Appearance
操作系统
第一章
1. 操作系统的名称、在计算机系统中所起的作用、操作系统的设计目标；
- Linux/Windows || 实时/分时/批处理/嵌入式
- 用户和硬件的接口 | 管理计算机资源（处理机、存储器、IO、文件）| 实现计算资源的抽象
- 提高资源利用率 | 适应器件更新迭代 | 安全漏洞 |
2. 操作系统的五大功能：处理机(CPU)和进程管理、存储器管理、设备管理、文件管理、操作系统与用户间接口
第二章
1. 理解进程的基本概念；
- 进程是程序的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的独立单位(1)，是可独立调度和分派的基本单位(2)。可以并发
- 动态性 | 并发性 | 独立性 | 异步性
2. 理解进程和线程的关系；
- 线程变为调度和分配的基本单位
3. 理解和掌握进程的状态图：三状态模型、五状态模型；
- 三状态：就绪、运行、阻塞
- 五状态：加入创建和终止状态
- 七状态
4. 理解进程的同步和互斥概念，理解临界资源的概念
- 打印机、I/O设备、文件等，属于临界资源，进程间要采用互斥方式实现资源共享；软件资源：信号量、共享变量
5. 如何用信号量、临界区来实现进程同步、互斥；
- 互斥、有序访问、防止死锁、公平性
- 生产消费者
- 哲学家进餐
- 小和尚老和尚
6. 理解死锁的概念、死锁产生的原因和产生的必要条件；
7. 掌握避免死锁的银行家算法和安全检测算法；
- 安全监测
- 银行家
第三章
1. 进程调度的两种方式：非抢占和抢占
2. 理解时间片的概念；
3. 理解作业的周转时间、带权周转时间、响应比的概念，掌握它们的计算方法；
- 周转时间 = 完成时间 - 到达时间
- 等待时间 = 周转时间 - 运行时间 = 完成时间 - 到达时间 - 运行时间
- 带权周转时间 = 周转时间 / 运行时间
- 响应比：
4. 理解和掌握基本的作业/进程调度算法；
- 先来先服务 (FCFS)
- 最短作业优先 (SJF)
- 优先级调度 (Priority Scheduling), 等待时间就是优先级
- 高响应比优先 (HRRN), 响应比
- 时间片轮转 (RR) ： 按照到达顺序分别执行时间片
- 多级队列调度 (Multilevel queue scheduling)
第四章
1. 理解存储器的分配方式；
存储器的分配方式是操作系统内存管理的核心内容之一，主要解决如何将有限的物理内存分配给多个并发运行的进程。根据不同的管理策略，常见的存储器分配方式可分为以下几类：
一、连续分配方式（Contiguous Allocation）
将内存划分为连续的区域分配给进程。适用于早期系统。
1. 单一连续分配
- 内存分为系统区和用户区。
- 只能运行一个用户进程。
- ✅ 简单；❌ 无法多道程序，资源浪费大。
- 应用于单用户单任务系统（如 DOS）。
2. 固定分区分配（Fixed Partitioning）
- 启动时将内存划分为若干大小固定的分区。
- 每个分区装入一个作业。
- ❌ 会产生内部碎片（作业小于分区时浪费）。
- 分区大小可相等或不等，但一旦划分不可变。
3. 动态分区分配（Variable Partitioning）
- 根据进程实际需求动态创建分区。
- 初始内存为一大块，随进程到来/结束而分裂/合并。
- ✅ 无内部碎片；❌ 会产生外部碎片（空闲块太小且不连续）。
- 需要空闲分区管理算法：
- 首次适应（First Fit）
- 最佳适应（Best Fit）
- 最坏适应（Worst Fit）
- 邻近适应（Next Fit）
🛠️ 为缓解外部碎片，可采用紧凑（Compaction）技术，将进程移动使空闲区合并（需支持地址重定位）。
二、离散分配方式（Non-contiguous Allocation）
允许一个进程的内存分布在不连续的物理块中，提高内存利用率。
1. 分页存储管理（Paging）
- 将逻辑地址空间和物理内存都划分为固定大小的页/块（如 4KB）。
- 逻辑页 → 物理块通过页表映射。
- ✅ 无外部碎片；❌ 有内部碎片（最后一页可能不满）。
- 支持虚拟内存。
- 地址结构：
