3_1 操作系统定义、分类及功能【包含linux操作系统基础知识】
3.01 操作系统概述
接口的区分：
- 人机之间的接口：命令，窗口
- 应用软件与硬件之间的接口：api的接口
进程管理
3.02 进程管理——进程状态转换图
进程的状态：操作系统当中对进程进行管理的时候，为进程指定了几种状态，以便于给进程分配相应的资源，把它管理起来。
最初的进程状态（三种）
最初的状态分类：
- 运行：指这个进程需要的所有资源都已经配足了，并且给他了cpu资源
- 就绪：指这个进程除了cpu资源，其他需要的所有资源都已经配足了
- 等待：指这个进程除了cpu资源，还缺其他需要的所有资源
各个状态之间的转换关系：
- 运行—（等待某个事件）—>等待：当进程缺少某一个资源的时候就会进入到等待
- 但是当进行补充好相应资源后不能直接去运行，需要去排队等待cpu资源的调用
- 等待—（等待事件发生）—>就绪：当补充好相应资源后就进入到就绪状态
- 就绪—（调度）—>运行：当资源配足的进程排到cpu进程时
- 运行—（时间片到）—>就绪：一个进程从就绪到运行只能执行一个时间片，当时间片到了就返回就绪状态继续排队。
注：三种状态成熟后发现并不能满足所有的情况（比如人为暂停），所以提出来五态模型
例题讲解【2021下】
考察：进程的三态模型
升级的进程状态（五种）
状态分类中：运行（运行），活跃阻塞（等待），活跃就绪（就绪）两两对应，一个意思
与三态的不同点：
- 多了一个静止就绪和静止阻塞
- 挂起：就和有人给你打电话，你放下手中的工作
- 恢复或激活：电话打完了，再开始手中的工作
3.03 进程管理——前趋图【考点】
考题考点：前趋图一般和PV操作结合考察
前趋图：用来表达要完成的一系列活动，它的先后的约束关系。
- 想表达的内容：这样就可以看出那些任务可以并行，那些任务有先后关系
- 比如：包饺子可以绞肉，切菜，搅拌，包饺子顺序执行，但是绞肉和切菜可以同时进行，但是搅拌要受前两部的约束，同理包饺子要受到搅拌的约束。
3.04 进程管理——进程的同步与互斥
学习目的：同步与互斥是进行PV操作一些分析的前提
互斥：
- 概念：在同一时刻，只允许某一个进程去使用这个资源【同一个资源不能同时服务于多个进程】
- 如果一个资源能同时服务于多个进程称为：共享
同步：
- 概念：有速度匹配要求，当差距拉的比较大的时候，要求速度快的停下来等待速度慢的。
- 官方：
- 同步：是指一个进程在执行某个请求的时候，若这个请求没有执行完成，
那么这个进程将会一直等待下去，直到这个请求执行完毕，才会继
续执行下面的请求。 - 异步：是指一个进程在执行某个请求的时候，如果这个请求没有执行完毕，进程不会等待，而是继续执行下面的请求。
- 同步：是指一个进程在执行某个请求的时候，若这个请求没有执行完成，
讨论PV进程操作问题：生产者和消费者中关于同步，互斥问题
单缓冲区情况：
- 互斥：生产者和消费者每次只能一位去市场操作
- 同步：生产者在市场放入一个商品就不能再放入商品，直到消费者消费掉之后生产者才可以继续在市场里放东西
3.05 进程管理——PV操作
考察：难度大
一些概念：
- 临界资源：独木桥
- 临界区：是一个代码段【进程中访问临界资源的呢段代码】
- 信号量：应用于PV操作的一种专属变量
- 如：P（S）中的呢个S，就是信号量
PV操作：
- 是两大原子操作的一个组合，分为P操作和V操作。
- P(S)：加锁的过程
- 申请锁定资源操作：信号量
-1，做判断
- 申请锁定资源操作：信号量
- V(S)：解锁的过程
- 申请解锁资源操作：信号量
+1，做判断
- 申请解锁资源操作：信号量
- P(S)：加锁的过程
从例题体会PV操作的作用
