《操作系统例题》课件

操作系统例题操作系统例题是学习和掌握操作系统原理的重要手段，它能帮助你理解概念、巩固知识，并培养解决实际问题的能力什么是操作系统管理硬件管理资源提供用户接口操作系统负责协调和控制计算机硬件，操作系统管理计算机资源，如内存、存操作系统提供用户界面，允许用户与计如、内存、磁盘和网络设备等它储空间和处理器时间，并分配给不同的算机进行交互，如运行程序、创建文件CPU为用户提供一种抽象的接口，屏蔽硬件应用程序或用户它还负责资源的保护和管理系统设置等它可以是图形界面细节，方便用户使用和安全或命令行界面操作系统的功能用户接口资源管理提供用户与系统交互的界面，例如图形界面管理系统资源，包括内存、、磁盘、文CPU或命令行界面件、网络、打印机等程序执行安全保护负责加载、执行用户程序，并提供程序运行保护系统资源不被非法访问，确保系统安全所需的环境稳定运行操作系统的发展历程早期操作系统世纪年代，批处理系统出现，提高了计算机利用率例如，的2050IBM系统OS/360分时操作系统世纪年代，分时系统问世，允许多个用户同时使用计算机，如和2060UNIX系统Multics个人计算机操作系统世纪年代，个人计算机操作系统蓬勃发展，例如和的操作2080MS-DOS Apple系统现代操作系统世纪年代至今，图形界面、网络和多任务功能成为主流，例如2090Windows、和Mac OSLinux操作系统的分类按系统结构分类按资源管理方式分类按用户界面分类按应用领域分类单用户操作系统主要用于个批处理操作系统适合处理大命令行界面操作系统使用文实时操作系统用于对时间要人计算机，例如量数据，例如大型机上的操本命令进行操作，例如求严格的系统，例如工业控Windows和作系统制系统macOS Unix多用户操作系统允许多个用分时操作系统允许多个用户图形界面操作系统使用图形移动操作系统用于移动设备户同时使用一台计算机，例共享计算机资源，例如界面进行操作，例如，例如和Android iOS如和和和Linux UnixWindows LinuxWindows macOS进程的概念与特征进程定义进程特征进程是指一个正在执行的程序具有动态性、并发性、独立性，它是一个动态的实体，包括、异步性等特点，每个进程都程序代码、数据、运行状态等有自己的独立地址空间和资源进程与程序进程是一个活动的程序，而程序是进程的静态描述，可以理解为进程的蓝图进程的状态及转换运行状态1进程正在执行就绪状态2进程已准备好执行，但等待分配CPU阻塞状态3进程正在等待某个事件，例如操作完成I/O进程状态转换是指进程在生命周期中状态之间的变化，如运行状态变为就绪状态或阻塞状态进程控制块进程标识符进程状态

1.

2.12唯一的进程标识符，用于区描述进程当前所处的状态，分不同的进程例如运行、就绪或阻塞进程优先级进程资源

3.

