《操作系统》期末复习完全手册（直接使用版）

《操作系统》期末复习完全手册（直接使用版）第一部分：考试题型与分值分布（通用）题型题量分值主要考查范围策略选择题20-25题20-30分基本概念、OS功能与特征、进程状态转换、调度算法、存储管理方式、文件系统结构等辨析相近概念，牢记核心机制名称与特点填空题10-15题10-15分核心概念关键词、临界资源、死锁必要条件、页面置换算法名称、文件物理结构等熟记专有名词和典型算法名判断题10题10分概念正误辨析注意绝对化表述和常见错误说法简答题4-5题20-25分进程与线程区别、死锁处理、页面置换过程、SPOOLing系统、磁盘调度等分点作答，条理清晰，可画简图辅助综合/计算题2-3题15-25分调度算法（FCFS/SJF/HRRN）、银行家算法、页面置换（FIFO/LRU/OPT）、地址变换、磁盘寻道时间计算牢记公式，按步骤规范作答第二部分：操作系统概论速查2.1操作系统的定义与目标操作系统是控制和管理计算机系统软硬件资源、合理组织工作流程、方便用户使用的系统软件。目标说明有效性提高系统资源利用率和吞吐量方便性为用户提供良好的使用界面可扩充性易于增加新功能开放性遵循国际标准，便于移植和互操作2.2操作系统的基本特征特征含义示例并发多个程序在同一时间间隔内同时运行（宏观并行，微观串行）多道程序同时运行共享资源可被多个并发进程共同使用打印机互斥共享，磁盘同时共享虚拟将物理实体映射为多个逻辑对应物虚拟内存、虚拟处理器异步进程以不可预知的速度推进多道程序环境下走走停停2.3操作系统的主要功能功能说明处理机管理进程控制、同步、通信、调度存储器管理内存分配、地址映射、内存保护、虚拟内存设备管理设备分配、缓冲管理、设备驱动、SPOOLing文件管理文件存储空间管理、目录管理、文件共享与保护用户接口命令接口、程序接口（系统调用）、图形接口2.4操作系统分类类型特点典型系统批处理系统作业成批处理，吞吐量大，无交互早期OS/360分时系统时间片轮转，交互性好，多用户Unix、Linux实时系统及时响应外部事件，高可靠性工业控制、导弹制导网络操作系统网络通信、资源共享WindowsServer分布式操作系统多机协同，单一系统映像Amoeba第三部分：进程管理速查3.1进程的定义与组成进程是程序的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的独立单位。组成部分说明进程控制块（PCB）进程存在的唯一标志，含进程描述信息、控制信息、资源清单、CPU现场程序段进程执行的代码数据段程序运行时使用的数据3.2进程的基本状态与转换状态含义就绪态已获得除CPU外的所有资源，等待CPU调度执行态正在CPU上运行阻塞态等待某事件发生（如I/O完成），暂停执行状态转换：执行→阻塞：等待事件（如I/O）执行→就绪：时间片用完阻塞→就绪：等待的事件发生就绪→执行：被调度程序选中3.3进程与线程对比对比项进程线程定义资源分配的基本单位CPU调度的基本单位拥有资源独立地址空间、文件等共享所属进程的地址空间和资源创建开销大小通信方式IPC（管道、消息队列、共享内存等）直接读写共享变量独立性强，一个进程崩溃不影响其他弱，一个线程崩溃可能导致进程崩溃3.4进程同步与互斥临界资源：一次仅允许一个进程访问的资源。临界区：访问临界资源的那段代码。同步机制应遵循的规则：空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待。