操作系统期末总复习——绝地求生版

Posted 2022-01-26 一支王同学

✅ 2022 新年第一篇，献给了 OS
第1次文章更新 —— 2022/1/2 18:00

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文章目录

• 一、考试形式
• 二、重点内容的排序 + 简单分析
• 三、一纸，一笔，一个晚上，一个奇迹 ✅
• • 1、⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️ —— 死锁
  • 2、⭐️⭐️⭐️⭐️ —— 信号量与 P、V 操作
  • 3、⭐️⭐️⭐️⭐️ —— 驱动调度技术
  • 4、⭐️⭐️⭐️⭐️ —— 处理器调度 + 作业的管理和调度
  • 5、⭐️⭐️⭐️ —— 页面置换算法
  • 6、⭐️⭐️⭐️ —— 文件的物理结构与存储设备
  • 7、⭐️⭐️⭐️ —— 页式存储管理
  • 8、⭐️⭐️ —— 进程及其实现
  • 9、⭐️⭐️ —— 可变分区
  • 10、⭐️⭐️ —— 缓冲技术
  • 11、⭐️ —— 多道程序系统
  • 12、⭐️ —— 并发进程
  • 13、⭐️ —— 重定位
  • 14、⭐️ —— 段氏存储管理
  • 15、⭐️ —— I/O 控制方式
  • 16、⭐️ —— 设备独立性
  • 17、⭐️ —— 文件存储空间的管理
• 四、参考附录

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一、考试形式

● 10 道单选 —— 10 × 1(分)

● 10 道填空 —— 10 × 2(分)

● 30分的简答题(概念与计算)

● 4 道综合计算题 —— 10 × 4(分)

◆ 补充说明：总共有 5 种综合计算题，只选其中的四种进行考察。后文有讲解。

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二、重点内容的排序 + 简单分析

序号	重点	内容
1	⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️ —— 死锁	【占了整张试卷的高分值，填空 + 选择 + 10分大题】 【死锁的定义、产生的原因、4个必要条件、处理死锁的3种方法(对比、优缺点)】 【死锁的应用】 【大题就是银行家算法，需注意格式、中间变量、表格】
2	⭐️⭐️⭐️⭐️ —— 信号量与 P、V 操作	【填空题 + 10分大题】 【进程的同步与互斥，理解清楚】 【主要看记录型信号量，其他类型也要看看】 【注：语法可以用类C语言、PV的顺序一定不能错】
3	⭐️⭐️⭐️⭐️ —— 驱动调度技术	【这里有一道综合的 10分大题】 【4种调度算法、读取步骤、磁盘结构、特点】
4	⭐️⭐️⭐️⭐️ —— 处理器调度 + 作业的管理和调度	【这里有一个两级调度的大题，比如说上课写的那种。10分大题】
5	⭐️⭐️⭐️ —— 页面置换算法	【 一道 10分大题，3种置换算法要掌握：FIFO、LRU、OPT，并会计算缺页中断率】
6	⭐️⭐️⭐️ —— 文件的物理结构与存储设备	【可能有混合索引的复杂计算。考试难点】 【地址如何计算、映射怎么实现、一次链接？二次链接？】
7	⭐️⭐️⭐️ —— 页式存储管理	【基本分页是面向系统的，也会产生碎片】 【页式地址转换：页表项、页内位移位、逻辑地址转换为物理地址(填空选择)】
8	⭐️⭐️ —— 进程及其实现	【三态模型的概念、个数、转换流程。概念简答题】 【什么是进程控制块(PCB)，描述了哪些信息？】
9	⭐️⭐️ —— 可变分区	【4种分区算法，要能用语言描述、优缺点(背)、特点。】
10	⭐️⭐️ —— 缓冲技术	【为什么要引入缓冲技术？】 【有时间看看这 4 个缓冲】
11	⭐️ —— 多道程序系统	【设计的概念 → 目的是什么？概念简答题】
12	⭐️ —— 并发进程	【引入的目的 → 看样例，看并发可能会导致什么错误出现？】
13	⭐️ —— 重定位	【动态重定位的优缺点】
14	⭐️ —— 段氏存储管理	【了解分段和分页在概念上的区别 → 更少的碎片】
15	⭐️ —— I/O 控制方式	【4种方式出现的时间段、发展的驱动力是什么？概念简答题】
16	⭐️ —— 设备独立性	【考简答题，概念，如何实现？概念简答题】
17	⭐️ —— 文件存储空间的管理	【引入的原因、功能，了解一下位示图法。填空选择】

