东北大学软件学院操作系统复习考点(附概念题)

word直接复制来了,格式就不改了。至于这门课怎么复习,只要平时实验都认真完成、报告认真写,平时分都很高;考试的话除了看

第一章:概述
什么是操作系统?
是一段一直运行在计算机上的程序
是资源的分配者
向上管理软件向下管理硬件
为用户提供良好接口
中断的概念?
中断指当出现需要时,CPU暂时停止当前程序的执行转而执行处理新情况的程序和执行过程。
中断向量的概念?
各种设备的中断处理子程序的地址数组
什么是系统调用?
由操作系统实现提供的所有系统调用所构成的集合即(Application Programming Interface,API)。是应用程序同系统之间的接口。
内存是什么?
内存是处理器可以直接访问的唯一的大容量存储区域,他通常是用被称为动态随机访问内存的半导体技术来实现的,是一组内存字的数组,每个字都有其地址。
存储系统的速度
寄存器>高速缓存>主存>电子磁盘 >磁盘> 光盘 >磁带
什么是DMA及其工作原理?(课本第十页有解释)
DMA即直接内存访问模式,简单来说,总线控制权在CPU“手上”,外连设备无权直接访问内存,需要CPU参与,但DMA控制器从CPU那“偷出”几个时钟来控制总线,让外连设备可以直接访问内存,这样外连设备的读写就不需要CPU参与,降低了CPU的占用率。(通俗解释版本)

是一种不经过CPU而直接从内存存取数据的数据交换模式,在DMA模式下,CPU只须向DMA控制器下达指令,让DMA控制器来处理数据的传送,数据传送完毕再把信息反馈给CPU,这样就很大程度上减轻了CPU资源占有率,可以大大节省系统资源。(答题版本)

什么是多道程序系统?(课本11页)
多处理器系统也称并行系统或者是紧耦合系统,这类系统有多个紧密通信的CPU,他们共享计算机总线,有时还有时钟、内存和外设等。

多道程序系统的优点?
1、增加吞吐量
2、规模经济
3、增加可靠性

非对称多处理系统
每个处理器都有各自特定的任务,一个主处理器控制系统,其他处理器或者向主处理器要任务或者完成预定任务
对称多处理系统
每个处理器都要完成操作系统的任务,所有处理器对等,没有主从关系

什么是多道程序设计?
是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序,使它们在管理程序控制之下,相互穿插的运行。 两个或两个以上程序在计算机系统中同处于开始到结束之间的状态。
目的
是为了提高CPU的利用率,充分发挥计算机系统部件的并行性

什么是分时系统?
分时系统是多道程序设计逻辑上的一个延伸。把处理机时间划分成很短的时间片轮流地分配给各个联机作业使用。如果某个作业在分配给他的时间片用完之前计算还未完成,该作业就暂时中断,等待下一轮继续计算。此时处理机让给另一个作业使用。此时,多个用户分享使用同一台计算机。多个程序分时共享硬件和软件资源,分时系统具有多用户性和交互性。(宝宝结合课本15页和百度百科加百度知道暖心归纳的)

作业池
在分时和多道程序设计中需要在存储器中同时保存多个作业,但主存较小不能容纳太多作业,所以这些作业开始储存在磁盘上,这个储存地址叫作业池

作业调度
在作业池中选择作业进入内存,这样的决策叫做作业调度

CPU调度
如果有多个任务要执行,系统必须做出选择让其中一个执行,这个决策叫做CPU调度

双重模式操作(重点中的重点)
指用户模式和(内核模式或者系统模式或者特权模式)

模式位的设立是用来表示当前模式(1代表用户模式,0代表内核模式)

特权指令
特权指令指具有特殊权限的指令。这类指令只用于操作系统或其他系统软件,一般不直接提供给用户使用
它主要用于系统资源的分配和管理,包括改变系统工作方式,检测用户的访问权限,修改虚拟存储器管理的段表、页表,完成任务的创建和切换等。

常见的特权指令
有关对I/O设备使用的指令 如启动I/O设备指令、测试I/O设备工作状态和控制I/O设备动作的指令等。
有关访问程序状态的指令 如对程序状态字(PSW)的指令等。
存取特殊寄存器指令 如存取中断寄存器、时钟寄存器等指令。

转换到用户模式就是一个特权指令(课本17页)
第二章:操作系统结构
系统调用(重点)
课本41页图
系统调用类型分为五大类:
进程控制、文件管理、设备管理、信息维护、通信
操作系统的结构
1、简单结构
可以访问硬件,不稳定
2、分层方法
系统模块化,分层法的优点在于构造和调试的简单化
3、微内核
将所有非基本部分从内核中移走,并将它们实现为系统程序或者是用户程序,
微内核通常包括最小的进程和内存管理以及通信功能

优点:便于扩充操作系统,所有的新服务可以在用户空间增加,因而不需要修改内核。

第三章:进程

什么是进程(也叫作业)?
进程是执行中的程序,是具有某一功能的程序,是在某一数据集上的一次执行过程,是资源分配和调度的独立单元。还包括有程序计数器、处理器寄存器、进程堆栈段等。
进程的特性:并发性和动态性

进程的状态:
重点:(73页进程状态图)
新的、运行、等待、就绪、终止

进程控制块(PCB)
重点图(74页+82页代码)(产生中断时PCB怎么活动,也就是上下文切换)
包括:进程状态、进程编号、程序计数器、寄存器...

