统对进程进行控制和管理。而且PCB标志进程的存在，操作系统根据系统中是否有该进程的进程控制块PCB而知道该进程的存在与否。系统在建立进程的同时就建立该进程的PCB，在撤消一个进程时也就撤消其PCB。所以说进程的PCB对进程来说是它存在的具体的物理标志和体现。PCB对操作系统来说，也是调度进程的主要原因的数据基。

3.10试列举出进程状态转换的典型原因，详细列出引起进程调度的因素。

答：（1）系统有时可能出故障或某些功能受到破坏。这时就需要暂时将系统中的

进程挂起，以便系统把故障消除后，再把这些进程恢复到原来状态。

（2）用户检查自己作业的中间执行情况和中间结果时，因同预期想法不符而产生怀疑。这时用户要求挂起他的进程，以便进行某些检查和改正。

（3）系统中有时负荷过重（进程数过多），资源数相对不足，从而造成系统效率下降。此时需要挂起一部分进程以调整系统负荷，等系统中负荷减轻后再将被挂起进程恢复运行。

如果一个进程原来处于运行状态或活动就绪状态，此时可因挂起命令而由原来状态变为挂起就绪状态，此时它不能参与争夺处理器，即进程调度程序不会把处于挂起就绪状态的进程挑选来运行。当处于挂起就绪状态的进程接到解除挂起命令后，它就由原状态变为活动就绪状态。如果一个进程原来处于活动阻塞状态，它可因挂起命令而变为挂起等待状态，直到解除挂起命令才能把它重新变为活动等待状态。处于挂起等待状态的进程，其所等待的事件（如正在等待输入输出工作完成，等待别的进程发给它一个消息）在该进程挂起期间并不停止这些事件的进行。因而当这些事件发生后（输入输出完成，消息已发送来了），该进程就由原来挂起阻塞状态变为挂起就绪状态。

注意：

1.什么是线程，它有哪些性质

答：线程是进程内一个相对独立的、可调度的执行单元。

线程有以下性质：（1）线程是进程内一个相对独立的可执行单元。

（2）线程是操作系统中的基本调度单元。

（3）由于线程是被调度的基本单元，而进程不是调度的单元。

（4）需要时，线程可以创建其他线程。

（5）进程是被分给并拥有资源的基本单元，同一进程内的多个线程共享该进程的资源。

（6）由于共享资源，所以线程间需要通信和同步机制。

（7）线程有生命期，有诞生和死亡。

第四章多线程

1.线程的概念：线程是进程内一个相对独立的、可调度的执行单元。

2.线程的性质：

（1）线程是进程内的一个相对独立的可执行单元。因此不妨把线程看作是应用中的一个子任务的执行。

（2）线程是操作系统中的基本调度单元，因此线程中应包含有调度所需的必要信息。

（3）由于线程是被调度的基本单元，而进程不是调度的单元。

（4）需要时线程可以创建其他线程。

（5）进程是被分给并拥有资源的基本单元，同一进程内多个进程共享该进程的资源。但线程并不拥有资源，只是使用它们。

（6）由于共享资源（包括数据和文件），所以线程间需要通信和同步机制。（7）线程有生命期，又诞生和死亡。在生命期中有状态的变化。

课后习题：

4.3进程和线程的关系是什么？线程是由进程建立的，是吗？线程对实现并行性比进程机制有何好处？

答：线程是进程中相对独立的一个控制流序列；线程也称为轻质进程。

不是，好处有：（1）用于创建和撤消线程的开销比创建和撤消进程的系统开销（CPU 时间）要少得多。（2）CPU在线程之间开关时的开销也远比进程之间开关的开销小。（3）线程机制也增加了通讯的有效性。（4）方便作简化了用户的程序结构工作。

