操作系統總結

一、基本概念：填空、選擇、判斷、簡答

1、什麼是操作系統：操作系統是控制和管理計算機硬件和軟件資源、合理地組織計算機工作流程，並方便用戶使用計算機的一組程序集合。

2、常見操作系統

l   WindowsXP、Windows 2003、Windows 2000、Windows Vista

l   Linux、Unix

l   IBMAIX、IBM OS/2

l   SunSolais

3、操作系統分類：單道批處理系統、多道批處理系統、分時系統、實時系統、微機操作系統、網絡操作系統、分佈式操作系統、嵌入式操作系統

4、多道批處理系統的優缺點

l   優點：CPU、內存以及I/O設備等資源的利用率高；系統吞吐量（單位時間內完成的總工作量）大。

l   缺點：平均週轉時間（作業進入內存到運行結束時間）長；沒有交互能力。

5、分時系統的特點

l   多路性：多個用戶同時使用一臺計算機；

l   獨立性：用戶之間互不干擾，就像各自獨立使用一臺計算機一樣；

l   及時性：用戶的各種請求（如輸入數據）能夠得到及時的響應；

l   交互性：用戶通過各自的終端，與自己運行的程序進行交流。

6、操作系統的特點

l   併發性：兩個或多個程序在一段時間內“同時”執行。它們不是絕對地並行執行，而是在這一段時間內交替執行。併發性是操作系統最主要的特徵。

l   共享性：系統資源可供多個併發執行的程序共同使用。分爲互斥共享和非互斥共享兩種。

l   虛擬性：通過軟件方式，將一個物理資源變成多個虛擬的對等資源。

l  異步性：多個程序的執行順序和一個程序的執行與中斷次數無法確定。但是其結果始終是確定的。

7、操作系統的功能

l   處理機管理功能：進程控制

l   存儲器管理功能：內存分配、內存保護、內存擴充以及地址轉換

l   設備管理功能：緩衝區管理、設備分配和回收、設備驅動

l   文件和磁盤存儲管理功能：目錄管理、文件讀寫、存取控制、磁盤空間分配、空閒空間管理

l   用戶接口：操作接口（分命令接口和圖形接口）、程序接口（即系統調用）

8、進程的含義和組成：進程是某個程序在一組OS數據集合基礎上的一次運行過程。進程運行所依賴的OS數據集合叫做“進程控制塊”（PCB），所以進程由程序和PCB組成。

9、進程的特點

l   動態性：是程序的一次併發執行過程，具有一定的生命週期。每個進程在執行過程中都會按“執行-暫停-執行”方式推進，因此可以對不同階段的進程定義不同的狀態。

l   併發性：兩個或多個進程在一段時間內“同時”執行，但某一瞬間只執行其中之一。因此實際上這些進程是交替執行的。

l   獨立性：任何進程都是一個程序的一次獨立運行過程，也是系統進行資源分配和調度的單位。

l   異步性：進程按不可預知的速度向前推進，所以OS應提供相應的措施保證其併發性。

l   結構性：每個進程都程序（由代碼和數據組成）和PCB組成。

10、進程的狀態

l   就緒(Ready)狀態：此時進程等待CPU，並獲得了除CPU以外所有的運行所需資源。由於存在多個就緒進程，OS將將它們排列成一個就緒隊列。

l   執行(Running)狀態：進程獲得了CPU，並正在運行的狀態。單CPU系統中只能有一個進程處於執行狀態。

l   阻塞(Blocked)狀態：進程由於等待除CPU以外的其它資源或I/O操作結束，而不能繼續執行的狀態。由於存在多個多個阻塞進程，系統將它們排列成一個或多個阻塞隊列。

11、進程的狀態轉換關係

l   執行到就緒：執行進程被操作系統強制剝奪CPU，從而變成就緒進程。

l   就緒到執行：就緒進程被操作系統調度，從而變成執行進程。

l   執行到阻塞：由於申請資源未獲準，或開始了I/O操作，執行進程將CPU讓給其它就緒進程，從而變成阻塞進程。

l   阻塞到就緒：阻塞進程得到所請求資源，或執行的I/O操作結束，從而變成就緒進程。

12、動態分區式內存分配的含義：根據所要運行的程序大小，在內存中動態地劃分出一個區域，並將程序轉入該區域。等到程序運行結束時又回收此區域。

13、常用的動態分區分配算法：首次適應算法、循環首次適應算法、最佳適應算法、最差適應算法

14、分頁式存儲管理方法的基本原理：用戶程序開始執行時，根據CPU中規定的大小，把用戶程序劃分成多個小塊（稱爲“頁面”）。每個頁面裝入內存中相同大小的不連續區域（該區域稱爲“物理塊”）。同時建立該進程的頁表，記錄哪個頁面裝在哪個塊內。