3.4(85页——90页)全是重点
进程间通信

进程间关系分为独立进程和协作进程
协作进程分为共享内存和消息传递

While(true)
While(((in+1)%size)==out)
;
Buffer[in]=nextproducer;
In=(in+1)%size;
}
生产者进程

While(true)
While(in==out)
;
Nextconsumer=buffer[out];
Out=(out+1)%size;
}
消费者进程

第四章:线程
什么是线程?
线程是CPU使用的基本单元,它由线程ID、程序计数器、寄存器集合和栈组成。它与属于同一进程的其他线程共享代码段、数据段和其他资源。
多线程的优点?
1、响应度高
2、资源共享
3、经济
4、多处理器体系结构的利用(增加了并发功能)
什么是线程?
线程是CPU使用的基本单元,它由线程ID、程序计数器、寄存器集合和栈组成
它与属于同一进程的其他线程共享代码段、数据段和其他资源。
如果直接使用进程并发,会产生什么问题?
进程创建很耗时间与资源,使系统性能下降
进程与线程的对比
从调度方面:
线程作为调度和分派的基本单位,而进程作为资源拥有的基本单位
从资源方面:
进程间相互独立,同一进程的各线程间共享资源。线程自己不拥有系统资源,某进程内的线程在其它进程不可见。
从并发方面:
在引入线程的操作系统中,不仅进程之间可以并发执行,而且在一个进程中的多个线程之间亦可以并发执行,使得操作系统具有更好的并发性,从而能更加有效地提高系统资源的利用率和系统的吞吐量。但进程并发代价大,线程代价小
从执行方面:
忘了....(哈哈..如果知道补充好告诉偶哦)
用户级线程
指不需要内核支持而在用户程序中实现的线程,其不依赖于操作系统核心,应用进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。
内核级线程
由操作系统内核创建和撤销。内核维护进程及线程的上下文信息以及线程切换。
以下是用户级线程和内核级线程的区别
用户级线程的程序实体是运行在用户态下的程序,而内核支持线程的程序实体则是可以运行在任何状态下的程序
内核线程的优点:
当有多个处理机时,一个进程的多个线程可以同时执行
缺点:
由内核进行调度
用户进程优点:
线程的调度不需要内核直接参与,控制简单
可以在不支持线程的操作系统中实现
代价比内核线程小
缺点:
多个处理机下,同一个进程中的线程只能在同一个处理机下时分复用
线程池
为了限制线程的数量,在进程开始时,先创建好一定数量的线程,放到池中,等待服务的使用
优点:
先创建好了线程,处理速度快;
线程池限制了线程的数量,对那些不能支持数量大线程并发的系统非常重要;

第五章:CPU调度

CPU调度的背景和概念(重点)
为了解决单处理器CPU利用率低的问题,采用多道程序设计,此时会有多个进程在内存中,当其中一个进程执行一段时间后必须等待时,此时操作系统会夺走CPU的使用权交给另一个进程,这就是CPU调度
分派程序(重点)
其实就是将CPU使用权交给短期调度选择的进程的过程
功能
切换上下文
切换到用户模式
跳转到用户程序的合适 位置,以重启程序
周转时间:进程完全结束的时间减去进程到达的时间

调度算法(重点)
FCFS
Easy......
了解护航效应(convoy effect)的概念

SJF(最小等待时间)
1、非抢占
若进程到达时间都是同一时间:
则操作系统会直接根据作业时间的大小进行选择(必须完整的执行完一个进程再换到另一个进程)
若进程到达时间都不是同一时间:
则操作系统在最短时间作业选择的时候,开始只考虑已经到了的进程,当执行完一个进程后(必须完整的执行完一个进程再换到另一个进程),又有进程到达,则把该进程纳入考虑范围内,继续进行最短时间作业选择...
2、抢占
若进程到达时间都是同一时间:
则与非抢占是一样的效果.....
若进程到达时间都不是同一时间:
则执行抢占的方法(参考141页的例子,有抢占和非抢占)

优先级调度算法
若进程到达时间都是同一时间:
直接按照优先级进行选择
若进程到达时间不是同一时间:
开始只考虑已经到了的进程,当执行完一个进程后(必须完整的执行完一个进程再换到另一个进程),又有进程到达,则把该进程纳入考虑范围内,继续按照优先级进行选择...

轮转法调度(最快响应)
Easy...不做详解

多级队列调度(了解概念即可)
进程分配到独立的队列中,每个队列有自己独立的调度算法,只能在这个队列中
多级反馈队列调度(了解概念即可)
进程分配到独立的队列中,每个队列有自己独立的调度算法,但进程可以根据执行效果在不同队列中流动

了解概念即可
亲和性
课本148

负载平衡
将工作平均分配到多个等待的处理器中,防止其中一个处理器压力山大...

确定模型
1、分析评估法
用一套评估方法去给模型打分
2、确定模型法
直接用数据去测试模型,看看结果

第六章:进程同步

临界区问题(重点 critical section,理解概念)
互斥、前进、有限等待(对应洋文一定要知道呀)
(mutual exclusion、progress、bounded waiting)

硬件同步(了解即可)

信号量(重点中的重点,算法大题应该就是它)
Wait(s) signal (s){
While(s<=0) s++;
; }
S--;
}
该方法常用,但出现了

实现(重点)
忙等待:
就是当有一个进程在临界区的时候,任何试图进入其临界区的进程都必须在进入代码连续循环

三个重点内容 经典同步问题
1、有限缓冲问题
该算法适用于解决生产者消费者问题,一般需要定义一个缓冲区大小的变量empty 初始化为n ,一个full初始化为0,表示正在缓冲区的个数,mutex初始化为1,用于实现互斥,用这三个变量就能解决这类问题 177页
2、读者写者问题
课本中程序同时达到目的为
1、没有写的时候,后续读的直接进入
2、有一个在写,后续的读和写都得等待
3、有一个在读,后续的读继续读,写进入等待
具体怎么实现的看178页代码啦~

3、哲学家进餐问题
简单来说,就是一个wait(a[i]);一个wait(a[i+1]%5)
这两个wait后如果哲学家进入了临界区,就表示这个哲学家此时占用了他相邻的两根筷子,别人就不能用了,知道signal(a[i]) 和signal(a[i+1]%5) ,说明吃完了放下筷子进入思考...

