电大操作系统形考作业一参考

电大操作系统形考作业一参考引言操作系统作为计算机系统的核心与基石，其重要性不言而喻。它不仅是硬件与软件之间的桥梁，更是用户与计算机交互的界面。对于电大学子而言，深入理解操作系统的基本概念、原理和功能，是掌握计算机科学与技术相关专业知识的关键一步。本次形考作业一，旨在检验大家对操作系统基础知识的掌握程度。本文将围绕作业可能涉及的核心知识点进行梳理与阐释，希望能为同学们提供有益的参考，助力大家更好地完成学习任务。一、操作系统基本概念与发展（一）操作系统的定义与目标操作系统（OperatingSystem,OS）是一组控制和管理计算机硬件与软件资源、合理地组织计算机工作流程，并为用户提供一个便捷、高效使用计算机环境的系统软件。其核心目标可以概括为：1.方便用户使用：操作系统为用户提供了友好的接口，使用户无需直接操作复杂的硬件细节。2.提高系统资源利用率：有效地管理和分配CPU、内存、外存、I/O设备等资源，最大化其使用效率。3.提供计算机系统的安全与可靠性：保护系统资源不受非法访问和破坏，确保系统稳定运行。理解这一点时，要明确操作系统首先是一种“软件”，但其特殊性在于它直接管理硬件，并为其他软件提供支持。（二）操作系统的发展历程操作系统的发展是与计算机硬件的发展和用户需求的变化紧密相连的。大致可以分为以下几个阶段：1.手工操作阶段：无操作系统，用户直接操作硬件，效率极低。2.批处理系统阶段：引入了监督程序，将多个作业成批提交，自动依次处理，减少了人工干预，提高了资源利用率。可分为单道批处理和多道批处理系统，后者是现代操作系统的雏形，其引入了“多道程序设计”的思想，允许多个程序同时驻留内存，交替运行。3.分时系统阶段：允许多个用户通过终端同时与计算机交互，每个用户仿佛“独占”一台计算机。其关键技术是“时间片轮转”，使CPU在多个用户作业间快速切换。4.实时系统阶段：对响应时间有严格要求，能及时处理外部事件并作出响应，如工业控制、航空航天等领域。5.现代操作系统阶段：融合了批处理、分时、实时系统的特点，并支持网络、分布式处理、多媒体等多种功能，如Windows、macOS、Linux等。回顾发展历程，有助于我们理解操作系统功能演变的内在逻辑。（三）操作系统的基本特征操作系统具有以下几个基本特征：1.并发（Concurrence）：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。宏观上，多个程序同时运行；微观上，在单CPU系统中，这些程序是交替执行的。并发是操作系统最重要的特征之一。2.共享（Sharing）：指系统中的资源（如CPU、内存、I/O设备等）可以被多个并发执行的程序共同使用。共享方式有互斥共享和同时共享。3.虚拟（Virtual）：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。例如，通过多道程序设计技术将一个物理CPU虚拟为多个逻辑CPU；通过虚拟内存技术将有限的物理内存扩展为更大的逻辑地址空间。4.异步（Asynchronism）：在多道程序环境下，程序的执行并非一气呵成，而是“走走停停”，以不可预知的速度向前推进。但操作系统需保证程序最终能得到正确的结果。这些特征并非孤立存在，而是相互依存、相互支持的。例如，并发和共享是操作系统最基本的特征，二者互为存在条件。（四）操作系统的主要功能为了实现其目标和管理上述特征，操作系统通常具备以下主要功能：1.处理机管理（进程管理）：核心是进程的调度与控制。包括进程创建、撤销、状态转换、进程同步与互斥、进程通信、死锁处理以及处理机调度等。2.存储器管理：对内存进行管理，包括内存分配与回收、地址映射（将逻辑地址转换为物理地址）、内存保护（防止地址越界和操作越权）以及虚拟内存管理（扩大逻辑内存空间）。