● 注：以上内容已覆盖 80% ~ 90% 的考试内容，接下来将对其一一进行讲解。

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三、一纸，一笔，一个晚上，一个奇迹 ✅

1、⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️ —— 死锁

【占了整张试卷的高分值，填空 + 选择 + 10分大题】
【大题就是银行家算法，需注意格式、中间变量、表格】
【死锁的定义、死锁产生的原因、4个必要条件、处理死锁的3种方法、3 种方法的对比与优缺点、死锁的应用】

● 相关内容全部都在这里面，银行家算法可以看下一篇(写得更详细)，链接： 【操作系统⑩】——进程死锁【银行家算法+详细样例 进程死锁的预防机制、避免机制、检测与解决】.
【都要看，这是大考点 】

● 关于银行家算法，小编已用C++实现，并附加有一个详细的样例，链接：《银行家算法——C++实现 [开源代码 + 详细解析]》.

● 重点标注一下上面 “灰色模块” 里的内容：

① 死锁的定义：系统中(两个或者)多个进程无限期地等待永远不会满足的条件，处于停滞状态，称为进程死锁。

② 死锁产生的原因：
  [1] 系统资源不足。
  [2] 进程运行推进的顺序不合适。
  [3] 资源分配不当。

③ 产生死锁的4个必要条件：
  [1] 互斥使用(资源独占)：指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用毕释放。

  [2] 不可强占(不可剥夺)：资源申请者不能强行地从资源占有者手中夺取资源，资源只能由占有者自愿释放。

  [3] 请求保持(部分分配，占有申请)：进程在申请新资源的同时保持对原有资源的占有。

  [4] 循环等待(环路等待条件)：指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合 P0，P1，P2，···，Pn 中的 P0 正在等待一个 P1 占用的资源；P1 正在等待 P2 占用的资源，……，Pn 正在等待已被 P0 占用的资源。

④ 处理死锁的3种方法：
● 死锁的处理策略：为使系统不发生死锁，必须设法破坏产生死锁的4个必要条件之一，或者允许死锁产生，但当死锁发生时能检测出死锁，并有能力实现恢复。

  [1] 预防死锁：设置某些限制条件，破坏产生死锁的4个必要条件中的一个或几个，以防止发生死锁。

  [2] 避免死锁：在资源的动态分配过程中，用某种方法防止系统进入不安全状态，从而避免死锁。(银行家算法)

  [3] 死锁的检测及解除：无需采取任何限制性措施，允许进程在运行过程中发生死锁。通过系统的检测机构及时地检测出死锁的发生，然后采取某种措施解除死锁。

◆ 补充说明：预防死锁和避免死锁都属于事先预防策略，但预防死锁的限制条件比较严格，实现起来较为简单，但往往导致系统的效率低，资源利用率低；避免死锁的限制条件相对宽松，资源分配后需要通过算法来判断是否进入不安全状态，实现起来较为复杂。

⑤ 处理死锁 3 种方法的对比与优缺点：

项目	资源分配策略	主要优点	主要缺点
死锁的预防	保守分配，宁可资源闲置(即保证死锁不会发生)	适用于做突发式处理的进程，不需要进行剥夺	效率低，进程初始化的时间会延长；剥夺次数过多；不便灵活申请新资源
死锁的避免	是 “预防” 和 “检测” 的折中(通过银行家算法判断，在运行过程中是否可能有死锁产生)	不需要进行剥夺	必须知道将来的资源需求；进程不能被长时间阻塞
死锁的检测与解除	定期检测是否有死锁的发生，若有则采取某种措施解除死锁	不会延长进程初始化的时间，允许对死锁进行现场处理	通过剥夺解除死锁会造成损失

