大纲
进程管理、存储管理、文件管理新教材没有，但是仍然是重点。
操作系统概述
- 操作系统的作用：通过资源管理提高计算机系统的效率；改善人机界面向用户提供友好的工作环境。
- 操作系统的特征：并发性、共享性、虚拟性、不确定性。
- 操作系统的功能：进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理。
- 操作系统的分类：批处理操作系统、分时操作系统（轮流使用CPU工作片）、实时操作系统（快速响应）、网络操作系统、分布式操作系统（物理分散的计算机互联系统）、微机操作系统（Windows）、嵌入式操作系统。
计算机启动的基本流程为：BIOS->主引导记录->操作系统。
计算机是如何启动的？
只读内存（read-only memory，缩写为ROM）
基本输入输出系统（Basic Input/Output System），简称为BIOS
硬件自检（Power-On Self-Test），缩写为POST
主引导记录（Master boot record，缩写为MBR）
进程管理
进程的组成和状态
进程是计算机中正在运行的程序的实例。它是操作系统进行资源分配和管理的基本单位，包括代码、数据和执行状态等信息。
进程的组成：进程控制块PCB（唯一标志）、程序（描达进程要做什么）、数据（存放进程执行时所需数据）。
进程基础的状态是下左图中的三态图，这是系统自动控制时只有三种状态，而下右图中的五态，是多了两种状态：静止就绪和静止阻塞，需要人为的操作才会进入对应状态，活跃就绪即就绪，活跃阻塞即等待。
可知，当人为干预后，进程将被挂起，进入静止状态，此时，需要人为激活，才能恢到活跃状态，之后的本质还是三态图。
前趋图和进程资源图
前趋图：用来表示哪些任务可以并行执行，哪些任务之间有顺序关系，具体如下图：
可知，ABC可以并行执行，但是必须ABC都执行完后，才能执行D，这就确定了两点：任务间的井行、任务间的先后顺序。
进程资源图：用来表示进程和资源之间的分配和请求关系，如下图所示：
P代表进程，R代表资源，R方框中有几个圆球就表示有几个这种资源，在图中，R1指向P1，表示R1有一个资源已经分配给了P1，P1指向R2，表示P1还需要P1请求一个R2资源才能执行。
阻塞节点：某进程所请求的资源已经全部分配完毕，无法获取所需资源，该进程被阻塞了无法继续。如上图中P2。
非阻塞节点：某进程所请求的资源还有剩余，可以分配给该进程继续运行。如上图中P1、P3。
当一个进程资源图中所有进程都是阻塞节点时，即陷入死锁状态。
【例题】
在如下所示的进程资源图中，（）；该进程资源图是（）
A. P1、 P2、P3都是阻塞节点
B. P1是阻塞节点、P2、 P3是非阻塞节点
C. P1、P2是阻塞节点、P3是非阻塞节点
D. P1、 P2是非阻塞节点、P3是阻塞节点
A.可以化简的，其化简顺序为P1一P2一P3
B.可以化简的，其化简顺序为P3—P1一P2
C.可以化简的，其化简顺序为P2—P1一P3
D.不可以化简的，因为P1、P2、P3申请的资源都不能得
答案：C B
死锁不可简化，简化优先执行没有死锁的进程
同步与互斥
- 互斥：指多个进程只能互斥地访问某个资源（即临界资源），即只有一个进程可以访问该资源，其他进程必须等待。互斥可以防止多个进程同时访问同一个资源，从而避免数据损坏和程序崩溃。如打印机、公共厕所。
- 临界资源：各进程间需要以互斥方式对其进行访问的资源。
- 互斥信号量：对临界资源采用互斥访问，实现进程的互斥，使用互斥信号量后其他进程无法访问，其值只能为0或1。比如厕所的门锁有两个状态：打开和关闭。当门锁打开时，表示厕所空闲，可以进入。当门锁关闭时，表示厕所有人使用，其他人需要等待。门锁就像是互斥信号量，它表示厕所的使用状态。人就像是进程，他们需要获取门锁才能使用厕所。
- 同步：指多个进程之间互相协调，以确保它们按照—定的顺序执行。同步可以防止进程之间出现竞争和冲突，从而提高程序的正确性和效率；比如多个人一起做某件事情
- 同步信号量：是一种用于实现进程同步的工具。它是一个共享变量，可以用来表示资源的数量。比如餐厅里的餐桌数量有限，当顾客来吃饭时，如果餐桌空闲，则可以直接坐下。如果餐桌都满了，则顾客需要等待，餐桌就像是同步信号量，它表示餐桌的数量。顾客就像是进程，他们需要获取餐桌才能吃饭。
P操作：申请资源，S=S-1，若S>=0，则执行P操作的进程继续执行；若S<0，则置该进程为阻塞状态（因为无可用资源），并将其插入阻塞队列。