3.文件管理：负责文件的创建、删除、读/写、修改、属性控制等，并提供目录管理功能，方便用户按名存取。4.设备管理：对除CPU和内存之外的所有外部设备进行管理，包括设备分配与回收、设备驱动程序的加载与运行、I/O控制方式（如程序查询、中断驱动、DMA、通道控制）以及缓冲技术等。5.用户接口：为用户提供与操作系统交互的方式，包括命令接口（如命令行）、程序接口（如系统调用）和图形用户接口（GUI）。这些功能模块协同工作，共同构成了操作系统的核心。理解与应用提示：此部分是作业考察的重点，需准确记忆并理解各概念的内涵。例如，区分并发与并行的概念；理解多道程序设计技术如何提高资源利用率；能够举例说明操作系统的各项功能在实际操作中是如何体现的。二、进程管理初步进程管理是操作系统的核心功能之一，也是学习的难点。（一）进程的概念进程是程序在一个数据集合上的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的独立单位。它具有动态性、并发性、独立性、异步性和结构性等特征。*动态性：进程是程序的执行过程，有生命周期（创建、运行、消亡）。*并发性：多个进程可同时存在于内存中，交替运行。*独立性：进程是资源分配和调度的基本单位，拥有自己独立的地址空间和资源。*异步性：进程的执行速度不可预知。*结构性：进程由程序段、数据段和进程控制块（PCB）三部分组成，其中PCB是进程存在的唯一标志。理解进程与程序的区别与联系至关重要：程序是静态的指令集合，进程是动态的执行过程；程序可以长期保存，进程有生命周期；一个程序可以对应多个进程（如同一应用程序的多次启动），一个进程也可以包含多个程序（如主程序调用子程序）。（二）进程的基本状态及转换一个进程在其生命周期内，会经历多种状态变化。典型的进程基本状态有：1.就绪状态（Ready）：进程已分配到除CPU以外的所有必要资源，一旦获得CPU，便可立即执行。2.运行状态（Running）：进程正在CPU上执行。在单CPU系统中，只有一个进程处于运行状态。3.阻塞状态（Blocked）：又称等待状态。进程因等待某一事件（如I/O完成、申请资源未得到满足等）而暂时无法继续执行。此时即使CPU空闲，该进程也无法运行。进程在这三种基本状态之间会根据一定条件进行转换：*就绪->运行：进程调度程序选中一个就绪进程，为其分配CPU，使其进入运行状态。*运行->阻塞：运行中的进程因等待某事件发生而无法继续运行，主动放弃CPU。*阻塞->就绪：进程等待的事件发生，该进程从阻塞状态变为就绪状态，重新等待调度。*运行->就绪：运行中的进程因时间片用完或被更高优先级进程抢占而让出CPU，回到就绪状态。部分教材中还会提及创建状态和终止状态，构成五状态模型。（三）进程控制块（PCB）进程控制块（ProcessControlBlock,PCB）是操作系统为每个进程维护的一个数据结构，用于记录进程的各种属性信息，以实现对进程的管理和控制。PCB是进程存在的唯一标志，当进程被创建时，系统为其分配PCB；当进程终止时，系统回收其PCB。PCB通常包含以下信息：*进程标识符（PID）：唯一标识一个进程。*进程当前状态：如就绪、运行、阻塞等。*进程调度信息：如优先级、等待时间、已运行时间等，供调度算法使用。*进程控制信息：如程序计数器（PC，下一条要执行的指令地址）、寄存器集合、堆栈指针等。*资源分配清单：该进程已分配到的资源情况，如打开的文件、占用的I/O设备等。*进程间关系：如父进程、子进程标识等。*其他信息：如记账信息、异常处理信息等。（四）进程调度的基本概念进程调度是操作系统核心功能，其任务是按照一定的策略从就绪队列中选择一个进程，将CPU分配给它运行。