[页号 | 页内偏移]
2. 分段存储管理（Segmentation）
- 按程序的逻辑结构（如代码段、数据段、堆栈段）划分。
- 段大小可变，由用户/编译器决定。
- 每段有段表项：基址 + 长度。
- ✅ 便于共享与保护；❌ 有外部碎片。
- 地址结构：
[段号 | 段内偏移]
3. 段页式存储管理（Segmented Paging）
- 结合分段和分页的优点：
- 先分段（逻辑清晰、便于共享）
- 再对每段分页（消除外部碎片）
- 每个进程：一张段表 + 每段一张页表
- 地址转换需两次查表（段表 → 页表 → 物理地址），开销大。
- ✅ 无外部碎片，支持共享；❌ 有内部碎片，管理复杂。
2. 理解逻辑地址、物理地址的概念；
3. 理解和掌握分页存储管理方式、分段存储管理方式的基本原理、地址映射过程；
4. 理解“内存碎片”的概念；
5. 内存分配算法
- 首次适应算法（First Fit）：空闲分区大小递增链接，从头开始查找，找到第一个能满足要求的分区进行分配。
- 循环首次适应算法（Next Fit）： 从上一次空闲的位置开始查找，找到第一个能满足要求的分区进行分配。
- 最佳适应算法（Best Fit）： 每次都从空闲分区链表中选择最小的能满足要求的分区进行分配。
- 最差适应算法（Worst Fit）： 每次都从空闲分区链表中选择最大的分区进行分配。
6. 伙伴系统
第五章
1. 理解虚拟存储器的基本概念；
- 虚拟存储器是一种存储管理技术，它使得程序可以使用比实际物理内存更大的地址空间。通过将不常用的数据和代码暂时存储在辅助存储设备（如硬盘）上，虚拟存储器允许程序运行时只需加载必要的部分到物理内存中，从而提高了内存利用率和系统性能。
2. 理解和掌握请求分页存储管理方式的原理；
3. 掌握页面置换算法的原理；
- 缺页率 = 缺页次数 / 总访问次数
最佳置换
先进先出（FIFO）
最近最少使用（LRU）, 换出最长时间未被访问的页面
最少使用（LFU）, 换出访问次数最少的页面
Clock算法
4. 理解“抖动”产生的原因、工作集的基本概念；
✅ 什么是抖动？
抖动 是指：
系统花费大量时间在页面的换入换出（I/O 操作）上，而几乎没有时间执行有用进程的现象。此时 CPU 利用率急剧下降，系统“忙而无效”。
通俗地说：进程刚把一页调入内存，马上又被换出；再要用时又得调入……陷入恶性循环。
🔍 抖动产生的原因
分配给进程的物理页框太少
- 进程的活跃页面数 > 分配的页框数
- 导致频繁缺页 → 频繁置换
多道程序度过高（并发进程太多）
- 所有进程争抢有限的物理内存
- 每个进程都得不到足够的页框 → 都频繁缺页
页面置换算法不合适
- 如 FIFO 可能淘汰即将使用的页，加剧缺页
缺乏对进程“局部性”的尊重
- 程序具有时间局部性（近期访问的页很可能再次访问）
- 若内存无法容纳当前“活跃页面集合”，就会不断换页
💡 核心矛盾：进程需要的最小内存 > 实际分配的内存
二、工作集（Working Set）——解决抖动的关键思想
✅ 什么是工作集？
工作集 是指：
在最近 Δ 个内存访问（或时间窗口 Δ）内，进程所访问的页面集合。
记作：W(t, Δ)，表示在时刻 t 的过去 Δ 时间内访问过的所有页面。
- Δ 称为工作集窗口大小
- 工作集反映了进程当前的“活跃页面需求”
📌 工作集的核心思想
- 程序执行具有局部性原理：
- 时间局部性：刚访问的页面很可能很快再被访问
- 空间局部性：访问某地址，其附近地址也可能被访问
- 因此，在任一时间段内，进程只“活跃”使用一部分页面 —— 这就是它的工作集
✅ 关键结论：
当分配给进程的页框数 < 其工作集大小时，就会发生抖动。
三、操作系统如何应对抖动？（实际策略）
- 采用工作集模型进行内存分配
- 设置缺页率上限：若某进程缺页率过高，说明内存不足，应增加其页框
- L=S 调度策略（Page Fault Frequency, PFF）：
- 监控缺页间隔时间 L
- 若 L 太小（缺页太频繁）→ 增加内存
- 若 L 太大（内存过剩）→ 减少内存
- 降低多道程序度：挂起部分进程，集中资源给活跃进程
四、图示理解（文字版）
时间轴： ... [Δ窗口] ...