3.5经典同步问题问题描述解法生产者-消费者生产者生产物品放入缓冲区，消费者取走互斥信号量mutex+资源信号量empty,full读者-写者多读者可同时读，写者独占读者优先/写者优先，信号量rw,mutex等哲学家进餐5哲学家围圆桌，每人间隔一根筷子最多4人同时拿筷；或奇数先左偶数先右等第四部分：处理机调度与死锁速查4.1调度层次层次作用频率高级调度（作业调度）从后备队列选作业装入内存低中级调度（内存调度）进程挂起与换入换出中低级调度（进程调度）从就绪队列选进程分配CPU高4.2常用进程调度算法算法规则优点缺点先来先服务（FCFS）按到达先后顺序简单公平短作业可能等很久短作业优先（SJF/SPF）预计运行时间最短优先平均等待时间最短长作业可能饿死高响应比优先（HRRN）响应比=(等待时间+要求服务时间)/要求服务时间兼顾长短作业计算响应比有开销时间片轮转（RR）每个进程分配固定时间片保证响应时间时间片过小切换频繁，过大退化为FCFS优先级调度优先级高者先运行灵活低优先级可能饥饿多级反馈队列多个优先级队列，时间片递增综合性能好实现复杂4.3死锁死锁产生的四个必要条件：互斥条件：资源独占请求和保持：已占有资源又申请新资源被阻塞，但不释放已有资源不可剥夺：已分配资源不能被强制抢走循环等待：进程间形成头尾相接的资源请求环路处理死锁的方法：方法思路预防破坏四个必要条件之一（如一次性分配破坏请求保持）避免资源动态分配时用银行家算法检测是否进入不安全状态检测与恢复允许死锁发生，定时检测并回收资源或终止进程忽略鸵鸟策略，认为死锁极少发生（Unix/Windows采用）第五部分：内存管理速查5.1连续分配方式方式特点单一连续分配内存分系统区和用户区，仅单道程序，简单低效固定分区内存划分若干固定大小分区，每个分区放一道程序，产生内部碎片动态分区按需分配分区，产生外部碎片分配算法首次适应（FF）、循环首次适应（NF）、最佳适应（BF）、最坏适应（WF）紧凑（紧缩）移动内存中进程将碎片合并成大块5.2离散分配方式方式特点分页存储管理内存和进程均分为固定大小的页/页框，通过页表映射。无外部碎片，有少量内部碎片分段存储管理按程序逻辑段划分，段长不等，易于共享保护，有外部碎片段页式存储管理先分段，段内分页，兼有两者的优点5.3虚拟存储器基本原理：基于局部性原理，仅将进程的部分页面装入内存便可运行，其余保留在外存（对换区）。实现方式：请求分页（常用）、请求分段。缺页中断：访问的页面不在内存时产生，操作系统将所需页面调入内存。5.4页面置换算法（必考）算法规则说明最佳置换（OPT）淘汰将来最长时间不再使用的页面理论最优，无法实现先进先出（FIFO）淘汰最先进入内存的页面可能产生Belady异常最近最久未使用（LRU）淘汰最久未被访问的页面性能好，需硬件支持时钟置换（Clock/NRU）循环扫描，淘汰访问位为0的页面近似LRU，实现简单改进型Clock考虑访问位和修改位减少换出开销缺页率=缺页次数/访问页面总数5.5地址变换与快表逻辑地址通过页表映射到物理地址。地址结构：[页号P|页内偏移W]TLB（快表）：页表的高速缓存，加速地址变换。有效访问时间=命中时（TLB+内存访问）+未命中时（TLB+两次内存访问）第六部分：文件管理速查6.1文件的逻辑结构与物理结构逻辑结构说明有结构文件（记录式）由若干记录组成无结构文件（流式）字符流物理结构说明优缺点连续分配文件占据连续磁盘块存取快，易产生外部碎片，难扩展链接分配（隐式）每块含指向下一块的指针无碎片，可扩展，随机存取慢索引分配索引块存放文件所有块的地址支持随机存取，索引块占用空间6.2文件目录目录即文件夹，存放目录项（文件名+控制信息）。目录结构：单级、两级、树形、无环图。文件共享：硬链接（同一inode）、软链接（符号链接，存路径名）。