⑥ 死锁的应用：
  [1] 生产者-消费者问题
  [2] 经典的读写问题
  [3] 经典的独木桥问题

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2、⭐️⭐️⭐️⭐️ —— 信号量与 P、V 操作

【填空题 + 10分大题】
【进程的同步与互斥，理解清楚】
【主要看记录型信号量，其他类型也要看看】
【注：语法可以用类 C 语言、PV 的顺序一定不能错】

● “进程的同步与互斥” 的重点内容都在： 【操作系统⑥】——进程联系与临界区管理【同步与互斥 Dekker算法 TS指令 SWAP指令】.
【主要看 “一、进程联系” 】

● “PV操作” 的重点内容全部都在这里面： 【操作系统⑦】——信号量与PV操作(上)【生产者消费者经典问题】.
【注：里面的每一道例题(都是记录型信号量)，小编都已补充详细的注释】

◆ 补充说明：关于 PV操作，如果能掌握【操作系统⑦】文章里面的大部分例题，考试完全 OK 的。

● 关于 “PV操作” 的其他类型信号量(比如AND型信号量)在这里面： 【操作系统⑧】——信号量与PV操作(下)【哲学家进餐问题 AND型信号量 信号量集机制】.

● 下面补充两道关于 PV操作 的例题来练手：

题目①：若有一个文件 F，供进程共享，现把进程分成 A、B 两组，规定同组的进程可以同时读文件 F，但当有 A 组（或 B 组）的进程在读文件 F 时，不允许 B 组（或 A 组）的进程读文件 F。现定义两个计数器 c1 和 c2 分别记录 A 组和 B 组中读文件 F 的进程数，当用 P、V 操作进行管理时需要三个信号量 S1、S2、Sab 才能保证正确的并发执行，试写出对应的程序。

● 题目关键字提取：【分析主要看代码和后面的 “代码说明”】
  [1] “A 组某人读文件 F”。
  [2] “B 组某人读文件 F”。
  [3] “同组的人可以同时读文件 F”。
  [4] “非同组的人不可以同时读文件 F”。

● 代码如下：

/* 基于 C 语言写的伪代码 */
semaphore c1 = 0, c2 = 0;	// c1、c2 分别是 A、B 组的计数器
semaphore S1 = 1, S2 = 1;	// S1、S2 分别是计数器 c1、c2 的互斥信号量
semaphore Sab = 1;			// Sab 是 a、b 两组间的互斥信号量
while(true)

	"A组进程 Ai():"		// i = 1, 2, 3, ..., a
	while(true)
	
		P(S1);
        if( c1 == 0 )
        	P(Sab);
        c1 = c1 + 1;
        V(S1);
        读文件 F;
        P(S1);
        c1 = c1 - 1;
        if( c1 == 0 )
			V(Sab);
        V(S1);		
	
	
	"B组进程 Bj():"		// j = 1, 2, 3, ..., b
	while(true)
	
		P(S2);
        if( c2 == 0 )
        	P(Sab);
        c2 = c2 + 1;
        V(S2);
        读文件 F;
        P(S2);
        c2 = c2 - 1;
        if( c2 == 0 )
			V(Sab);
        V(S2);	
	

◆ 代码说明：
  ① 因为只有一个文件 F，所以 S1 和 S2 都只能初始化为 1。
  ② A、B 组的计数器 c1、c2 一开始都初始化为0，是因为一开始 A 组和 B 组都没有人在读文件。
  ③ 每次要对 c1、c2 两个进行操作时，都必须要用 P、V 组合操作。
  ④ 小编自己写的类 C 语言(如果有不对的地方，欢迎评论指出)，考试要求什么伪代码语言都可以，包括 Pascal。