↑
当前时刻 t
在 Δ 时间内访问的页面：{页2, 页5, 页7, 页3}
→ 工作集 W(t, Δ) = {2, 3, 5, 7} → 至少需要 4 个页框
若只分配 2 个页框 → 必然频繁换页 → 抖动！第六章
1. 理解中断的概念；
中断（Interrupt）是指在计算机执行程序过程中，由于内部或外部事件的发生，CPU 暂停当前程序的执行，转去处理该事件，处理完毕后再返回原程序继续执行 的机制。
作用：实现 CPU 与 I/O 设备的并行工作、处理异常、支持多任务等。
分类：
- 硬件中断：由外部设备（如键盘、磁盘）或硬件故障触发（如时钟中断、I/O 中断）。
- 软件中断：由程序指令主动引发（如系统调用 int 0x80 或异常，如除零错误）。
2. 理解中断响应以及中断处理过程；
- 中断响应（由硬件自动完成）
- CPU 检测到中断请求；
- 完成当前正在执行的指令；
- 关中断（防止嵌套干扰）；
- 保存现场：将程序计数器（PC）、程序状态字（PSW）等关键寄存器压入堆栈；
- 根据中断类型，跳转到对应的中断服务程序（ISR）入口地址。
- 中断处理（由操作系统软件完成）
- 执行中断服务程序（ISR）：
- 识别中断源；
- 进行相应处理（如读取键盘输入、完成磁盘数据传输）；
- 恢复现场：从堆栈中弹出之前保存的寄存器值；
- 开中断；
- 返回原程序（通过中断返回指令，如 IRET），继续被中断处的执行。
第七章
1. 理解文件系统的基本功能；
文件系统是操作系统中用于管理和组织存储设备上文件的机制，其主要功能包括：
| 功能 | 说明 |
|---|---|
| 按名存取 | 用户通过文件名访问文件，无需关心物理位置（如磁盘块号） |
| 文件存储空间管理 | 分配和回收磁盘空间（如位示图、空闲链表、成组链接法） |
| 文件目录管理 | 组织文件结构，支持创建、删除、查找、重命名等操作 |
| 文件读写操作 | 提供打开、读、写、关闭等接口，控制对文件的访问 |
| 文件共享与保护 | 支持多用户共享文件，并通过权限机制（如读/写/执行）实现保护 |
| 提供统一接口 | 屏蔽底层存储设备差异，为用户提供一致的文件操作视图 |
✅ 核心目标：让用户方便、安全、高效地使用文件，而无需了解物理存储细节。
2. 理解文件的逻辑结构、文件目录的概念；
（1）文件的逻辑结构
指从用户视角看到的文件组织形式，与物理存储无关。分为两类：
无结构文件（流式文件）
- 文件是一串字符序列，无内部结构（如文本文件、源代码）。
- 操作以字节或字符为单位（如
read()、write()）。
有结构文件（记录式文件）
- 文件由若干记录组成（如数据库表、学生信息表）。
- 记录可定长或变长，支持按记录读写（如“读第3条记录”）。
- 现代系统中较少直接支持，多由应用程序或 DBMS 实现。
💡 注意：现代操作系统（如 Linux、Windows）主要将文件视为无结构的字节流。
（2）文件目录的概念
定义：文件目录是文件控制块（FCB）的有序集合，用于管理文件信息。
作用：
- 实现“按名存取”；
- 组织文件层次结构（如树形目录）；
- 存储文件元数据（如文件名、大小、创建时间、物理地址、权限等）。
目录项内容（即 FCB）：
- 文件名
- 文件类型
- 物理位置（如索引节点号 i-node）
- 文件大小、访问权限、时间戳等
目录结构发展：
- 单级目录 → 两级目录 → 树形目录（多级目录，支持子目录嵌套）→ 图形目录（带链接）
✅ 现代文件系统（如 NTFS、ext4）采用多级树形目录，支持路径名（如
/home/user/file.txt）。
第八章
1. 理解常用的磁盘调度算法；
先来先服务（FCFS）
最短寻道时间优先（SSTF）
扫描算法（SCAN）
循环扫描算法（C-SCAN）
