【考研】操作系统复习冲刺（2023年408）

前言

本文内容主要源自于王道讲解的学习笔记总结。梳理《操作系统》考点（以理论为重点），并对重点内容划下横线和加粗标注，方便考研复习。

可搭配以下链接一起学习：

【考研复习】《操作系统原理》孟庆昌等编著课后习题+答案——第四章

【考研复习】《操作系统原理》孟庆昌等编著课后习题+答案——第二章

（第一章至第七章的博文已完成，点上面链接进去即可跳转）

一、第一章操作系统概述

（一）操作系统的概念、特征和功能

1、并行性与并发性

（1）并行性：指两个或多个事件在同一时刻发生；

（2）并发性：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

2、操作系统的特征：并发、共享、虚拟、异步。

（并发与共享是最基本的特征，互为存在条件）

3、操作系统提供的接口：

（1）命令接口：联机命令接口、脱机命令接口

（2）程序接口：即系统调用，用户通过程序间接使用

（3）GUI（图形用户界面）

（二）用户态与核心态（即目态和管态）

4、特权指令（核心态）：输入/输出指令、开中断指令、关中断指令、修改PSW指令、置时钟指令、广义指令、进程切换、进程调度程序

5、非特权指令（用户态）：访管指令（trap指令）

（三）中断、异常

	中断信号来自CPU	与当前指令
内中断（异常、例外、陷入）	内部	有关
外中断（中断）	外部	无关

6、子程序调用是程序设计者事先在主程序中安排一条调用指令 CALL，子程序的调用时间是固定的。主程序调用子程序的过程完全属于软件处理过程，不需要专门的硬件电路。。

7、中断处理和子程序调用的区别：

调用类型	中断	子程序调用
入口地址	由中断隐指令根据中断向量得到	由调用程序根据寻址方式得到
保存环境	保存PC、PSW、通用寄存器	保存PC、通用寄存器
进程状态	从用户态转换为核心态	没有状态变化

8、有中断请求时，先由中断隐指令完成中断前程序的状态保存，主要工作有：

① 关中断;

② 保存 PC、PSW;

③ 根据中断向量引出对应的中断服务程序( 即中断处理程序，属于操作系统内核)，通用寄存器的保护由中断服务程序完成。当中断服务程序运行结束后再开中断。

（四）系统调用（运行在系统的核心态，请求是发生在用户态）

9、什么时候需要系统调用？

答：系统中的各种共享资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作(如存储分配、进行 I/O 传输以及管理文件等)，都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。

10、系统调用按功能大致可分为如下几类：
（1）设备管理：完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能。
（2）文件管理：完成文件的读、写、创建及删除等功能。。
（3）进程控制：完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能。
（4）进程通信：完成进程之间的消息传递或信号传递等功能。
（5）内存管理：完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及始址等功能。

11、系统调用的过程是什么？

（1）传递系统调用参数；

（2）执行陷入（trap）指令；

（3）执行相应的服务程序；

（4）返回用户态。

二、第二章进程管理

（一）进程与线程

1、用户级线程：由应用程序通过线程库实现，其线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统干预。

2、内核级线程：处理机分配的单位。

（二）进程状态与进程控制

3、进程的状态转换：

（三）处理机调度

4、调度的三个层次：高级调度（作业调度）、中级调度、低级调度（进程调度），调度频率由小到大。

5、特别注意带权周转时间。

6、进程优先级分别：静态优先级和动态优先级，通常：

（1）系统进程优先级高于用户进程；

（2）前台进程优先级高于后台进程；

（3）I/O型进程(或称|/O繁忙型进程)优先级高于计算型进程( CPU 繁忙型进程) ;

