什么是操作系统？操作系统的作用有哪些

操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，以及方便用户使用的程序集合。

作用：

作为用户与计算机硬件系统之间的接口
作为计算机系统资源的管理者
用作扩充机器

操作系统通常具有哪4个基本特征

并发
共享
虚拟
异步性

操作系统应实现哪些基本目标

使计算机系统更易于使用（方便性）
以一种效率的方式使用资源（有效性）
采用模块化结构，易于增、删、改（可扩充性）
要求统一开放的环境，能通过网络集成化并正确、有效地协同工作，实现应用程序的移植（开放性）

操作系统的基本功能有哪些

处理器管理：主要控制和管理CPU的工作，控制和管理处理机。主要功能是进程控制、进程同步、进程通信和进程调度等
存储管理：主要进行内存的分配和管理。主要功能是内存分配、内存保护、地址映射、内存扩充等
设备管理：主要管理基本的输入输出设备。主要功能是缓冲管理、设备分配、设备处理、虚拟设备等
文件管理：负责对计算机文件的组织、存储、操作和保护等。
用户接口管理：主要负责管理操作系统提供给用户的接口，使用户能够方便地与计算机系统交互。主要功能为命令接口，程序接口，图形接口等。

处理机管理功能

主要任务：

对处理机进行分配
对处理机运行进行有效的控制和管理

处理机管理的功能：

进程控制
进程同步
进程通信
调度

存储器管理功能

主要任务：

为多道程序的运行提供良好的环境
方便用户使用存储器
提高存储器的利用率
从逻辑上扩充内存

功能：

内存分配
内存保护
地址映射
内存扩充

设备管理功能

主要任务：

完成用户提出的I/O请求
为用户分配I/O设备
提高I/O设备的利用率及速度
方便用户使用I/O设备

功能：

缓冲管理
设备分配
设备处理
虚拟设备

文件管理功能

主要任务：

对用户文件和系统文件进行管理
方便用户使用文件
保证文件的安全性

功能：

文件存储空间的管理
目录管理
文件的读、写管理
文件的共享与保护

用户接口管理的功能

主要任务：

方便用户使用操作系统

功能：

命令接口
程序接口（系统调用）
图形接口

什么是通用操作系统？

如果一个操作系统兼有批处理、分时和实时系统三者或二者的功能，则称该操作系统为通用操作系统。

根据程序段绘制语句的前驱图

程序的顺序执行：

简要描述程序和进程之间的区别

程序是指令的有序集合，其本身没有任何运行的含义，它是一个静态的概念。而进程是程序在处理机上的一次执行过程，它是一个动态概念。
程序的存在是永久的。而进程则是有生命期的，它因创建而产生，因调度而执行，因得不到资源而暂停，因撤消而消亡。
程序仅是指令的有序集合。而进程则由程序段、相关数据段和进程控制块（PCB）组成。
进程与程序之间不是一一对应。

	程序	进程
概念	静态	动态
所在存储器	外存	内存
存在时间	永久	有生命期
组成	有序指令	程序段,数据段,PCB
对应关系	一个程序可对应多个进程一个进程可对应多个程序

请简要描述进程的3种基本状态

就绪: 进程已获得了除处理机以外的所有资源，等待分配处理机执行的等待状态。
运行/执行: 当一个进程获得必要的资源并正在处理机上执行的状态。
等待/阻塞: 正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法执行下去，此时进程所处的状态。

进程三种基本状态的转换图

进程创建的流程图

同步机制应当遵循哪些规则

有空让进(空闲让进）:当无进程处于临界区时，表明临界资源处于空闲状态，应允许一个请求进入临界区的进程立即进入自己的临界区，以有效地利用临界资源。
互斥（忙则等待）:当已有进程进入临界区时，表明临界资源正在被访问，因而其他试图进入临界区的进程必须等待，以保证对临界资源的互斥访问
有限等待:对要求访问临界资源的进程，应保证在有限时间内能进入自己的临界区，以免陷入“死等”状态.
让权等待:当进程不能进入自己的临界区时，应立即释放处理机，以免进程陷入“忙等”。