15、分頁式存儲管理方法的地址變換過程：

l   將程序指令從內存讀入CPU

l   根據塊大小，將指令中的地址劃分成兩個部分：頁號、頁內地址

l   從內存頁表中查找與頁號對應的頁表項，得到塊號；

l   將指令中的頁號替換成塊號，完成地址轉換

16、虛擬存儲器：具有請求調入和置換(交換)功能，能從邏輯上擴充內存容量的存儲管理系統。該系統應由硬件和軟件配合實現。

17、虛擬存儲器的容量：實際容量爲內存容量和交換空間容量，最大容量爲內存容量+外存容量。

18、虛擬存儲器的實現方式：請求分頁、請求分段

19、請求分頁系統的置換算法：將外存的頁面調入內存的同時，將內存中暫時不使用的頁面換到外存的策略。一個好的置換算法應儘量避免“抖動”現象。

20、設備分類：獨佔設備、共享設備、虛擬設備

21、I/O控制方式的類型：程序訪問方式、中斷控制方式、直接存儲器訪問方式、通道方式

22、緩衝區的分類：單緩衝、雙緩衝、循環緩衝、緩衝池

23、文件分類

l   按邏輯結構劃分：有結構文件、無結構文件

l   按物理結構劃分：順序文件、鏈接文件、索引文件

l   按存取控制劃分：可執行文件、只讀文件、可讀寫文件

24、外存空間的分配方式：連續分配、鏈接分配、索引分配

23、磁盤調度算法：對於多個磁盤訪問請求，OS根據不同策略完成不同順序的訪問操作。其目的是減少磁頭移動距離，提高整體訪問性能。

24、常見的磁盤調度算法：先來先服務（FCFS算法）、最短尋道時間優先（SSTF）、掃描算法（SCAN算法）、循環掃描算法（CSCAN算法）

25、進程調度算法：將CPU分配給就緒進程的算法，具體類型包括先來先服務調度算法(FCFS)、短作業(或進程)優先調度算法(SJF)、時間片輪轉調度算法、優先權調度算法

 

二、綜合題：計算、分析

1、分別計算按FCFS算法和SJF算法調度以下進程時的平均週轉時間和平均帶權週轉時間。

進程名稱	A	B	C	D	E
到達時間	0	1	2	3	4
服務時間	4	3	5	2	4

解：

FCFS（先來先服務）算法

進程名稱	A	B	C	D	E
到達時間	0	1	2	3	4
服務時間	4	3	5	2	4
完成時間	4	7	12	14	18
週轉時間 （完成時間-到達時間）	4	6	10	11	14
帶權週轉時間 （週轉時間/服務時間）	1	2	2	5.5	3.5

平均週轉時間=（4+6+10+11+14）/5=9

平均帶權週轉時間=（1+2+2+5.5+3.5）/5=2.8

SJF（短作業優先）算法

進程名稱	A	B	C	D	E
到達時間	0	1	2	3	4
服務時間	4	3	5	2	4
完成時間	4	9	18	6	13
週轉時間 （完成時間-到達時間）	4	8	16	3	9
帶權週轉時間 （週轉時間/服務時間）	1	8/3	16/5	3/2	9/4

平均週轉時間=（4+8+16+3+9）/5=8

平均帶權週轉時間=（1+2.67+3.2+1.5+2.25）/5=2.124

2、在如下分區表的基礎上，按照首次適應和最佳適應三種算法依次分配五個進程P0、P1、P2、P3、P4時的進程開始地址。五個進程的大小爲P0：200k，P1：15K，P2：100K，P3：80K，P4：20K。

分區編號	1	2	3	4	5	6
起始地址	10K	200K	250K	320K	500K	850K
分區大小	100K	30K	50K	150K	300K	220K

