软考：软件设计师 — 2.操作系统

二. 操作系统

1. 操作系统概念

（1）操作系统的作用

操作系统是计算机硬件之上的第一层软件系统。

操作系统通常用来：

管理系统的硬件、软件、数据资源。
控制程序运行。
人机之间的接口。
应用软件与硬件之间的接口。

可概括为：

进程管理
存储管理
文件管理
作业管理
设备管理

例题：

计算机系统的层次结构如下图所示，基于硬件之上的软件可分为 a、b、c 三个层次，图中 a、b、c 分别表示（）。

A.操作系统、系统软件和应用软件

B.操作系统、应用软件和系统软件

C.应用软件、系统软件和操作系统

D.应用软件、操作系统和系统软件

解析：

由操作系统的定义可知，它是计算机硬件之上的第一层软件系统，并且用户使用的通常是有具体功能的应用软件，所以选项 C 正确。

（2）特殊的操作系统

分类	特点
批处理操作系统	单道批：一次一个作业入内存，作业由程序、数据、作业说明书组成。多道批：一次多个作业入内存，多道、宏观上并行、微观上串行。
分时操作系统	采用时间片轮转的方式为多个用户提供服务，每个用户感觉独占系统。特点：多路性、独立性、交互性和及时性。
实时操作系统	实时控制系统和实时信息系统，交互能力要求不高，可靠性要求高（规定时间内响应并处理）
网络操作系统	方便有效共享网络资源，提供服务软件和有关协议的集合。主要有：Unix、Linux 和 Windows Server
分布式操作系统	任意两台计算机可以通过通信交换信息，是网络操作系统的更高级形式，具有透明性、可靠性和高性能等特性。
微机操作系统	Windows：Microsoft 开发的图形用户界面、多任务、多线程操作系统。 Linux：免费使用和自由传播的类 Unix 操作系统，多任务、多用户、多线程和多 CPU 的操作系统。
嵌入式操作系统	运行在智能芯片环境中。特点：微型化、可定制（针对硬件变化配置）、实时性、可靠性、易移植性（HAL 和 BSP 支持）

例题：

从减少成本和缩短研发周期考虑，要求嵌入式操作系统能运行在不同的微处理器平台上，能针对硬件变化进行结构与功能上的配置。该要求体现了嵌入式操作系统的（）。

A.可定制性 B.实时性 C.可靠性 D.易移植性

解析：

根据嵌入式操作系统的特点可知，这是可定制性，针对硬件变化配置，选项 A 正确。容易与易移植性混淆，易移植性是由 HAL（硬件抽象层）和 BSP（板级支持包）支持。

2. 进程的概念

（1）进程与线程

进程：进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。由程序块、数据库、进程控制块（PCB）三部分组成。

PCB：PCB 是进程存在的唯一标志。包含进程标识符、状态、位置信息、控制信息、队列指针（链接同一状态的进程）、优先级、现场保护区等。

进程的 2 个基本属性：可拥有资源的独立单位；可独立调度和分配资源的基本单位。

进程与程序的区别：进程是程序的一次执行过程，没有程序就没有进程。

程序是一个静态的概念，进程是一个动态的概念。进程由创建而产生，完成任务后因撤销而消亡；进程是系统进行资源分配和调度的独立单位，而程序不是。

可参考文章：Java 知识点整理 2 — 多线程；Java 知识点整理 9 — JVM

例题：

在支持多线程的操作系统中，假设进程 P 创建了若干个线程，那么（）是不能被这些线程共享的。

A.该进程中打开的文件

B.该进程的代码段

C.该进程中某些线程的栈指针

D.该进程的全局变量

解析：

根据上图可得，栈指针不能共享，选 C。

（2）进程的状态

进程的状态变化主要有三态模型和五态模型两种。

三态模型

运行：当一个进程在 CPU 上运行时候。（单处理机处于运行态的进程只有一个）

就绪：一个进程获得了除 CPU 外的一切所需资源，一旦得到处理机即可运行。

阻塞：阻塞也称等待或睡眠状态，一个进程正在等待某一事件发生（如请求 I/O、等待 I/O 完成）而暂时停止运行，此时即使把 CPU 分配给进程也无法运行，故称进程处于阻塞状态。

五态模型

相比于三态模型，五态模型多了对就绪和阻塞状态的静止状态，即静止就绪和静止阻塞。

导致挂起的原因：

进程过多，主存资源不足，此时必须将某些进程挂起，放到磁盘，暂时不参与调度，以平衡系统负载。
系统出现故障，或者是用户调试程序，也可能需要将进程挂起检查问题。

例题：

在单处理机系统中，采用先来先服务调度算法。系统中有 4 个进程 P1、P2、P3、P4（假设按此顺序到达），其中 P1 为运行态，P2 为就绪态，P3、P4 为等待态，且 P3 等待打印机，P4 等待扫描仪。若 P1（），则 P1、P2、P3、P4 的状态分别是（）。