关于信号量的典型例题

读者-写者问题

writer进程要求写或修改。允许多个reader进程同时读共享数据，但绝不允许一个writer进程与其它的reader进程或writer进程同时访问，即writer进程必须与其它进程互斥访问共享对象。请用PV操作实现相应的reader和writer进程

semaphore rmutex = 1; /* 读互斥信号量 */
semaphore wmutex = 1; /* 写互斥信号量 */
int readcount = 0;
Main() {
    cobegin
        reader();
        writer();
    coend
}

reader() {
    while (true) {
        P(rmutex);
        if (readcount == 0) P(wmutex); /* 第一位读者阻止写者 */
        readcount++;
        V(rmutex);
        读数据集；
        P(rmutex);
        readcount--;
        if(readcount == 0) V(wmutex); /* 第末位读者允许写者 */
        V(rmutex);
    }
}

writer() {
    while (true) {
        P(wmutex); /* 阻止其它进程（读写）进 */
        写数据集;
        V(wmutex); /* 允许其它进程（读写）进 */
    }
}

现有四个进程：R1，R2，W1和W2，它们共享可以存放一个数的缓冲区B。

进程R1每次把从键盘上读入的一个数存到缓冲区B中，供进程W1打印输出；

进程R2每次把从磁盘上读入的一个数存到缓冲区B中，供进程W2打印输出。

怎样用P、V操作协调四个并发进程的工作？

设信号量e，f1，f2

其初值分别为e=1,f1=0,f2=0 // e表示一个可用资源，f1表示R1生产的，f2表示R2生产的

R1:

L:
	P(e)
	从键盘上读入的一个数存到缓冲区B中
	V(f1)
Goto L

R2:

L:
	P(e)
	从键盘上读入的一个数存到缓冲区B中
	V(f2)
Goto L

W1:

L:
	P(f1)
	将缓冲区B中的数据打印输出
	V(e)
Goto L

W2:

L:
	P(f2)
	将缓冲区B中的数据打印输出
	V(e)
Goto L

系统中有三个进程GET、PRO、PUT，如图所示，共有两个缓冲区BUF1和BUF2，

假设BUF1中最多可以放11个信息，现已放入了两个信息；BUF2最多可放5个信息

GET进程负责不断地将输入信息送入BUF1中，PRO进程负责从BUF2中读取结果并输出。

使用P、V操作写出正确实现GET、PRO、PUT的同步与互斥的算法

semaphore empty1=9	// 空buf1的数目
semaphore full1=2	// 有数据的buf1的数目
semaphore empty2=5	// 空buf2的数目
semaphore full2=0	// 有数据的buf2的数目
semaphore mutex1=mutex2=1

int main(){
    Cobegin	// 并发开始
        GET();
    	PRO();
    	PUT();
    Coend	// 并发结束
    return 0;
}

// GET进程
void GET() {
    while(1){
        ...
        P(empty1); // wait()
        P(mutex1);
        将信息送入buf1；
        V(mutex1); // signal()
        V(full1);
        ...
    }
}

// PRO进程
void PRO() {
    while(1) {
        ...
        P(full1);
        P(mutex1);
        从buf1中取出信息；
        V(mutex1);
        V(empty1);
        P(empty2);
        P(mutex2);
        将信息送入buf2；
        V(mutex2);
        V(full2);
        ...
    }
}

// PUT进程
void PUT() {
    while(1) {
        P(full2);
        P(mutex2);
        从buf2中取出信息;
        V(mutex2);
        V(empty2);
    }
}

产生死锁的4个必要条件是什么？

互斥条件（资源独占条件）

指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求该资源，则请求者只能等待，直至占有该资源的进程用毕释放
请求和保持条件（部分分配条件）

指进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源又已经被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其他资源保持不放
不剥夺条件

指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放
循环等待条件（环路条件）

指发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合${P_0, P_1, P_2, \cdots, P_n}$中的$P_0$正在等待一个$P_1$占用的资源；$P_1$正在等待$P_2$占用的资源，……，$P_n$正在等待已被$P_0$占用的资源。