4.34表示进程的优先级，用于决包括进程所需要的资源，例定进程调度顺序如内存、文件、设备等进程调度算法先来先服务最短作业优先优先级调度时间片轮转最简单调度算法，按照进程选择最短执行时间的进程优根据进程优先级进行调度，每个进程分配固定时间片，到达时间顺序分配，容先执行，能减少平均等待时高优先级进程优先执行，可轮流执行，公平分配资CPU CPU易实现，但不考虑进程优先间，但需要事先知道每个进满足紧急任务需求，但可能源，但时间片过短会增加上级和使用情况程的执行时间导致低优先级进程长期等待下文切换开销CPU同步互斥问题竞争资源临界区多个进程需要共享同一个资源，例如打印机、文件等，会导致每个进程中访问共享资源的代码段称为临界区，需要保证一次冲突只有一个进程能访问临界区互斥访问同步机制必须确保在任何时刻，只有一个进程能够访问共享资源的临界使用同步机制来协调进程之间的访问，例如信号量、管程等，区，避免数据的不一致性确保对共享资源的访问是安全的信号量机制信号量操作优点缺点信号量是一个整数变量，用有两个操作和实现同步和互斥的一种简单可能导致死锁问题wait于表示可用资源的数量有效的方法signal需要仔细管理和同步操作会减少信号量的易于理解和使用wait程序可以通过信号量来控制值，如果信号量小于，则0对共享资源的访问会阻塞进程经典同步问题生产者消费者问题读者写者问题--12生产者进程不断生产产品，多个读者进程可以同时读取消费者进程不断消费产品，数据，但只有一个写者进程两者需要共享同一个缓冲区可以写入数据哲学家进餐问题信号量机制解决同步问34题五个哲学家围桌进餐，每人需要两根筷子才能进餐，但信号量是用于实现进程同步筷子数量有限的工具，可用于解决经典同步问题死锁概念及特征相互等待循环等待多个进程相互等待对方释放的资源进程之间形成一个循环等待资源的，导致无法继续运行链条，导致所有进程都被阻塞不可抢占保持和请求进程获得的资源无法被其他进程强进程在请求新的资源时，必须持有行剥夺已经获得的资源死锁预防与避免策略死锁预防策略互斥条件死锁预防策略通过限制系统资在某些资源上实行共享访问，源的使用，破坏死锁产生的必即允许多个进程同时访问同一要条件，从而避免死锁的发生资源占有并等待条件不剥夺条件要求进程一次性申请所有需要一旦进程获得了某一资源，就的资源，在获得所有资源之前不能被其他进程强迫释放，只，不能占用任何资源能在进程完成任务后才能释放死锁检测与解除死锁检测1死锁检测算法用于检查系统中是否存在死锁算法通过检查资源分配情况来判断是否存在循环等待，并确定涉及的进程死锁解除2解除死锁涉及将系统恢复到无死锁状态常见的解除策略包括撤销进程、抢占资源、回滚操作等，需要根据实际情况选择合适的策略恢复步骤3解除死锁通常需要以下步骤检测、选择受害者、回滚、资源回收等回滚是指将受害者进程恢复到之前某个状态，以便释放资源，避免死锁内存管理概述内存管理的作用内存管理的目标12操作系统分配和管理内存资提高内存利用率，防止程序源，使多个程序能够同时运之间相互干扰行内存管理的基本策略内存管理的关键问题34连续分配、分页管理、分段内存分配、内存保护、内存管理、虚拟内存技术回收等连续分配方式单一连续分配固定分区分配将整个内存空间分配给一个进程，进程可以访问整个内存空间将内存空间划分为固定大小的区域，每个分区只能分配给一个进程简单易实现，但浪费内存空间，缺乏灵活性提高内存利用率，但无法处理不同大小的进程，可能出现外部碎片分页管理机制虚拟内存地址映射页面置换将逻辑地址划分为若干大小相同的页，逻辑地址被转换为物理地址，通过页表当所需页面不在内存中时，需要进行页物理内存也划分为相同大小的页框，页进行地址映射，页表记录了页号和页框面置换，选择一个页面移出内存，并将面通过页框调入内存号的对应关系所需页面调入分段管理机制逻辑地址将程序划分为多个段，每个段有独立的地址空间段表记录每个段的起始地址和长度，用于转换逻辑地址物理地址将逻辑地址转换为物理地址，实现段的存储和访问虚拟内存技术扩充内存容量逻辑地址和物理地址页面置换算法利用磁盘空间作为内存的扩展，