软考-软件设计师 笔记二（操作系统基本原理）

软考-软件设计师 笔记二（操作系统基本原理）

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概述

进程管理

进程状态

进程状态是指的在操作系统当中，对进程进行管理的时候，为进程指定了几种状态，以便于给进程分配相应的资源，对其进行管理。

最初将进程分为运行态，等待态和就绪态三种状态。

运行态指的是某一个进程它所需要的所有资源都已经配足了，并且给它了CPU资源，这个时候它就处于运行状态。

就绪状态: 某进程的其它所有资源都已经配足了，但缺CPU资源。

等待状态: 除了没有CPU资源还缺其它的资源（比如与外设有交互/等待用户的指令）

五态当中的运行态、活跃阻塞态（等待）、活跃就绪态（就绪），对应着三态模型。

某进程是运行态，执行挂起操作后，就会进入静止就绪态（人为的搁置）

静止就绪态的进程执行恢复或者激活操作后，则会进入活跃就绪态，然后等待CPU的调度。

前趋图

前趋图可以看到哪些任务可以并行，而哪些任务有先后关系。

进程的同步与互斥

互斥: 在同一时刻，只允许某一个进程去使用资源（同一个资源不能同时服务于多个进程）

同步: 当生产者放了一个资源进去之后再放资源时，就会产生溢出（这是不允许的操作），只有等到消费者将商场里面的商品拿走消费掉，才允许生产者往里面放东西。

PV操作

P操作意味着请求一个资源，V操作意味着释放一个资源

临界资源: 进程间需要互斥访问的那些资源。

临界区: 访问临界资源的代码。

信号量: P(S)，V(S)中的S，就是信号量，信号量是一种特殊的变量。

PV操作就是两大原子操作的组合

P操作: 假设执行P(S)这样一个操作，操作过程 - 首先把S作自减一的操作（S = S - 1），然后判断S是否小于零，如果S小于零（S < 0），系统将阻塞当前进程，并把这个进程放入一个进程队列中，当前进程进入等待状态。如果S不小于零，系统将继续执行此进程。

V操作: 首先把信号量自加一，然后再判断S是否小于等于0（S <= 0），如果S <= 0，则会在系统的进程队列中取出一个进程，唤醒它，让它继续执行。

上图思想同多线程里面的生成者、消费者模式。

P相当于wait，V相当于notify，假如先执行消费者进程，P(S2)导致S2先减一，此时S2 = -1 < 0，说明缓冲区里面还没有资源，所以消费者进程进入阻塞状态（进入系统进程队列），生产者进程执行（并非顺次关系，有可能一起执行），生产者生成一个产品，执行P(S1)操作，S1变为0，不满足S1<0，所以继续执行当前进程，将产品送入缓冲区（缓冲区就有了产品），继续执行当前进程的V(S2)操作，S2自加1后 S2 = 0，满足S2 <= 0，唤醒刚才由于执行P(S2)而被阻塞的消费者进程，消费者进程也开始执行…

PV操作练习题

购书者进程中 P(Sn)和 V(Sn)执行的操作就是书店最多允许n个购书者进入。

上面的题选AC

可以假设先执行收营员进程，如果不加任何限制条件，此时显然没有购书者，而收银员进程则循环执行，显然这样是不行的，所以我们想到在b1处加一个P操作，用来限制，当有购书者时，才会执行收银员进程，所以对应者a1肯定是一个V操作。假设先执行购书者进程时，我们刚才已经推断出a1是V操作，但是者显然不具备约束，此时如果收银员没有进行收费操作时，显然我们不能完成购书，所以a2必须是一个P操作，对应着b2是V操作。

PV操作与前趋图

箭头的开始处一般对应V操作，结束处（目标处）一般对应P操作，可以明显推出 a处空填 V(S1) b处空填V(S2)，c 处空填 P(S1)和P(S2)，d 处空填V(S3)和V(S4)，e处填P(S3)，f处填P(S4)