安全状态，银行家算法

安全状态实例

假定系统中有三个进程P1，P2和P3，共有12台磁带机，三个进程对磁带机的需求和占有情况如下表所示：

进程	最大需求	已分配	可用
P1	10	5	3
P2	4	2
P3	9	2

T0时刻，存在一个安全序列（P2，P1，P3）或（P2，P3，P1），所以系统是安全的。

银行家算法

数据结构

具有代表性的避免死锁算法，是Dijkstra给出的银行家算法，为实现银行家算法，系统中必须设置若干数据结构。假定系统中有$n$个进程$（P_1，P_2，\cdots，P_n）$，$m$类资源$（R_1，R_2，\cdots，R_m）$，银行家算法中使用的数据结构如下：

可利用资源向量：available[j] = k，资源$R_j$类有k个可用
最大需求矩阵：Max[i, j] = k，进程$P_i$最大请求k个$R_j$类资源
分配矩阵：Allocation[i, j] = k，进程$P_i$分配到k个$R_j$类资源
需求矩阵：Need[i, j] = k，进程$P_i$还需要k个$R_j$类资源

矩阵关系：

Need[i, j] = Max[i, j] - Allocation[i, j]

算法流程

设$Request_i$是进程$P_i$的请求向量，设$Request_i[j]=k$，表示进进程$P_i$请求分配$R_j$类资源$k$个。当进程$P_i$发出资源请求后，系统按如下步骤进行检查：

如$Request_i[j]≤Need[i,j]$,转2;否则出错，因为进程申请资源量超过它申明的最大量
如$Request_i[j] ≤Available[j]$,转3;否则表示资源不够,需等待。
系统试分配资源给进程$P_i$,并作如下修改：

$Available[j]= Available[j]- Request_i[j]$

$Allocation[i,j]= Allocation[i,j]+ Request_i[j]$

$Need[i,j]= Need[i,j]- Request_i[j]$
系统执行安全性算法，检查此次资源分配后，系统是否处于安全状态。若安全,则正式进行分配,否则恢复原状态让进程Pi等待。

先判断申请资源数量是否满足条件

再判断申请到资源后系统是否是安全状态

试题

设某系统中有4种资源，在某时刻系统中共有5个进程，进程(P0,P1,P2,P3,P4)的最大资源需求数向量和此时已分配的资源数向量分别为：

进程	最大资源需求	当前已分配的资源
P0	(0,0,1,2)	(0,0,1,2)
P1	(2,7,5,0)	(2,0,0,0)
P2	(6,6,5,6)	(0,0,3,4)
P3	(4,3,5,6)	(2,3,5,4)
P4	(0,6,5,2)	(0,3,3,2)

系统中当前可用资源向量为（2，1，0，0），问：

系统当前是否处于安全状态？

答：有安全序列：$(P_0, P_3, P_4,P_1, P_1)$,所以处于安全状态
当进程P2申请（0，1，0，0）时，系统能立即满足吗？

请解释什么是静止优先权，什么是动态优先权

静态优先权：优先权在创建进程时确定，且在进程的整个运行期间保持不变。一般用一个整数表示，小表示优先级高
动态优先权：优先权在创建进程时确定，但在进程的运行期间会发生变化

什么是抢占式优先权算法？

系统把处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程，使之执行。但在其执行期间，只要出现了另一个优先权更高的进程，进程调度程序就立即停止当前进程的执行，重新将处理机资源分配给新到的优先权最高的进程。

