操作系统总结

一、基本概念：填空、选择、判断、简答

1、什么是操作系统：操作系统是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，并方便用户使用计算机的一组程序集合。

2、常见操作系统

l   WindowsXP、Windows 2003、Windows 2000、Windows Vista

l   Linux、Unix

l   IBMAIX、IBM OS/2

l   SunSolais

3、操作系统分类：单道批处理系统、多道批处理系统、分时系统、实时系统、微机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统

4、多道批处理系统的优缺点

l   优点：CPU、内存以及I/O设备等资源的利用率高；系统吞吐量（单位时间内完成的总工作量）大。

l   缺点：平均周转时间（作业进入内存到运行结束时间）长；没有交互能力。

5、分时系统的特点

l   多路性：多个用户同时使用一台计算机；

l   独立性：用户之间互不干扰，就像各自独立使用一台计算机一样；

l   及时性：用户的各种请求（如输入数据）能够得到及时的响应；

l   交互性：用户通过各自的终端，与自己运行的程序进行交流。

6、操作系统的特点

l   并发性：两个或多个程序在一段时间内“同时”执行。它们不是绝对地并行执行，而是在这一段时间内交替执行。并发性是操作系统最主要的特征。

l   共享性：系统资源可供多个并发执行的程序共同使用。分为互斥共享和非互斥共享两种。

l   虚拟性：通过软件方式，将一个物理资源变成多个虚拟的对等资源。

l  异步性：多个程序的执行顺序和一个程序的执行与中断次数无法确定。但是其结果始终是确定的。

7、操作系统的功能

l   处理机管理功能：进程控制

l   存储器管理功能：内存分配、内存保护、内存扩充以及地址转换

l   设备管理功能：缓冲区管理、设备分配和回收、设备驱动

l   文件和磁盘存储管理功能：目录管理、文件读写、存取控制、磁盘空间分配、空闲空间管理

l   用户接口：操作接口（分命令接口和图形接口）、程序接口（即系统调用）

8、进程的含义和组成：进程是某个程序在一组OS数据集合基础上的一次运行过程。进程运行所依赖的OS数据集合叫做“进程控制块”（PCB），所以进程由程序和PCB组成。

9、进程的特点

l   动态性：是程序的一次并发执行过程，具有一定的生命周期。每个进程在执行过程中都会按“执行-暂停-执行”方式推进，因此可以对不同阶段的进程定义不同的状态。

l   并发性：两个或多个进程在一段时间内“同时”执行，但某一瞬间只执行其中之一。因此实际上这些进程是交替执行的。

l   独立性：任何进程都是一个程序的一次独立运行过程，也是系统进行资源分配和调度的单位。

l   异步性：进程按不可预知的速度向前推进，所以OS应提供相应的措施保证其并发性。

l   结构性：每个进程都程序（由代码和数据组成）和PCB组成。

10、进程的状态

l   就绪(Ready)状态：此时进程等待CPU，并获得了除CPU以外所有的运行所需资源。由于存在多个就绪进程，OS将将它们排列成一个就绪队列。

l   执行(Running)状态：进程获得了CPU，并正在运行的状态。单CPU系统中只能有一个进程处于执行状态。

l   阻塞(Blocked)状态：进程由于等待除CPU以外的其它资源或I/O操作结束，而不能继续执行的状态。由于存在多个多个阻塞进程，系统将它们排列成一个或多个阻塞队列。

11、进程的状态转换关系

l   执行到就绪：执行进程被操作系统强制剥夺CPU，从而变成就绪进程。

l   就绪到执行：就绪进程被操作系统调度，从而变成执行进程。

l   执行到阻塞：由于申请资源未获准，或开始了I/O操作，执行进程将CPU让给其它就绪进程，从而变成阻塞进程。

l   阻塞到就绪：阻塞进程得到所请求资源，或执行的I/O操作结束，从而变成就绪进程。

12、动态分区式内存分配的含义：根据所要运行的程序大小，在内存中动态地划分出一个区域，并将程序转入该区域。等到程序运行结束时又回收此区域。

13、常用的动态分区分配算法：首次适应算法、循环首次适应算法、最佳适应算法、最差适应算法

14、分页式存储管理方法的基本原理：用户程序开始执行时，根据CPU中规定的大小，把用户程序划分成多个小块（称为“页面”）。每个页面装入内存中相同大小的不连续区域（该区域称为“物理块”）。同时建立该进程的页表，记录哪个页面装在哪个块内。

