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软件设计师备考-（三）操作系统基本原理

news 2025/8/28 14:14:22

三、操作系统基本原理

（一）操作系统的概述

（二）进程管理

1、进程管理-进程状态转换图

三态模型—》五态模型

2、进程管理-前趋图

总之，前趋图是一种有向图，用于描述任务或操作之间的依赖关系，并帮助确定任务的执行顺序和优化执行效率。它在项目管理和调度算法中起着重要的作用。

3、进程管理-进程的同步与互斥

4、进程管理-PV操作

PV操作是一种用于同步多个线程的机制，其中P代表“申请资源”（也可以理解为“拿走资源”），V代表“释放资源”（也可以理解为“归还资源”）。

假设有一个资源（比如说一个共享变量或者一个临界区），多个线程需要使用这个资源。当一个线程想要使用这个资源时，它需要执行P操作，这就相当于向系统申请这个资源。如果此时资源可用，那么线程就可以继续执行。但是如果资源已经被其他线程占用，那么该线程就会被阻塞，直到资源被释放。

当一个线程使用完资源后，它需要执行V操作，这就相当于释放这个资源，以便其他线程可以使用。执行V操作后，系统会通知其他等待资源的线程，让它们可以继续执行。

简单来说，P操作就是申请资源，V操作就是释放资源。通过使用PV操作，可以确保多个线程之间对共享资源的访问是有序的，避免了竞争和冲突的问题。

注：（1）在p操作中，如果s>0，则阻塞该进程，把该进程放到进程队列中去，该进程就会处于等待状态；如果s<0则会继续执行当前程序。

（2）在v操作中，如果s<=0；则会在系统的进程队列中，拿出一个等待进程来，激活等待进程，让他继续去执行。

5、pv操作练习题

（p操作具有阻塞作用（阻塞就开始等待），V具有激活等待作用（激活P操作），p和v一般都是成对出现的）由题可知，这是一个书店购书流程，购书者购书付款，收银员收费。

（1）为什么在购书者进程中会首先出现一个p(sn)操作呢？

原因是，假如有n个购书者购书，那么每执行一次p操作，都会-1，直到Sn<0时，进入阻塞状态，这样做的好处是避免了，购书者不断进入，导致书店人员满员（假如书店同时只能容下100人，那么当第101人进入时，就会被阻塞，进入等待状态）。

（2）为什么b1是p操作呢？

因为收银员不能一直收款啊，当有客户时才进行收款，没客户时就进入等待状态，也就是被阻塞，只有p才有阻塞作用，所以b1为p操作。

（3）为什么a1不能是p操作呢？

因为b1是p操作，而购书者付款必须经过收银员收费操作，才能进行付款。当购书者进行付款时（a1），激活（v操作具有激活等待进程）正在等待的收银员（b1），进行收费操作。

（4）为什么a2是p操作呢？为什么b2是v操作呢？

因为购书者付款离开前，必须经过收银员的查看商品，进行收费，找零，给商品消磁，等一系列操作之后，才能离开。而这个时候，购书者就处于等待状态，即a2为p操作。而这时候收银员在b2时，经过消磁找零等操作后，激活购书者的等待状态（a2），告诉购书者可以离开。所以b2为v操作。

解，（1）答案选A （2）C

6、PV操作与前趋图

（1）进程管理-PV操作

p是阻塞、v是通知，一般交替出现也就是成对出现

（1）p1执行，p2执行，执行完要通知，所以a是v(s1)，b是v(s2)

（2）得到v（s1）和v(s2)的通知后，P3执行执行前要先阻塞,所以c是p（s1）和p(s2)。

（3）在执行p4和p5之前要先被通知，即d是v(s3)和v（s4）

（4）得到通知，要先阻塞，即e是p(s3)，d是p(s4)

7、进程管理-死锁问题

解：（1）公式：设k为进程数，n为每个进程所需资源数，则由公式k*(n-1)+1=3*(5-1)+1=13，系统至少有13个资源时，则不可能发生死锁。

（2）由题可知，每个进程都需要5个系统资源，那么想要不发生死锁，可以先给ABC个分配4个资源，共12个资源。这时系统还有第13个资源，那么ABC都还缺少一个资源，这时无论把第13个资源分配给ABC的谁，都不会发生死锁。即随便把这一个分配给某个进程，都会满足5个资源的条件，从而进行释放资源。

8、银行家算法

（1）死锁问题

（2）银行家算法

（3）银行家算法例子

（三）存储管理

1、分区存储组织

（1）分配前：空闲区的顺序是从小到大，即10k——25k——28k

（2）首次适应法：即从上到下分配，25k——28k——10k

（3）最佳适应法：优先分配最小的，10k——25k——28k

（4）最差适应法：优先分配最大的，28k——25k——10k

（5）循环首次适应法：25k——28k——10k的顺序，循环分配，首次分配在了25k，第二次在28k

2、页式存储、段式存储、段页式存储

（1）页式存储组织

注：查找逻辑地址的物理地址，怎么查找？

答：先找到逻辑地址的页内地址，在通过页号找到块号，把块号与页内地址拼接起来就是所对应的物理地址。

例题：

（1）由题可知页面大小为4k，（物理地址=块号和页内地址）则化成二进制就是2的12次方，说明大于12位的为页号，12位为页内地址，又因为逻辑地址为16进制，所以1位表示二进制的4位，即A29是页内地址，5为页号，则块号（页帧号）根据表格得为6，即6A29H，答案选D。