题目②：有桥如下图，车流如箭头所示。桥上不允许两车交会，但允许同方向多辆车依次通行(即桥上可以有多个同方向的车)。请用 P、V 操作实现交通管理以防止桥上堵塞。

● 题目分析 —— 其实和上面一道题类似。可以这么理解
  [1] “有一车向左方向驶去” → “A 组某人读文件 F”。
  [2] “有一车向右方向驶去” → “B 组某人读文件 F”。
  [3] “桥上可以有多个同方向的车” → “同组的人可以同时读文件 F”。
  [4] “桥上不允许两车交会” → “非同组的人不可以同时读文件 F”

● 分析清楚后，问题便迎刃而解，代码如下：

/* 基于 C 语言写的伪代码 */
semaphore c1 = 0, c2 = 0;	// c1、c2 分别是 左方向L、右方向R 组的计数器
semaphore S1 = 1, S2 = 1;	// S1、S2 分别是计数器 c1、c2 的互斥信号量
semaphore mutex = 1;		// mutex 是 左方向L、右方向R 两组间的互斥信号量
while(true)

	"左方向开车组的进程 Li():"		// i = 1, 2, 3, ..., a
	while(true)
	
		P(S1);
        if( c1 == 0 )
        	P(mutex);
        c1 = c1 + 1;
        V(S1);
        Li(以从左到右的方向驶去);
        P(S1);
        c1 = c1 - 1;
        if( c1 == 0 )
			V(mutex);
        V(S1);		
	
	
	"右方向开车组的进程 Rj():"	// j = 1, 2, 3, ..., b
	while(true)
	
		P(S2);
        if( c2 == 0 )
        	P(mutex);
        c2 = c2 + 1;
        V(S2);
        Li(以从右到左的方向驶去);
        P(S2);
        c2 = c2 - 1;
        if( c2 == 0 )
			V(mutex);
        V(S2);	
	

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3、⭐️⭐️⭐️⭐️ —— 驱动调度技术

【这里有一道综合的 10分大题】
【4种调度算法、读取步骤、磁盘结构、特点】

● “4种调度算法” 的重点内容和例题都在： 【操作系统学习笔记⑬】——设备管理(上) [直接查询、中断方式、DMA方式、缓冲技术、驱动调度技术与算法].
【主要看 “五、驱动调度技术”，“读取步骤、磁盘结构” 都在里面 】

◆ 补充说明：这里的大题可能很综合，熟悉4种调度算法的同时，务必要了解清楚 “磁盘的物理结构”、“磁盘的访问时间”。

● 重点标注一下上面 “灰色模块” 里的内容：

① 4种调度算法的特点：

项目	含义	特点
先来先服务算法（FCFS）	根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度	此算法的优点是公平、简单，且每个进程的请求都能依次得到处理，不会出现某一进程的请求长期得不到满足的情况。但会致使平均寻道时间长。
最短寻道时间优先（SSTF）	总是先执行查找时间最短的那个磁盘请求。	较 “先来先服务” 算法有较好的性能。但是本算法存在 “饥饿” 现象，随着源源不断靠近当前磁头位置读写请求的到来，使早来的但距离当前磁头位置远的读写请求服务被无限期推迟。
扫描算法（SCAN）	每次总是选择沿臂的移动方向最近的那个柱面。如果沿这个方向没有访问的请求时，就改变臂的移动方向，这非常类似于电梯的调度规则。	扫描算法克服了 “饥饿” 这一缺点。扫描算法偏爱那些最接近里面或靠外的请求，对最近扫描跨过去的区域响应会较慢。
循环扫描算法（CSCAN）	移动臂总是从0号柱面至最大号柱面顺序扫描，然后，直接返回0号柱面重复进行，归途中不再服务，构成了一个循环，这就减少了处理新来请求的最大延迟。	这减少了处理新来请求的最大延迟。