V操作：释放资源，S=S+1，若S>0，代表此时资源有空余，没有阻塞的进程，则该进程继续执行；若s<=0，代表此时线程在被阻塞，所以需要从阻塞状态唤醒一个进程，并将其插入就绪队列（此时因为缺少资源被P操作阻塞的进程可以继续执行），然后执行V操作的进程继续。
经典问题：生产者和消费者的问题
死锁
当一个进程在等待永远不可能发生的事件时，就会产生死锁，若系统中有多个进程处于死锁状态，就会造成系统死锁。死锁产生的四个必要条件：
- 资源互斥
- 每个进程占有资源并等待其他资源
- 系统不能剥夺进程资源
- 进程资源图是一个环路
死锁产生后，解决措施是打破四大条件，有下列方法：
- 死锁预防：采用某种策略限制并发进程对于资源的请求，破坏死锁产生的四个条件之一，使系统任何时刻都不满足死锁的条件。
- 死锁避免：一般采用银行家算法来避免，银行家算法，就是提前计算出一条不会死锁的资源分配方法，才分配资源，否则不分配资源，相当于借贷，考虑对方还得起才借钱，提前考虑好以后，就可以避免死锁。
- 死锁检测：允许死锁产生，但系统定时运行一个检测死锁的程序，若检测到系统中发生死锁，则设法加以解除。
- 死锁解除：即死锁发生后的解除方法，如强制剥夺资源，撤销进程等。
死锁计算问题：系统内有n个进程，每个进程都需要R个资源，那么其发生死锁的最大资源数为n*（R-1）。其不发生死锁的最小资源数为n*（R-1）+1。
【例题】
某系统中有3个并发进程竞争资源R，每个进程都需要5个R，那么至少有（）
A.12
B.13
C.14
D.15
答案：B
至少有即不死锁：3*（5-1）+1=13
银行家算法真题：假设系统中有三类互斥资源R1、R2和R3，可用资源数分别为10、5和3。在T0时刻系统中有P1、P2、P3、P3和P5五个进程，这些进程对资源的最大需求和己分配资源数如下表所示，此时系统剩余的可用资源数分别为（27）。如果进程按（28）序列执行，那么系统状态是安全的。
A. 1、 1和0
B. 1、 1和1
C. 2、 1和0
D. 2、 0和1
A. P1-P2-P4-P5-P3
B. P5-P2-P4-P3-P1
C. P4-P2-P1-P5-P3
D. P5-P1-P4-P2-P3
答案：D B
第一项每种资源减已分配送分，第二项就是数学题
线程
传统的进程有两个属性：
- 可拥有资源的独立单位
- 可独立调度和分配的基本单位
引入线程后，线程是独立调度的是小单位，进程是拥有资源的是小单位，线程可以共享进程的公共数据、全局变量、代码、文件等资源，但不能共享线程独有的资源，如线程的栈指针等标识数据。
存储管理
在操作系统中存储管理指的是在磁盘中的程序如何运行的过程
页式存储
页式存储是操作系统的一种存储管理方式。
因为我们的程序往往是远远大于内存的，所以程序在执行的时候，是不会一次性把所有内容都装入到内存中，它会把程序分为若干个页，每个页固定大小，一般是4K，然后把这些页离散存入到内存中，而内存是按块来划分的，所以就通过页表来进行映射程序中的页在内存中的块的存储
逻辑地址是程序员在编写程序时使用的地址，它是由 CPU 生成的虚拟地址，逻辑地址并不一定对应物理内存中的实际位置，而是由操作系统进行地址转换后才能访问物理内存。
物理地址是内存单元在物理内存中的实际位置。它是计算机硬件可以直接寻址的地址。
每个页分为页号和页内地址，页号用来和块号对应，代表存储的位置，大小可以代
表页的数量，页内地址代表的是存储的数据内容，大小可以代表数据大小。
【例题】
某计算机系统页面大小为4k，若进程的页面变换表如下所示，逻辑地址为十六进制1D16H，该地址经过变换后，其物理地址应为十六进制（26）。
A.1024H
B.3D16H
C.4DI6H
D.6D16H
解析：页面大小为4k，1024*4=2^12，十六进制存数据就是2^4，(2^12)/(2^4)=3，3位的数据位，最后16是进制标志H，页号1对应块号3，答案：3D16H
页面置换算法
有时候，进程空间分为100个页面，而系统內存只有10个物理块，无法全部满足分配，就需要将马上要执行的页面先分配进去，而后根据算法进行淘汰，使100个页面能够按执行顺序调入物理块中执行完。
缺页表示需要执行的页不在內存物理块中，需要从外部调入内存，会增加执行时间，因此，缺页数越多，系统效率越低。
- 最优算法：OPT，理论上的算法，无法实现，是在进程执行完后进行的最佳效率计算，用来让其他算法比较差距。原理是选择未来最长时间内不被访问的页面置换，这样可以保证未来执行的都是马上要访问的。
