操作系统知识点汇总

这是一份针对操作系统OS核心知识点的详细梳理非常适合考研复习或面试准备。第一章概述1. 操作系统的目标和功能目标方便性、有效性提高资源利用率和吞吐量、可扩充性、开放性。功能资源管理者处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理。接口提供者用户接口命令接口、程序接口/系统调用和 GUI。对计算机资源的抽象将复杂的硬件逻辑抽象为易用的虚拟机器。2. 并发、并行、虚拟、异步并发指两个或多个事件在同一时间间隔内发生宏观同时微观交替。并行指两个或多个事件在同一时刻发生需要多核硬件支持。虚拟通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物如虚拟内存、虚拟处理器。异步进程以不可预知的速度向前推进但 OS 必须保证进程运行结果的确定性。3. 内核程序与应用程序内核态与用户态内核态管态CPU 可以执行所有指令包括特权指令如 I/O 指令、停机指令可以访问所有寄存器和内存堆栈。用户态目态CPU 只能执行非特权指令。切换用户态→\rightarrow→内核态通过中断/异常/系统调用内核态→\rightarrow→用户态通过执行特权指令修改程序状态字 PSW。4. 时钟管理作用产生周期性的时钟中断。应用维持系统时间、进程的时间片轮转调度、实时控制等。5. 中断和异常的区别中断外部中断来自 CPU 执行指令以外的事件如 I/O 完成、时钟中断。异常内部中断来自 CPU 当前执行指令产生的错误或请求如除零、缺页、非法指令、断点。6. 运行机制系统调用系统调用用户程序请求 OS 提供服务的途径。过程传递参数→\rightarrow→**陷阱指令Trap**引发异常→\rightarrow→切换到内核态→\rightarrow→执行系统调用服务程序→\rightarrow→返回用户态。8. 大内核与微内核大内核将 OS 主要功能进程、内存、文件管理都放在内核中。优点高性能调用快缺点内核代码臃肿易崩溃。微内核只保留最基本功能中断、进程通信。优点高可靠性、易扩展缺点频繁切换态导致性能开销大。第二章进程管理1. 进程、线程、程序的区别程序静态的代码文件永久存在。进程程序的执行过程是资源分配的基本单位。线程进程内的执行单元是调度和分派的基本单位。线程共享进程资源减小了开销。2. 进程通信方式共享存储开辟一块公共空间进程互斥访问。消息传递通过发送/接收原语交换格式化消息直接或信箱。管道通信Pipe半双工通信本质是共享文件缓冲区。3. 进程的 5 种状态创建态正在申请 PCB 和资源。就绪态万事俱备只欠 CPU。运行态正在 CPU 上执行。阻塞态等待态因等待某事件如 I/O而无法运行。终止态正在回收资源。4. 进程调度算法FCFS先来先服务对长作业有利。SJF短作业优先平均等待时间最短但可能导致长作业“饥饿”。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。时间片轮转 (RR)适合分时系统。多级反馈队列目前最公认较好的算法兼顾短作业和实时性。5. 同步与互斥互斥同一时间只能有一个进程访问临界资源。同步进程间为了完成任务必须按某种顺序协调执行。6. 互斥量、信号量、事件、临界区临界区访问临界资源的那段代码。信号量 (Semaphore)一个变量通过 P(wait) 和 V(signal) 操作控制访问。互斥量 (Mutex)特殊的信号量值为 0 或 1。事件通过标志位来通知其他进程某动作已完成。7-10. 死锁及其处理死锁多个进程循环等待资源而永久停滞。原因竞争不可剥夺资源、进程推进顺序非法。必要条件互斥、请求并保持、不可剥夺、循环等待。处理方法预防破坏必要条件如资源按序分配。避免银行家算法动态检查安全性。检测与解除资源分配图、撤销进程。11. 饥饿与死锁的区别死锁至少两个进程循环等待必定卡死。饥饿可能只有一个进程因为优先级低等原因长期拿不到资源但在未来可能获得。12. 银行家算法核心在分配资源前先模拟分配检查系统是否仍处于安全状态即是否存在一个序列让所有进程都能顺利完成。第三章内存管理1-3. 链接与装入链接将模块汇编成装入模块。方式静态链接、装入时动态链接、运行时动态链接。装入将程序放入内存。方式绝对装入单道、可重定位装入静态重定位、动态重定位装入运行时地址转换依赖基址寄存器。4. 覆盖与交换覆盖在同一个内存区内不同时间放入不同的代码段程序内部逻辑已过时。交换内存空间紧张时将暂时不运行的进程调出外存OS 行为。5. 连续分配管理单一连续分配、固定分区分配有内部碎片。动态分区分配有外部碎片算法有首次适应 (FF)、最佳适应 (BF)、最坏适应 (WF)。6. 页面置换算法OPT理想算法选以后最长时间不用的无法实现。FIFO先进先出有 Belady 异常。LRU最近最久未使用性能好硬件开销大。CLOCK (NRU)最近未用LRU 的折中方案。7. 页表和快表 (TLB)页表记录物理块号和逻辑页号的映射。快表 (TLB)位于 CPU 内的高速缓存存储最近使用的页表项极大加快地址转换速度。第四/五章I/O 与磁盘管理磁盘调度算法FCFS先来先服务。SSTF最短寻道时间优先会产生饥饿。SCAN (电梯算法)顺着一个方向移动直到尽头再反向。C-SCAN单向移动循环扫描。1. DMA 控制方式DMA直接存储器存取允许 I/O 设备直接与内存交换数据仅在数据块传输开始和结束时需要 CPU 干预极大减轻了 CPU 负担。2-3. Spooling 技术原理利用专门的外存缓冲区将独占设备如打印机虚拟为共享设备。特点提高了 I/O 速度。将独占设备变为共享设备。实现了虚拟设备功能。