操作系统概述

bit和byte区别

bit 位

说白了就是0或者1；计算机内存中的存储都是01这两个东西。

byte(B) 字节

1byte=8bit（一字节 = 8比特）
1byte就是1B
1byte 存1个英文字母，2个byte存一个汉字。

了解

操作系统的作用：通过资源管理提高计算机系统的效率，改善人机界面，向用户提供友好的工作环境。

操作系统的特征：并发性、共享性、虚拟性、不确定性。

操作系统的功能：进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理(不考)。

操作系统的分类：批处理操作系统、分时操作系统（轮流使用CPU工作片）、实时操作系统（快速响应）、网络操作系统、分布式操作系统（物理分散的计算机互联系统)、微机操作系统(Windows)、嵌入式操作系统。

计算机启动的基本流程为：BOS->主引导记录->操作系统。

进程管理

进程的组成和状态

进程的组成：

进程控制块PCB（唯一标志），程序（描述进程要做什么），数据（存放进程执行时所需数据）

进程基础的状态是下左图中的三态图，这是系统自动控制时只有三种状态，而下右图中的五态，是多了两种状态：静止就绪和静止阻塞，需要人为的操作才会进入对应状态，活跃就绪即就绪，活跃阻塞即等待。

在这里插入图片描述

可知，当人为干预后，进程将被挂起，进入静止状态，此时，需要人为激活，才能恢复到活跃状态，之后的本质还是三态图。

等待和就绪的区别？？等待需要有io或者外设的输入，就绪则是等待cpu的调度

前趋图

前趋图作用：

用来表示任务并行或串行执行关系，任务之间顺序关系，例如：

可知，ABC可以并行执行，到DE是串行，确定了入无间的并行、任务间的先后顺序。

进程资源图

进程资源图作用：

用来表示进程和资源之间的分配和请求关系。

阻塞节点和非阻塞节点

在这里插入图片描述

例如：
P代表进程，R代表资源，R方框中有几个圆球就表示 有几个这种资源，在图中，R1指向P1,表示R1有 个资源已经分配给了P1,P1指向R2,表示P1还需要 请求一个R2资源才能执行
阻塞节点：某进程所请求的资源已经全部分配完毕，无法获取所需资源，该进程被阻 塞了无法继续。如上图中P2。
非阻塞节点：某进程所请求的资源还有剩余，可以分配给该进程继续运行。如上图中 P1、P3.
当一个进程资源图中所有进程都是阻寒节点时，即陷入死锁状态。

进程资源图化简的方法： – 即所有进程不会发生死锁

在这里插入图片描述

先看系统还剩下多少资源没分配，再看有哪些进程是不阻塞的，接着把不阻塞的进程的所有边都去掉，形成一个孤立的点，再把系统分配给这个进程的资源回收回来，这样，系统剩余的空闲资源便多了起来，接着又去看看剩下的进程有哪些是不阻塞的，然后又把它们逐个变成孤立的点。最后，所有的资源和进程都变成孤立的点。图中p3是不阻寒的，故P3为化简图的开始，把P3孤立再回收分配给他的资源，可以看到P1也变为不阻塞节点了，故P3、P1、P2是可以的。

同步和互斥

同步和互斥不是反义词！！！

互斥：某资源（即临界资源）在同一时间内只能由一个任务单独使用，使用时需要加锁，使用完后解锁才能被其他任务使用；如打印机。

同步：多个任务可以并发执行，只不过有速度上的差异，在一定情况下停下等待，不存在资源是否单独或共享的问题；如自行车和汽车。

临界资源：各进程间需要以互斥方式对其进行访问的资源。

临界区：指进程中对临界资源实施操作的那段程序。本质是一段程序代码。

信号量操作

两类信号量

互斥信号量：对临界资源采用互斥访问，使用互斥信号量后其他进程无法访问，初值 1（类似于true），信号量代表的是前趋图里进程的一个操作（一个互斥量只能用于一个资源的互斥访问，它不能实现多个资源的多线程互斥问题）。

解读：https://blog.csdn.net/qq_36362721/article/details/118915361

同步信号量：对共享资源的访问控制，初值一般是共享资源的数量。

P操作（Passeren通过–荷兰语）：申请资源，S=S-1，若s>=0，则执行P操作的进程继续执行；若S<0，则置该进程为阻塞状态（因为无可用资源），并将其插入阻塞队列。