管程(了解)

第七章:死锁
死锁和死锁状态的概念
在多道程序环境下,多个进程可能竞争一定数量的资源。某个进程申请资源,如果这时资源不可用,那么该进程进入等待状态。如果所申请的资源被其他等待进程占有,那么该等待进程可能再也无法改变其状态。这种情况称为死锁 deadlock。
当一组进程的每个进程都在等待一个事件,而这一事件只能有这一组进程的另一个进程所引起,那么这组进程就处于死锁状态。

必要条件
互斥、占有并等待、非抢占、循环等待

资源分配图
没有环,一定没有死锁;有环,只是有可能有死锁(若每个资源只有一个实例,则有环就必然死锁,这也是 为什么只有一个实例的时候,可以采用资源分配图算法,而有多个的时候一般使用银行家算法)

死锁处理方法
1、死锁预防
让四个必要条件其中一个不满足就行,在必要条件之前加上否定就行
2、死锁避免
安全序列
系统能按某个顺序给每个进程分配资源而能避免死锁,这个顺序就是安全序列
安全状态无死锁,不安全状态只是可能导致死锁

安全序列不是唯一的,满足条件即可,但考试基本老师会给只有唯一的安全序列的套路,哈哈,便于批卷

资源分配图算法:
用于每个资源有单个实例的情况
银行家算法:
安全性算法
就是寻找能给所有进程分配资源的一个安全序列
课本222页的举例是必考题
资源请求算法
当一个进程请求资源的时候,先判断有没有那么多给它,如果有,再判断如果给它,新状态下有没有安全序列

死锁恢复办法
进程终止
资源抢占

第八章:内存管理

内存概念:
内存是处理器可以直接访问的唯一的大容量存储区域,他通常是用被称为动态随机访问内存的半导体技术来实现的,是一组内存字的数组,每个字都有其地址。

输入队列:也叫作业池,在磁盘上等待调入进内存的进程

CPU产生的地址叫逻辑地址,也叫虚地址、可重定位地址

MMU:内存管理单元,完成虚地址到物理地址的映射

逻辑地址+基地址(存在于重定位寄存器也叫基地址寄存器中)=物理地址

动态加载:课本240
滚入、滚出了解概念

连续内存分配
外部碎片:
进程块之间的空闲内存
内部碎片:
分配给进程的内存大于它所需要的,多出来的那部分

重点(分页)
分页使得内存非连续

物理内存中的块叫帧,逻辑内存上的块叫页

将逻辑地址通过页表映射到物理内存地址的计算:
1、首先找到逻辑地址的页号p(也就是在逻辑地址上是第几块)
2、用找到的p通过页表直接找到物理地址上帧的块数m
3、页偏移是指这个逻辑地址在其所在的那个页块偏移的数,不是从最开始数,只是从其所属的块开始数,在第一就偏移0....
4、m乘以帧的大小加上页偏移就是物理内存地址

分页技术不会产生外部碎片
内部碎片的计算:
比如 100大小的进程
页大小是30(帧和页一样大也是30),需要3个帧,但还有10的内存,也需要分配一个帧,所以产生了30-10=20的内部碎片

TLB:
转换表缓冲区
有效内存访问时间:和求期望类似
效内存访问时间=概率一时间一+概率二时间二...自己体会

页表结构(了解)

分段(重点内容)
也是一种非连续分配

其逻辑地址由<segment-number,offset>组成

段表的概念 还有图(课本261页)不做解释了...

段表的目的:
将二维的用户定义地址映射为一维地址
.页表的作用是实现从页号到物理块号的地址映射。
在页式管理系统中,用户程序中使用的地址称为 逻辑地址 ,实际访问主存时由系统将它转化为 物理地址 。
分页管理是把内存分为大小相等的区,每个区称为页帧(或页框),而把程序的逻辑空间分为若干页,页的大小与页帧的大小 相等 。
在分页存储管理中,为了加快地址变换速度,页面大小的值常取2的整数次幂。
在请求式分页系统中,被调出的页面又立刻被调入,这种频繁的调页现象称为颠簸。
分段管理中,若逻辑地址中的段内地址大于段表中该段的段长,则发生 地址越界中断。
段页式存储管理中,每道程序都有一个 段 表和若干个 页 表。
页式管理系统的逻辑地址结构由 页号 和 页内位移 组成。
分段管理中的地址映射过程是:首先找到该作业段表的 起始地址 ,然后根据逻辑地址中的 段号 去查找段表得到该段的内存起始地址,再与逻辑地址中的 段内位移 相加得到物理地址。
请求分页存储管理也称为动态页面管理,不是把一个进程映象的所有页面一次性全部装入内存,而只装入一部分,其余部分在执行中动态调入。
在段页式管理中,逻辑地址分解为段号、页号、页内位移 三部分。

第九章:虚拟内存
背景(重点)
将用户看到的逻辑内存和物理内存分开
只将部分程序放入内存就能执行
逻辑地址空间可以比物理内存空间大
许多情况下整个程序不是必须的

优点:比实际空间大
不必担心内存空间的限制
允许地址空间被多个进程共享
虚拟内存的实现:
按需调页(demand paging)
顾名思义,在需要某段程序的时候将其调人内存的技术

275页重点内容,老师说应该背下来
纯粹按需调页

支持按需调页的硬件
页表
次级存储器

产生页错误有两种情况
1、不允许访问
2、未调入内存,需要在后备存储中将其调入

写时复制(了解原理)

页面置换(重点)
基本页置换
如果没有空闲帧就查找当前没有使用的帧,并将其释放(牺牲帧),然后将其内容写到交换空间,并改变页表和帧表

引用串的计算(重点):
会给定一组地址

0100,0432,0103,0104,0890....
如果页大小是100B
则将所有地址除以页大小100,向下取整后
得1、4、1、1、8
第三步,将相邻的相同的数合为一个就行(也就是将两个相邻相同的1,保留一个就行)
得1、4、1、8

FIFO页置换:

替换已经在内存的最久没有被使用的,也就是最早进入的
这个...不好说明,很简单,课本284页

最优置换(OPT):
替换最久将会被使用的
虽然名字为最优,但后期预测其实是很难的,所以2很多时候
课本285页

LRU页置换:(重点)
反正我感觉和FIFO一样....这个再说

帧分配(了解即可)

系统颠簸(thrashing 重点中的重点)
什么是颠簸?产生颠簸的原因是什么?
(1)颠簸是由于内存空间竞争引起的。当需要将一个新页面调入内存时,因内存空间紧张,不得不将一个旧页面置换出去,而刚刚置换出去的旧页面可能又要被使用,因此需要重新将它调入。若一个进程频繁地进行页面调入调出,势必加大系统的开销,使系统运行效率降低。通常称这种现象为该进程发生了颠簸。(2)产生颠簸的原因主要有:系统内的进程数量太多,致使一个进程分得的存储块过少;系统采取的置换算法不够合理。

工作集合模型:

