计算机操作系统复习资料汇编

计算机操作系统复习资料汇编引言计算机操作系统作为计算机系统的核心与基石，负责管理硬件资源、控制程序执行、改善人机交互界面，并为应用程序提供稳定高效的运行环境。理解操作系统的基本原理、核心机制与关键技术，对于深入掌握计算机科学与技术领域的知识体系至关重要。本资料汇编旨在梳理操作系统的核心知识点，为复习提供系统性的参考，帮助读者构建清晰的知识框架，巩固对操作系统原理的理解与应用能力。一、操作系统概述1.1操作系统的定义与目标操作系统是一组控制和管理计算机硬件与软件资源，合理组织计算机工作流程，并为用户提供便捷交互界面的系统软件。其核心目标包括：提高系统资源利用率、提升系统吞吐量、方便用户使用以及保障系统安全可靠。1.2操作系统的主要功能操作系统的功能围绕资源管理展开，主要包括：*进程管理：负责进程的创建、调度、同步与互斥、通信以及终止等，是操作系统最核心的功能之一。*内存管理：对计算机内存资源进行分配、回收与保护，确保多道程序能够有效、安全地共享内存空间，核心技术包括分区管理、分页管理、分段管理以及虚拟内存技术。*文件系统管理：负责文件的创建、删除、读/写、修改等操作，管理文件的物理存储与逻辑组织，提供文件的共享与保护机制。*设备管理：对各类输入输出设备进行控制和管理，包括设备分配、缓冲管理、中断处理以及设备驱动程序的接口等，实现设备的高效利用和用户的透明访问。*用户接口：为用户提供与计算机系统交互的方式，通常包括命令行接口（CLI）、图形用户接口（GUI）以及程序接口（系统调用）。1.3操作系统的基本特征操作系统具有以下基本特征：*并发：指多个程序在宏观上同时运行，微观上交替执行的特性。*共享：系统中的资源可以被多个并发执行的程序共同使用，分为互斥共享和同时共享。*虚拟：通过某种技术将一个物理实体映射为若干个逻辑上的对应物，如虚拟处理器、虚拟内存、虚拟设备等。*异步：程序的执行并非一气呵成，而是以走走停停的方式进行，进程的推进速度不可预知，但只要环境相同，操作系统需保证程序最终能得到相同的结果。1.4操作系统的主要类型根据其发展历程和应用场景，操作系统主要分为以下几类：*批处理操作系统：将多个用户作业成批提交，由操作系统自动控制作业的执行，追求资源利用率和系统吞吐量。*分时操作系统：将CPU时间分割成时间片，轮流分配给多个用户终端，使得每个用户都能获得及时的响应，仿佛独占计算机。*实时操作系统：对外部事件的响应和处理具有严格的时间限制，确保关键任务在规定时间内完成，如工业控制、航空航天等领域。*网络操作系统：提供网络通信和网络资源共享功能，使得连入网络的计算机能够协同工作。*分布式操作系统：管理分布式系统中的各类资源，实现系统的高度并行性和资源的透明访问，各节点协同完成任务，具有较高的容错能力。二、进程管理2.1进程的基本概念进程是程序的一次执行过程，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。它具有动态性、并发性、独立性、异步性和结构性等特征。进程的生命周期包括创建、就绪、运行、阻塞和终止等基本状态，这些状态之间会根据系统事件和进程自身行为发生转换。进程控制块（PCB）是进程存在的唯一标志，它记录了进程的描述信息、控制信息及资源信息，是操作系统对进程进行管理和调度的关键数据结构。2.2进程调度进程调度的基本任务是按照一定的策略从就绪队列中选择一个进程投入运行。调度算法的优劣直接影响系统的性能。常用的调度算法包括：*先来先服务调度算法（FCFS）：按照进程到达就绪队列的先后顺序进行调度，易于实现，但可能导致长作业（进程）长时间占用处理机，短作业等待时间过长。*短作业（进程）优先调度算法（SJF/SPF）：选择估计运行时间最短的作业（进程）优先执行，能有效降低平均等待时间，但对长作业不利，且作业（进程）的运行时间估计难度较大。*时间片轮转调度算法（RR）：为每个就绪进程分配一个固定长度的时间片，进程在时间片内运行，若时间片用完仍未完成，则回到就绪队列末尾等待下一次调度。该算法能保证公平性和良好的响应时间，是分时系统的核心调度算法。*优先级调度算法：为每个进程赋予一个优先级，调度程序总是选择优先级最高的就绪进程执行。优先级可分为静态优先级和动态优先级，动态优先级会随着进程的运行情况而调整。