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操作系统 复习 题型分值 一 选择题 每题2分 15题 共30分二 填空题 每空1分 5题10空 共10分三 计算题 每题10分 3题 共30分四 综合应用题 每题15分 2题 共30分 操作系统的定义 它们能以尽量有效 合理的方式组织和管理计算机的软硬件资源 合理的组织计算机的工作流程 控制程序的执行并向用户提供各种服务功能 使得用户能够灵活 方便 有效的使用计算机 使整个计算机系统能高效地运行 是计算机与用户之间的接口 操作系统是计算机系统中的一个系统软件 是一些程序模块的集合 1 3 2操作系统的功能 1 处理机管理完成处理机资源的分配 调度等功能 处理机调度的单位可为进程或线程 2 存储管理提高利用率 方便用户使用 提供足够的存储空间 方便进程并发运行 3 设备管理方便的设备使用 提高CPU与I O设备利用率 4 软件资源管理提供一种简便的 统一的存取和管理信息的方法 并要解决信息的共享 数据的存取控制和保密 2 3处理机的状态 根据运行程序对资源和机器指令的使用权限将处理器设置为不同状态管态 操作系统管理程序运行的状态 较高的特权级别 又称为系统态 用户态 用户程序运行时的状态 较低的特权级别 又称为目态 2 4中断机制 什么是中断 指CPU对系统中或系统外发生异步事件的响应异步事件是指无一定时序关系的随机发生事件 如外部设备完成数据传输 实时设备出现异常等中断的定义CPU暂停正在执行的程序 保留现场后自动转去执行相应事件的处理程序 处理完成后返回断点 继续执行被打断的程序 3 2操作系统的用户界面 一 操作命令键盘命令图形户用户界面图形化的用户界面是良好的用户交互界面 它将菜单驱动 图符驱动 面向对象技术等集成在一起 形成一个图文并茂的视窗操作环境 作业控制语言 二 系统功能调用如文件的建立 打开 关闭 删除等命令 3 3系统功能调用 系统调用是操作系统为编程人员提供的接口 各种操作系统的核心中都设计有一组一组的用于实现各种系统功能的子程序作为机器指令的扩充 访管指令 把由于系统调用引起的处理机中断的指令称为访管指令 svcnn为地址码 表示系统调用的功能号执行该指令则会发生中断 即访管中断 处理机由用户态变为管态系统调用是用户在程序一级请求操作系统服务的一种手段 由系统中一段程序完成 4 2 3进程的状态 一 进程的基本状态 就绪状态 ready 存在于处理机调度队列中的进程已经准备就绪 得到CPU控制权即可以运行 运行状态 running 当进程由调度模块分派后 得到中央处理机控制权 它的程序正在运行 等待状态 wait 若一进程正在等待着某一事件发生而暂时停止执行 二 进程状态变迁图 等待 就绪 4 2 4进程描述 在系统中一个进程存在 进程控制块 数据结构 进程的执行程序 一个可执行文件 进程总是位于某个队列 就绪 等待某事件队列 处于某种状态 运行 就绪 等待 占用某些系统资源 内存 打开某些文件 处理机 外设 4 4 2进程互斥的概念 1 临界资源 一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源 2 临界区 每个进程中访问临界资源的那段程序段称为临界区 临界段 互斥 在操作系统中 当某一进程正在访问某临界区时 就不允许其它进程进入 否则就会发生 后果 无法估计的错误 我们把进程之间的这种相互制约的关系称为互斥 P操作 1 s值减1 2 若相减结果大于等于0 则进程继续执行 3 若结果小于0 则该进程挂起 注 挂起该进程包括 保留调用进程CPU现场 置 等待 状态 入等待队列 转进程调度 4 6 2信号灯和P V操作 V操作 1 s值加1 2 若相加结果大于0 进程继续执行 3 否则 唤醒一个 或多个 等待该信号灯的进程 然后本进程继续执行 用信号灯及P V操作来描述左图1 说明进程的同步关系进程P1 P2可并行执行 P3的执行必须等待P1 P2都完成后才能开始执行 2 设置信号灯 说明含义 初值 s13 0表示进程P1尚未执行完成 s23 