没听,那节课后边睡着了

第十章:文件(这章以后基本只考概念)
文件属性:
名称、标识符、类型、位置、大小、保护、时间、日期和用户标识
文件操作:
创建文件、写文件、读文件(维护一个读位置的指针)、在文件中重定位(也叫文件寻址)、删除文件(释放空间,也就是全部删除)、截短文件(删除内容保留属性)
首次使用文件时,调用open(),操作系统维护一个包含打开文件的信息表(打开文件表)
系统调用open()通常返回一个指向打开文件表中的一个条目的指针。
解决多个进程打开同一文件的问题:
操作系统采用两级内部表,分别是进程的表和整个系统的表
四个概念324页
文件指针
文件打开计数器
文件磁盘位置
访问权限
文件类型(了解)
访问方法(重点)
顺序访问
磁带类型,文件信息按顺序一个一个处理,并且自动前移文件指针,以跟踪IO位置
适用于顺序访问设备,也适用于随机访问设备
直接访问(相对访问)
基于文件的磁盘模型
文件由固定长度的逻辑记录组成,以允许程序按任意顺序进行快速读写
对访问大量信息极为有用(数据库经常使用)
其他访问方式
在直接访问的基础上,建立一个文件索引(索引包里包括文件块的指针),查找文件时,首先搜索索引,再根据指针直接访问文件
目录结构
存储结构
磁盘分区:
一个磁盘上装有多个文件系统,或一部分用于文件系统而另一部分用于其他地方,如交换空间或非格式化的磁盘空间
卷:
带有文件系统的磁盘分区叫卷
目录概述
记住相关操作,除了基本的创建、删除...还有跟踪文件系统,也就是定期备份整个文件系统到磁盘
单层目录结构
所有文件位于同一目录
特点:
便于了解和支持
缺点:
随着文件数目的增加,单层目录不能重名,会使用户难以记住所有文件名称
双层目录结构
第一层是主文件目录(MFD),也就是用户目录,每个用户目录都有自己飞用户目录文件(UFD),也就是第二层;
当一个用户引用特定文件时,只需要搜索他自己特定的UFD,不同用户可具有相同文件名

双层目录结构其实就是高度为2的树
树状结构目录
将双层目录结构继续扩展
目录包括一组文件和子目录,每个子目录有相同结构(树),创建和删除目录条目都需要调用特定的系统调用
通常情况下每个进程都有一个当前目录,进程需要文件时首先查看当前目录(也就是先看相对地址),如果没找到,再根据指定路径或者改变当前目录
绝对路径名:
从树根开始给出目录名知道文件
相对路径名:
从当前目录开始定义路径
无环图目录
树状结构目录的一个扩展,树状结构目录不允许共享文件和目录,无环图目录可以
实现共享的方法
如Unix采用创建一个链接,实际上是另一文件或目录的指针
通用图目录
339页了解一下
文件系统安装(了解)
第十一章:文件系统实现
分层设计的文件系统:
容易考选择题
应用程序——逻辑文件系统——文件组织系统——基本文件系统——I/O控制
——设备
概述
引导控制块,包括系统从该引导操作系统所需要的信息,通常为均卷的第一块,
UFS称之为引导快,NTFS为分区引导扇区
每个卷的控制块,包含卷或者分区的详细信息,如分区块数,块大小,空闲块的数量和指针,UFS称之为超级块,在NTFS中它存在于主控文件表中

系统范围内的打开文件表
包含每个发开文件的FCB副本和其他信息
单个进程的打开文件表
包括一个指向系统范围内已经打开卷文件表中合适条目的指针和其他信息

考点
创建文件的主要过程
应用程序调用逻辑文件系统,逻辑文件系统知道目录结构形式,它将分配一个新的FCB,然后系统将相应的目录信息读入内存,用新的文件名更新该目录和FCB

考点
打开和关闭文件的过程
356页

分区安装(不考)
虚拟文件系统(不考)

目录实现
目录的实现方法
最为简单的目录实现方法是使用存储文件名和数据块指针的线性列表(数组、链表等)
容易实现
但运行费时
采用线性搜索来查找特定条目(缺点)
许多操作系统采用软件缓存来存储最近访问过的目录信息
Hash表:采用Hash数据结构的线性表
减少了目录搜索时间
碰撞:两个文件名哈希到相同的位置
哈希表的最大困难是其通常固定的大小和哈希函数对大小的依赖性

分配方法
考选择题
分配方法指的是如何为文件分配磁盘块,常用的分配方法有以下三类
连续分配:每个文件占据磁盘上的一组连续的块
特点:1简单 - 只需要记录文件的起始位置(块号)及长度。2访问文件很容易,所需的寻道时间也最少
存在的问题:1为新文件找空间比较困难(类似于内存分配中的连续内存分配方式)文件很难增长
链接分配:每个文件是磁盘块的链表;磁盘块分布在磁盘的任何地方。
优点:1简单 - 只需起始位置2.文件创建与增长容易。
缺点:1.不能随机访问2.块与块之间的链接指针需要占用空间3. 存在可靠性问题
簇:将多个连续块组成簇,磁盘以簇为单位进行分配
索引分配:将所有的数据块指针集中到索引块中。
1.索引块中的第i个条目指向文件的第i块。2目录条目包括索引块的地址
索引分配支持直接访问,且没有外部碎片问题
索引块本身可能会浪费空间
链接方案:一个索引块通常为一个磁盘块。对于大文件,可以将多个索引块链接起来。
多层索引:类似于内存的间接寻址方式(一级、二级间接…)
组合方案:如Unix的inode

空闲空间管理(了解)
效率与性能(不考)
后面都不考

十二章:大容量存储器的结构
简介和磁盘结构
了解
磁盘调度
了解
1.磁盘调度算法有哪些?每种方法的优缺点。
答:FCFS、SSTF、扫描(SCAN)算法 、循环扫描(CSCAN)算法、look调度
FCFS:先来先服务,它根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。
SCAN:扫描算法,磁头不停的往复运动,由边缘至中心然后返回,沿途执行已经到来的访问。
CSCAN:循环扫描算法,在SCAN算法的基础上规定磁头单向移动。
在朝一个方向移动时会看是否有请求
磁盘管理
不考
交换空间管理
了解
考点
RAID结构(考点)
磁盘冗余阵列
一个磁盘损坏并不会导致数据的丢失,这里的多种磁盘组织技术,统称为磁盘冗余阵列,用于提高性能和可靠性
镜像
引入冗余复制整个磁盘,最为昂贵
通过并行处理改善性能、
位级分散
通过在磁盘上分散数据,可以改善传输率,数据分散是在多个磁盘上分散每个字节的各个位,这种分散就是位级分散。
RAID级别
镜像法和分散法的结合使用