第五章并行性：互斥和同步

1.临界段（区）的含义：访问临界资源的程序段。

2.临界资源的含义：在一段时间内只允许一个进程使用的资源。

3.互斥：两个或多个进程不能同时进入临界段。

4.同步：连个或多个进程相互合作，安一定速度推进的过程。

5.临界段访问的原则：

（1）在共享同一个临界资源的所有进程中，每次只允许有一个进程处于它的临界段之中。

（2）若有多个进程同时要求进入它们的临界段时，应在有限的时间内让其中之一进入临界段，而不应相互阻塞，以至于各进程都进不去临界段。

（3）进程只应在临界段内逗留有限时间。

（4）不应使要进入临界段的进程无限期地等待在临界段之外。

（5）在临界段之外运行的进程不可以阻止其他的进程进入临界段。

（6）在解决临界段问题时，不要预期和假定进程进展的相对速度以及可用的处理器数目。因为这是不可预期的。

6.信号量定义：一个整型变量，在其上定义了以下三个操作：

（1）可以被“初始化”为一个负数。

（2）Wait操作（本书以前称P操作）将信号量值减1后，若该值为负，则执行Wait操作的进程等待。

（3）Signal操作（本书以前称V操作）将信号量值增1后，若该值非正，则执行Signal操作的进程唤醒等待进程（唤醒动作只用于阻塞等待情况）。

7.Wait（S）→ P 申请操作

Signal（S）→ V 释放操作

S++ ×不允许这种方法

S=S+3 ×不允许这种方法

if（S>0）×不允许这种方法

信号量（S）

S≥0 代表当前可用资源数量

S<0 其绝对值代表因请求使用S资源二被阻塞的进程数

注意：

1.信号量的物理意义是什么？应如何设置其初值？并说明信号量的数据结构答：信号量的物理意义是一个进程强制地被停止在一个特定的地方直到收到一个专门的信号。

信号量按其用途有两种初值：一是二元信号量：它仅允许取值为“0”和“1”；二是

一般信号量：它允许取值为非负整数。

信号量的数据结构：type Semaphore=record

vale:integer;

L:pointer to PCB;

end

第六章多处理器系统和处理器管理

1.调度层次

（1）长期调度（高级调度） (2)中期调度（中级调度）（3）短期调度（低级调度）

注意：区分以下三级调度程序：长期调度程序，中期调度程序，短期调度程序。

答：长期调度——又称作业调度，其主要功能是按照某种原则从磁盘某些盘区的

作业队和交互作业中选取作业进入主存，并为作业做好运行前的准备工作和作业

完成后的善后工作。

中期调度——它决定哪些进程被允许参与竞争处理器资源。中期调度主要只是起

到短期调整系统负荷的作用，以平顺系统的操作。其所使用的方法是通过“挂

起”和“解除挂起”一些进程，来达到平顺系统操作和改善系统性能的目的。

短期调度——又称处理器调度，其主要功能是按照某种原则将处理器分配给就绪

进程或线程。执行短期调度功能的程序称为进程（或线程）调度程序，由它实现

处理器的转接。由于它的执行频率很高，一秒钟要执行很多次，因此它必须常驻

主存。是操作系统内核的主要部分。调度策略的优劣和处理器在进程间转接时的

速度对整个系统的性能有很大影响。

2.调度算法

带权周转时间：W=（75/75+95/30+90/15+100/20）/4=3.8

注：周转时间=作业完成时间-到达时间

带权周转时间=(周转时间A /运行时间A +周转时间B /运行时间B+……)/作业总数

带权周转时间：W=（75/75+130/30+60/15+70/20）/4=12.8

R3=45/15+1=4 R4=50/20+1=3.5

R4=35/30+1=2.75

平均周转时间：T=（75+95+90+100）/4=90(min)

带权周转时间：W=（75/75+95/30+90/15+100/20）/4=15.2

第七章死锁

1.死锁的概念：在系统中一组进程由于竞争系统资源或由于彼此通信而永远阻塞。

2.死锁的原因：（1）资源不足（2）进程推进进程不合理

3.死锁发生的必要条件：

（1）互斥条件：一个资源依次只能被一个进程所使用。

（2）不可抢占条件：一个资源仅能被占有它的进程所释放，而不能被别的进程强行抢占。

（3）部分分配条件：一个进程已占有了分给它的资源，仍要求其他资源。（4）循环等待条件：在系统中存在一个由若干进程形成的环形请求链，其中的每一个进程均占有若干资源中的某一种，同时每一个进程还要求（链上）下一个进程所占有的资源。

4.死锁的预防措施

（1）预先静态分配法

（2）有序资源使用法

5.死锁的避免

安全状态：一组进程P1……Pn如果按某一推荐进度，使任意进程Pj所要求资源都能满足，使所有正常完成。

6.死锁避免的意义

在某一进程资源申请时，假设分配该资源，检查系统状态，如果处于安全状态，则分配资源，否则不分配。