V操作（Vrijgeven释放–荷兰语）：释放资源，S=S+1，若s>0，则执行V操作的进程继续执行；若s<=0，则从阻塞状态唤醒一个进程，并将其插入就绪队列（此时因为缺少资源被P操作阻塞的进程可以继续执行），然后执行V操作的进程继续。
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生产者和消费者问题【经典问题】

三个信号量：

互斥信号量S0（仓库独立使用权），同步信号量S1(仓库空闲个数)，同步信号量S2（仓库商品个数）。

生产者流程	消费者流程
生产一个商品S	P(S0)
P(S0)	P(S2)
P(S1)	取出一个商品
将商品放入仓库中	V(S1)
V(S2)	V(S0)
V(S0)

必考例题：

– 截屏 –

死锁

当一个进程在等待永远不可能发生的事件时，就会产生死锁，若系统中有多个进程处于死锁状态，就会造成系统死锁。

死锁四个必要条件

资源互斥，每个进程占有资源并等待其他资源，系统不能剥夺现场资源，进程资源图是一个环路

死锁避免：

一般采用银行家算法来避免，银行家算法，就是提前计算出一条不会死锁的资源分配方法，才分配资源，否则不分配资源，相当于借贷，考虑对方还得起才借钱，提前考虑好以后，就可以避免死锁。

死锁计算问题：

系统内有n个进程，每个进程都需要R个资源，那么其发生死锁的最大资源数为n*(R-1)。其不发生死锁的最小资源数为n(R-1)+1。

例：某个系统中有3个并发进程资源，每个进程需要5个R，那么至少有（？）个R，才能保证系统不会发生死锁。

3*4+1 = 13

银行家算法真题

【重点】

进程和线程

进程是拥有资源的最小单位

线程是独立调度的最小单位

线程可以共享进程的公共数据、全局变量、代码、文件等资源；但不能共享线程独有的资源，如线程的栈指针等表示数据。

存储管理

存储器的结构：寄存器–高速缓存Cache–主存–外存

地址重定位：将逻辑地址转化为实际主存物理地址的过程，分为静态重定位（在程序装入主存是就完成了转化）、动态重定位（边运行边转化）

分区存储管理

所谓分区存储组织，就是整存，将某进程运行所需的内存整体一起分配给它，然后再执行。

有三种分区方式：

固定分区：静态分区方法，将主存分为若干个固定的分区，由于分区固定，大小和作业所需的大小不同，会产生内部碎片。

可变分区：动态分区方法，分区实在作业转入时划分所需大小，不存在内部碎片，但存在外部碎片

可变分区的算法

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**可重定位分区：**可以解决碎片问题。前两个整合。

页式存储管理

如果采用分区存储，都是整存，就会出现一个问题，即当进程运行所需的内存大于系统内存时，就无法将整个进程一起调入内存，因此无法运行。页式存储是基于可变分区而提出的，

页（逻辑地址）和块（物理地址）的区别

页：对程序进行分页存储

块：对内存进行分块存储

页（逻辑地址）：由两部分组成，即页号（2^n 段内最大页数） + 页内地址（2^n 每个页的大小B）！

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优点：利用率高、碎片小（只在最后一个页中有）、分配及管理简单。

缺点：增加了系统开销，可能产生抖动现象。

例题：某计算机系统页面大小为4k，若进程的页面变换表如下所示，逻辑地址为十六进制1D16H。该地址进过变换后，其物理地址应为十六进制（？）。
页号		物理块号
0			1
1			3
2			4
3			6

解：
页面地址 为4k = 2^12
逻辑地址 = 页号【1】 + 页内地址（2^12即3位）【D16】 ， 页号就只有1位
对应表后 - 页内地址大小是不变的：
物理地址 = 3D16H

其实就是 （第一位页号 替换成对应 物理块号）+页内地址

页面淘汰原理

1. 系统应该先淘汰未被访问的页面
2. 如果页面最近都被访问，先淘汰未修改过的页面，因为未修改过的页面内存和辅存一直，无需写回辅存，使系统页面置换代价小

快表

快表是将当前访问最频繁的页表存于Cache中；慢表示将页表存于内存上。

因此慢表需要访问两次内存才能取出页，而快表是访问一次Cache和一次内存，因此快。

段式存储管理

将进程空间分为一个个段，每段也有段号和段内地止（段长），与页式存储不同的是，每段物理大小不同，分段是根据逻辑整体分段的。

段表：

基址：内存空间开始的地址
段长：当前段所需要的内存空间

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优点：逻辑清晰

缺点：内存利用率低，内存碎片浪费大

例：
（0，1597）  -- 0段号  1597段长

段页式存储管理

对进程空间先分段，后分页，具体原理图和优缺点如下：

优点：空间浪费小、存储共享容易、能动态连接。

缺点：由于管理软件的增加，复杂性和开销也增加，执行速度下降

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页面置换算法

有时候，进程空间分为100个页面，而系统内存只有10个物理块，无法全部满足分配，就需要将马上要执行的页面先分配进去，而后根据算法进行淘汰，使100个页面能够按执行顺序调入物理块中执行完。