虚拟出通过页表将逻辑地址映射到物理地址，当需要装入新的页面时，需要从内存中比物理内存更大的地址空间实现虚拟内存的管理淘汰一些页面，页面置换算法决定淘汰哪些页面页面置换算法最佳页面置换算法先进先出（）页面置换算FIFO12法该算法选择未来最长时间内不会被访问的页面进行置换，性能最优，但无该算法选择最早进入内存的页面进行法实现置换，实现简单，但容易出现抖动现象最久未使用（）页面置换时钟页面置换算法LRU34算法该算法是算法的近似实现，通LRU该算法选择最长时间未被访问的页面过维护一个循环链表来记录页面访问进行置换，性能较好，但需要维护一情况，性能较好个页面访问时间列表磁盘管理概述磁盘管理存储组织操作系统负责管理磁盘空间，包括分配和回收空间磁盘管理磁盘空间被组织成不同的结构，例如文件系统，用于存储和管是操作系统的核心功能之一理数据数据访问文件系统操作系统提供接口，允许程序访问磁盘上的数据，并确保数据文件系统是磁盘空间的逻辑组织，它定义了文件、目录和其他的一致性和完整性对象的结构磁盘调度算法先来先服务最短寻道时间优先扫描循环扫描FCFS SCANC-SCANSSTF最简单的算法，按请求到达磁头从一端扫描到另一端，类似扫描算法，但磁头到达顺序处理简单易实现，但选择距离当前磁头最近的请处理沿途的请求，然后反向一端后，直接跳到另一端的可能导致磁盘臂频繁移动，求，以减少寻道时间，但可扫描，避免饥饿问题，但可起始位置，提高了效率，更效率低下能导致饥饿问题，某些请求能导致较长的平均寻道时间适用于大容量磁盘长时间等待文件系统概述文件组织访问控制文件系统提供结构化的方式来管理和组织计通过权限管理，控制用户对文件的访问和操算机上的文件作存储管理数据保护文件系统负责分配存储空间，并管理文件在文件系统提供备份和恢复功能，防止数据丢磁盘上的存储位置失文件属性及操作文件属性文件操作文件权限文件属性包含文件名、文件类型、文创建文件文件权限控制对文件的访问权限，包•件大小、创建日期、修改日期等括读、写、执行等删除文件•打开文件•关闭文件•读写文件•文件目录结构树形结构最常用的目录结构形式，类似于文件系统的树状结构每个目录可以包含子目录和文件，形成树状层次关系文件存储空间管理磁盘空间分配空闲空间管理12磁盘空间分配是指操作系统操作系统需要管理空闲空间如何将磁盘空间分配给不同，以便在创建新文件时能够的文件和目录分配到足够的空间文件存储分配方式文件存储优化34不同的文件存储分配方式会操作系统可以采用一些优化影响文件存储空间的使用效技术，例如碎片整理和文件率和性能压缩，来提高文件存储空间的使用效率文件共享与保护文件共享文件保护访问权限控制允许多个用户访问和修改同一文件通过权限控制、加密等措施防止非法访限制不同用户对文件的访问权限，确保问和修改数据安全设备管理概述打印机磁盘打印机是常见的输入输出设备之一，操作系磁盘驱动器是操作系统中的重要设备，需要/统需要负责管理打印作业，调度打印任务管理磁盘空间分配、数据读写等操作显示器键盘显示器是输出设备，操作系统需要管理显示键盘是输入设备，操作系统需要管理键盘事器的刷新率、分辨率等参数件，将用户输入转化为系统可识别的字符中断机制中断源中断处理程序中断向量表中断源是引发中断的事件或设备，例如当发生中断时，会暂停当前执行的中断向量表是一个包含所有中断处理程CPU键盘输入、磁盘读取完成或硬件错误程序，转而执行相应的中断处理程序，序地址的表格，操作系统使用它来快速以处理中断事件找到并执行相应的处理程序输入输出设备管理设备驱动程序中断机制设备驱动程序是操作系统的一中断机制是硬件设备向操作系部分，它负责管理和控制硬件统发出信号的机制它允许设设备它充当操作系统与设备备中断操作系统的正常执行，之间的桥梁，实现设备的访问并处理来自设备的请求和控制控制方法缓冲区管理I/O控制方法包括程序控制、中缓冲区管理用于存储来自设备I/O断驱动、直接内存访问的数据或待发送到设备的数据DMA和通道控制，它们决定了它可以提高操作的效率I/O I/O操作的方式和效率，并允许操作系统和设备之间进行异步数据传输。