- 先进先出算法：FIFO，先调入内存的页先被置换淘汰，会产生科动现象（重复使用），即分配的页数越多，缺页率可能越多（即效率越低）
- 最近最少使用：LRU，在最近的过去，进程执行过程中，过去最少使用的页面被置换淘汰，根据局部性原理，这种方式效率高，且不会产生抖动现象。
【例题】
某进程有4个页面，页号为0~3，页面变换表及状态位、访问位和修改位的含义如下
图所示，若系统给该进程分配了3个存储块，当访问前页面1不在内存时，淘汰表中页号
为（）的页面代价最小。
A.0
B.1
C.2
D.3
答案：D
快表
快表（TLB）是一块小容量的相联存储器，由快速存储器组成，按内容访问，速度快，并且可以从硬件上保证按内容并行查找，一般用来存放当前访问最频繁的少数活动页面的页号（可以看成是页表的频繁访问数据的副本）。
快表是将页表存于Cache中
慢表是将页表存于内存中
因此慢表需要访问两次内存才能取出数据，而快表是访问一次Cache和一次内存，因此更快。
段式存储
将进程空间分为一个个段，每段也有段号和段内地址，与页式存储不同的是，每段物理大小不同，分段是根据逻辑整体分段的。
地址表示：（段号，段内偏移）：其中段内偏移（该段能存储数据最大长度）不能超过该段号对应的段长，否则越界错误，而此地址对应的真正内存地址应该是：段号对应的基地址+段内偏移。
优点：程序逻辑完整，修改互不影响
缺点：内存利用率低，内存碎片浪费大
【例题】
设某进程的段表如下所示，逻辑地址（）可以转换为对应的物理位置。
A.（0， 1597）、（1, 30）和（3, 1390）
B.（0， 128）、（1, 30）和（3， 1390）
C.（0, 1597）、（2，98）和（3, 1390）
D.（0， 128）、（2， 98）和（4, 1066）
答案：B，（）内的第二个值为该段能存储数据最大长度，即段长。
段页存储
对进程空间先分段，后分页，具体原理图和优缺点如下：
优点：空间浪费小、存储共享容易、能动态连接。
缺点：由于管理软件的增加，复杂性和开销也增加，执行速度下降
文件管理
文件结构
计算机系统中采用的索引文件结构如下图所示：
系统中有13个索引节点，0-9为直接索引，即每个索引节点存放的是内容，假设每个物理盘大小为4KB，共可存4KB*10=40KB数据；
10号索引节点为一级间接索引节点，大小为4KB，存放的并非直接数据，而是链接到直接物理盘块的地址，假设每个地址占4B，则共有1024个地址，对应1024个物理盘，可存1024*4KB=4098KB数据。
二级索引节点类似，直接盘存放一级地址，一级地址再存放物理盘快地址，而后链接到存放数据的物理盘块，容量又扩大了一个数量级，为102410244KB数据。
【例题】
例：设文件索引节点中有8个地址项，每个地址项大小为4字节，其中5个地址项为直接地址索引，2个地址项是一级间接地址索引，1个地址项是二级间接地址索引，磁盘索引块和磁盘数据块大小均为1KB，若要访问文件的逻辑块号分别为5和518，则系统应分别采用（27），而且可表示的单个文件最大长度是（28） KB。
A.直接地址索引和一级间接地址索引
B.直接地址索引|和二级间接地址索引
C.一级间接地址索引和二级间接地址索引
D.一级间接地址索引/和一级间接地址索引
A. 517
B. 1029
C. 16513
D. 66053
答案：C D
树形文件
相对路径：是从当前路径开始的路径。
绝对路径：是从根目录开始的路径。
全文件名：绝对路径+文件名。
注意，绝对路径和相对路径是不加最后的文件名的，只是单纯的路径序列。
树形结构主要是区分相对路径和绝对路径，如下图所示：
【例题】
若某文件系统的目录结构如下图所示，假设用户要访问文件Fault.swf，且当前工作目录为swshare，则该文件的全文件名为（27），相对路径和绝对路径分别为（28）。
A.fault.swf
B.flash\fault.swf
C.swshare\flash\fault.swf
D.\swshare\flash\fault.swf
A.swshare\flash\和\flash\
B.flash和\swshare\flash\
C.\swshare\flash\和flash\
D.\flash\和\swshare\flash\
答案：D B
空间存储
- 空闲区表法：将所有空闲空间整合成一张表，即空闲文件目录。
- 空闲链表法：将所有空闲空间链接成一个链表，根据需要分配。
- 成组链接法：既分组，每组内又链接成链表，是上述两种方法的综合。