- 当不引入PV操作的时候，先执行生产者就会造成溢出的风险，同理先执行消费者也会出错。
引入PV操作之后：
首先执行生产者情况和循环执行生产者情况【不行，会进入进程队列】
- 满足P，V操作判断语句的时候会进入进程队列，否则会继续执行
首先执行消费者情况
- 满足P，V操作判断语句的时候会进入进程队列，否则会继续执行
总结
- PV操作其实是
并发进程之间某些约束关系之间问题的解决。
3.06 进程管理——PV操作练习题
- 先从收银员进程入手
- 解题时可以先假设没有这些操作，会面临什么样的问题，从而找出
约束关系
3.07 进程管理——PV操作与前趋图【重点考点】
将一个前趋图转为PV操作的形式，都转成相应的进程，让这些进程在并发执行的时候依然按前趋图约束的先后顺序去执行。
- 进程D开头要有，进程A，B，C的加锁过程P【都解锁之后才能进行下面的操作】
- 每一个进程A，B，C都有一个解锁过程V
例题讲解【2021上】
例题讲解【2021下】
例题演示
解题步骤：
- 先在
前趋图中标出信号量S，遵循从左到右，从上到下。 - 则可以通过前趋图箭头指向写出P与V的分布【如p1箭尾是V(s1)，p2箭尾是V(s2)，p3箭头是P(s1)和P(s2)；箭尾是V(s3)和V(s4)】
- 箭头为P操作，箭尾为V操作
- 将所有的操作具体写到（p1-p5示意图）中，问题就解决了
3.08 进程管理——死锁问题
考察考点：
- 计算不会死锁的情况
- 死锁预防与避免问题
- 会涉及到
银行家算法
- 会涉及到
概念：
- 死锁：指系统当中有一系列的资源，有一系列需要用到这些资源的进程，这些进程需要系统给分配资源才能进行。如果系统在某一时刻发现所有可用的资源都已经分配出去了，而所有的进程都没有办法完成它本身的职责和任务，从而没办法释放占用的资源。
具体例题：
- 求最少多少个资源不会发生死锁的情况：
- 先给每个进程分配它所需的总数-1个资源
- 然后有几个进程就乘几个
- 最后+1之后就是：最少多少个资源不会发生死锁的情
3.09 进程管理——银行家算法
本节讲：死锁的预防和避免
死锁的预防【了解】
发生死锁的四种情况：
- 互斥
- 环路等待
- 不剥夺
- 保持和等待
死锁的预防：打破会发生死锁的四种情况
死锁避免的解决方案【掌握】
两种解决方案：
- 有序资源分配法【效率低】
- 银行家算法【常用，也是考点】
银行家算法
思想：以银行房贷的思路，来做资源分配。
具体实例
- 选B
- 考试就从A选项进行模拟，看能否走通，如果走不通就进行B选项的模拟。
存储管理
3.10 存储管理——分区存储组织
本章从软件的层次，来考虑存储机制
- 分配前的空白区域是因为：前面作业做完了内存资源返回造成的
- 此时再分配作业4的时候，会有多种动态分配的方式
几种内存资源分配方式：【了解思想】
- 首次适应法：顺次找下来，找到第一个符合的空间
- 最佳适应法：将空闲区块按照
从小到大顺序，练成一个链- 在分配的时候先用作业4的大小和
小的空闲区块做比较，如果小于该空闲区块就将作业4分配到这里 - 缺陷：系统运行一段时间，空闲碎块会非常多
- 在分配的时候先用作业4的大小和
- 最差适应法：将空闲区块按照
从小到大顺序，练成一个链- 在分配的时候先用作业4的大小和
大的空闲区块做比较，如果小于该空闲区块就将作业4分配到这里，切出来一个9k的内存出来
- 在分配的时候先用作业4的大小和
- 循环首次适应算法：将空闲的区域按顺序连成一个环，每次按顺序比较，分配完再对下一个空白区块进行比较，以此类推。
- 优点：分配均匀，不会老是分配同一个块
3.11 存储管理——页式存储、段式存储、段页式存储
考点掌握：
- 页式存储当中的逻辑地址和物理地址之间的转化
- 页式存储、段式存储、段页式存储它们基本的特点，以及运作的方式
