操作系统的功能：
- 进程管理。实质上是对处理机的执行时间进行管理，采用多道程序等技术将 CPU 的时间合理的分配给每个任务，主要包括进程控制，进程同步，进程通信和进程调度
- 文件管理。主要包括文件存储空间管理，目录管理，文件的读/写管理和存取控制
- 存储管理。存储管理是对主存储器空间进行管理，主要包括存储分配与回收，存储保护，地址映射（变换）和主存扩充
- 设备管理。实质是对硬件设备的管理，包括对输入/输出设备的分配，启动，完成和回收
- 作业管理。包括任务，界面管理，人机交互，图形界面，语音控制和虚拟现实等
进程管理
进程的组成：进程控制块 PCB（唯一标志），程序（描述进程要做什么），数据（存放进程执行时所需数据）
三态图
前驱图
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 A B C 可以并行执行，但是必须 A B C 都执行完后，才能执行 D，这就确定了两点：任务间的并行，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
P 代表进程，R 代表资源，R 方框内有几个圆球代表有几个资源。在上图中，R1 指向 P1，表示 R1 有一个资源分配给了 P1，P1 指向 R2，表示 P1 还需要请求一个 R2 的资源才能执行
- 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
进程同步与互斥
互斥：某资源在同一时间内只能由一个任务单数使用，使用时需要加锁，使用完后解锁才能被其他任务使用。如打印机
同步：多个任务可以并发执行，只不过有速度上的差异，在一定情况下停下等待，不存在资源是否单独或共享的问题。如自行车和汽车
信号量
互斥信号量：对临界资源采用互斥访问，使用互斥信号量后其他进程无法访问，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 操作和 V 操作
都是原子操作，用来解释进程间的同步和互斥原理
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，则执行 V 操作的进程继续执行；若 S <= 0，则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
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
死锁资源计算：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*
存储管理
存储器的结构：寄存器 - 高速缓存Cache - 主存 - 外存
地址重定位：将逻辑地址转换为实际主存物理地址的过程，分为静态重定位（在程序装入主存就完成了转）、动态重定位（边运行边转换）
分区存储管理
所谓分区存储组织，就是整存，将某进程运行所需的内存整体一起分配给它，然后再执行，有三种分区方式，仅了解
- 固定分区
- 可变分区
- 可重定位分区
分页存储管理
如果采用分区存储，都是整存，当进程运行所需的内存大于系统内存时，就无法将整个进程调入内存。若要解决此问题，就要采用段式、页式存储组织
逻辑页分为 页号 和 页内地址
页内地址：就是物理偏移地址，
页号：页号与物理块号并非按序对应的，需要查询页表，才能得知页号对应的物理块号，再用物理块号加上偏移地址得出真正物理地址
物理地址和逻辑地址的页内偏移地址是一样的，只需要求出页号和物理块号的之间的对应关系，首先需要求出页号的位数，得出页号，再去页表里查询其对应的物理块号，使用此物理块号和页内偏移地址组合，就能得到物理地址
页面置换算法
- 先进先出算法 FIFO
- 最近最少使用 LRU
淘汰原则：优先淘汰最近未访问的，而后淘汰最近未被修改的页面
快表
- 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。一般用来存放当前访问最频繁的少数活动页面的页号
- 快表是将页表存于 Cache 中，慢表是将页表存于内存上。慢表需要访问两次内存才能取出页，而快表是访问一次 cache 和一次内存，因此更快
真题
- 页面大小 4k = 2^12 次方，得出需要 12 位才能表示偏移量
- 通过逻辑地址 1D16H, 12 位表示偏移量，也就是对应 16 进制 3 位，也就是 D16 表示页内偏移量，1 表示页号
- 通过 页号 1 从表内查找到对应的物理块号是 3
- 物理地址 = 物理块号 + 页内偏移地址 = 3 + D16 = 3D16H
段式存储管理
分页是根据物理空间划分，每页大小相同；分段是根据逻辑空间划分，每段是一个功能，便于共享，但是大小不同
地址表示：（段号，段内偏移）。其中段内偏移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
段页式存储管理
对进程空间先分段，后分页
设备管理
I/O 软件
当用户程序视图读一个硬盘文件时，需要通过操作系统实现这一操作。
- 与设备无关软件检查告诉缓存中有无要读的数据块
- 若没有，则调用设备驱动程序，向 I/O 硬件发出一个请求
- 然后，用户进程阻塞并等待磁盘操作的完成
- 当磁盘操作完成时，硬件产生一个中断，转入中断处理程序。中断处理程序检查中断的原因，识别到这时磁盘读取操作已经完成，于是唤醒用户进程取回从磁盘读取的信息，从而结束此次 I/O 请求
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，极大浪费了外设的工作效率
- 引入 SPOOLING（外围设备联机操作）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
文件管理
索引文件结构
如图所示，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，共可以存 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（4KB * 1024 / 4B），对应 1024 个物理盘，可以存 1024 * 4KB = 4096KB 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块地址，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 1024 * 1024 * 4KB 数据
真题
文件存储空间管理
位示图：这种方法时在外存上建立一张位示图（Bitmap），记录文件存储器的使用情况。每一位对应文件存储上的一个物理块，取值 0 和 1，分别表示空闲和占用