*高响应比优先调度算法（HRRN）：综合考虑作业的等待时间和估计运行时间，响应比=（等待时间+估计运行时间）/估计运行时间。该算法兼顾了短作业和长作业，能改善FCFS和SJF算法的不足。2.3进程同步与互斥进程互斥指多个进程因竞争临界资源而产生的相互制约关系，任何时刻只允许一个进程访问临界资源。为实现互斥，需遵循“空闲让进”、“忙则等待”、“有限等待”和“让权等待”的原则。进程同步指多个进程为完成共同任务，在执行次序上的协调与配合关系。实现进程同步与互斥的机制包括：*信号量机制：通过一个整型变量（信号量）来表示资源的可用数量或事件的状态。P操作（申请资源）和V操作（释放资源）是信号量机制的核心原语，可实现对临界区的管理和复杂的同步关系。*管程机制：将共享变量和对共享变量的操作封装在一个模块内，进程只能通过管程提供的接口访问共享资源，从而避免了信号量机制中大量同步操作分散在程序各处可能带来的错误，增强了代码的可读性和可靠性。*经典同步问题：如生产者-消费者问题、哲学家进餐问题、读者-写者问题等，这些问题的分析与解决有助于深入理解同步与互斥机制的应用。2.4进程通信进程通信（IPC）是指进程之间交换信息的过程。根据交换信息量的大小和通信效率，可分为低级通信（如信号量）和高级通信。高级通信机制包括：*共享内存：进程通过访问同一块共享内存区域来交换数据，速度快，但需要进程间的同步与互斥配合。*消息传递：进程通过发送和接收消息来传递信息，分为直接通信（如send/receive原语，指定接收方）和间接通信（通过信箱或端口）。*管道：是一种半双工的通信方式，用于连接两个进程，实现它们之间的字节流传输。常见的有匿名管道和命名管道。2.5线程线程是进程内的一个执行单元，是操作系统调度的基本单位（在支持线程的系统中）。引入线程可以减少程序并发执行时的时空开销，提高系统的并发性能和吞吐量。线程本身不拥有系统资源，只拥有少量必要的上下文信息，它与同属一个进程的其他线程共享该进程的全部资源。线程可分为用户级线程和内核级线程。用户级线程由用户空间的线程库管理，内核感知不到；内核级线程由操作系统内核直接管理和调度。线程的实现模型包括一对一、多对一和多对多模型。2.6死锁死锁是指多个进程因竞争资源而造成的一种僵局，若无外力作用，这些进程都将无法继续执行。死锁产生的必要条件包括：互斥条件、请求与保持条件、不剥夺条件和环路等待条件。这四个条件缺一不可。死锁的处理策略：*死锁预防：通过破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或多个来防止死锁的发生。例如，采用静态资源分配法破坏请求与保持条件，采用按序分配法破坏环路等待条件。*死锁避免：在资源分配过程中，动态地判断系统是否有可能进入死锁状态，若有可能，则拒绝分配资源。银行家算法是典型的死锁避免算法，它通过模拟资源分配来判断安全性。*死锁检测与解除：允许系统进入死锁状态，定期或不定期地检测系统是否发生死锁，若检测到死锁，则采取措施解除死锁，如撤销某些死锁进程或剥夺某些进程的资源。三、内存管理3.1内存管理的基本功能内存管理的主要功能包括：内存分配与回收、地址转换（重定位）、内存保护以及内存扩充。其目标是提高内存利用率，方便用户使用，并为多道程序并发执行提供保障。3.2连续分配管理方式连续分配是指为一个用户程序分配一块连续的内存空间。*单一连续分配：内存分为系统区和用户区，用户区全部分配给一个作业，简单但只能用于单用户、单任务系统。*分区分配：将用户内存空间划分为若干个大小不等或相等的分区，每个分区装入一个作业。可分为固定分区和动态分区。动态分区分配会产生外部碎片，可通过紧凑技术（拼接）来解决，但开销较大。常用的动态分区分配算法有首次适应算法、最佳适应算法、最坏适应算法和邻近适应算法。3.3非连续分配管理方式非连续分配允许一个程序分散地装入到多个不相邻的内存分区中，能有效提高内存利用率。*分页存储管理：将进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的页，内存物理空间分成与页大小相等的块。通过页表将逻辑页号映射到物理块号，实现地址转换。分页管理可以有效解决外部碎片问题，但会产生内部碎片（页内未使用的空间）。*分段存储管理：将进程的逻辑地址空间按程序的逻辑结构（如函数、数据段）划分成若干个大小不等的段。