A.时间片到 B.释放了扫描仪 C.释放了打印机 D.已完成

A.等待、就绪、等待和等待

B.运行、就绪、运行和等待

C.就绪、运行、等待和等待

D.就绪、就绪、等待和运行

解析：

第一个空不好直接得出，先看第二个空。由于是单处理机系统，所以系统中最多只能存在一个运行状态的进程，并且该题目中进程只有三种状态，即三态模型，三态模型中等待状态无法直接变成运行状态，所以排除 BD。选项 A 中没有运行态，当 P1 变成等待态后，CPU 空闲，此时 P2 应该进入运行态，所以 A 错误。选项 C 正确，P1 进入就绪态，空出了 CPU，P2 获得 CPU 进入运行态。由此可得，P1 进入就绪态只能是时间片用完，所以第一个空选 A。

3. 进程调度

（1）PV 操作的概念

同步与互斥：

同步存在直接制约关系，速度不一致，在一定情况停下等待。例如两人同时出发，一人步行一人开车，开车先到的人等待步行的人抵达，然后再进行后续操作。

互斥存在间接制约关系，如千军万马过独木桥。

而独木桥可以看作是各进程之间互斥访问的资源，称为临界资源。进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。

进程之间存在并发的特点，通过 PV 操作来实现资源的同步与互斥访问。

PV，即 P(S) 和 V(S)。P 也叫加锁，S 也叫解锁。

S 指信号量，是一种特殊的变量，是全局变量。

信号量可以表示资源数量；
信号量为负数时表示排队进程数（欠的资源数）。

S 代表资源数，有进程申请资源，那么 S 的数量会相应减少，然后判断资源是否足够，例如本来资源有 1 个，申请后还剩 0 个，资源是充足的，够进程用，所以执行后续操作，但如果此时又来了个进程申请资源，此时 S = -1，资源不够了，进程就会进入阻塞队列等待，S = -1 也表示有一个进程在排队，或者说欠了一个资源。等上一个进程用完后，释放了资源，S 的数量会相应增加，然后检查是否有进程正在排队，注意，此时 S = 0，也代表有进程正在排队，然后通知排队的进程有资源可用了（此时排队的进程进入就绪态）。

例题1：

PV 操作是操作系统提供的具有特定功能的原语。利用 PV 操作可用（）。

A.保证系统不发生死锁。

B.实现资源的互斥使用。

C.提供资源利用率。

D.推迟进程使用共享资源的时间。

解析1：

PV 操作就是加锁和解锁，所以可能会发生死锁，A 选项错误。PV 操作能够实现资源的互斥访问，所以 B 选择正确。加锁和解锁会降低资源的利用率，C 选项错误。PV 操作是对临界资源的访问进行控制访问，所以不会影响共享资源，D 选项错误。

例题2：

假设系统中有 n 个进程共享 3 台扫描仪，并采用 PV 操作实现进程同步与互斥。若系统信号量 S 的当前值为 -1，进程 P1、P2 又分别执行了一次 P(S) 操作，那么信号量 S 的值应为（）。

A.3 B.-3 C.1 D.-1

解析2：

信号量 S 代表资源数，一开始应为 3，现在的值为 -1，说明有一个进程在排队，之后 P1、P2 又分别进行了一个 P(S)，即申请资源，并且信号量为全局变量，所以 S = -1 - 1 -1 = -3，选 B。

（2）信号量与 PV 操作

PV 操作与互斥模型

如，多个进程共享一台打印机问题：

在使用打印机前先去申请资源，检查资源是否足够，加锁使用，使用后释放资源，并通知其它排队者。

在互斥模型中，PV 操作成对存在于一个进程中。互斥信号量 S 的初始值为 1，因为打印机资源一次只能一个进程使用。

PV 操作与同步模型

如，单缓冲区生产者、消费者问题：

在同步模型中，同一对 PV 操作不在一个进程中，而存在于两个进程中。

由分析可知，一个产品被放到缓冲区前，需要先检查缓冲区资源是否足够，即 P(S1)，而释放缓冲区资源，是在消费者取出产品后才释放，即 V(S1)，所以信号量 S1 代表缓冲区资源，初始值应该为 1。一个产品被放到缓冲区后，产品资源数量应该相应增加，即 V(S2)，而产品资源被消耗，是在消费者取出前，去申请使用并检查是否有产品资源，所以信号量 S2 代表产品资源，初始值应该为 0。

PV 操作与混合模型

如，在单缓冲区生产者、消费者问题的基础上，增加了互斥模型的概念：

在同步模型中已经提到，S1、S2 分别代表缓冲区资源和产品资源，在这个基础上再增加互斥模型的概念，即信号量 S 代表对缓冲区的访问权，初始值为 1。生产者将产品送到缓冲区前，需要先申请访问权并检查是否有资源，送完后，释放访问权，消费者同样如此，从缓冲区取产品时需要先申请访问权，取到后再释放。P(S) 和 V(S) 存在于同一个进程中，是互斥模型，这样就形成了一个同步模型与互斥模型同时存在的混合模型。