缺页表示需要执行的页不在内存物理块中，需要从外部调入内存，会增加执行时间，因此，缺页数越多，系统效率越低。

最优算法：OPT,理论上的算法，无法实现，是在进程执行完后进行的最佳效率计算，用来让其他算法比较差距。原理是选择未来最长时问内不被访问的页面置换，这详可以保证未来执行的都是马上要访问的。
先进先出算法：FO,先调入内存的页先被置换淘汰，会产生抖动现象，即分配的页数越多，缺页率可能越多（即效率越低），缺页计算如下：
最近最少使用：LU,在最近的过去，进程执行过程中，过去最少使用的页面被置换淘汰，根据局部性原理，这种方式效率高，且不会产生抖动现象。

例题：。。。。淘汰表中页号（?）代价最小  状态位，访问位，修改位

解析：
淘汰最近没有被访问过的，在看最近没有被修改过的！

文件管理

索引文件结构

计算机系统中采用的索引文件结构如下图所示：

在这里插入图片描述

上例中：
系统中有13个索引节点

0-9为直接索引，即每个索引节点存放的是内容，假设每个物理盘大 小为4KB,共可存4KB*10=40KB数据；

10号索引节点为一级间接索引节点，大小为4KB,存放的并非直接数据，而是链接到直接物理 盘块的地址，假设每个地址占4B,4kb/4B=1K,则共有1024个地址，对应1024个物理盘，可存1024* 4KB=4098KB数据。

11号为二级索引节点类似，直接盘存放一级地址, 一 级地址再存放物理盘快地址, 而后链接到存放数据的物理盘块， 容量又扩大了一个数量级， 为1024*1024*4KB数据。

以此类推。。

列题：设文件索引结点中有8个地址项，每个地址项大小为4字节，其中5个地址为直接地址索引，2给地址项是一级间接地址索引，1个地址项是二级间接地址索引，磁盘索引块和磁盘数据块大小均为1KB，若要访问文件的逻辑块号分别为5和518，则系统分别采用（？？），而且可表示的单个文件最大长度是（？）KB。

逻辑块号默认从0开始
直接地址索引  0 -- 4
一级间接地址索引2个 5 -- 5+1KB/4*1KB*2-1  == 5 -- 516
二级间接地址索引1个 516 -- 516+（1KB/4*1KB/4*1KB）-1

单个文件最大长度是 直接地址索引+一级间接地址索引*2+二级间接地址索引 = 66053

多级索引结构计算【计算磁盘块有多少物理块】

题目：某文件系统采用多级索引结构，若磁盘块的大小为512B，每个块号需占3B，那么根索引采用一级索引时的文件最大长度为 (?) KB；采用二级索引时的文件最大长度为 (?) KB。

解：
直接索引：即直接存放在物理块中！

一级索引：即一个索引指向一整个 磁盘块的 地址，
首先计算出磁盘有多少个块号 513/3 = 170（块）
170*512B 即最大长度，单位转换 160*512B/1024=85KB

二级索引：即存放一级索引地址！
170块*170块*512B/1024=14460KB

文件和树形目录结构

文件安全分为四级，从高到底：

系统安全
用户安全
目录安全
文件安全

相对路径：是从当前路径开始的路径。

绝对路径：是从根目录开始的路径。

全文件名=绝对路径+文件名。要注意，绝对路径和相对路径是不加最后的文件名的，只是单纯的路径序列.

树形结构主要是区分相对路径和绝对路径,如下图:

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空闲存储空间管理

空闲区表法：将所有空闲空间整合成一张表，即空闲文件目录。【不考】

空闲链表法：将所有空闲空间链接成一个链表，根据需要分配。【不考】

成组链接法：既分组，每组内又链接成链表，是上述两种方法的综合。【不考】

位示图法：对每个物理空间用一位标识，为1则使用，为0则空闲，形成一张位示图。

题目1：某文件管理系统在磁盘上建立了位示图(bitmap) ，记录磁盘的使用情况。若计算机系统的字长为 32 位，磁盘的容量为 300GB ，物理块的大小为4MB ，那么位示图的大小需要（ ）个字。