0表示进程P2尚未执行完成 4 6 3进程同步的实现 4 6 4生产者 消费者问题 假定缓冲区buffer是一个有界缓冲区 可存放n个数据同时假定有n个CP进程不断地产生数据 并送buffer 有m个IOP进程从缓冲区中取数据打印 例 在公共汽车上 司机与售票员的工作流程分别为 司机 启动车辆 正常运行 到站停车 启动车辆 售票员 关车门 售票 开车门 关车门 为保证乘客安全 司机与售票员要密切配合 协调工作 请用信号量来实现司机与售票员之间的同步 汽车运行中 司机与售票员之间的同步关系为 售票员在关车门之后 向司机发开车信号 司机接到开车信号后启动车辆 汽车运行时售票员售票 到站后司机停车 售票员在停车后开车门让乘客下车 设置信号量S1 S2 S1表示是否允许司机启动车辆 初值为0 S2表示是否允许售票员开车门 初值为0 SemaphoreS1 S2 0 voidDriver while 1 P S1 启动车辆 正常运行 到站停车 V S2 voidBusman while 1 关车门 V S1 售票 P S2 开车门 Main cobegin Driver Busman 死锁的定义 两个或两个以上并发进程 如果每个进程持有某种资源 而又等待着别的进程释放它或它们现在保持着的资源 否则就不能向前推进 此时 每个进程都占用了一定的资源 但又都不能向前推进 这种现象称为死锁 5 4死锁 产生死锁原因 系统资源不足进程推进顺序非法产生死锁的四个必要条件 1 互斥条件2 不可剥夺条件3 部分分配4 环路条件 假定系统有10个资源 目前分配的情况如上表 此时 系统中只剩下2个资源 这时就要考察能满足哪个进程 不能满足P和R的最大要求 能满足Q 于是将剩下的2个资源分配给Q Q就能完成 然后释放所占用的6个资源 然后可满足P 也可满足R 这时不论分给谁都能保证完成 5 4 6死锁的避免 6 2 5作业调度算法 1 先来先服务调度算法 先来先服务算法是按作业来到的先后次序进行调度的 换句话说 调度程序每次选择的作业是等待时间最久的 而不管作业的运行时间的长短 2 短作业优先调度算法 短作业优先调度算法考虑作业的运行时间 每次总是选择一个运行时间最小的作业调入内存 系统 11 7 3分区存储管理 当有作业完成后释放所占用的存储区 在系统运行的过程中 系统中形成多个空闲的不连续的存储区 称主空闲 2020 3 18 27 可编辑 A 将r合并到f1 f1 addr f1 size r size f sizeB 将r合并到f2 r addr r size f2 size f2 sizeC f1 r f2合并到f1 f1 addr f1 size r size f2 size f1 size撤消f2空闲区D r作为一个空闲区 并插入到空闲区表的适当位置 7 3 5几种放置策略 分区分配和回收是对空闲区表 或空闲区队列 数据结构进行操作 空闲区表的组织有两种方法 1 按空闲区大小的升序 降序 组织 2 按空闲区首址升序 降序 组织 首次适应算法的表是按空闲区首址升序的 即空闲区表是按空闲区首址从小到大 方法组织的 最佳适应算法是将申请者放入与其大小最接近的空闲区中 其空闲区表按空闲区大小升序方法组织 最坏适应算法每次分配时 总是将最大的空闲区切去一部分分配给请求者 其空闲区表是按空闲区大小降序的方法组织的 从大到小的顺序 分页的概念程序地址空间分成大小相等的页面 同时把内存也分成与页面大小相等的块 当一个用户程序装入内存时 以页面为单位进行分配 页面的大小是为2n 通常为1KB 2KB nKB等 7 4页式存储管理 虚地址结构虚地址是用户程序中的逻辑地址 它包括页号和页内地址 页内位移 区分页号和页内地址的依椐是页的大小 页内地址占虚地址的低位部分 页号占虚地址的高位部分 假定页面大小1024字节 虚地址共占用2个字节页号页内地址 位移量 PW151090 三 页式地址变换 1 虚地址 逻辑地址 程序地址 以十六进制 八进制 二进制的形式给出将虚地址转换成二进制的数 按页的大小分离出页号和位移量 低位部分是位移量 高位部分是页号 根据题意产生页表 将位移量直接复制到内存地址寄存器的低位部分 