例题：

假设铁路自动售票系统有 n 个售票终端，该系统为每个售票终端创建一个进程 Pi（i = 1,2,…,n）管理车票销售过程。假设 Tj（i = 1,2,…,m）单元存放某日某趟车的车票剩余票数，Temp 为 Pi 进程的临时工作单元，x 为某用户的购票张数。Pi 进程的工作流程如下图所示，用 PV 操作实现进程间的同步与互斥。初始化时系统应将信号量 S 赋值为（）。图中（a）、（b）、（c）处应分别填入（）。

A.n-1 B.0 C.1 D.2

A.V(S)、P(S) 和 P(S)

B.P(S)、P(S) 和 V(S)

C.V(S)、V(S) 和 P(S)

D.P(S)、V(S) 和 V(S)

解析：

由图可知，进程首先按用户需求找到单元 Tj，然后将 Tj 的值赋值给临时工作单元 Temp，即剩余车票数，接下来是对 Temp 的判断，看 Temp 的值（剩余车票数）是否大于用户购票数。如果大于，则购票并减少剩余车票数，输出 x 张票；如果小于，则提示无票。因此整个购票过程相当于是依靠 Temp 来进行暂存，因为不可能让多个用户同时去操作剩余票数，假设 Tj = 2，即还剩两张票，如果来了两个用户都去购买两张票，肯定只有一个用户能成功买上，另一个会提示无票。因此 Temp 就相当于缓冲区资源，每次仅允许一个进程使用，所以初始信号量 S 的值为 1，代表缓冲区资源，即 Temp 的数量。那么用户在购票前，就需要先加锁，即 P(S)，Temp 的值要么大于等于 x，可以购票，要么小于 x，无法购票，两条路只能走一条，所以每条路都会进行解锁释放缓冲区资源，即 V(S)。典型的互斥模型，同一对 PV 操作同时存在于一个进程中。所以选择 CD。

（3）前趋图与 PV 操作

前趋图

图中每个节点代表一个进程；每个节点所指向的下一个节点，为它的后继，自己为下一个节点的前趋，如 D 是 A 的后继节点，A 是 D 的前趋节点；每个节点的间线流出代表 V，即释放资源，流入代表 P，申请资源。

举例：上述前趋图代表包饺子的过程，A 是绞肉，B 是切葱末，C 是切姜末，D 是搅拌，E 是包饺子。

整个流程有严格的先后顺序，肯定不能先搅拌再绞肉切葱姜末。信号量 Sa、Sb、Sc、Sd 的初始值都是 0。进程 A、B、C 完成后，都进行 V 操作，即先释放资源，资源数增加，然后进程 D 在搅拌前，需要先申请资源并判断是否充足，即进行 3 次 P 操作，然后搅拌，搅拌完成后，再 V(Sd)，释放资源，最后进程 E 在进行包饺子前先申请资源并判断，然后包饺子。

先根据前趋图标注每个节点的 PV，然后顺着做就可以了。记住，流出代表 V，流入代表 P。

例题：

进程 P1、P2、P3、P4、P5 的前趋图如下所示：

若用 PV 操作控制进程 P1、P2、P3、P4、P5 并发执行的过程，则需要设置 5 个信号 S1、S2、S3、S4、S5，且信号量 S1 ~ S5 的初值都等于零。下图中 a 和 b 处应分别填（）；c 和 d 处应分别填（）；e 和 f 处应分别填（）。

1. A.V(S1) P(S2) V(S3) B.P(S1) V(S2) V(S3) C.V(S1) V(S2) V(S3) D.P(S1) P(S2) V(S3)

2. A.P(S2) P(S4) B.P(S2) V(S4) C.V(S2) P(S4) D.V(S2) V(S4)

3. A.P(S4) V(S4) V(S5) B.V(S5) P(S4) P(S5) C.V(S3) V(S4) V(S5) D.P(S3) P(S4) V(S5)

解析：

先根据前趋图标出每个节点的 PV：

根据图示，首先看 a 和 b。P1 有两个流出，所以应该有两个 V 操作，分别流向 P2 和 P3，所以 a 应该填两个 V 操作，即 V(S1) 和 V(S2)，P2 进程得到 S1 资源后先进行 P 操作，即 P(S1)，已给出，然后进行 V 操作，即 V(S3)。所以第一个空选 C；然后看 c 和 d，P3 进程得到 S2 资源后应该先进行 P 操作，即 P(S2)，然后进行 V 操作，即 V(S4)，因此第二个空选 B；最后看 e 和 f，P4 进程得到 S3 资源后先进行 P 操作，即 P(S3)，已给出，然后进行 V 操作，V(S5)，然后 P5 进程有两个 P 操作，分别申请 S4、S5，所以有 P(S4) 和 P(S5)，第三个空选 B。注意每个进程释放后的资源标识。

后续会不断更新整理。