在最低松弛度优先算法（LLF）中，松弛度的计算公式是什么？

==松弛度 = 必须完成时间 - 其本身的运行时间 - 当前时间==

调度相关例题

在一个单通道批处理系统中，已知一组作业的到达时间和运行时间。计算使用先到先服务和短作业优先算法时的平均周转时间

周转时间：

周转时间 = 作业完成时刻 - 作业到达时刻

平均周转时间：

平均周转时间 = 作业周转总时间/作业个数

先到先服务

基本思想：按照进程进入就绪队列的先后次序来分配处理机资源。一般采用非剥夺的调度方式

短作业优先

主要任务是从就绪队列中选出一估计运行时间最短的进程，将处理机分配给它。

非抢占式

抢占式

存储管理应具有哪4个基本功能？

实现内存的分配和回收
地址变换（相对地址<——>绝对地址）
“扩充”内存容量
进行存储保护

一个用户源程序要变为在内存中可执行的程序，通常要进行哪几步处理？

编译：由编译程序将用户源程序编译成若干个目标模块
链接：由链接程序将目标模块和相应的库函数链接成装入模块
装入：由装入程序将装入模块装入内存

内存分配例题

按照固定分区分配方式的分区说明表，请绘出当前的内存分配情况

固定分区分配方式

是最早使用的一种可运行多道程序的存储管理方法。

存储管理办法

内存空间的划分：将内存空间划分为若干个固定大小的分区，除OS占一区外，其余的一个分区装入一道程序。分区的大小可以相等，也可以不等，但事先必须确定，在运行时不能改变。即分区大小及边界在运行时不能改变。
系统需建立一张分区说明表或使用表，以记录分区号、分区大小、分区的起始地址及状态（已分配或未分配）

内存分配

当某个用户程序要装入内存时
- 由内存分配程序检索分区说明表，从表中找出一个满足要求的尚未分配的分区
  - 找到的同时将分区分配给该程序并修改说明表中相应分区的状态；
  - 若找不到大小足够的分区，则拒绝为该程序分配内存
当程序执行完毕
- 释放占用的分区
- 管理程序将修改说明表中相应分区的状态为未分配
- 实现内存资源的回收。

例题

在某系统中，采用固定分区分配管理方式，内存分区（单位字节）情况如图所示，现有大小为1K、9K、33K、121K的多个作业要求进入内存，试画出它们进入内存后的空间分配情况，并说明主存浪费多大？

讨论覆盖与交换技术的异同

覆盖与交换技术是在多道程序下扩充内存的两种方法，

覆盖技术要求程序员给出程序覆盖结构，交换技术不要求程序员给出覆盖结构，

覆盖技术主要在一个作业或进程中进行，交换主要在作业或进程之间进行。

什么是分页虚拟存储系统中的抖动现象？

刚被淘汰出内存的页面，过后不久又要访问它，需要再次将其调入，而该页调入内存后不久又再次被淘汰出内存，然后又要访问它，如此反复，使得系统把大部分时间用在了页面的调进转换上，而几乎不能完成任何有效工作，这种现象称为抖动（又称颠簸）

分页存储和段式存储逻辑地址物理地址变换典型例题

最终结果要写成十六进制

分页存储

地址结构

地址结构例题

设有一页式存储管理系统，向用户提供的逻辑地址空间最大为16页，每页2048B，内存总共有8个存储块，试问逻辑地址至少应为多少位？内存空间有多大？

页表

地址变换例题

若在一分页存储管理系统中，某作业的页表如表所示，已知页面大小为1024B，试将逻辑地址1011，2148，5012转化为相应的物理地址？画出其地址转换图。

页号	块号
0	2
1	3
2	1
3	6

考试例题

设有一页式存储管理系统，向用户提供的逻辑地址空间最大为32页，每页2048B，内存总共有16个存储块，页表的记录情况如下表所示，试将逻辑地址2548转换成物理地址。

页号	块号
0	2
1	5
3	7
4	9
29	12
30	15

某虚拟存储器的用户编程空间共32个页面，每页为1KB，内存为16KB。假定某时刻一用户页表中已调入内存的页面的页号和物理块号（十进制）的对照表如下：

页号	物理块号
0	3
1	7
2	11
3	8

则逻辑地址000 1010 0101 1100（二进制）所对应的物理地址是什么？

段式存储

段表

记录了段与内存位置的对应关系
段表常保存在内存中（或一组寄存器中）
段表的基址及长度由段表寄存器给出
访问一个字节的数据/指令需访问内存2次(段表一次,内存一次),所以也出现内存访问速度降低的问题
逻辑地址：

段号_段长_基址

例：采用段式存储管理的系统中，若地址用24位表示，其中8位表示段号，则允许段的最大长度是（ B ）

A.$2^{24}$ B. $2^{16}$ C. $2^8$ D. $2^{32}$

地址变换

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例题

某段表的内容如下：

段号段首址段长度

0 120K 40K

1 760K 30K

2 480K 20K

3 370K 20K

一逻辑地址为（2154），它对应的物理地址为多少？

在一个段式存储管理系统中，其段表为：

段号内存起始地址段长

0 210 500

1 2350 20

2 100 90

3 1350 590

4 1938 95

试求表中逻辑地址对应的物理地址是什么？

0	430
2	120

考试例题

假设有下面的段表：

段	基址	长度
0	219	600
1	2300	14
2	90	100
3	1327	580
4	1952	96

下面逻辑地址的物理地址分别是多少？

a、[1,12]

b、[2,500]