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4、⭐️⭐️⭐️⭐️ —— 处理器调度 + 作业的管理和调度

【这里有一个两级调度的大题，比如说上课写的那种。10分大题】

● “4种调度算法” 的重点内容和样例都在： 【操作系统学习笔记⑬】——设备管理(上) [直接查询、中断方式、DMA方式、缓冲技术、驱动调度技术与算法].
【先看看下面的 “补充说明” ，再主要看 “四、单道环境下的调度” 和 “五、多道环境下的调度” 】

◆ 补充说明：“四、单道环境下的调度” 里面的例题是 “一级调度”。而 “五、多道环境下的调度” 的例题是 “两级调度”。 【并不是 “多道” 造成的 “两级” ，而是因为：作业被 CPU 处理时，不仅需要考虑进入内存(一级)，还要考虑在内存中送进 CPU 的次序(二级)】

● 关于进程调度算法，小编已用C++实现：《进程调度算法——C++实现 [FCFS, SJF, HPF, HRN + 开源代码]》. 【2021/1/3前，更新出来】

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5、⭐️⭐️⭐️ —— 页面置换算法

【 一道 10分大题，3种页面置换算法要掌握：FIFO、LRU、OPT，并会计算缺页中断率】

● “3种页面置换算法” 的重点内容都在： 【操作系统⑫】——存储管理(下)【分段存储管理 虚拟存储管理 段页式存储管理方案 页面置换算法 OPT FIFO LRU】.
【主要看 “7.3 页面置换算法” ，样例可以看下面这一篇】

● 关于“页面置换算法”，小编已用C/C++实现，并都附加了详细的样例：《页面置换算法——C/C++实现 [ OTP, FIFO, LRU, LFU + 开源代码 + 详细解析]》.

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6、⭐️⭐️⭐️ —— 文件的物理结构与存储设备

【可能有混合索引的复杂计算。考试难点】
【地址如何计算、映射怎么实现、一次链接？二次链接？】

● “混合索引” 的重点内容和样例都在： 【操作系统学习笔记 ⑮ 完结篇】——文件管理 [ 文件系统 + 索引文件的详细样例 ].
【主要看 “4.1.3 索引文件 —— 样例” 】

● 下面补充三道的例题来练手：【上文 4.1.3 索引文件 —— 样例 中的样例是最难的】

例题①：文件系统采用多重结构搜索文件内容。设块长为 512B，每个块号占 3B，如果不考虑逻辑块号在物理块中所占的位置，分别求二级索引和三级索引时可寻址的文件最大长度。

解：
因为块长为512B，且每个块号占3B，则一个物理块可放：512 / 3 ≈ 170.67，向下取整即为 170个(物理块)地址，所以：
一级索引时可寻址的文件最大长度：170 × 512 = 87040B (约为87KB)
二级索引时可寻址的文件最大长度：170 × 170 × 512 = 14796800B (约为14.7MB)
三级索引时可寻址的文件最大长度：170 × 170 × 170 × 512 = 2515456000B (约为2.5GB)

例题②：某系统中磁盘的每个盘块大小为 1KB，外存分配方法采用中的混合索引结构，其中索引节点中直接地址 6 项，一级索引地址 2 项，二级索引地址 1 项，每个盘块号占用 4 个字节，请问该系统中允许的文件最大长度是多少?

解：
因为，该系统中磁盘的每个盘块大小为1KB，且每个盘块号占用4个字节。
故一个物理块可放：1KB / 4B ≈ 256个(物理块)地址。

因为，索引节点中直接地址有6项，一级索引地址2项，二级索引地址1项。
所以该系统中允许的文件最大长度：$6\times 1KB+2\times 256\times 1KB+1\times 256^2\times 1KB=66,054KB(约为66MB)$

例题③：存放在某个磁盘上的文件系统，采用混合索引分配方式，其 FCB 中共有 13 个地址项，第 0～9 个地址项为直接地址，第 10 个地址项为一次间接地址，第 11 个地址项为二次间接地址，第 12 个地址项为三次间接地址。如果每个盘块的大小为 4K 字节，若盘块号需要用 4 个字节来描述，请问该系统中允许的文件最大长度是多少?