调度的基本准则：1.CPU利用率：尽可能使CPU处于忙碌状态。2.吞吐量：单位时间内完成的进程数量。3.周转时间：进程从提交到完成所经历的总时间（包括等待时间和执行时间）。4.等待时间：进程在就绪队列中等待调度的总时间。5.响应时间：从用户提交请求到系统首次产生响应所用的时间（对交互式系统尤为重要）。常见调度算法类型：*先来先服务（FCFS）：按进程到达就绪队列的先后顺序进行调度。简单，但可能导致“短作业等待长作业”现象，平均周转时间较长。*短作业优先（SJF）：选择估计运行时间最短的就绪进程投入运行。能有效降低平均周转时间和平均等待时间，但对长作业不利，且“估计运行时间”不易精确获得。*时间片轮转（RR）：为每个就绪进程分配一个固定长度的时间片，按顺序轮流执行。常用于分时系统，能保证公平性和响应时间。时间片大小的选择很关键。*优先级调度：为每个进程赋予一个优先级，调度时选择优先级最高的就绪进程。优先级可静态赋予或动态调整。可能导致低优先级进程“饥饿”。理解与应用提示：此部分需重点掌握进程的定义、状态转换图（能准确描述状态转换的条件）、PCB的作用。对于进程调度，要理解不同调度算法的基本思想、优缺点及适用场景。作业中可能会涉及到根据给定调度算法计算进程的周转时间、等待时间等，这需要熟练掌握算法步骤。三、存储管理基础存储管理主要关注内存的分配、使用与保护。*装入：由装入程序将目标模块装入内存。装入方式有：*绝对装入：目标模块装入到内存的固定地址。只适用于单道程序环境和静态分区分配。*可重定位装入：目标模块装入到内存的某一可变地址，装入时对程序中的逻辑地址进行修改（重定位），使其变为内存中的物理地址。*动态运行时装入（动态重定位）：在程序执行过程中，每当访问指令或数据时才进行地址转换。需要硬件地址变换机构（如重定位寄存器）支持，优点是程序可以在内存中移动。（二）内存分配方式内存分配主要解决多道程序环境下内存空间的划分问题。*连续分配方式：*单一连续区分配：内存分为系统区和用户区，用户区只装入一道用户程序。简单，但资源利用率低，只适用于单用户单任务系统。*固定分区分配：将用户内存空间划分为若干个固定大小的区域，每个区域装入一道程序。可实现多道程序设计，但分区大小固定，可能存在内部碎片（分区内未被利用的空间），且分区总数固定，限制了并发度。*动态分区分配：根据进程实际需要动态划分内存空间。分区大小和数量都不固定，能有效利用内存，减少内部碎片，但会产生外部碎片（内存中零散的、无法利用的小空闲区）。*动态分区分配算法：首次适应算法（FF）、循环首次适应算法（NF）、最佳适应算法（BF）、最坏适应算法（WF）等。各算法在查找速度、碎片利用等方面各有优劣。（三）对换与覆盖技术*覆盖技术：在小内存中运行大程序。将程序分为“常用”和“不常用”部分，常用部分常驻内存，不常用部分在需要时调入内存，覆盖掉暂时不用的部分。主要用于早期内存较小的系统。*对换技术（Swapping）：将内存中暂时不运行的进程或暂时不用的程序和数据换出到外存（对换区），以腾出内存空间装入急需运行的进程。这是实现多道程序设计的有力支撑，也是虚拟内存技术的基础。理解与应用提示：理解逻辑地址、物理地址、重定位的概念。掌握不同内存分配方式的特点，特别是动态分区分配算法的工作原理。思考如何解决内存碎片问题（如紧凑技术，但开销大；对换技术；分页分段技术等）。总结与学习建议本次形考作业一主要涵盖了操作系统的基本概念、发展、特征、功能，以及进程管理和存储管理的初步知识。这些内容是后续深入学习操作系统其他章节的基础。学习建议：1.概念清晰：对核心概念（如OS、进程、PCB、并发、共享、虚拟、异步、逻辑地址、物理地址等）要准确理解和记忆。2.图表辅助：充