7、不能进行处理机高度的情况：（即不能进行进程的调度与切换的情况）

（1）在处理中断的过程中：中断处理过程复杂，在实现上很难做到进程切换，而且中断处理是系统工作的一部分，逻辑上不属于某一进程，不应被剥夺处理机资源。

（2）进程在操作系统内核程序临界区中：进入临界区后，需要独占式地访问共享数据，理论上必须加锁，以防止其他并行程序进入，在解锁前不应切换到其他进程运行。

（3）其他需要完全屏蔽中断的原子操作过程中：如加锁、解锁、中断现场保护、恢复等原子操作。在原子过程中，连中断都要屏蔽，更不应该进行进程调度与切换。

如果在上述过程中发生了引起调度的条件，并不能马上进行调度和切换，应置系统的请求调
度标志，直到上述过程结束后才进行相应的调度与切换。

8、典型的调度算法（重点）

（四）进程同步与互斥

9、为了实现对临界资源的互斥访问，同时保证系统整体性能，需要遵循以下原则:

1）空闲让进。临界区空闲时，可以允许一个请求进入临界区的进程立即进入临界区;

2）忙则等待。当己有进程进入临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待;

3）有限等待。对请求访问的进程，应保证能在有限时间内进入临界区(保证不会饥饿) ;

4）让权等待。当进程不能进入临界区时，应立即释放处理机，防止进程忙等待。

10、互斥的四种软件实现方式：

（1）单标志法；

（2）双标志先检查法；

（3）双标志后检查法；

（4）Peterson算法。

11、信号量机制

（1）整型信号量：被定义为一个用于表示资源个数的整型量S。当进程发现S≤0时，就会不断测试。因此进程处于忙等状态，未遵循“让权等待”原则。

（2）记录型信号量遵循了“让权等待”原则。其数据结构类型如下：

typedef struct{
    int value;  //代表资源数目
    struct process *L;  // 链接等待该资源的进程。
}semaphore;

信号量的 P、V 操作的实质是“加减”操作，P、V操作又是原语操作，所以：

P操作是对信号量(只能对信号量，不可以对普通变量)进行减“1”操作，然后判断是否小于零，“是”则阻塞等待，“否”则什么都不做；

V操作是对信号量加“1”操作，再判断是否小于等于零，“是”则唤醒进程，“否”则什么也不做。

记录型信号量 S 中 value 值的意义：

S.value 的初值表示系统中某类资源的总数。
S.value < 0 表示当前系统中已经没有可用的该类资源。
S.value < 0 时，其绝对值表示 S.L 中因等待该资源而阻塞的进程个数。

（五）经典同步问题

关于 P、V 操作的系列习题可见下方链接（此处只放两个，更多请见博主专栏——操作系统）：

【考研】操作系统——同步互斥问题（P、V操作）1

【考研】操作系统：2019年真题43（同步互斥问题）

12、生产者-消费者问题（注意：实现互斥的 P 操作一定要在实现同步的 P 操作之后）

13、读者-写者问题

14、哲学家进餐问题

（六）死锁

15、死锁条件

产生死锁必须同时满足以下四个条件，只要其中任一一个条件不成立，死锁就不会发生。

● 互斥条件：在一段时间内某资源仅为-一个进程所占有。此时若有其他进程请求该资源，则
请求进程只能等待。

● 不剥夺条件：进程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他进程强行夺走，即只能由获得该资源的进程自己来释放。

● 请求和保持条件：进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但对自己已获得的资源保持不放。

● 循环等待条件：存在一种进程资源的循环等待链，链中每一个进程已获得的资源同时被链中下一个进程所请求。

16、有什么办法可以解决死锁问题？

答：死锁的处理策略可分为三种：

（1）死锁的预防：指通过设立一些限制条件，破坏死锁的一些必要条件，让死锁无法发生。

（2）死锁的避免：指在动态分配资源的过程中，用一些算法防止系统进入不安全状态，从而避免死锁。（如银行家算法）

（3）死锁的检测和预防：指在死锁产生前不采取任何措施，只检测当前系统有没有发生死锁（如死锁定理），若有则采取一些措施解除死锁（如资源剥夺法、撤销进程法、进程回退法）。