其他知识点不考
十三章:I/O
考点
Io硬件
426页图
轮询和中断
直接内存访问(年年考)
DMA
在前面介绍过DMA工作过程
书432页也有
主机向内存中写入DMA命令块,包含源地址指针、目的指针、字节数等等信息,CPU将其写入DMA控制器后,DMA继续下去直接操作内存总线,无需CPU帮助

IO应用接口
考点,选择题
属于操作系统的是设备控制器以上,不包括设备控制器这一层
435页图
缓冲(考点)
什么是缓冲什么是缓存?
buffer与cache操作的对象就不一样。
buffer缓冲是为了提高内存和硬盘或其他I/0设备之间的数据交换的速度而设计的。
cache缓存是为了提高cpu和内存之间的数据交换速度而设计。
为什么引入缓冲(目的是什么?)
答:(1) 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾(2) 减少对cpu的中断频率,放宽对cpu中断响应时间的限制(3)提高cpu和I/O设备之间的并行性
试从调度性,并发性,拥有资源和系统开销几个方面对线程与进程进行比较
调度
● 在传统的操作系统中,作为拥有资源的基本单位和独立调度、分派的基本单位都是进程。
● 在引入线程的操作系统中,把线程作为调度和分派的基本单位,而进程作为资源拥有的基本单位,把传统进程的两个属性分开,使线程基本上不拥有资源,这样线程便能轻装前进,从而可显著地提高系统的并发程度。
● 在同一进程中,线程的切换不会引起进程的切换,但从一个进程中的线程切换到另一个进程中的线程时,将会引起进程的切换。
并发性
在引入线程的操作系统中,不仅进程之间可以并发执行,而且在一个进程中的多个线程之间亦可并发执行,使得操作系统具有更好的并发性,从而能更加有效地提高系统资源的利用率和系统的吞吐量。

  1. 拥有资源
    ● 不论是传统的操作系统,还是引入了线程的操作系统,进程都可以拥有资源,是系统中拥有资源的一个基本单位。
    ● 一般而言,线程自己不拥有系统资源(也有一点必不可少的资源),但它可以访问其隶属进程的资源,即一个进程的代码段、数据段及所拥有的系统资源,如已打开的文件、I/O设备等,可以供该进程中的所有线程所共享。
  2. 系统开销
    ● 在创建或撤消进程时,系统都要为之创建和回收进程控制块,分配或回收资源,如内存空间和I/O设备等,操作系统所付出的开销明显大于线程创建或撤消时的开销。
    ● 就切换代价而言,进程也是远高于线程的。此外,由于一个进程中的多个线程具有相同的地址空间,在同步和通信的实现方面线程也比进程容易。在一些操作系统中,线程的切换、同步和通信都无须操作系统内核的干预。