15、分页式存储管理方法的地址变换过程：

l   将程序指令从内存读入CPU

l   根据块大小，将指令中的地址划分成两个部分：页号、页內地址

l   从内存页表中查找与页号对应的页表项，得到块号；

l   将指令中的页号替换成块号，完成地址转换

16、虚拟存储器：具有请求调入和置换(交换)功能，能从逻辑上扩充内存容量的存储管理系统。该系统应由硬件和软件配合实现。

17、虚拟存储器的容量：实际容量为内存容量和交换空间容量，最大容量为内存容量+外存容量。

18、虚拟存储器的实现方式：请求分页、请求分段

19、请求分页系统的置换算法：将外存的页面调入内存的同时，将内存中暂时不使用的页面换到外存的策略。一个好的置换算法应尽量避免“抖动”现象。

20、设备分类：独占设备、共享设备、虚拟设备

21、I/O控制方式的类型：程序访问方式、中断控制方式、直接存储器访问方式、通道方式

22、缓冲区的分类：单缓冲、双缓冲、循环缓冲、缓冲池

23、文件分类

l   按逻辑结构划分：有结构文件、无结构文件

l   按物理结构划分：顺序文件、链接文件、索引文件

l   按存取控制划分：可执行文件、只读文件、可读写文件

24、外存空间的分配方式：连续分配、链接分配、索引分配

23、磁盘调度算法：对于多个磁盘访问请求，OS根据不同策略完成不同顺序的访问操作。其目的是减少磁头移动距离，提高整体访问性能。

24、常见的磁盘调度算法：先来先服务（FCFS算法）、最短寻道时间优先（SSTF）、扫描算法（SCAN算法）、循环扫描算法（CSCAN算法）

25、进程调度算法：将CPU分配给就绪进程的算法，具体类型包括先来先服务调度算法(FCFS)、短作业(或进程)优先调度算法(SJF)、时间片轮转调度算法、优先权调度算法

 

二、综合题：计算、分析

1、分别计算按FCFS算法和SJF算法调度以下进程时的平均周转时间和平均带权周转时间。

进程名称

A

B

C

D

E

到达时间

0

1

2

3

4

服务时间

4

3

5

2

4

解：

FCFS（先来先服务）算法

进程名称

A

B

C

D

E

到达时间

0

1

2

3

4

服务时间

4

3

5

2

4

完成时间

4

7

12

14

18

周转时间

（完成时间-到达时间）

4

6

10

11

14

带权周转时间

（周转时间/服务时间）

1

2

2

5.5

3.5

平均周转时间=（4+6+10+11+14）/5=9

平均带权周转时间=（1+2+2+5.5+3.5）/5=2.8

SJF（短作业优先）算法

进程名称

A

B

C

D

E

到达时间

0

1

2

3

4

服务时间

4

3

5

2

4

完成时间

4

9

18

6

13

周转时间

（完成时间-到达时间）

4

8

16

3

9

带权周转时间

（周转时间/服务时间）

1

8/3

16/5

3/2

9/4

平均周转时间=（4+8+16+3+9）/5=8

平均带权周转时间=（1+2.67+3.2+1.5+2.25）/5=2.124

2、在如下分区表的基础上，按照首次适应和最佳适应三种算法依次分配五个进程P0、P1、P2、P3、P4时的进程开始地址。五个进程的大小为P0：200k，P1：15K，P2：100K，P3：80K，P4：20K。

分区编号

1

2

3

4

5

6

起始地址

10K

200K

250K

320K

500K

850K

分区大小

100K

30K

50K

150K

300K

220K

解：所有进程的分配结果如下表所示。

首次适应是指根据进程的大小，在分区表中查找第一个能够装下进程内容的分区。对于本例来说，P0进程为200K，在分区表中从左到右查找能够装下P0进程的分区（即分区大小>=进程大小）为5号分区，所以P0进程的起始地址为5号分区的起始地址500K。分配P0后5号分区就会变成起始地址700K（原始起始地址500K+进程P0大小200K）、大小为100K（原始大小300K-P0进程大小200K），以此类推，可计算出其他进程的起始地址。

 

最佳适应是指查找某个分区大小最接近当前进程大小。对于P0进程来说，最接近其容量（必需大于等于）的分区为6号分区，所以P0进程在最佳适应分配算法的处理下，起始地址为6号分区的起始地址850K。分配P0进程后6号分区变成起始地址为1050K，大小为20K的分区，可以最佳装入P1进程，因此P1进程的起始地址为1050K。