磁盘容量为300GB，物理块大小4MB，则磁盘共3001024/4=751024个物理块，位示图用每1位表示1个磁盘块的使用情况，1个字是32位，所以1个字可以表示32块物理块使用情况，那么需要75*1024/32＝2400个字


题目2：某文件管理系统采用位示图（bitmap）记录磁盘的使用情况。如果系统的字长为32位（一个字有32个物理块），磁盘物理块大小为4MB，物理块和位示图依次编号从0开始，那么16385号物理块的使用情况在位示图中的第（？）个字中描述：如果磁盘容量为1000GB，那么位示图需要（？）个字来表示。

第16385号物理块 = 16386（物理块）
字长与物理块的关系：设字长为32位，也就是说每个字可以记录32个物理块的使用情况
一个字的位数 16386（物理块）/32（物理块） = 512 ... 2  即是513字，第512字（从0开始）

1000GB / 4MB = 250*1024(bit) /32 = 8000

设备管理

设备的分类方式：

按数据组织分类：块设备、字符设备。
资源分配角度分类：独占设备、共享设备和虚拟设备。
数据传输速率分类：低速设备、中速设备、高速设备。

I/O软件层次结构：【会考】

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输入输出技术

程序控制（查询）方式：CPU主动查询外设是否完成数据传输，效率极低。
程序中断方式：外设完成数据传输后，向cPU发送中断，等待CPU处理数据，效率相对较高。适用于键盘等实时性较高的场景。
- 中断响应时间指的是从发出中断请求到开始进入中断处理程序；中断处理时间指的是从中断处理开始到中断处理结束。中断向量提供中断服务程序的入口地址。多级中断嵌套，使用堆栈来保护断点和现场。
DMA方式（直接主存存取）：CPU只需完成必要的初始化等操作，数据传输的整个过程都由DMA控制器来完成，在主存和外设之间建立直接的数据通路，效率很高。适用于硬盘等高速设备。
- 在一个总线周期结束后，CPU会响应DMA请求开始读取数据；CPU响应程序中断方式请求是在一条指令执行结束时；区分指令执行结束和总线周期结束。

占用CPU时间按多到少排序：程序查询方式（程序控制方式）>程序中断方式>DMA工作方式>通道方式>I/O处理机。

虚设备和SPOOLING技术

一台实际的物理设备，例如打印机，在同一时间只能由一个进程使用，其他进程只能等待，且不知道什么时候打印机空闲，此时，极大的浪费了外设的工作效率。【互斥】

引入SPOOLING技术，就是在外设上建立两个数据缓冲区【队列】，分别称为输入井和输出井，这样，无论多少进程，都可以共用这一台打印机，只需要将打印命令发出，数据就会排队存储在缓冲区中，打印机会自动按顺序打印，实现了物理外设的共享，使得每个进程都感觉在使用个打印机，这就是物理设备的虚拟化。如下图所示：
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磁盘结构

磁盘有正反两个盘面，每个盘面有多个同心圆，每个同心圆是一个磁道，每个同心圆又被划分为多个扇区，数据就被存放在一个个扇区中。

读取数据时，磁头首先要寻找到对应的磁道，然后等待磁盘进行周期旋转，旋转到指定的扇区，才能读取到对应的数据，因此，会产生寻道时间和等待时间，就是磁头移动到磁道所需的时间和等待读写的扇区转到磁头的下方所用的时间。其中寻道时间耗时最长，寻道时间的调度算法如下：

先来先服务FCFS:根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度。
最短寻道时间优先SSTF:请求访问的磁道与当前磁道最近的进程优先调度，使得每次的寻道时间最短。会产生“饥饿”现象，即远处进程可能永远无法访问。
扫描算法SCAN:又称“电梯算法”，磁头在磁盘上双向移动，其会选择离磁头当前所在磁道最近的请求访问的磁道，并且与磁头移动方向一致，磁头永远都是从里向外或者从外向里一直移动完才掉头，与电梯类似。
单向扫描调度算法CSCAN:与SCAN不同的是，其只做单向移动，即只能从里向外或者从外向里。

例：某磁盘有100个磁盘，磁头从一个磁道移至另一个磁道需要6ms。文件在磁盘上非连续存放，逻辑上相邻数据块的平均距离位10个磁道，每块的旋转延迟时间及传输时间分别为100ms和20ms，则读取一个100块的文件需要（？）ms。

解：磁盘读取时间 = 寻道时间+等待时间（周期旋转）
寻道时间： 10*6 = 60ms
等待时间： 100+20 = 120ms
100个磁道 （120+60）*100 = 18000ms