解：所有進程的分配結果如下表所示。

首次適應是指根據進程的大小，在分區表中查找第一個能夠裝下進程內容的分區。對於本例來說，P0進程爲200K，在分區表中從左到右查找能夠裝下P0進程的分區（即分區大小>=進程大小）爲5號分區，所以P0進程的起始地址爲5號分區的起始地址500K。分配P0後5號分區就會變成起始地址700K（原始起始地址500K+進程P0大小200K）、大小爲100K（原始大小300K-P0進程大小200K），以此類推，可計算出其他進程的起始地址。

 

最佳適應是指查找某個分區大小最接近當前進程大小。對於P0進程來說，最接近其容量（必需大於等於）的分區爲6號分區，所以P0進程在最佳適應分配算法的處理下，起始地址爲6號分區的起始地址850K。分配P0進程後6號分區變成起始地址爲1050K，大小爲20K的分區，可以最佳裝入P1進程，因此P1進程的起始地址爲1050K。

答題時上述分析過程不需要寫出，只需要寫出下面的表格即可。

	P0	P1	P2	P3	P4
首次適應：	500K	10K	320K	25K	200K
最佳適應	850K	1050K	10K	320K	200K

3、一個分頁式存儲管理系統中頁面大小爲2K（2048字節），某進程的頁表內容如下表所示。請將該進程的邏輯地址1FD3和205C轉換爲物理地址。

頁號	0	1	2	3	4
塊號	3	7	12	13	31

解：

(1FD3)₁₆=1*16³+15*16²+13*16¹+3*16⁰=(8147)₁₀，因此頁號=(8147整除2048)=3，頁內偏移地址=(8147取餘2048)=2003，查頁表可知頁號3對應的塊號爲13，即3號頁裝入13號塊，因此物理地址=13*2048+2003=28627。

(205C)₁₆=2*16³+0*16²+5*16¹+12*16⁰=(8284)₁₀，因此頁號=(8284整除2048)=4，頁內偏移地址=(8284取餘2048)=92，查頁表可知4號頁裝入31號塊，因此物理地址=31*2048+92=63580。

 

4、在一個請求分頁虛擬存儲器系統中，假定某個進程將按如下順序訪問頁面：

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

(1)在內存中只爲該進程分配3個物理塊，請使用先進先出置換算法計算出訪問過程中所發生的置換次數；

(2)如果爲該進程分配4個物理塊，並使用LRU算法，置換次數又爲多少？

解：

先進先出算法：

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
			√		√	√	√	√	√		√	√	√		√	√	√	√	√

置換次數爲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
						√	√				√	√	√			√

置換次數爲6次

 

5、某磁盤有8192個磁道，編號爲0~8191，在完成了磁道1250處的請求後，當前正在磁道3500處爲一個請求服務。若此時請求隊列的先後順序爲1000，4000，3300，5600，1300，6000，1200，2500。回答下述問題：

(1)採用SSTF（最短尋道時間優先）算法完成上述請求。請寫出磁頭移動的順序，並計算平均尋道長度。

(2)採用SCAN（電梯）算法完成上述請求。請寫出磁頭移動的順序，並計算平均尋道長度。

解：

SSTF（最短尋道時間優先）算法：哪個進程的尋道位置與當前位置最近，先爲該進程服務

(1) 3500->3300 移動200

(2) 3300->4000 移動700

(3) 4000->2500 移動1500

(4) 2500->1300 移動1200

(5) 1300->1200 移動100

(6) 1200->1000 移動200

(7) 1000->5600 移動4600

(8) 5600->6000 移動400

平均尋道長度=（200+700+1500+1200+100+200+4600+400）/8= 1112.5

SCAN（電梯）算法：模仿電梯動作規律，由於磁頭從1250到達3500，因此先向大磁道號方向處理，再向小磁道號方向處理

(1) 3500->4000 移動500

(2) 4000->5600 移動1600

(3) 5600->6000 移動400

(4) 6000->3300 移動2700

(5) 3300->2500 移動800

(6) 2500->1300 移動1200

(7) 1300->1200 移動100

(8) 1200->1000 移動200

平均尋道長度=（500+1600+400+2700+800+1200+100+200）/8= 937.5