6.3文件存储空间管理空闲表法（连续空闲区登记）空闲链表法（空闲块成链）位示图法（每一位代表一个物理块）成组链接法（Unix采用）第七部分：输入输出系统速查7.1I/O控制方式方式描述适用程序直接控制CPU不断查询设备状态寄存器简单慢速设备中断驱动设备就绪发中断，CPU响应处理中低速设备DMADMA控制器控制数据块传送，CPU仅开始和结束参与高速块设备（磁盘）通道控制通道是专门I/O处理机，执行通道程序大型机7.2缓冲技术目的：缓和CPU与I/O设备速度不匹配，提高并行度。类型：单缓冲、双缓冲、循环缓冲、缓冲池。7.3SPOOLing系统假脱机技术，用磁盘模拟独占设备，将独占设备改造为虚拟设备。组成：输入/输出井（磁盘缓冲区）、输入/输出进程、井管理程序。7.4磁盘存储器管理磁盘访问时间=寻道时间+旋转延迟+传输时间磁盘调度算法：算法规则优点缺点先来先服务（FCFS）按请求顺序公平简单性能差最短寻道优先（SSTF）离当前磁道最近的请求寻道时间短可能饥饿扫描（SCAN/电梯）单方向服务至最远再反向较好两端磁道等待较长循环扫描（C-SCAN）单向服务，到最远后快速返回起点不服务更均匀第八部分：高频选择题题库（50题）模块一：概论与进程题号题目ABCD答案1操作系统是应用软件系统软件硬件中间件B2操作系统的基本特征不包括并发共享虚拟独占D3进程从执行态变为阻塞态的原因是时间片用完等待某事件被高优先级抢占进程完成B4PCB是进程存在的唯一标志，其中不包含程序代码进程状态CPU寄存器现场内存管理信息A5进程与线程的根本区别是进程可并发线程不行进程是资源分配单位，线程是CPU调度单位线程不能有多个进程开销小B模块二：同步与互斥题号题目ABCD答案6临界区是指程序中访问临界资源的代码段缓冲区数据区堆栈A7PV操作中，P操作表示释放资源申请资源唤醒进程阻塞自己B8实现进程互斥时，信号量初值应设为01-1任意B9生产者-消费者问题中，full信号量含义空缓冲区数满缓冲区数互斥标志进程数B10读者-写者问题中，允许多读者同时读的原因是读操作不改变数据写操作可并发互斥信号量以上都不对A模块三：调度与死锁题号题目ABCD答案11下列调度算法有利于短作业的是FCFSRRSJF优先级C12高响应比优先调度中，响应比公式为(等待+服务)/等待(等待+服务)/服务服务/等待等待/服务B13死锁的四个必要条件不包括互斥请求保持不可剥夺资源共享D14银行家算法用于预防死锁避免死锁检测死锁解除死锁B15可通过破坏循环等待条件预防死锁的方法是一次性分配资源有序分配可剥夺资源不请求新资源B模块四：内存管理题号题目ABCD答案16动态分区分配算法中，最可能留下大块空闲分区的是首次适应循环首次最佳适应最坏适应D17分页存储管理中，页表的作用是实现逻辑地址到物理地址映射存放文件记录进程状态分配设备A18虚拟存储器的理论基础是局部性原理全局性原理顺序执行并发执行A19下列页面置换算法会产生Belady异常的是OPTLRUFIFOClockC20LRU页面置换算法的含义是淘汰最先进入的页淘汰最久未使用的页淘汰最近不用的页淘汰访问位为0的页B21TLB的作用是加速磁盘访问加速地址转换加快文件读写加速进程创建B22分段存储管理突出的优点是无碎片便于共享和保护实现简单空间利用率高B模块五：文件管理题号题目ABCD答案23文件的物理结构中，支持随机存取最方便的是连续分配隐式链接索引分配显式链接C24位示图用于文件读写磁盘空间管理页面置换进程调度B25硬链接与软链接区别正确的是硬链接指向路径名硬链接与原文件inode相同软链接inode相同删除原文件硬链接