内存物理空间也分成若干个与段大小匹配的分区。通过段表进行地址转换。分段管理便于实现程序的模块化设计、共享和保护，但可能产生外部碎片。*段页式存储管理：结合了分页和分段的优点。先将进程按逻辑结构分段，再将每个段分页。地址转换过程需要段表和页表的两级查找。它兼具分段的共享、保护和逻辑清晰的优点，以及分页的内存利用率高、无外部碎片的优点，但地址转换过程更为复杂，系统开销也更大。3.4虚拟内存技术虚拟内存技术允许将一个作业的一部分装入内存便可启动运行，其余部分暂时留在外存。当访问到不在内存的部分时，通过请求调入机制将其调入内存；若内存空间不足，则通过置换机制将内存中暂时不用的部分换出到外存。虚拟内存的引入，从逻辑上扩充了内存容量，有效提高了内存利用率和多道程序度。其理论基础是程序执行时的局部性原理，即时间局部性和空间局部性。实现方式：*请求分页存储管理：在分页管理基础上，增加了请求调页和页面置换功能。需要页表项中包含状态位、访问位、修改位等控制信息。*请求分段存储管理：在分段管理基础上，增加了请求调段和段置换功能。页面置换算法：当需要调入新页面而内存已满时，选择哪个页面换出是关键。常用的页面置换算法有：*最佳置换算法（OPT）：选择未来最长时间内不再被访问的页面换出，可获得最低的缺页率，但该算法需要预知未来的访问序列，实际中无法实现，通常作为衡量其他算法的标准。*先进先出置换算法（FIFO）：选择最先进入内存的页面换出，实现简单，但可能产生“Belady异常”（即分配的物理块数增加，缺页率反而上升）。*最近最久未使用置换算法（LRU）：选择最近一段时间内最久没有被访问过的页面换出，能较好地反映程序的局部性，但实现开销较大，需要记录页面的访问历史。*时钟置换算法（CLOCK）：也称为最近未用算法（NRU）的改进。通过给每个页面设置一个访问位，将页面组织成环形队列。当需要置换时，检查当前指针指向的页面访问位，若为0则换出，若为1则将其置0并移动指针。该算法性能接近LRU，实现开销较小。页面分配策略：包括固定分配局部置换、可变分配全局置换和可变分配局部置换。同时，还需考虑页面调入策略和页面淘汰策略。抖动（颠簸）：指频繁的页面置换行为，导致系统大部分时间都花费在页面的调入调出上，严重影响系统性能。通常是由于给进程分配的物理块数不足，或页面置换算法不当引起。四、文件系统4.1文件与文件系统的基本概念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的集合。文件具有持久性、可共享性、安全性等特点。文件系统是操作系统中负责管理和存取文件信息的软件机构，它提供了文件的逻辑组织和物理组织、文件的存取方法、文件的目录结构以及文件的共享与保护等功能，方便用户“按名存取”。4.2文件的逻辑结构与物理结构文件的逻辑结构：用户所观察到的文件组织形式，分为有结构文件（记录式文件）和无结构文件（流式文件）。有结构文件又可分为顺序文件、索引文件、索引顺序文件等。文件的物理结构：文件在外存上的存储组织形式，直接影响文件的存取速度和存储空间的利用率。常见的物理结构有：*连续结构：文件的全部信息存放在外存的连续物理块中。优点是存取速度快，支持顺序存取和随机存取；缺点是文件创建时需确定大小，不利于文件的动态增长，易产生外部碎片。*索引结构：为每个文件建立一个索引表，索引表中记录了文件信息所在的各个物理块号。文件本身和索引表分别存储。优点是支持随机存取，文件动态增长方便，不产生外部碎片；缺点是索引表会占用一定的存储空间，对于大文件，可能需要多级索引。4.3文件目录文件目录用于实现文件的“按名存取”，它是一组文件控制块（FCB）的有序集合。FCB包含了文件的基本信息、存取控制信息和管理信息。常见的目录结构有：*单级目录结构：整个系统只有一个目录文件。简单，但不允许文件重名，查找速度慢，不适合多用户系统。*两级目录结构：将目录分为主目录和用户目录。主目录记录用户目录信息，用户目录记录该用户的文件FCB。解决了文件重名问题，提高了查找速度，适合多用户系统。*树形目录结构：目录组织成树形，每个目录可以包含若干个子目录和文件。具有层次清晰、便于分类管理、易于实现文件共享和保护等优点，是目前广泛采用的目录结构。4.4文件存储空间管理文件系统需要对