死锁问题

设有k个进程，每个进程需要n个资源，不发生死锁的最少的资源数 = k(n - 1) + 1

死锁形成的四大条件

互斥: 如果进程间不是互斥使用资源，而是同时使用属于自己的资源，那就不存在死锁的情况了。

保持和等待: 各个进程会保持自己的资源，并且等待别的进程释放更多的资源给自己。

不剥夺: 系统不会把分配给某进程的资源剥夺掉给其它的进程。

环路等待: 如 - A，B，C进程，A等待B释放资源，B等C释放资源，C又等A释放资源。

解决死锁问题的两种方案: 死锁的预防(打破四大条件)和死锁的避免。

银行家算法

求出剩余资源数，列出每个进程还需要的资源数，然后带选项，如果中途出现死锁则舍弃此选项。

存储管理

首次适应算法: 顺次找下来，在首次能够容纳任务所需资源的地方分配内存给此任务。

最佳适应算法: 把空闲区块按大小连接成一个链，然后从小往大查找，在首个能够容纳任务的地方分配内存给任务。（可能会造成很多小碎块式的空闲区域）

最差适应算法: 把空闲区块按大小连接成一个链，然后从大往小查找，在首个能够容纳任务的地方分配内存给任务。

循环首次适应算法: 把空闲区域连成一个环状，每次都从上次找到空闲区的下一个空闲开始查找，直到找到第一个能满足要求的空闲区为止

页式存储

页式存储: 将用户程序分成等分大小的页（假如是4k一个块），把内存中的存储区也分成4k一个的块，调入程序在内存运行时，不再是整个调入，而是运行哪些块，就将哪些块/页调入进来。页表记录用户程序的页和内存地址的块号的映射关系。（优点: 内存利用率高；缺点: 增加了系统的开销，可能出现抖动现象）

页面大小为: 4K = 212，说明一个页的页内地址是12位，所以逻辑地址中高于12位的地址就是页号（此题中页内地址就是后三位，四个2进制位对应一个16进制位，16个2进制位就对应3个16进制位。），页号为5，页内地址是A29，查表得页号5对应的物理块号（页帧号）是6，所以物理地址 = 块号 + 页内地址 = 6A29 H

淘汰时只能淘汰在内存中的（状态位为1的），所以需要在页号为0、1、2、5中淘汰，刚刚被访问过的（访问位为1）的不能被淘汰，所以只能淘汰1号页。

段式存储

按逻辑方式划分段长，所以段长可以不同。

段页式存储

快表

页面置换算法

最优算法（理想模型）在实际应用中没有办法使用。

最近最少使用(LRU): 刚刚被访问过的页面不会被淘汰。

文件管理

索引文件结构

索引文件结构默认13个节点。

每个数据项的大小是4B，所以一个磁盘块中可以存 1 KB / 4 B = 1024 / 4 = 256，而前5个块（0～4）采用直接地址，所以，逻辑号为5的对应物理块号为58，而编号为261的对应第262个物理块，即编号为187的物理块（直接索引5个 + 90对应的256个 = 261个）。 注意: 不要被数字迷惑，58~136，这里面有256个块。

树形目录结构

空闲存储空间管理

空闲存储空间管理: 将磁盘上大量的空闲空间管理起来，以便在某一个文件要申请相应的存储空间时，能够有依据的分配给其相应的空间。

空闲区表法: 用一个表记录那些地方是空闲的，以便将其管理起来。

空闲链表法: 把空闲区连接成一条链表，需要进行空间分配的时候，在这条链表上滑出相应的空间来用。

位示图法: 1标记的区域已经被占用，0代表区域是空闲的，可以直观的看出哪些是空闲/占用的。

设备管理

数据传输控制方式

数据传输控制方式主要指内存与外设之间的数据的传输控制问题。

程序控制方式（程序查询方式）:最为低级的，CPU介入最多的一种机制，整个的数据传输控制很多时候都需要CPU的介入，外设处于一种非常被动的方式，它不会主动的反馈信息（比如传输完成与否，不会自动反馈，而是由CPU发出相应的查询指令来看其是否传输完）。

程序中断方式: 主动性较第一种方式强，如果外设完成了相应数据的传输，它会发一个中断出来，系统收到后会作下一步的处理。

DMA方式（直接存取控制方式）: 会有专门的DMA控制器，只要是外设与内存之间的数据交换过程中，由这个控制器（DMA）管控它，CPU只需在开始介入， 其他整个过程都由这个DMA的控制器来完成/监管。完成之后由CPU来作后续的工作。（效率就要高很多）

虚设备与Spooling技术

微内核操作系统

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