操作系统

前言

此文章中的全部内容均为Xmind思维导图导出的MD格式文件，阅读效果必定不如直接读思维导图

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PS:这是思维导图，不是知识点详解

操作系统概述

操作系统的基本概念

• 操作系统的概念

  • 是控制和管理整个计算机软硬件资源，合理地组织，调度计算机的工作和资源的分配，进而为用户和其它软件提供方便接口与程序集合

• 操作系统的特征

  • 并发
  • 共享
  • 虚拟
  • 异步

• 操作系统的功能

  • 作为计算机系统资源的管理者

    • 处理机管理（CPU调度）
    • 存储器管理（内存分配）
    • 文件管理（外存管理）
    • 设备管理（I/O设备管理）

  • 用户与计算机硬件系统之间的接口

    • 命令接口
    • 程序接口

操作系统的发展和分类

• 手工操作阶段（此阶段无操作系统）

• 批处理阶段（操作系统开始出现）

  • 单道批处理
  • 多道批处理

• 分时操作系统

• 实时操作系统

• 网络操作系统和分布式计算机系统

• 个人计算机操作系统

操作系统的运行环境

• 操作系统的运行机制

  • 时钟管理
  • 中断机制
  • 原语数英系统控制的数据结构及处理

• 用户态与核心态

  • 特权指令与非特权指令

• 中断和异常的概念

  • 中断和异常的概念

    • 中断

      • 内中断（异常）

        • 自愿中断（陷入）
        • 故障
        • 终止

      • 外中断（强迫中断）

        • 外设请求
        • 人的干预

  • 中断的处理过程

• 系统调用

  • 五大类系统调用

• 访管指令

操作系统的体系结构

• 大内核和微内核

进程管理

进程与线程

• 进程的概念和特征

  • 进程的概念

    • 具有独立功能的程序在一个数据集合上的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位

  • 进程的特征

    • 五大特性

      • 动态性
      • 并发性
      • 独立性
      • 异步性
      • 结构性

• 进程的状态与转换

  • 五种状态

    • 运行态
    • 就绪态
    • 阻塞态
    • 创建态
    • 终止态

  • 状态的相互转换

• 进程控制

  • 进程的创建
  • 进程的终止
  • 进程的阻塞和唤醒
  • 进程切换

• 进程的组织结构

  • 进程控制块（PCB）
  • 程序段
  • 数据段

• 进程的通信

  • 共享存储
  • 消息传递
  • 管道通信

• 线程概念和多线程模型

  • 线程的基本概念

  • 线程与进程的比较

    • 调度
    • 拥有资源
    • 并发性
    • 系统开销
    • 地址空间和其他资源
    • 通信

  • 线程的属性

  • 线程的实现方式

    • 用户级线程
    • 内核级线程

  • 多线程模型

    • 多对一
    • 多对多
    • 一对一

处理机调度

• 调度的概念

  • 调度的基本概念

    • 对处理机进行分配，即从就绪队列中选择一个进程，并将处理机分配给它运行，以实现进程的并发执行

  • 调度的三个层次

    • 作业调度
    • 中级调度
    • 进程调度

  • 三级调度的关系

• 调度的时机、切换与过程

  • 不能进行进程切换的三个时机
  • 需要进程调度的三个时机

• 进程调度方式

  • 剥夺调度方式
  • 非剥夺调度方式

• 调度的基本准则

  • 五大准则

    • CPU利用率

    • 系统吞吐量

    • 周转时间

      • 平均周转时间
      • 带权周转时间
      • 平均带权周转时间

    • 等待时间

    • 响应时间

• 经典的调度算法

  • 先来先服务算法（FCFS）
  • 短作业优先算法（SJF）
  • 优先级调度算法
  • 高响应比优先调度算法
  • 时间片轮转调度算法
  • 多级反馈队列调度算法