页式存储【掌握】
- 页式存储有了页表的中间件，而不是直接在用户程序和内存之间转换，从而增加了系统开销。
- 物理块号又称页帧号
如何通过逻辑地址来求物理地址呢？
- 先知道逻辑地址当中那些是页号，那些是页内地址
- 页内地址直接就对应，物理地址中的页内地址
- 再通过页号去查找相应的块号
- 将查到的块号和页内地址组合起来就是物理地址了
习题讲解
例题讲解【2021上】
段式存储
- 按逻辑结构来划分的
- 段的大小不要求一致【页式存储不允许】
- 段号包括：段长和基址
优点：
- 便于共享
缺点：
- 内存利用率低
段页式存储
- 先分段，再分页
优缺点折中：
- 优点：空间小，存储共享容易
- 缺点：复杂性和开销增加，执行速度下降
快表与慢表
快表
- 页式，段式，段页式存储放到Cache【高速缓存器】当中称为快表
慢表
- 页式，段式，段页式存储放到内存当中称为慢表
3.12 存储管理——【页面置换算法】页面淘汰算法
- 应用到：分层存储体系当中
由来：内存体系面临的问题，比如页式存储有100个页，但是内存有限只有3个页，这时候就不可避免的要淘汰不用的页和将用的页存调入进去，这就需要用的一些淘汰算法【共有四种】
- 考点：先进先出，最近最少使用
- 抖动：我分配给你更多资源，想要更好的结果，但是给你更多资源反而结果并不好【如下图就出现了抖动现象】
- 第一行黄色，要访问的页面序列
- 第一列黄色，内存上的三个页面
- 当内存里没有相应页面序列就调入到内存当中
- 内存里没有就称为缺页
例题讲解淘汰机制
- FIFO淘汰机制：先进入内存的先淘汰【只考虑谁先进来】
- 本题3的页面序列位置，对于FIFO来说内存空间为【0，1，2】先进来的是0，则淘汰0
- LRU淘汰机制：最近最少使用的先淘汰【考虑访问的情况，最近被访问到了就不会被淘汰】
- 本题3的页面序列位置，对于LRU视角来说内存空间为【1，2，0】，0刚刚被访问，1最久没被访问，则淘汰1
3.13 存储管理——页面淘汰算法练习题
第一问内存访问次数解题思路：
没有使用快表说明每读一次程序的块，先在内存上查一下表，查一下表之后才能够读取相应的内存块- 所以每一个内存块要进行2次的访问
- 题目中说明有6个页面块，则需要访问12次内存
第二问缺页中断次数解题思路：
- 这里有个约定俗成：
- 默认指令无论占几个块，都会一次性调入。
- 本题占了两个块，所以缺页中断一次
- 但是操作数是占几个块，就会调入几次
- 本题也是占了两个块，缺页中断两次
- 默认指令无论占几个块，都会一次性调入。
- 本题一个指令，两个操作数都占用2个块，根据上面约定俗成的规则得出结果1+2+2=5
- 占用2个块的原因：指令从内存的1023单元开始存储（1单元=1字节），题中给出页面大小为1kb（1kb=1024字节），在8位计算机系统中存16位的指令（1字节=8位，则只存了一半，另一半存到了下一块当中），则该指令一半存到了0页号中，一半存到了1页号中
文件管理
3.14 文件管理——索引文件结构
文件的一种扩展机制
索引文件结构：直接索引，一级，二级，三级间接索引
- 一般是以13个结点的结构，对应的是地址，连接的是物理盘块（用来存内容）
- 在10这个结点位置链接的物理盘块不在存文件内容，而是存的地址
- 间接索引级别越高，访问效率越低
实例演示
3.15 文件管理——文件和树型目录结构
考察：相对路径，绝对路径，全文件名的概念
- 根目录一般是盘符，而Linux和unix是用/来做根文件
- 可以在不同的文件下面，存在相同的文件名【同级目录不行】
- 绝对路径：是从盘符开始的路径
- 相对路径：是从当前目录开始的路径
- 全文件名：绝对路径+文件名(包括格式扩展名)