带快表页式系统存取时间计算

有效访问内存的时间

$T=P_{TLB}*(T_{TLB}+T_M) + (1-P_{TLB})*(T_{TLB}+2T_M)$

其中，$P{TLB}$为快表的命中率，$T{TLB}$为快表的访问时间，$T_M$为内存的访问时间

题目

有一页式系统，其页表存放在主存中。

（1）如果对主存的一次存取需要100ns，试问实现一次页面访问的存取时间是多少？

（2）如果系统加有快表，对快表的一次存取需要20ns,若平均命中率为85%，试问此时的存取时间为多少？

解答：

（1）页表放主存中，则实现一次页面访问需2次访问主存，一次是访问页表，确定所存取页面的物理块，从而得到其物理地址，一次根据物理地址存取页面数据。（就是没有使用快表的情况）

所以实现一次页面访问的存取时间为：$100ns*2=200ns$

（2）系统加有快表，根据公式，则实现一次页面访问的存取时间为：

$0.85(20ns+100ns)+(1-0.85)(20ns+2*100ns)=135ns$

页面置换算法典型例题

画表格

对于如下的页面访问序列：1，2，3，4，1，2，5，1，2，3，4，5。当内存块数量为3时试问：使用FIFO、LRU置换算法产生的缺页中断是多少？写出一次产生缺页中断后应淘汰的页。（画表格）

FIFO（先进先出置换算法）

LRU（最近最久未使用算法）

什么是设备控制器？

处于CPU与I/O设备之间的接口，接收CPU发来的命令，并控制I/O设备工作，是一个可编址设备

在设备管理中主要使用哪四种输入/输出控制方式？

解释1

程序直接控制方式
中断控制方式
直接存储器访问（DMA）方式
通道控制方式

1.   **程序直接控制方式**：在早期的计算机中，由于无中断机构，**处理机对I/O设备的控制采用程序直接控制方式**，或称为忙-等待方式。这种方式虽然简单易于实现，但是其缺点也是显而易见的，由于CPU和I/O设备**只能串行工作**，**导致**CPU的利用率相当低

2.   **中断控制方式**：中断控制方式的思想是，**允许I/O设备主动打断CPU的运行并请求服务**，从而“解放”CPU，使得CPU向I/O控制器发送读命令后可以继续做其他有用的工作，CPU与I/O可以并行操作

3.   **DMA方式**：DMA（直接存储器存取）方式的基本思想是在I/O设备和内存**之间**开辟直接的数据交换通路，彻底“解放” CPU。DMA方式的特点是：**基本单位是数据块**。所传送的数据，是从设备直接送入内存的，或者相反（数据从内存直接送入设备）。仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，**整块数据的传送是在DMA控制器的控制下完成的**

4.   **通道控制方式**：**I/O通道是指专门负责输入/输出的处理机**。I/O通道方式是DMA方式的发展，它可以进一步减少CPU的干预，即把对**一个**数据块的读（或写）为单位的干预，减少为对**一组**数据块的读（或写）**及有关的控制和管理**为单位的干预

在设备分配中需要使用哪四种基本数据结构？

设备控制表DCT
控制器控制表COCT
通道控制表CHCT
系统设备表SDT

设备驱动程序有哪些基本功能？

将接收到的抽象要求转换为具体要求
检查用户I/O请求的合法性，I/O设备状态，传参数，设设备的工作方式
按处理机的I/O请求去启动指定的设备进行I/O操作
及时响应由控制器或通知发来的中断请求，并进行相应处理
按I/O请求构成相应通道程序

什么是虚拟设备？

虚拟设备：指通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供若干个用户进程同时使用，通常把这种经过虚拟技术处理后的设备称为虚拟设备