概念题:
1.Thrashing颠簸
a process is busy swapping pages in and out
2.System call系统调用
进程与操作系统之间的接口
3.Critical section临界区
进程中关于临界资源的代码段
4.Directory目录
是为了对文件实施有效管理,将他们妥善的管理起来
5.Overlay
任何时候只在内存中保存所需的指令和数据,当需其他指令时,他们会装入到刚刚不再需要的指令的内存空间内。通过在内存中只存放需要的指令和数据,使进程可以得到比自己已被分配的资源更大的资源。
6.SPOOLing
技术是利用高速的共享设备,将独享设备变成逻辑上可共享的虚拟设备的技术,以提高设备利用率。
7.convoy effect护航现象
由于所有进程都在等待一个大进程释放CPU资源,这样就会产生护航现象
8.swapping交换
进程需要在内存中以便执行,不过进程可以暂时从内存中交换出来到备份存储上,当需要执行时再调回到内存中
9.Overall覆盖
覆盖技术主要用于早期的操作系统 其实现过程是首先由程序员把程序按功能划分成若干个相对独立的程序段并规定好他们的执行和覆盖顺序
让那些不会同时执行的程序段共享一个内存分区并把这些程序段组成一组,称为覆盖段 而把共享的内存分区成为覆盖区 覆盖段与覆盖区一一对应.覆盖段暂时先保存在磁盘上,当需要执行时再调入内存覆盖区中.覆盖前面的程序段.从而达到了较小的内存空间运行加大程序的目的
10.上下文切换(context switch):将CPU切换到另一个进程需要保存当前进程的状态和恢复另一个进程的状态
11.设备队列(device queue):等待待定I/O设备的进程列表
12.级联终止(cascading termination):如果一个进程终止(正常或不正常),那么它的所有子进程也必须终止。
13.进程(process): 进程是执行中的程序,包括程序计数器,进程堆栈段,数据段。
14.进程控制块(PCB):包括 进程状态(process state),程序计数器(program counter),
CPU寄存器(CPU register),CPU调度信息(CPU-scheduling information),内存管理信息(memory-management information),记账信息(accounting information),I/O状态信息(I/O status information)
15.线程库(thread library):提供创建和线程管理的API
16.线程(thread):CPU使用的基本单元,它由线程ID,程序计数器,寄存器集合和栈组成。
17.无穷阻塞(indefinite blocking)或饥饿(starvation):(优先级调度算法)使某个低优先级进程无穷等待CPU
18.老化(aging):解决无穷阻塞(或饥饿)。逐渐增加在系统中等待很长时间的进程的优先级
19.死锁(deadlock):在多道程序环境下,多个进程可能竞争一定数量的资源。某个进程申请资源,如果这时资源不可用,那么该进程进入等待状态。如果所申请的资源被其他等待进程占有,那么该等待进程有可能再也无法改变其状态。
20.时间片(time quantum或者time slice)一个较小时间单元,通常为10~100ms
21.分析评估算法(analytic evaluation):使用给定算法和系统负荷,产生一个公式或数字,以评估对于该负荷下算法的性能分析。
22.确定性建模(deterministic modeling):采用预先确定的负荷,计算在给定负荷下每种算法的性能。
23.竞争条件(race condition):多个进程并发访问和操作同一数据且执行结果与访问发生的特定顺序有关。
24.事物(transaction):执行单个逻辑功能的一组指令或操作
25.线程取消(thread cancellnation):在线程完成之前来终止线程的任务
26.目标线程(target thread):要取消的线程
27.异步延迟(asynchronous cancellation): 一个线程立即终止目标线程
28.延迟取消(deferred cancellation):目标线程不断地检查它是否应终止,这允许目标线程有机会按着有序方式来终止自己
29.取消点(cancellation point):一个线程可以被安全取消的点
30.CPU调度算法准则(五条):
CPU利用率(CPU utilization):需要使CPU尽可能的忙
吞吐量(throughput):指一个单位时间内所完成进程的数量
周转时间(Turnaround time):从进程提交到进程完成的时间段
等待时间(waiting time):在就绪队列中等待所花时间之和
响应时间(response time):从提交请求到产生第一响应的时间
31.中断
在CPU运行过程中,由于内部或外部某个随机事件的发生,使CPU暂停正在运行的程序,而转去执行处理引起中断事件的程序,完成后返回原来的程序继续执行。这个过程称为中断。
32.外部碎片(external fragmentation):随着进程装入和移出内存,空闲内存空间被分为小片段,这些便是外部碎片。当所有总的可用内存之和可以满足请求,但并不连续时,就出现了外部碎片问题。
33.内部碎片(internal fragmentation):通常将内存以固定大小的块为单元来分配,采用这种方案,进程所分配的内存可能比所需要的要大。这两个数字之差称为内部碎片。这部分内存在分区内,但又不能使用。
34.紧缩(compaction):紧缩的目的是移动内存内容,以便所有空间合并成一整块。
35.转换表缓冲区(translation look-aside buffer,TLB):TLB是关联的快速内存。TLB条目有两部分组成:键(标签)和值,当关联内存跟给定值查找时,它会同时和所有键进行比较。这种查找方式比较快,不过硬件也比较昂贵。
36.命中率(hit ratio):页码在TLB中被查找到的百分比称为命中率。
37.虚拟内存(virtual memory):将用户逻辑内存与物理内存分开。这在现有物理内存有限的情况下,为程序员提供了巨大的虚拟内存。
38.按需调页(demand paging):只有程序执行时才载入页,那些从未访问过的页不会调入到物理内存。
39.懒惰交换(lazy swapper):懒惰交换只有在需要页时,才将它调入内存。
40.交换空间(swap space):辅助存储器用来保存不在内存中的页。辅助存储器通常为快速磁盘。它通常称为交换设备,用于交换的这部分磁盘称为交换空间。
41.颠簸(thrashing):如果一个进程在换页上用的时间要多于执行时间,那么这个进程就在颠簸。
42.全局置换(global replacement):全局置换允许一个进程从所有帧集合中选择一个置换帧,而不管该帧是否已分配其他进程,即一个进程可以从另一个进程中拿到帧。
43.局部置换(local replacement):局部置换要求每个进程仅从自己的分配帧中进行选择。
44.工作集合(working set):如果一个页正在使用中,那么它就在工作集合内,如果它不再使用,那么它会在其上次引用的多个时间单位后从工作集合中删除。因此,工作几何是程序局部的近似。
45.文件属性(file attributes):文件属性包括——名称、标识符、类型、位置、大小、保护、时间、日期和用户标识。
46.打开文件表(open-file table):操作系统维护一个个包含所有打开文件的信息表。每个打开文件包含以下信息:文件指针、文件打开计数器、文件磁盘位置、访问权限。
47.生磁盘(raw disk):用于没有合适文件系统的地方。
48.连续分配(contiguous allocation):方法要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。磁盘地址为磁盘定义了一个线性的序列。用于访问连续分配文件所需要的寻道数最小,在确实需要寻道时所需要的寻道时间也最小。
49.链接分配(link allocation):解决了连续分配的所有问题。采用链接分配,每个文件是磁盘的链表;磁盘块分布在磁盘的任何地方。目录包括文件第一块的指针和最后一块的指针。用户不能使用这些指针。一个采用链接分配方法的变种是文件分配表(file-allocation table,FAT)的使用
50.簇(cluster):由多个块组成。
51.索引分配(indexed allocation):通过把所有指针放在一起,即通过索引块(index block)解决问题。每个文件都有索引块,这是一个磁盘块地址的数组。目录条包括索引块的地址。
52.空闲空间管理(free-space management):系统需要维护一个空闲空间链表(free-space list)以记录空闲磁盘空间,即未分配给文件或目录的空间。空闲空间管理分为以下几种:位向量(Bit Vector)、链表(Linked List)、组(Grouping)、计数(Counting)。
53.管程 组成:
①局部于管程的共享变量说明;
②对该数据结构进行操作的一组过程;
③对局部于管程的数据设置初始值的语句。此外,还须为管程赋予一个名字。
1.简答题
1.What is the difference between process and program?
程序是完成所需求的功能时,所应采取的顺序步骤,是执行指令的有续集和,进程是执行中的程序,包括程序计数器,进程堆栈段,数据段。
程序和进程的区别:
程序是一个静态的概念,作为一种资源可以永久的存放在磁盘中,进程是程序执行的动态活动过程,随程序的执行而发生,随程序的结束而消亡。
静止状态的程序和数据是相互独立的信息集合,进程中的程序和数据是一个不可分割的实体。
一个程序可以对应多个进程
程序是静态的,是永久存在的,而进程是动态的,且存在生命周期。程序是一组有序的指令集合,进程是程序及数据在计算机上的一次执行。
What is the difference between process and thread?
线程划分的尺度小,所以并发性高,而进程划分的尺度相对较大。线程是CPU执行的基本单元,而进程是内存分配的基本单元。
进程和线程的区别:
进程是运行中的程序,是一个动态的概念,获得了计算机资源,执行了任务。而线程是进程中的一个单一的组成部分,一叫做轻量级进程,是程序执行的最小单位。
父进程和子进程有自身的数据和代码空间,而同一个进程的各个线程是共享进程的代码和数据,文件等,自己保存寄存器的值。
进程是资源分配的最小单位,线程是程序执行的最小单位。
2.What is the cause of trashing? How does the system detect thrashing? Once it detects thrashing, what can the system do to eliminate this problem?
原因:进程所需的最少数量得不到满足,从而产生频繁连续的页错误和页置换,使CPU使用效率低,从而产生颠簸现象。
检测:可以通过比较多道程序程度和CPU使用率来检测。
处理方法:a)减低多道程序设计程度b)采用局部置换,即颠簸进程只能置换自己的页c)采用局部模型检查某一时刻进程所需要的帧数,为其分配足够多的页。
3.What is SPOOLing? Describe how SPOOLing works using printer as an example.
利用高速的共享设备,将独享设备变成逻辑上可共享的虚拟设备的技术,以提高设备利用率。
系统对于用户的打印输出,但并不真正把打印机分配给该用户进程,而是先在输出井中申请一个空闲盘块区,并将要打印的数据送入其中;然后为用户申请并填写请求打印表,将该表挂到请求打印队列上。若打印机空闲,输出程序从请求打印队首取表,将要打印的数据从输出并传送到内存缓冲区,再进行打印,直到打印队列为空。
4.Consider a system consisting of 4 resources of the same type that are shared by three processes, each of which needs at most 2 resources. Show that the system is deadlock free.
因为一共有4个资源,所以3个人无论怎么分配,都至少有一个人持有两个资源,也就是说至少有一个人可以顺利执行,其他人等他执行完便可以相继的顺利执行了,所以不存在死锁的现象。
5.What is system call? How many kinds of system calls are there? And what the mainly function of each kind?
进程与操作系统之间的接口。
系统调用提供了进程与操作系统之间的接口,在最底层,系统调用允许运行程序直接向操作系统发出请求,系统调用允许用户组进程向操作系统请求服务。
系统调用分五类:进程控制、文件管理、设备管理、信息维护、通信。
进程控制:创建进程、终止进程、取得进程属性等。
文件管理:创建删除文件、对文件打开关闭、读写以及重定位、取得文件属性等。
设备管理:请求释放设备、对设备读写以及重定位、取得设备信息等。
信息维护:用户程序与操作系统之间的信息传递,可以访问操作系统的进程信息。
通 信:创建删除通信连接、发送接收信息、连接中断远程设备等。
6.Give a brief explanation of three major methods of allocating disk space: contiguous, linked, and indexed. Which types FAT and Unix File System respectively belong to?
答:连续分配:要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块
链接分配:每个文件是磁盘块的链表,只需开始块的地址即可
索引分配:把指向文件的所有指针单独存到了索引块中,目录条目中包含了索引块的地址
FAT:链接分配
Unix File System:索引分配
7.What's the difference between External Fragmentation and Internal Fragmentation?
外部碎片:随着进程装入和移出内存,自由空间被分为小片段,当所有总的内存之和满足请求但并不连续时,就会出现外部碎片现象。
内部碎片:将内存以固定大小的单元进行分配,进程所分配的可能比所需要的大,这两个数字之差称为内部碎片。这部分内存在分区内而又不能用。
8.Consider a system with 6 tape drives, being shared by N processes. Each process needs at most 2 tape drives at a time. What value of N can make the system deadlock-free?
n(x-1)+1<=m
n 进程数
m 资源数
x 一个进程最多可以申请的资源数
答案:5
9.What is deadlock? What is startvation? How do they differ from each other?
在多道程序系统中,当一组进程中的每个进程均无限期地等待被改组进程中的另一进程所占有且永远不会释放的资源,此时的系统处于死锁状态,简称死锁。
饥饿是无限期的等待。
饥饿没有等待时间的上限 只是某一个程序不能运行 死锁则是系统不能继续运行。
死锁进程处于等待状态,饥饿不然。死锁可以检测,饥饿不然
10.What is a process? What are attributes of a process?
进程是一个可并发执行的具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次执行过程,也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。
进程状态,程序计数器,cpu寄存器,cpu调度信息,内存管理信息,记账信息,io状态信息
11.什么是死锁?产生死锁的原因和必要条件是什么?
答:(1)在多道程序系统中,当一组进程中的每个进程均无限期地等待被改组进程中的另一进程所占有且永远不会释放的资源,此时的系统处于死锁状态,简称死锁。
(2)死锁产生的原因:(a)系统提供的资源有限;(b)进程推进顺序不当。
(3)产生死锁的必要条件:互斥,占有并等待,循环等待,非抢占
12.形成死锁的必要条件(4条):
互斥(mutual exclusion):至少有一个资源必须处于非共享模式,即一次只有一个进程使用。如果另一进程申请该资源,那么申请进程必须等到该资源被释放为止。
占有并等待(hold and wait):一个进程必须占有至少一个资源,并等待另一资源,而该资源为其他进程所占有。
非抢占(no preemption):资源不能被强占,即资源只能被进程在完成任务后自愿释放。
循环等待(circular wait):有一组等待进程{P0,P1,……,Pn},P0等待的资源为P1所占有,P1等待的资源为P2所占有……P(n-1)等待的资源为Pn所占有,Pn等待的资源为P0所占有。
13.死锁恢复的方法(两种):
终止进程(两种)
终止所有死锁进程
一次只终止一个进程,直到所有取消死锁循环为止
资源抢占
此方法需要考虑3种问题
选择一个牺牲品
回滚
饥饿