不可用B26树形目录结构中，文件的路径名从根开始称为相对路径绝对路径内部路径外部路径B模块六：I/O系统题号题目ABCD答案27SPOOLing系统将独占设备改造成独占设备共享设备虚拟设备物理设备C28磁盘访问时间不包括寻道时间旋转延迟传输时间CPU处理时间D29下列磁盘调度算法可能产生饥饿的是FCFSSSTFSCANC-SCANB30DMA方式的数据传送过程中需CPU干预不需要CPU干预仅开始结束需CPU由通道控制C模块七：综合题号题目ABCD答案31系统调用的作用调用系统函数请求操作系统服务调用库函数以上都对B32分时系统的关键特征是吞吐量大交互性高可靠性无交互B33进程间通信方式不包括信号量管道共享内存系统调用D34时间片轮转调度中，时间片过大将退化为多级反馈队列FCFSSJF优先级B35分段与分页的主要区别页大小固定，段长度可变页可变段固定完全相同页段均固定A36请求分页系统中，缺页中断在何时发生页表在内存访问页面不在内存页面修改进程创建B37缓冲技术的主要目的是提高CPU与I/O设备并行度增加内存容量提高磁盘容量加快文件查找A38文件系统中，目录可以看作文件文件目录表进程设备B39多道程序设计中，道数越多则CPU利用率一定提高一定下降可能先升后降不变C40临界区管理原则不包括空闲让进忙则等待有限等待优先进入D41动态重定位在什么时刻进行程序装入时程序执行时编译时链接时B42页式存储管理中的页表基址寄存器存放页表在内存的起始地址页表长度物理块号逻辑地址A43文件物理结构采用隐式链接，访问第i块需启动磁盘次数至少为ii+11logiB44一种既有利于短作业又兼顾长作业的调度算法是FCFSSJFHRRNRRC45管道通信属于共享内存消息传递信号量文件B46在分段管理中，地址结构为段号+段内偏移页号+页内偏移块号字节A47磁盘旋转延迟取决于磁盘转速磁头移动距离传输速率数据大小A48当系统抖动发生时，应增加进程数减少进程数增大时间片减少内存B49适合多道程序系统的存储管理方式是单一连续固定分区分页/分段/段页以上B和CC50对于两个并发进程，互斥信号量mutex初值为012-1B第九部分：填空题高频考点（直接背诵）序号题目答案1操作系统的四个基本特征是并发、共享、虚拟和____。异步2进程的三种基本状态是就绪态、执行态和____。阻塞态3进程存在的唯一标志是____。PCB（进程控制块）4临界资源访问前执行____操作，访问后执行V操作。P5产生死锁的四个必要条件：互斥、请求保持、不可剥夺、____。循环等待6避免死锁的经典算法是____。银行家算法7时间片轮转调度算法适用于____系统。分时8虚拟存储器基于____原理。局部性9请求分页系统中，如果访问的页面不在内存中，则产生____中断。缺页10在页面置换算法中，____算法理论最优但无法实现。OPT（最佳）11LRU页面置换算法淘汰____的页面。最久未被访问12地址转换中，逻辑地址由页号和____组成。页内偏移量13TLB的中文名称是____。快表（转换后备缓冲器）14文件的物理结构主要有连续分配、链接分配和____。索引分配15磁盘访问时间=寻道时间+____+传输时间。旋转延迟16SPOOLing技术将独占设备改造为____设备。虚拟17文件存储空间管理的位示图方法中，每一位对应一个____。物理块（盘块）18系统调用是操作系统提供给用户的____接口。程序（或编程）19紧凑技术用于解决____碎片问题。外部20在分段管理中，地址结构由段号和____组成。段内地址（偏移）第十部分：判断题速记（20题）序号题目答案1操作系统是计算机系统中的系统软件。