以页号查页表 得到对应页装入内存的块号 并将块号转换成二进制数填入地址寄存器的高位部分 从而形成内存地址 2 虚地址以十进制数给出页号 虚地址 页大小位移量 虚地址mod页大小根据题意产生页表 以页号查页表 得到对应页装入内存的块号内存地址 块号 页大小 位移量 例1 有一系统采用页式存储管理 有一作业大小是8KB 页大小为2KB 依次装入内存的第7 9 A 5块 试将虚地址0AFEH 1ADDH转换成内存地址 虚地址0AFEH0000101011111110P 1W 01011111110MR 0100101011111110 4AFEH 例2 有一系统采用页式存储管理 有一作业大小是8KB 页大小为2KB 依次装入内存的第7 9 10 5块 试将虚地址7145 3412转换成内存地址 虚地址7145P 7145 2048 3W 7145mod2048 1001MR 5 2048 1001 11241虚地址7145的内存地址是 11241 一 最佳算法假定程序p共有n页 而系统分配给它的内存只有m块 1 m n 并且以作业在执行的过程中页面置换的频率的高低来衡量算法的优劣 最佳算法 当要调入一新页而必须淘汰一旧页时 所淘汰的页是以后不再使用的 或者是以后相当长的时间内不会使用的 7 4 5几种置换算法 二 先进先出算法先进入内存的页 先退出内存 实质上是淘汰在内存驻留时间最长的页 其理由是 最早调入内存的页 不再被使用的可能性比近期调入内存的大 三 最久未使用淘汰算法 LRU算法 这种算法的实质 当需要淘汰一页时 选择最长时间未使用的页 例 在请求分页系统中 某作业有10个页面 页面大小为1024B 系统为其分配了3个主存块 该作业第0页已经装入主存 进程运行时页面访问的十进制逻辑地址为960 1040 3900 770 6000 2100 200 1 先进先出置换算法 缺页中断次数 过程 2 最久未使用置换算法 缺页中断次数 过程 设备独立性是指用户在编程序时所使用的设备与实际设备无关 设备独立性的优点1 逻辑设备特性是用户程序中所涉及的该类物理设备特性的抽象 这使得程序所对应的进程在执行时可利用该类设备中的任一物理设备 2 使用逻辑设备名 可以方便用户 改善资源利用率 提高系统的可扩展性和可适应性 8 1 4设备独立性 8 2缓冲技术 CPU与各种外部设备的速度上的差异很大 设备与设备之间的速度的差异也很大 缓冲是用来在两种不同速度的设备之间传输信息时平滑传输过程的常用手段 缓冲技术是用来匹配CPU与设备之间速度差异和负荷的不均匀 常用的缓冲技术有三种 双缓冲 环形缓冲 缓冲池 3 针对设备特性的调度磁盘调度 SCAN算法 9 2 2文件的逻辑结构和存取方法 文件的逻辑结构 结构文件 记录式文件 无结构文件 流式文件1 流式文件无结构的流式文件是相关的有序字符的集合 文件的长度为所含字符数 2 记录式文件记录式文件是一种结构式文件 文件是记录的集合 每个记录由彼此相关的域构成 记录可按顺序编号为记录1 记录2 记录n 存取方法顺序存取 后一次存取总是在前次存取的基础上进行的 每次存取不必给出存取开始的位置 随机存取 每次存取操作都要指定存取操作的开始位置 对于磁带文件 一般采用顺序存取方法 而对于磁盘 磁鼓上的文件 既可采用顺序存取 也可采用随机存取 9 3文件的物理结构 9 3 4索引文件 多级索引分配 如果盘块的大小为512B 而每个块号为为2B 则每个盘块最多可以存放多少个盘块号 一级索引时可寻址文件的最大长度是多少 二级索引时可寻址文件的最大长度是多少 三级索引时可寻址文件的最大长度是多少 N 512B 2B 256 个 一级索引256 512B 128KB二级索引256 256 512B 32MB三级索引256 256 256 512B 8GB 9 3 5文件物理结构比较 连续文件的优点是不需要额外的空间开销 对顺序的访问效率很高 适应于顺序存取 缺点是动态地增长和缩小系统开销很大 文件创建时要求用户提供文件的大小 串联文件克服了连续文件的不足之处 但文件的随机访问系统开销较大 适应于顺序访问的文件 索引文件既适