- 注：上面打开访问磁盘的次数都只要一次，通过命令打开，并不是一层一层的进入【相对路径先进入，才进行的打开命令】
例题讲解【2017年上，67】
例题讲解
- 第一空选：C
- 第二空选：B
3.16 文件管理——空闲存储空间的管理【位示图】
掌握：位示图法的计算问题
空闲存储空间的管理：
- 指的是磁盘上有大量的空间，需要把空闲的空间管理起来，以便在某个文件要申请空间的时候，能有依据的分配空间。
- 有很多的方法，我们重点掌握
位示图法- 空闲区表法：用一个表来记录那些是空闲的
- 空闲链表法：把空闲区域都链起来，形成一个链表
- 位示图法：
- 成组链接法：分组也分链的方式
- 有很多的方法，我们重点掌握
位示图法
- 画一个位示图【把整个存储空间分成了很多个物理块】，其中
1表示已经被占用，0表示空闲
试题讲解
- 由题知，一个字是32位
- 注【字：计算机一次能处理最长比特位的数量，根据计算机的能力可为——16或者32】：字的概念
- 4195号物理块，其实有4196个物理块（0开始）
- 字是从1开始算
- 位置是从0开始算
例题讲解【2021上】
设备管理
3.17 设备管理——数据传输控制方式
掌握：前三种方式
数据传输控制方式：
- 指的是
内存和外设之间的数据的传输控制问题
几种程序控制方式的介绍：
程序控制方式【查询方式】：
- 程序控制方式也称为
程序查询方式 - 最低级，也是cpu介入最多的方式，与外设的完成查询形成时间差
程序中断方式：
- 机制一样，但是主动性变强了，加入了一些中断方式
- 外设完成了程序的数据的一些传输，就会发出一个中断，系统就会做下一步的处理
DMA方式：
- 也称为
直接存取控制方式 - 会有专门的DMA控制器，只要是外设和内存的数据交换，过程中就会由控制器来管控，CPU只要在开头的时候做一些记录，之后都有DMA来管控，做完之后再由CPU接管
程序中断方式——中断向量，中断相关概念补充
- 中断向量是指早期的微机系统中将由硬件产生的
中断入口地址或存放中断服务程序的首地址。- 中断向量提供中断服务程序入口地址
- 中断是指在计算机执行程序的过程中，当出现异常情况或者特殊请求时，计算机停止现行的程序的运行，转而对这些异常处理或者特殊请求的处理，处理结束后再返回到现行程序的中断处，继续执行原程序。
数据传输三种控制方式总结
个人总结：
输入输出技术的三种方式：查询方式(程序控制方式)，中断方式，DMA方式(直接寄存器存取方式)
- 直接查询: cpu只等待外设准备状态，就绪则运行。
- 中断方式: cpu与外设并行工作，if外设状态(I/O系统)就绪，cpu中断目前程序并处理数据。处理完再运行被中断程序
- DMA:无需cpu干涉，直接由DMA硬件处理，速度最快
- 效率:
dma>中断>查询 - 共同点：都是
cpu与外设之间数据的传送
例题讲解【2021下】
考察：输入输出技术的三种方式
- 共同点：都是
cpu与外设之间数据的传送
例题讲解【2021下】
考察：中断向量
例题讲解【2021上】
考察：程序控制方式——DMA
例题讲解【2012上】
考点：异常，中断
- 异常：是
指令执行过程中在处理器内部发生的特殊事件 - 中断：是来自处理器外部的请求事件
例题演示：2017下
3.18 设备管理——虚设备与SPOOLING技术
考察：了解基本原则即可
SPOOLING技术：核心就是开辟了缓冲区，将输出和输入的数据先缓冲起来
- 比如打印a，b，打印a的时候就把b缓冲起来了，打印完a就会自动开始b，这样打印者等着拿打印的文件即可。
3.19 微内核操作系统
掌握：用户态和核心态都有那些
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