14.说明作业调度,中级调度和进程调度的区别,并分析下述问题应由哪一级调度程序负责。
(1) 在可获得处理机时,应将它分给哪个就绪进程;
(2) 在短期繁重负载下,应将哪个进程暂时挂起。
答:(1) 作业调度用于决定把外存中处于后备队列中的哪些作业调入内存,并为它们创建进程,分配资源,然后将新创建进程插入就绪队列;中级调度负责将内存中暂时不具备运行条件的进程换到外存交换区存放,但内存空闲时,又将外存中具备运行条件的进程重新换入内存;进程调度决定将处理机分配给就绪进程队列的哪个进程。
(2)进程调度、中级调度
15.多线程(multiple processes)的好处(四点):
响应度高(Responsiveness),资源共享(Resource sharing),经济(Economy),多处理器体系系统结构的利用(Utilization of MP architectures)
16.What is the difference between Hard and Soft real-time systems?
硬实施:有固定的期限,必须在期限内完成。软实施:只是把任务置于最高优先级
17.List and describe the three memory allocation algorithms covered in lectures. Which is more commonly used in practice?
连续分配(单区间,多区间),非连续分配(分页,分段)
最常用:分页,分段
18.What file access pattern is particularly suited to chained file allocation on disk?
其他访问模式
What file allocation strategy is most appropriate for random access files?
索引分配
19.What are three requirements of any solution to the critical sections problem? Why are the requirements needed?
前进,互斥,有限等待
没有互斥就会产生竞争条件,几个进程交替修改公共变量造成不一致。没有前进的话,其他进程都不在临界区的时候,其他进程无法进入临界区
20.What is convoy effect ? Given an example to explain
很多小进程等待一个大进程的完成。
例如在FCFS里面。
所有其他进程都等待一个大进程释放CPU,导致CPU和设备的使用率变得更低。 FCFS调度算法是非抢占的。一旦CPU被分配给了一个进程,该进程就会保持CPU直到释放CPU为止。
21.What is an interrupt? Explain briefly giving an example.
中断是当有紧急事务需要CPU暂时替换出当前任务执行新任务并在执行新任务后恢复到就任务的现场。