缓冲数据处理时间计算例题

双缓冲一块数据的处理时间

系统处理一块数据的时间可以粗略地认为是$Max(C, T)$。

如果$CT$，则可使CPU不必等待设备输入。

题目

在某系统中，从磁盘将一块数据输入到缓冲区需要花费的时间$T=100ms$，CPU对一块数据进行处理的时间为$C=5ms$，将缓冲区的数据传送到用户区所花时间为$M=10ms$，那么在双缓冲情况下，系统处理大量数据时，一块数据的处理时间为多少？

答：因为$C<T$,所以处理时间为：$MAX(C, T) = T = 100ms$

磁盘寻道算法例题

SSTF（最短寻道时间优先）

FCFS（先来先服务）

SCAN（扫描算法）

没说方向就是先往右再往左。

题目

设某磁盘有200个柱面，编号为0，1，2，…,199。磁头停在100号磁道，若9个磁盘按到达时间的先后排成的等待服务队列为：55，58，39，18，90，160，150，38，184，采用最短寻道时间优先SSTF磁盘调度算法，FCFS和SCAN磁盘寻道调度算法。

试画出寻道图，求磁道响应请求道次序。求总磁头移动量，磁头的平均寻道长度。

最短寻道时间优先SSTF：

FCFS：

SCAN：

索引逻辑结构文件的优缺点

优点
- 通过索引表可方便地实现直接存取，具有较快的检索速度
- 易于进行文件的增删
缺点
- 索引表的使用增加了存储费用
- 索引表的查找策略对文件系统的效率影响很大

有哪三种常见的外存分配方法？

连续分配（顺序分配）
- 为每一个文件分配一片连续的磁盘块/簇
- 只需要起始块/簇号和长度，适用于预分配方法
- 可以随机存取
- 文件不能增长
- 从逻辑地址映射到物理地址较简单
- 浪费空间：动态存储分配问题
- 可以通过紧缩(compact)将外存空闲空间合并成连续的区域。
链接分配
- 每个文件是一个磁盘块的链接列表：块可以分散在磁盘各处
- 按所需分配磁盘块，链接在一起
- 在每个块中有指向下一个块的指针
- 只需要起始地址
- 可以通过合并(consolidation)将一个文件的各个簇连续存放，以提高I/O访问性能。
索引分配
- 为每一个文件分配一个索引块（表），再把分配给该文件的所有块号，都记录在该索引块中。故索引块就是一个含有许多块号地址的数组
- 该索引块的地址由该文件的目录项指出
- 支持随机/直接存取
- 不会产生外部碎片
- 适用于文件较大时
连续分配：为每个文件分配一片连续的磁盘块，只需起始块号和长度，适用于预分配方法，可以随机存取，但文件不能增长。
链接分配：每个文件是一个磁盘块的链接列表，按需分配磁盘块并链接在一起，在每个块中有指向下一个块的指针，只需起始地址。
索引分配：为每个文件分配一个索引块，记录所有分配给该文件的块号，故索引块就是一个含有许多块号地址的数组，支持随机存取，适用于大文件。

文件目录管理有哪些基本要求？

实现“按名存取”
提高对目录的检索速度
文件共享
允许文件重名

请解释什么是目录文件？

为了实现对文件目录的管理，通常将文件目录以文件的形式保存在外存，这个文件就叫做目录文件。

FAT容量计算

软盘（或硬盘）容量/ 盘块大小 = 盘块个数。

比盘块个数大的最小的2的n次方，表项有n/8个字节

表项个数*表项所占字节数 = FAT所占空间

题目

假定磁盘块大小为2KB，对于20G的硬盘，计算其文件分配表FAT占用的空间 30MB

$\text{盘块数} = \frac{20\;GB}{2\;KB} = \frac{20 * 1024 * 1024\;KB}{2\;KB} = 10 * 1024*1024个=10*2^{20}个 \\ 2^{23} < 10*2^{20} < 2^{24} => \text{表项大小} = 24位 = 24/8 = 3字节 \\ \text{FAT所占空间} = \text{表项个数（盘块个数）}*\text{表项大小（表项所占字节）} = 30 * 2^{20} B = 30MB$

假定盘块的大小为4KB，硬盘的大小为12GB，计算：