考点清单

• [x] 进程管理（进程状态/PCB/上下文切换/通信）
• [x] 进程同步（信号量/PV 操作/管程）
• [x] 死锁（必要条件/银行家算法/预防与避免）
• [x] 存储管理（分页/分段/段页式/虚拟内存，页面置换算法）
• [x] 文件系统（目录结构/空闲空间管理）
• [x] I/O 管理（SPOOLing/磁盘调度算法）
• [x] 线程 vs 进程

笔记

历年考情：每年都考 3-5 分。第二版教材只有基本概念，但历年真题需要掌握原有全部内容。较为重要：分页存储、I/O 软件。

1. 操作系统概述

定义：能有效地组织和管理系统中的各种软/硬件资源，合理地组织计算机系统工作流程，控制程序的执行，并向用户提供良好的工作环境和友好的接口。

三个作用：

• 管理计算机中运行的程序和分配各种软硬件资源
• 为用户提供友善的人机界面
• 为应用程序的开发和运行提供高效率的平台

四个特征：并发性、共享性、虚拟性、不确定性

• 并发 vs 并行：并发是宏观的（分时调度），并行是微观的

五大功能：

• 进程管理 — 对 CPU 执行"时间"进行管理
• 文件管理 — 文件存储空间管理、目录管理、读写管理和存取控制
• 存储管理 — 对主存储器"空间"进行管理
• 设备管理 — 对硬件设备的管理，包括输入/输出设备的分配、启动、完成和回收
• 作业管理 — 任务、界面管理、人机交互等

操作系统分类：

类型	特点
批处理操作系统	单道/多道批处理（主机与外设可并行）
分时操作系统	CPU 时间划分为时间片，轮流为各终端服务
实时操作系统	在被控对象允许的时间范围内快速反应，可靠性要求高
网络操作系统	集中模式 / C/S 模式 / 对等模式
分布式操作系统	多台计算机无主次之分，通过通信交换信息
微机操作系统	Windows、Mac OS、Linux

嵌入式操作系统特点：微型化、可定制、实时性、可靠性、易移植性（采用 HAL 和 BSP 设计）。

初始化过程（自底向上）：片级初始化 → 板级初始化 → 系统初始化。

2. 进程管理

进程组成与状态

进程组成：PCB（进程控制块，唯一标识）、程序（描述做什么）、数据（执行所需数据）。

三态模型（必须熟练掌握转换）：

运行 → 就绪（时间片到）
运行 → 阻塞（等待某事件）
阻塞 → 就绪（等待的事件发生）
就绪 → 运行（被调度）

前趋图

详见：架构师-备考 综合知识-系统基础-操作系统-前趋图与资源图

进程同步与互斥

• 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：进程中对临界资源实施操作的那段程序
• 互斥：同一时间只能由一个任务单独使用临界资源，使用时加锁
• 同步：多个任务可并发执行，有速度差异，需要等待协调

信号量：

• 互斥信号量：对临界资源互斥访问，初值为 1
• 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/V 操作：

• P 操作（申请资源）：S = S - 1，若 S >= 0 则继续执行；若 S < 0 则阻塞，插入阻塞队列
• V 操作（释放资源）：S = S + 1，若 S > 0 则继续执行；若 S <= 0 则从阻塞队列唤醒一个进程

生产者-消费者问题：三个信号量 — 互斥信号量 S0（仓库使用权），同步信号量 S1（空闲位置数），同步信号量 S2（商品个数）。

进程调度

三级调度：

• 高级调度（作业调度）：决定哪个后备作业调入系统，成为就绪进程
• 中级调度（对换调度）：决定交换区中哪个就绪进程调入内存
• 低级调度（进程调度）：决定内存中哪个就绪进程占用 CPU，最活跃、影响最大

调度算法：

算法	特点
先来先服务 FCFS	先到达先分配 CPU，用于宏观调度
时间片轮转	每个进程分配相同时间片轮流使用 CPU，用于微观调度
优先级调度	优先级大的先分配 CPU
多级反馈调度	时间片轮转 + 优先级结合，多级队列不同优先级和时间片