进程同步

• 进程同步的基本概念

  • 临界资源

    • 一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源

  • 同步（直接制约关系）

    • 多个进程为完成任务，在某些位置上协调它们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系

  • 互斥（间接制约关系）

    • 当一个进程进入临界区访问临界资源时，另一个进程必须等待

  • 准则

    • 空闲让进
    • 忙则等待
    • 有限等待
    • 让权等待

• 实现临界区互斥的基本办法

  • 软件实现方法

    • 单标志法
    • 双标志法先检查
    • 双标志法后检查
    • Peterson’s Algorithm

  • 硬件实现方法

    • 中断屏蔽方法
    • 硬件指令方法

• 信号量

  • 整型信号量
  • 记录型信号量
  • 利用信号量实现同步
  • 利用信号量实现互斥
  • 利用信号量实现前驱关系
  • 进程同步与互斥问题

• 管程

  • 定义
  • 条件变量

• 经典同步问题

  • 生产者—消费者问题
  • 读者—写者问题
  • 哲学家进餐问题
  • 吸烟者问题

死锁

• 死锁的概念

  • 死锁的定义
  • 死锁的产生原因

• 死锁的处理策略

  • 预防
  • 避免
  • 检测及解除

• 死锁预防

  • 破坏互斥条件
  • 破坏不剥夺条件
  • 破坏请求并保持条件
  • 破坏循环等待条件

• 死锁避免

  • 系统安全状态
  • 银行家算法

• 死锁的检测与解除

  • 资源分配图

  • 死锁定理

  • 死锁解除

    • 资源剥夺法
    • 撤销进程法
    • 进程回退法

内存管理

内存管理的功能

• 内存空间的分配与回收
• 地址转换
• 内存空间的扩充
• 存储保护

内存管理的概念

• 基本原理和要求

  • 程序的装入与链接

    • 3种链接方式

      • 静态链接
      • 装入时动态链接
      • 运行时动态链接

    • 3种装入方式

      • 绝对装入
      • 可重定位装入
      • 动态运行时装入

  • 逻辑地址空间与物理地址空间

    • 逻辑地址和物理地址的转换

  • 内存保护

    • 2种内存保护方式

      • 上下限寄存器
      • 重定位寄存器和界地址寄存器

• 覆盖与交换技术

  • 覆盖

    • 覆盖技术的思想

  • 交换

    • 交换技术的思想

• 连续内存分配管理方式

  • 单一连续内存分配

  • 固定内存连续分区分配

    • 2种不同分区方式

  • 动态内存连续分区分配

    • 4种动态分区算法

  • 内部碎片与外部碎片

    • 什么分区方式产生什么碎片

• 非连续内存分配管理方式

  • 基本分页存储管理方式

    • 分页存储的几个基本概念

      • 页面

      • 页面大小

      • 分页存储的地址结构

      • 页表

        • 页表的几个特征
        • 页表项

    • 基本地址变换机构

      • 逻辑地址转换物理地址的过程

      • 具有快表的地址变换机构

        • 快表的概念

    • 两级页表

  • 基本分段存储管理方式

    • 分段存储的几个基本概念

      • 分段
      • 段表

    • 地址变换机构

      • 逻辑地址转换物理地址的过程

    • 段的共享与保护

  • 段页式管理方式

    • 段页式管理的基本概念

      • 逻辑地址结构
      • 逻辑地址转换物理地址的过程
      • 段表，页表

虚拟内存管理

• 虚拟内存基本概念

  • 传统存储管理方式的特征

    • 一次性
    • 驻留性

  • 局部性原理

    • 时间
    • 空间

  • 虚拟存储器的定义和特征

    • 定义

    • 三个特征

      • 多次性
      • 对换性
      • 虚拟性

  • 虚拟内存技术的实现

    • 3种请求存储管理方式
    • 4种需要的硬件支持

• 请求分页内存管理方式

  • 页表机制

    • 页表项

      • 状态位P
      • 访问字段A
      • 修改位M
      • 外存地址

  • 缺页中断机构

  • 地址变换机构

• 页面置换算法

  • OPT

  • FIFO

  • LRU

  • CLOCK

    • 简单的CLOCK
    • 带标志位的CLOCK

• 页面分配策略

  • 驻留集

    • 2种分配方式

      • 固定分配
      • 可变分配

    • 2种置换策略

      • 全局置换
      • 局部置换

  • 调入页面的时机

    • 预调入策略
    • 请求调入策略

  • 从何处调入页面

    • 系统拥有足够的对换区
    • 系统缺少足够的对换区

• 抖动

  • 为什么会出现抖动
  • 解决方案

• 工作集

  • 工作原理

• 地址翻译

文件管理

文件系统基础

• 文件的概念

  • 文件的定义
  • 文件的属性
  • 文件的基本操作
  • 文件的打开与关闭

• 文件的逻辑结构

  • 无结构文件(流式文件)
  • 有结构文件(记录式文件)

• 目录结构

  • 文件控制块和索引节点
  • 目录结构

• 文件共享

  • 基于索引节点的共享方式(硬连接)
  • 利用符号链实现文件共享(软连接)

• 文件保护

  • 访问类型
  • 访问控制

文件系统实现

• 文件系统的层次结构
• 目录实现
• 文件实现—文件分配方式
• 文件实现—文件存储空间管理

磁盘组织与管理

• 磁盘的结构
• 磁盘调度算法
• 磁盘的管理

输入/输出管理

I/O管理概述

• I/O设备

  • 三种分类方式

    • 按传输速率分配
    • 按使用特性分类
    • 按信息交换的单位分类

• I/O控制方式

  • 四种控制方式

    • 程序直接控制
    • 中断驱动方式
    • DMA方式
    • 通道控制方式

• I/O子系统的层次结构

  • 五个层次
  • 设备控制器

I/O核心子系统

• I/O子系统概述
• I/O调度概念
• 高速缓存与缓冲区
• 设备分配与回收
• SPOOLing技术(假脱机技术)