答题时上述分析过程不需要写出，只需要写出下面的表格即可。

 

P0

P1

P2

P3

P4

首次适应：

500K

10K

320K

25K

200K

最佳适应

850K

1050K

10K

320K

200K

3、一个分页式存储管理系统中页面大小为2K（2048字节），某进程的页表内容如下表所示。请将该进程的逻辑地址1FD3和205C转换为物理地址。

页号

0

1

2

3

4

块号

3

7

12

13

31

解：

(1FD3)₁₆=1*16³+15*16²+13*16¹+3*16⁰=(8147)₁₀，因此页号=(8147整除2048)=3，页内偏移地址=(8147取余2048)=2003，查页表可知页号3对应的块号为13，即3号页装入13号块，因此物理地址=13*2048+2003=28627。

(205C)₁₆=2*16³+0*16²+5*16¹+12*16⁰=(8284)₁₀，因此页号=(8284整除2048)=4，页内偏移地址=(8284取余2048)=92，查页表可知4号页装入31号块，因此物理地址=31*2048+92=63580。

 

4、在一个请求分页虚拟存储器系统中，假定某个进程将按如下顺序访问页面：

1，2，3，4，2，1，5，6，2，1，2，3，7，6，3，2，1，2，3，6，则：

(1)在内存中只为该进程分配3个物理块，请使用先进先出置换算法计算出访问过程中所发生的置换次数；

(2)如果为该进程分配4个物理块，并使用LRU算法，置换次数又为多少？

解：

先进先出算法：

1

2

3

4

2

1

5

6

2

1

2

3

7

6

3

2

1

2

3

6

 

 

3

4

4

1

5

6

2

1

1

3

7

6

6

2

1

1

3

6

 

2

2

3

3

4

1

5

6

2

2

1

3

7

7

6

2

2

1

3

1

1

1

2

2

3

4

1

5

6

6

2

1

3

3

7

6

6

2

1

 

 

 

√

 

√

√

√

√

√

 

√

√

√

 

√

√

√

√

√

置换次数为14次

LRU算法：

1

2

3

4

2

1

5

6

2

1

2

3

7

6

3

2

1

2

3

6

 

 

 

4

2

1

5

6

2

1

2

3

7

6

3

2

1

2

3

6

 

 

3

3

4

2

1

5

6

2

1

2

3

7

6

3

2

1

2

3

 

2

2

2

3

4

2

1

5

6

6

1

2

3

7

6

3

3

1

2

1

1

1

1

1

3

4

2

1

5

5

6

1

2

2

7

6

6

6

1

 

 

 

 

 

 

√

√

 

 

 

√

√

√

 

 

√

 

 

 

置换次数为6次

 

5、某磁盘有8192个磁道，编号为0~8191，在完成了磁道1250处的请求后，当前正在磁道3500处为一个请求服务。若此时请求队列的先后顺序为1000，4000，3300，5600，1300，6000，1200，2500。回答下述问题：

(1)采用SSTF（最短寻道时间优先）算法完成上述请求。请写出磁头移动的顺序，并计算平均寻道长度。

(2)采用SCAN（电梯）算法完成上述请求。请写出磁头移动的顺序，并计算平均寻道长度。

解：

SSTF（最短寻道时间优先）算法：哪个进程的寻道位置与当前位置最近，先为该进程服务

(1) 3500->3300 移动200

(2) 3300->4000 移动700

(3) 4000->2500 移动1500

(4) 2500->1300 移动1200

(5) 1300->1200 移动100

(6) 1200->1000 移动200

(7) 1000->5600 移动4600

(8) 5600->6000 移动400

平均寻道长度=（200+700+1500+1200+100+200+4600+400）/8= 1112.5

SCAN（电梯）算法：模仿电梯动作规律，由于磁头从1250到达3500，因此先向大磁道号方向处理，再向小磁道号方向处理

(1) 3500->4000 移动500

(2) 4000->5600 移动1600

(3) 5600->6000 移动400

(4) 6000->3300 移动2700

(5) 3300->2500 移动800

(6) 2500->1300 移动1200

(7) 1300->1200 移动100

(8) 1200->1000 移动200

平均寻道长度=（500+1600+400+2700+800+1200+100+200）/8= 937.5