调度方式：可剥夺（高优先级进程可强行抢占 CPU）vs 不可剥夺（必须等当前进程自动释放 CPU）。

死锁

四个必要条件：资源互斥、占有并等待、不可剥夺、环路等待。

处理策略：

• 死锁预防：破坏四个条件之一
• 死锁避免：银行家算法，提前计算安全序列，不安全则不分配
• 死锁检测：定时运行检测程序
• 死锁解除：强制剥夺资源、撤销进程

死锁资源计算：n 个进程各需 R 个资源，发生死锁的最大资源数 = n × (R-1)，不发生死锁的最小资源数 = n × (R-1) + 1。

线程 vs 进程

引入线程原因：进程创建、撤销和切换时空开销大，限制了并发程度。

	进程	线程
资源	独立分配资源的单位	基本不拥有资源（仅 PC、寄存器、栈）
调度	传统上可独立调度	调度和分配的基本单位
共享	进程间资源独立	同进程线程共享进程全部资源
开销	创建/切换开销大	创建/切换开销小

3. 存储管理

分区存储管理

整存，将进程所需内存整体一起分配。

方式	特点
固定分区	静态分区，产生内部碎片
可变分区	动态分区，产生外部碎片
可重定位分区	移动已分配区域合并碎片，仅在外部请求无法满足时触发

可变分区分配算法：

算法	策略
首次适应法	从头查找，找到第一个 >= 所需空间的空间块
最佳适应法	空闲块按大小排序，找最接近的
最差适应法	找最大的空闲块，防止产生过多细小碎片
循环首次适应法	从上次分配位置继续查找，不每次从头开始

分页存储管理

详见：架构师-备考 综合知识-系统基础-操作系统-分页存储管理

逻辑页分为页号和页内地址，通过页表查询页号对应的物理块号。相关概念：页面置换算法（最优算法、先进先出、最近最少使用）、快表。

分段存储管理

将进程空间按逻辑整体分段，段表包含段长和基址两个属性来确定逻辑段在物理段中的位置。

• 优点：多道程序共享内存，各段修改互不影响
• 缺点：内存利用率低，内存碎片浪费大

地址越界判断：逻辑地址 (段号, 偏移) 中偏移 > 段长 则为越界。

段页式存储管理

先分段，后分页。

• 优点：空间浪费小、存储共享容易、存储保护容易、能动态链接
• 缺点：管理软件复杂度和开销增加，执行速度下降

4. 设备管理

设备分类

分类维度	类型
按数据组织	块设备、字符设备
按设备功能	输入/输出/存储/网络联网/供电设备
按资源分配	独占设备、共享设备、虚拟设备
按传输速率	低速/中速/高速设备

I/O 软件

I/O 软件隐藏了 I/O 操作实现的细节，方便用户使用 I/O 设备。

典型流程：用户程序读文件 → 与设备无关软件检查缓存 → 若无则调用设备驱动 → 向 I/O 硬件发请求 → 用户进程阻塞 → 磁盘操作完成 → 硬件产生中断 → 中断处理程序唤醒用户进程。

SPOOLING 技术

在外设上建立两个数据缓冲区（输入井/输出井），多个进程共用一台独占设备（如打印机），数据排队存储在缓冲区中自动按序处理，实现物理设备的虚拟化，每个进程感觉独占使用。

5. 文件管理

文件概述

文件的逻辑结构：有结构的记录式文件、无结构的流式文件。

文件的物理结构（在物理存储设备上的存放方法）：

结构	特点
连续结构	逻辑连续的文件信息依次存放在连续物理块上
链接结构	存放在不连续物理块，每块有指针指向下一块
索引结构	存放在不连续物理块，系统建立索引表记录逻辑块号→物理块号映射
多级索引	索引表占用一个或多个物理块

存取方法：顺序存取、随机存取。

索引文件结构

详见：架构师-备考 综合知识-系统基础-操作系统-索引文件结构

文件目录

详见：架构师-备考 综合知识-系统基础-操作系统-文件目录

文件存储空间管理

方法	原理
空闲区表	为每个连续空闲区建立表项，适用于连续文件结构
位示图 (Bitmap)	每一位对应一个物理块，0=空闲，1=占用
空闲块链	每个空闲块指向下一个空闲块，链表头指针放在特定位置
成组链接法	空闲块分组（如 100 块/组），每组第一块登记下一组盘块号和空闲块总数

位示图计算：物理块号 N 在第 ⌊N/字长⌋ 个字中描述（从 0 编号即为第 ⌊N/字长⌋ 个字）。磁盘容量/物理块大小 = 物理块总数 → 除以字长 = 位示图所需字数。