（2）淘汰页号，只能淘汰在物理地址中的，即状态位（0表示不在，1表示在），那么只能选择0、1、2、5。又因为只能选择未被访问过得（1表示被访问，0表示未被访问），即只有页号为1的未被访问，所以答案选择B。

其实也就是指将十进制的4096转化为十六进制=1000H

（2）段式存储组织

（3）段页式存储组织

段表和页表被放在内存中，被称为慢表。

快表放在Cache中。

3、页面淘汰算法

（1）页面置换算法

LRU：最久没被使用的最先被淘汰

【1】先进先出（FIFO）

重复就不缺页：

【2】FIFO和LRU的区别

注：FIFO:先进来的先被淘汰

LRU：最久没被使用的最先被淘汰

没缺页就会保留，在下次被淘汰：例如FIFO，5、0、1进。2进淘汰5，还剩012。0进，没缺页，不淘汰，现在为0120。3进，淘汰0，还剩1203。0进，淘汰1，还剩2030.依次类推。·

（2）页面淘汰算法练习题

（1） 没有使用快表，说明我们每读一次块，需要在内存上查一下表，之后才能读取相应的内存块，所以每一个块需要进行2次内存的访问，总共有6个块，所以会进行访问12次内存。

（2）由图可知指令与操作数都是各夸2个页。因为指令是一次性读入，所以指令swap只会产生1次缺页中断，而操作数AB各会产生2次。所以最终将会产生5次缺页中断。

（四）文件管理

1、索引文件结构

1k=1024B=1024字节

注：（1）一个物理盘块假设4k的大小，则13个盘块最大为4k*13=52k

（2）13个索引结点就是存的13个地址。

（3）规定前10个索引结点（0—9）为直接索引：地址直接对应物理盘块，盘块对应索引的内容。4k*10=40k

（4）第10个结点（一级间接索引），所对应的是物理盘块的地址，每一个地址，假设占4个字节，一个物理盘块假设4k大小。则一个物理盘块可以存（4k/4字节=1024）1024个地址，容量最多可以存4k*1024个字节。

（5）第11个结点（二级间接索引）：容量最多可以存4k * 1024 * 1024

（6）第12个结点（三级间接索引）：容量最多可以存4k * 1024 * 1024 * 1024

（7）间接级别越多，间接索引越大容量越大，效率越低

逻辑地址从0开始算。

（1）由题可得，每个地址项占4个字节，磁盘索引和磁盘数据块大小均为1kb字节，则每个物理盘块可以存（1kb/4=256）256个地址。逻辑块号为5的物理块号，由图可知为58。因为每一个盘块可以存256个地址，而结点90的物理盘块的物理块号为58的逻辑地址为5，则最后一个地址逻辑块号为260（因为从5开始，包括5，总共存256个，则最后一个逻辑块号就为256+5-1=260），所以第261个逻辑块号所对应的物理块号为下一个结点的开始，即187号。

（2）由题可知。101号物理块存的是二级间接索引表

2、文件和树型目录结构

3、空闲存储空间的管理（主要学习位示图法）

详细介绍：操作系统之文件系统：4、文件存储空间管理(空闲表法、空闲链表法、位示图法、成组链接法)空闲表法和空闲链表法千寻瀑༄的博客-CSDN博客

因为从0开始编号，所以4195号，其实是第4196个数

（1）答案：D

（2）答案：B（0代表空闲，1代表占用）

（五）设备管理

1、数据传输控制方式（内存和外设之间）

主要掌握前三种。后俩种一般直接有计算机控制

注：（1）程序控制方式（程序查询方式）

（2）DMA方式（直接存取控制方式）

2、虚设备与SPOOLING（假脱机）技术

注：在计算机科学中，假脱机技术是一种用于提高I/O效率的方法，它允许数据在输入/输出操作之前被缓冲。

（1）同时联机外围操作技术，它是关于慢速字符设备如何与计算机主机进行数据交换的一种技术，通常又称假脱机技术。

- 在多道程序环境下，利用多道程序中的一道或者两道程序来模拟脱机输入/输出中的外围控制机的功能，以达到“脱机”输入/输出的目的。
- 利用这种技术可把独占设备转变成共享的虚拟设备，从而提高独占设备的利用率和进程的推进速度。

（2）SPOOLING系统 是对脱机输入/输出工作的模拟，它必须有大容量的且可随机存取的存储器的支持。

- 其主要思想是在联机的条件下，进行两个方向的操作，在数据输入时，将数据从输入设备传送到磁盘或磁带（块设备），然后把这些块设备与主机相连；
- 反过来，在数据输出时，将输出数据传送到磁盘或磁带上，再从磁盘或磁带传送到输出设备。
- 这样，可以将一台独占的物理设备虚拟为并行使用的多态逻辑设备，从而使该物理设备被多个进程共享。