解：
因为，每个盘块的大小为4K字节，且每个盘块号需要用4个字节。
所以，一个物理块可放：4KB / 4B ≈ 1024个(物理块)地址。
因为，索引节点中直接地址有10项、一级索引地址1项、二级索引地址1项、二级索引地址1项。
所以该系统中允许的文件最大长度：$(10+1\times 1024+1\times 1024^2+1\times 1024^3)\times 4KB=4,299,165,736KB(约为4.3TB)$

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7、⭐️⭐️⭐️ —— 页式存储管理

【基本分页是面向系统的，也会产生碎片】
【页式地址转换：页表项、页内位移位、逻辑地址转换为物理地址(填空选择)】

● “页式存储管理” 的重点内容和样例都在： 【操作系统⑪】——存储管理(上)【分区存储管理 分页存储管理+详细样例】.
【主要看 “三、页式存储管理（也称分页存储管理）” 】

◆ 补充说明：上文的 “三、页式存储管理（也称分页存储管理）” 中的四道例题务必要掌握。

● 重点标注一下上面 “灰色模块” 里的内容：

① 分页与分段的主要区别：
  [1] 段是信息的逻辑单位，它是根据用户的需要划分的，因此段对用户是可见的。而页是信息的物理单位，是为了管理主存的方便而划分的，对用户是不可见的(透明的)。

  [2] 页的大小固定不变，由系统决定。而段的大小是不固定的，它由其完成的功能决定。

  [3] 段式向用户提供的是二维地址空间，而页式向用户提供的是一维地址空间，其页号和页内偏移是机器硬件的功能。

  [4] 由于段是信息的逻辑单位，因此便于存贮保护和信息的共享，而页的保护和共享受到限制。

② 分页存储的优点和缺点：【分页存储是由 “固定分区存储管理方案” 演化而来的】
  ● 优点：解决了碎片问题、便于管理。
  ● 缺点：不易实现共享、不便于动态连接。

③ 分段存储的优点和缺点：【分页存储是由 “可变分区存储管理方案” 演化而来的。】
  ● 优点：便于动态申请内存、段表长度较短、便于共享、便于动态链接。
  ● 缺点：产生碎片、不易扩展。

▶ 这里再补充一道较难一点的例题（网易笔试题） —— 有用户态进程 A，其虚拟内存页为 1KB，A 占用了 64 页，内存大写为 128KB，A 进程将内存的页面和物理内存块的编号对应关系如下：

页面编号	物理内存块编号
0	4
1	9
2	5
3	8

请根据以上信息回答如下问题，并给出计算过程︰

1. 虚拟地址为 015D 对应的物理地址是多少?
2. 物理地址为 113C 对应的虚拟地址为多少?
3. 进程 A 有一作业长度为 8 页，试图访问虚拟地址 2A3D 并保存整型 1 到该地址对应的物理地址空间，之后又尝试从该地址读取保存的数据，请问 A 进程这两次内存访问过程能否正常执行? 并解释原因。

解：
（1）对于虚拟地址(即逻辑地址) $015D=1\times 16^2+5\times 16+13=349$ 【这一步操作是将 16进制 → 10进制】
  故页号 = int ( 349 / 1024 ) = 0，页内位移 = 349 mod 1024 = 349。【1024的来头：因为题目告诉了其虚拟内存页为 1KB = 1024B】
  查页表第 0 页在第 4 块，所以物理地址为 1024 × 4＋349＝4445
  所以，虚拟地址为 015D 对应的物理地址是 115D。【和题目一样，最终也→ 16进制】

（2）对于物理地址$113C=1\times 16^3+1\times 16^2+3\times 16+12=4412$ 【这

以上是关于操作系统期末总复习——绝地求生版的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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