对2进程是程序的一次执行，是动态的。对3线程是资源分配的基本单位。错（进程是）4临界区是访问临界资源的那段代码。对5信号量的初值可以为负值。错（通常≥0，表示可用资源数）6死锁预防比死锁避免的资源利用率低。对7时间片轮转调度中，时间片越小越好。错（过小切换频繁）8分页存储管理会产生外部碎片。错（无外部碎片，可能有内部碎片）9虚拟存储器的容量受主存实际容量限制。错（最大容量受外存和地址结构限制）10OPT页面置换算法是可以实现的。错（理论最优，无法预知未来）11Belady异常是指分配帧数增加，缺页率反而上升。对12TLB是页表的一部分。错（页表的高速缓存）13索引分配支持文件的随机存取。对14磁盘调度中SSTF算法可能导致饥饿。对15SPOOLing系统中，输入井位于内存。错（磁盘）16系统调用在用户态下执行。错（核心态）17单级目录结构允许文件重名。错（多级目录可在不同目录下重名）18分段存储管理便于实现段的共享与保护。对19管道通信属于消息传递方式。对20抖动（Thrashing）是由于系统进程数过多内存不足引起。对第十一部分：名词解释高频考点名词定义进程程序的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的独立单位。PCB进程控制块，记录进程状态、资源、CPU现场等信息的结构体，是进程存在的唯一标志。临界区访问临界资源的那段代码。临界资源一次仅允许一个进程访问。死锁多个进程因竞争资源而陷入相互等待的僵局，若无外力作用将无法继续推进。虚拟存储器基于局部性原理，仅将部分页面装入内存即可运行程序的内存管理技术，使用户感觉拥有更大的内存。缺页中断请求分页系统中，访问的页面不在内存时产生的中断，由操作系统将所需页面调入。SPOOLing假脱机技术，通过磁盘缓冲将独占设备改造成可供多个用户共享的虚拟设备。文件系统操作系统中负责管理和存取文件信息的软件机构，包括目录管理、存储空间管理等。系统调用操作系统提供给用户程序的接口，允许程序请求内核服务，运行在核心态。银行家算法一种死锁避免算法，通过检测资源分配后系统是否仍处于安全状态来决定是否分配。第十二部分：简答题高频考点速记1.进程与线程的主要区别。进程是资源分配基本单位，线程是CPU调度基本单位。进程拥有独立地址空间，线程共享进程地址空间。进程间切换开销大，线程切换开销小。进程通信需IPC，线程可直接读写共享变量。2.产生死锁的必要条件及处理方式。四个必要条件：互斥、请求保持、不可剥夺、循环等待。处理方式：预防（破坏条件，如资源有序分配）、避免（银行家算法）、检测与恢复、忽略。3.比较分页和分段存储管理。分页：物理单位，页大小固定，单维地址空间，无外部碎片，不易共享。分段：逻辑单位，段长不固定，二维地址空间，有外部碎片，便于共享保护。段页式：先分段，段内分页，兼有两者优点。4.简述缺页中断处理过程。CPU访问页面不在内存，产生缺页中断。操作系统查找空闲页框，若无则按置换算法选择页换出（修改过则写回外存）。将所需页面从外存调入空闲页框。更新页表项，设置有效位。重新执行引起缺页的指令。5.简述SPOOLing系统的组成及作用。组成：输入/输出井（磁盘缓冲区）、输入/输出进程、井管理程序。作用：将独占设备虚拟成共享设备，提高设备利用率和系统效率，实现虚拟设备功能。第十三部分：综合计算题公式与示例调度算法计算周转时间=完成时间-到达时间带权周转时间=周转时间/服务时间银行家算法检查Request≤Need且Request≤Available试分配后寻找安全序列，存在则分配，否则等待页面置换缺页率缺页率=缺页次数/访问页面总数地址变换逻辑地址