- 位示图法：对每个物理空间用一位标识，为1则使用，为0则空闲，形成一张位示图。
【例题】
某文件管理系统在磁盘上建立了位示图（bitmap），记录磁盘的使用情况。若磁盘上的物理块依次编号为：0、1、2、…，系统中字长为32位，每一位对应文件存储器上的一个物理块，取值0和1分别表示空闲和占用，如下图所示。
假设将4195号物理块分配给某文件，那么该物理块的使用情况在位示图中的第（1）个字中描述：系统应该将（2）
A.129
B.130
C.131
D. 132
A.该字的第3个位置为“0”
B.该字的第3个位置为“1”
C.该字的第4个位置为“0”
D. 该字的第4个位置为“1”
答案：D D
注意这里有“个”和没有“个”的区别，没有“个”就是第3位置为1
微内核操作系统
微肉核，顾名思义，就是尽可能的将内核做的很小，只将最为核心必要的东西放入内核中，其他能独立的东西都放入用户进程中，这样，系统就被分为了用户态和内核态
嵌入式操作系统
嵌入式操作系统特点：微型化、代码质量高、专业化、实时性强、可裁剪可配置。
实时嵌入式操作系统的内核服务：异常和中断、计时器、1/O管理。
常见的嵌入式RTOS（实时操作系统）：VXWorks、 RT-Linux、QNX、 pSOS
嵌入式系统初始化过程按照自底向上、从硬件到软件的次序依次为：
芯片级初始化->板卡级初始化->系统级初始化。
芯片级是微处理器的初始化，板卡级是其他硬件设备初始化，系统级初始化就是软件及操作系统初始化。
设备管理
虚设备和SPOOLING技术
一台实际的物理设备，例如打印机，在同一时间只能由一个进程使用，其他进程只能等待，且不知道什么时候打印机空闲，此时，极大的浪费了外设的工作效率。
引入SPOOLING技术，就是在外设上建立两个数据缓冲区，分别称为输入井和输出井，这样，无论多少进程，都可以共用这一台打印机，只需要将打印命令发出，数据就会排队存储在缓冲区中，打印机会自动按顺序打印，实现了物理外设的共享，使得每个进程都感觉在使用一个打印机，这就是物理设备的虚拟化。如下图所示：
专题练习
进程P1、P2、 P3、P4和P5的前趋图如下图所示：
若用PV操作控制进程P1、P2、P3、P3、P4和P5并发执行的过程，则需要设置5个信号S1、S2、 S3、 S4和S5，且信号量S1~S5的初值都等于零。下图中a和b处应分别填（26）；c和d处应分别填写（27）；e和f处应分别填写（28）。
A.V（S1）P（S2）和V（S3）
B.P（S1）V（S2）和V（S3）
C.V（S1）V（S2）和V（S3）
D.P（S1）P（S2）和V（S3）
A.P（S2）和P（S4）
B. P（S2）和V（S4）
C. V（S2）和P（S4）
D. V（S2）和V（S4）
28、
A.P（S4）和V（S4）V（S5）
B. V（S5）和P（S4）P（S5）
C.V（S3）和V（S4）V（S5）
D. P（S3）和P（S4）V（P5）
答案：C B B 进程的pv操作都是先p后v，那么上图中上面部分都是p操作，下面部分都是v操作，仅根据以上特性就可以做出此题，且第一个进程执行的时候只有v操作没有p操作，最后一个进程执行时只有p没有v，选出26的C选项后可进行演算。
进程P1、P2、P3、P4、P5和P6的前趋图如下所示，若用PV操作控制这6个进程的同步
与互斥的程序如下， 那么程序中的空①和空②处应分别为()；空③和空④处应分别为()；
空⑤和空⑥处应分别()。
A.V（S1）V（S2）和P（S2）
B.P（S1）P（S2）和V（S2）
C.V（S1）V（S2）和P（S1）
D.P（S1）P（S2）和V（S1）
A.V（S3）和V（S5）V（S6）
B.P（S3）和V（S5）V（S6）
C.V（S3）和P（S5）P（S6）
D.P（S3）和P（S5）P（S6）
A.P（S6）和P（S7）V（S8）
B.V（S6）和V（S7）V（S8）
C.P（S6）和P（S7）P（S8）
D.V（S7）和P（S7）P（S8）
答案：C B D
根据技巧可以确定后面两个的选项，第一个选项可以根据图示推理出来。
假设某系统采用非抢占式优先级调度算法，若该系统有两个优先级相同的进程P1和P2，各进程的程序段如下所示，若信号量S1和S2的初值都为0，进程P1和P2并发执行后a、b和c的结果分别为：a=（），b=（），C=（）。
（50）A.6 B.7 C.10 D.13
（51）A.4 B.6 C.9 D.10
（52）A.4 B.6 C.10 D.13
答案：D B C
