第1章 操作系统引论

1、操作系统的概念（定义）
操作系统（ Operating System，os）是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，它是计算机系统中最基本的系统软件。

2、操作系统的主要功能
⑴操作系统作为系统资源的管理者
提供功能：
处理机管理、存储器管理、文件管理、设备管理
目标：安全高效

⑵操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口
提供功能：
· 命令接口：允许用户直接使用（包括联机命令接口、脱机命令接口）
· 程序接口：允许用户通过程序间接使用（由一组系统调用组成）
· GUI：现代操作系统中最流行的图形用户接口
目标：方便用户使用

⑶操作系统作为最接近硬件的层次
提供功能和目标：实现对硬件机器的拓展，即扩充机器。

概括为处理机管理功能、存储器管理功能、设备管理功能、文件管理功能。接口管理功能

3、操作系统的四个特征（基本特性）
并发、共享、虚拟、异步

注：⑴并发和共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件
⑵共享包括：
· 互斥共享方式(如对摄像头设备的共享使用)
· 同时共享方式（如对硬盘资源的共享使用)
⑶虚拟包括：
· 空分复用技术(如虚拟存储技术)
· 时分复用技术（如虚拟处理器技术)

4、操作系统的基本类型
批处理系统、分时系统、实时系统、分布式操作系统

⑴批处理操作系统（分为单道和多道批处理操作系统，一般指多批道）
优缺点：
系统利用率高、系统吞吐量大
平均周转时间长、无交互能力
⑵分时操作系统
特点：
交互性、多路性、独立性、及时性
优点：
为用户提供友好的接口，即用户能在较短时间内得到响应。
便于资源共享和交换信息，为软件开发和工程设计提供良好的环境。
⑶实时操作系统
特点：
提供及时响应和高可靠性是其主要特点。
⑷分布式操作系统
特点：
分步性、透明性、同一性、全局性

第2章 进程的描述与控制

1、前趋图的概念
前趋图（Precedence Graph），是指一个有向无环图（Directed Acyclic Graph，DAG），它用于描述程序之间执行的先后顺序。
图中的每个节点均可用于表示一个进程或一段程序，甚至是一条语句，节点间的有向边则表示两个节点之间所存在的偏序（partialorder）或前趋关系 （precedence relation）。

⑴程序顺序执行前趋图

⑵程序并发执行前趋图

2、进程的定义与特征
⑴定义：（较典型的定义有以下3种）
①进程是程序的一次执行。
②进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
③进程是具有独立功能的程序在一个数据集上执行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

⑵特征：
动态性、并发性、独立性、异步性

3、进程的基本状态和转换
⑴3种基本状态
就绪（ready）状态、执行（running）状态、阻塞（block）状态

⑵3种基本状态间的转换

4、进程控制
进程控制是进程管理中最基本的功能，其负责：
进程的创建、进程的终止、进程的阻塞与唤起、进程的挂起与激活

5、进程和程序的区别与联系
⑴区别：
①进程是动态的，而程序是静态的；
②进程有一定的生命期，而程序是指令的集合，本身无“运动”的含义。没有建立进程的程序不能作为一个独立单位得到操作系统的认可。
③一个程序可以对应多个进程，但一个进程只能对应一个程序。
④进程和程序的组成不同。从静态角度看，进程由程序、数据和进程控制块（PCB）三部分组成，而程序是一组有序的指令集合。

⑵联系：
进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。

6、进程通信的概念及基本通信原语
⑴概念
进程通信是指进程直接的信息交换，通常有低级和高级之分。

⑵最基本的通信原语
原语send
原语receive

7、进程通信的方式和类型
⑴进程通信的方式
①管道（pipe）
②命名管道（FIFO）
③消息队列（MessageQueue）
④共享存储（SharedMemory）
⑤信号量（Semaphore）
⑥套接字（Socket）
⑦信号 ( sinal )

⑵进程通信的类型
进程的高级通信机制归结为4种：
共享存储器系统、管道通信系统、消息传递系统、客户机—服务器系统

第3章 处理机调度与死锁

1、处理机调度的层次
⑴高级调度（长程调度或作业调度）
调度对象：作业（处于外存上的后备队列的作业）
主要功能：根据某种算法，选择外存上的后备队列中的几个作业放入内存，并为之创建进程，分配资源。然后将其放入就绪队列。

⑵中级调度（内存调度）
调度对象：暂时不能运行的进程
主要目的：提高内存利用率和系统吞吐量
将暂时无法运行的进程调至外存等待（挂起状态）。当这些进程又具备运行条件，且内存有空余时，通过中级调度将这些进程重新调入内存，并且修改状态为就绪状态。

⑶低级调度（短程调度或进程调度）
调度对象：进程（或LWP）
主要功能：根据某种算法，决定就绪队列中哪个进程应获得处理机，并由分派程序将处理机分配给被选中的进程。