断电的时候CPU保存Word中数据。
22.What resources are used when a thread created? How do they differ from those when a process is created?
因为一个线程小于一个进程,因此,创建线程所用的资源一般比创建进程所用的资源少。创建一个进程需要分配进程控制块(PCB),一个相当大的数据结构,PCB包括了一个内存映射,打开文件的目录和外界变量。分配和管理内存映射通常是最费时的活动。创建一个用户或内核线程包括分配一个小的数据结构来控制寄存器的设置,堆栈和优先级。

进程被创建时需要:代码段 数据段 堆栈 程序计数器
线程创建时需要: 栈 代码数据公用 程序计数器
23.What is the producer consumer problem? Give an example of its occurrence in operating systems
临界区只有固定数量的资源,生产者和消费者不可以同时访问临界区资源。
打印机
24.Describe a two-level page table? How does it compare to a simple page table array?
第一级页表是根据逻辑地址找到第二级页表的基址,第二级页表根据逻辑地址找到实际物理地址。
当内存较大,每个页表较小时需要较大量的页条目,简单页表过于庞大。
25.What is a directory?
可以看做是一个符号表,将文件名翻译成包含文件的各种属性如:名字,类型,大小,存储位置等信息的条 目,从而建立起和物理地址的映射关系,实现按名存取文件
26.Although DMA does not use the CPU, the maximum transfer rate is still limited. Consider reading a block from the disk. Name three factors that might ultimately limit the rate of transfer.
硬盘缓冲区的大小,磁盘的转速,磁盘的seek time。
27.Suppose that we have a message-passing system using mailboxes. When sending to a full mailbox or trying to receive from an empty one, a process does not block. Instead, it gets an error code back. The process responds to the error code by just trying again, over and over, until it succeeds. Does this scheme lead to race conditions?
竞争条件是指多个进程同时访问和操作共享数据,从而使共享数据的值由最后完成修改的线程决定。而上面的消息传递机制属于异步机制,这种操作不满足竞争条件。
28.Under what circumstances do page faults occur? Describe the actions taken by the operating system when a page fault occurs?
在内存中找不到请求页时会发生页错误。
操作系统回到另外一张表中判断请求页是否有效,然后会到内存中获取空闲帧,并把请求页交换到空闲帧去,再重置页表中相关参数,最后重新执行指令。
29.The file system buffer cache does both buffering and caching. Describe why buffering is needed. Describe how buffering can improve performance (potentially to the detriment of file system robustness).
不论何时文件系统需要从它的底层的物理设备读取一个缓冲区的时候,它都试图从 buffer cache 中得到一个块。如果它不能从 buffer cache 中得到一个缓冲区,它就从适当大小的空闲列表中取出一个干净的缓冲区,这个新的缓冲区会进入到 buffer cache 中。如果它需要的缓冲区已经在 buffer cache 中,那么它可能是也可能不是最新。如果它不是最新,或者它是一个新的块缓冲区,文件系统必须请求设备驱动程序从磁盘上读取适当的数据块。
30.Describe four general strategies for dealing with deadlocks.
忽略问题
通过破坏死锁产生的四个必要条件阻止死锁。
通过资源分配来动态避免死锁。
允许系统进入一个死锁状态,然后恢复。
31.Describe the two general roles of an operating system, and elaborate why these roles are important
程序控制者:最大化用户正在进行的工作。
资源分配者:管理各种资源,并保证系统内各种请求之前的有效性和公平性。
32.Multi-programming (or multi-tasking) enables more than a single process to apparently execute simultaneously. How is this achieved on a uniprocoessor?
通过信号量,通过信号量的wait和signal操作,使得同一时刻只有一个进程执行。
33.Systems that support sequential files always have an operation to rewind files. Do systems that support random access files need this too?
不需要。支持随机访问文件的系统可以将文件指针指定到任意位置,也就无需再有重置指针的方法了。
34.Why are multi-level page tables often used instead of ordinary (single-level) page tables? What is the added cost associated with using multi-level page tables?
由于现代操作系统中页表空间较大,我们也不可能连续地在内存中分配这个页表,所以需要将页表进行再分页。
增加的代价是在页表中页表结构变得复杂,搜索时间变长。
35.As a process executes, which states does it change among? How can a process change its state from one to another?
新建,就绪,运行,等待,终止 状态转换的说明新-就绪:新进程被允许后进入就绪队列就绪-运行:当处理机空闲时,系统按照一定调度算法从就绪状态中选择一个使其占用处理机运行。运行-就绪:分配给进程的时间片用完时,或出现一个更紧急的进程时运行-等待:运行的进程需要等待某一事件发生后,才能继续往下运行等待-就绪:处于等待的进程,如果其等待的事件已经发生,表示阻塞的原因已解除,则该进程从等待转为就绪
36.Direct memory access is used for high-speed I/O devices in order to avoid increasing the CPU’s execution load.
(1) How does the CPU interface with device to coordinate the transfer?
有一个dma控制器,cpu通过设置dma控制器的寄存器,由dma控制器来控制硬盘进行数据传输
(2) How does the CPU know when the memory operations are complete?
dma控制器通过中断通知cpu
37.What is a locality?
局部模型:当进程执行时,它从一个局部移向另一个局部。局部是一个经常使用页的集合。
What is a working set?
一定固定数量的并且已经映射到内存的页面的集合。

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