【补充】

死锁定理：S 为死锁的条件是当且仅当 S 状态的资源分配图是不可完全简化的。

资源分配图：

（1）圆圈：代表一个进程；

（2）框：代表一类资源；

（3）请求边：从进程到资源的有向边；

（4）分配边：从资源到进程的边，表示该类资源已有一个资源分配给了该进程。

【可搭配以下链接一起学习】

【考研】操作系统之考点——死锁（含真题讲解）_住在阳光的心里的博客

17、系统安全状态

18、银行家算法（避免死锁）

【补充】应掌握如何求系统安全序列

可参考该章的课后习题及答案：

【考研复习】《操作系统原理》孟庆昌等编著课后习题+答案——第二章_住在阳光的心里的博客

三、第三章内存管理

（一）内存管理的概念

1、程序运行的基本原理

将用户源程序变为可在内存中执行的程序，通常需要以下几个步骤：

● 编译，由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块，每个模块具有各自的逻辑地址空间。

● 链接，由链接程序将上述目标模块，以及所需库函数链接，形成具有完整的逻辑地址空间的装入模块。

● 装入，由装入程序将装入模块装入内存。

而程序执行的过程中，在指令寻址与数据寻址时，CPU 不断地进行从逻辑地址到物理地址的转换。图 3 - 1 展示了从源程序(C程序为例)变为在内存中执行的程序的过程。

（二）连续分配管理方式

（三）非连续分配管理方式

1、分页存储管理方式

2、分段存储管理方式

（四）虚拟页式存储管理（重点）

1、虚拟存储器的定义和特征

（1）定义：基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序的一部分装入内存，而将其余部分留在外存就可以启动程序执行。在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统将所需要的部分调入内存。另一方面，操作系统将内存中暂时不使用的内容换出到外存上。这样，系统好像为用户提供了一个比实际内存大得多的存储器，称为虚拟存储器。

（2）虚拟存储器有以下三种实现方式：请求分页；请求分段；请求段页式。

（3）虚拟存储器有以下三个主要特征：多次性、对换性、虚拟性。

（4）虚拟存储器的容量取决于地址空间的大小，而不是由实际的内存容量决定。

2、缺页中断机构

在页式虚拟存储管理系统中，程序是部分装入的，还有部分是处于外存上的，因此，当需要访问那部分位于外存上的代码或数据时，系统就会产生缺页中断。

产生缺页中断的目的是要将位于外存上的代码或数据装入内存，此时应将缺页的进程阻塞(调页完成唤醒)，如果内存中有空闲块，则分配一个块，将要调入的页装入该块，并修改页表中相应页表项，若此时内存中没有空闲块，则需要淘汰某页。

缺页中断作为中断同样要经历，诸如保护 CPU 环境、分析中断原因、转入缺页中断处理程序恢复 CPU 环境等几个步骤。但与一般的中断相比，它有以下两个明显的区别：

（1）在指令执行期间产生和处理中断信号，而非一条指令执行完后。

（2）一条指令在执行期间，可能产生多次缺页中断。

3、快表TLB

4、请求分页存储管理

5、虚拟页式存储管理的硬件机制说明

6、置换算法

6、页面分配策略

（1）固定分配局部置换。它为每个进程分配一定数量的物理块，在整个运行期间都不改变。若进程在运行中发现缺页，则只能从该进程在内存的页面中选出一个换出，然后再调入需要的页面。实现这种策略难以确定为每个进程应分配的物理块数量，太少会频繁出现缺页中断，太多又会使CPU和其他资源利用率下降。

（2）可变分配全局置换。这是最易于实现的物理块分配和置换策略，为系统中的每个进程分配一定数量的物理块，操作系统自身也保持一个空闲物理块队列。当某进程发现缺页时，系统从空闲物理块队列中取出物理块分配给该进程，并将欲调入的页装入其中。

（3）可变分配局部置换。它为每个进程分配一定数目的物理块，当某进程发现缺页时，只允许从该进程在内存的页面中选出一页换出，这样就不会影响其他进程的运行。如果进程在运行中频繁地缺页，系统需再为该进程分配若干附加物理块，直至该进程缺页率趋于适当程度为止；反之，若一个进程在运行过程中缺页率特别低，则此时可适当减少分配给该进程的物理块。“

7、工作集（驻留集）