注 低级调度的运行频率最高

2、作业调度算法
⑴先来先服务（FCFS）
⑵短作业优先（SJF）
⑶最高响应比优先(HRRN）
⑷轮转（RR）

平均周转时间为：所有作业的周转时间之和/作业数量
平均带权周转时间为：所有作业的带权周转时间之和/作业数量

3、死锁
⑴概念
如果一组进程中的每个进程都在等待仅该组进程中的其他进程才能引发的事件发生，那么该组进程是死锁的。
⑵产生原因
①竞争不可抢占资源引起死锁
②竞争可消耗资源引起死锁
③进程推进顺序不当引起死锁

注：ⅰ.不可抢占资源(Nonpreemtable Resource) ：一旦系统把某资源分配给该进程后，就不能将它强行收回，只能在进程用完后自行释放。
ⅱ.可消耗资源（Consumable Resource）：又称临时资源，它是在进程运行期间，由进程动态地创建和消耗的。

⑶产生的必要条件
①互斥条件
②请求与保持条件
③不可抢占条件
④循环等待条件

⑷处理方法
预防死锁、避免死锁、检测死锁、解除死锁

⑸预防
破坏“请求和保持”条件、破坏“不可抢占”条件、破坏“循环等待”条件、

⑹避免
系统安全状态、利用银行家算法避免死锁

⑺检测与解除
简化资源分配图来检测系统所处某状态是否为死锁状态。

第4章 进程同步

1、进程同步的基本概念
我们把异步环境下的一组并发进程因直接制约而互相发送消息、互相合作、互相等待，使得各进程按一定的速度执行的过程，称为进程同步。

2、临界区的相关概念
⑴临界区
人们把每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区（Critical Section）。
⑵进入区
在临界区前面增加一段用于进行上述检查的代码称为进入区（Entry Section）。
⑶退出区
在临界区后面相应加上一段被称为称为退出区（Exit Section）的代码，用于将临界区正被访问的标志恢复为未被访问的标志。
⑷剩余区
进程中除上述进入区、临界区及退出区以外的其他部分的代码，在这里都被称为剩余区（Remainder Section）。

3、信号量机制
信号量(Semaphore)机制是一种卓有成效的进程同步工具。
⑴整型信号量
⑵记录型信号量
⑶AND型信号量
⑷信号量集
注 ：信号量实现方式：PV操作

p操作（wait）：申请一个单位资源，进程进入
v操作（signal）：释放一个单位资源，进程出来

PV操作的意义 ：我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程的低级通信。

4、管程机制
在信号量机制中，每个要访问临界资源的进程都必须自备同步的PV操作，大量分散的同步操作会给系统管理带来麻烦，且容易因为同步操作不当而导致系统死锁。于是便产生了一种新的进程同步工具—管程（Monitors）。

• 操作后，怎样决定由哪个进行执行，哪个等待，可采用下述两种方式之一进行处理：
  ⑴P等待，直至Q离开管程或等待另一条件。
  ⑵Q等待，直至P离开管程或等待另一条件。

5、进程同步、互斥的概念
⑴进程同步
进程同步也是进程之间直接的制约关系，是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系。进程间的直接制约关系来源于他们之间的合作。
⑵进程互斥
进程互斥是进程之间的间接制约关系。当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待。只有当使用临界资源的进程退出临界区后，这个进程才会解除阻塞状态。

6、经典的进程同步问题
⑴生产者—消费者问题
可利用的解决方式：记录型信号量、AND型信号量、管程
⑵哲学家进餐问题
可利用的解决方式：记录型信号量、AND型信号量、管程
⑶读者—写者问题
可利用的解决方式：记录型信号量、“信号量集”机制

第5章 存储器管理

1、连续分配存储管理的方式

连续分配方式可分为四类：
⑴单一连续分配
⑵固定分区分配
⑶动态分区分配
⑷动态可重定位分区分配

2、动态分区分配算法
⑴首次适应算法（first fit，FF）
⑵循环首次适应算法（next fit，NF）
⑶最佳适应算法（best fit，BF）
⑷最坏适应算法（worst fit，WF）

3、分配内存与回收内存
⑴分配

⑵回收
①回收区与插入点的前一个空闲分区F₁相邻接
②回收区与插入点的后一个空闲分区F₂相邻接
③回收区同时与插入点的前、后两个分区邻接
④回收区既不与F₁邻接，也不与F₂邻接

4、分页存储管理方式

分段存储管理方式

5、信息共享
⑴分页系统中

⑵分段系统中

第6章 虚拟存储器

1、虚拟存储器的概念与特征
⑴概念（定义）
是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统。
⑵特征
多次性、对换性、虚拟性

2、页面置换算法
⑴最佳页面置换算法和先进先出页面置换算法
⑵最近最久未使用页面置换算法和最少使用页面置换算法

第7章 输入/输出系统

1、假脱机系统
⑴假脱机（Spooling）系统是对脱机输入/脱机输出系统的模拟。假脱机系统建立在通道技术和多道程序技术的基础上，以高速随机外存（通常为磁盘）为后援存储器。

⑵Spooling系统构成：
输入井和输出井、输入缓冲区和输出缓冲区、输入进程或输出进程、井管理程序

⑶假脱机系统的特点
①提高了I/O的速度
②将独占设备改造为共享设备
③实现了虚拟设备功能