基本構成

• 處理器（CPU），由控制器，運算器，一組寄存器組成

• 主存儲器（只讀：ROM，隨機存取：RAM）

• 輸入輸出模塊

• 系統總線

操作系統的特征

• 并發性，共享性，隨機性

操作系統的功能

• 文件管理
• 進程調度
• 用戶接口

程序順序執行的特征

• 順序性，封閉性，可再現性

作業吞吐量：所完成作業的數量/給定的時間間隔

CPU利用率：所完成作業的時間/給定的時間間隔

進程與程序的區別

• 動態性，并發性，非對應性，異步性

進程的基本特征

• 動態性，并發性，調度性

進程的狀態

• 新建狀態，就緒狀態，運行狀態，阻塞狀態，終止狀態

進程映像

• 程序，數據集合，棧，進程控制塊（進程描述塊，PCB（進程的唯一標識））

進程的控制

• 進程阻塞：運行狀態轉等待狀態（等待某事件發生）
• 進程喚醒：等待狀態轉就緒狀態
• 進程創建：新建進程轉就緒狀態
• 進程調度：就緒狀態轉運行狀態（分配CPU）

進程通信

• 低級：互斥和同步機構
• 高級：共享存儲，管道文件，消息傳遞

線程的組成

• 線程標識符，調度狀態信息，核心棧指針，用戶棧指針，私有存儲區

線程與進程的比較

• 調度單位：進程是資源分配的基本單位，線程作為調度和分派的基本單位
• 資源分配給進程，進程的所有線程共享該資源

調度的層次

• 高級調度（作業調度）：分配內存等資源，為進程活動做準備
• 中級調度（內存調度，進程掛起與對換）：將暫時不能運行的進程掛起
• 低級調度（進程調度）：將CPU分派給就緒隊列的一個進程，執行頻繁

進程調度的方式

• 非搶占方式：一直保持CPU到完成或者等待狀態
• 搶占方式：可被搶占

調度的基本準則

• 周轉時間：完成時間減到達時間
• 平均周轉時間
• 帶權周轉時間：W=T（周轉時間）/R（運行時間）
• 平均帶權周轉時間
• 就緒等待時間：在就緒隊列的等待時間
• 響應時間：從輸入到首次響應的時間

調度算法

• 先來先服務法（FCFS）（非搶占）
• 短作業優先法（SJF）（非搶占）
• 最短剩余時間優先法（SRTF）（搶占）
• 高響應比優先法（HRRF）（非搶占）
  • 在調度前要計算響應比（1+等待時間/運行時間），選擇高響應比的作業運行
• 優先級法（PS）
  • 有搶占和非搶占，根據優先級調用
• 時間片輪轉法（RR）（搶占）
  • 先按照FCFS排序，執行一個時間片長度后當前的加到隊尾，換下一個

進程的關系

• 互斥，同步，通信、

臨界資源

• 一次只能被一個進程使用的共享資源

臨界區（CS區）

• 在進程中訪問臨界資源的那段程序

信號量

• 物理意義：S>=0時表示某資源的可用數，S<0時絕對值表示阻塞隊列的進程數
• 組成：兩個成員組成的數據結構，一個值為信號量的值（INT），另一個為指向PCB的指針
• 規定
• 信號量可被賦值，初始值不能為負數
• 只允許被P，V操作訪問和修改

P操作

V操作

產生死鎖的4個必要條件

死鎖的判斷

死鎖的處理策略

忽略死鎖條件

死鎖預防（靜態策略）

• 破壞互斥條件，破壞占有且等待條件，破壞不可搶占條件

死鎖避免（動態策略）

• 安全狀態：進程所需的資源不大于所有資源

• 不安全狀態是死鎖的必要條件，不是充分條件

• 拒絕分配資源法（銀行家算法）

  • 要求：

  • 必須說明自己的所需最大資源量
  • 只能一次一次的申請資源
  • 如已經獲得資源的最大需求量，則要在規定時間內使用完畢并歸還系統

  • 承諾：

  • 若一個進程對資源的最大需求量沒有超過總量，則不能拒絕
  • 在接到資源請求時，有權阻塞該進程，但保證在有限時間內響應

  • 單種銀行家算法

    Available：每類資源可用數量
    max：每個進程對各類資源的最大需求
    allocation：當前每個進程分配到底各類資源數
    need：max-allocation
    work：當前每類資源可用數
    finish：是否安全

    答題表格列序：work need allocation work+allocation finish

死鎖的檢測與恢復

邏輯空間：由程序中邏輯地址組成的范圍

內存空間：內存單元組成

重定位：程序裝入內存時，把邏輯地址轉成內存地址

單一分區存儲管理系統缺點：一次只能一個作業進入內存

動態分區缺點：內存利用率不高，有外部碎片

動態分區分配算法：最先適應，最佳適應

可重定位分區分配算法

• 時機

• 釋放所占分區/分配進程分區

• 缺點，浪費大量CPU

分頁存儲管理

分段存儲管理

頁面置換算法

缺頁率：缺頁次數/全部次數

有效存取時間：（1-p）X ma+p X 缺頁處理時間(處理缺頁中斷時間，調入該頁的時間，重新啟動進程的時間)

頁面走向：存儲訪問序列

常見的頁面置換算法

磁盤容量=磁頭數X柱面數(磁道數)X(每磁道)扇區數X512B(扇區大小)

磁盤訪問時間Ta：Ts（尋道時間10ms）+Tr（旋轉時間3ms）+Tt（傳輸時間）

磁盤調度算法

先來先服務法（FCFS）

最短尋道時間優先算法（SSTF）：選擇最近磁道

掃描法（SCAN）：電梯法：不僅考慮距離，更考慮方向

循環掃描法（C-SCAN）：移動到最遠端即可返回到另一邊的最遠端

旋轉調度

時間：（掃描時間+處理時間）Xn+延遲時間X（n-1）（n為扇區數）

分類

I/O通道分類：字符多路通道，數據選擇通道，數據多路通道

I/O方式分類：程序方式，中斷方式，DMA方式

通道是獨立于CPU的，負責數據輸入輸出參數工作的處理單元

有5個任務ABCDE，它們到達時刻分別0,2,4,6,8，預計它們的運行時間為12，5，3，7，9min。其優先級分別為2，4，5，1，3。這里5為最高優先級。對于下列每一種調度算法，計算其平均進程周轉時間（進程切換開銷可不考慮）。

先來先服務（按A,B,C,D,E）算

短作業優先算

最短剩余時間優先算法

高響應比優先算法

非搶占式優先級調度算法

搶占式優先級調度算法

時間片輪轉算法(令時間片為2min)

產生死鎖的主要原因是進程運行推進的順序不合適(資源分配不當和系統資源不足)

臨界區是指并發進程中訪問共享變量的(程序)段。

通常不采用(從非死鎖進程處搶奪資源)方法來解除死鎖。

在9個生產者,6個消費者共享容量為8的緩沖區的生產者-消費者問題中,互斥使用緩沖區的信號量S的初始值為(1)。

若系統中有五臺繪圖儀,有多個進程均需要使用兩臺,規定每個進程一次僅允許申請一臺,則至多允許(4)個進程參與競爭,而不會發生死鎖。

若某系統中有3個并發進程,都需要同類資源3個,則該系統不會發生死鎖的最少資源單位數是( 7)

系統發生死鎖時,其資源分配圖中必然存在環路。因此,如果資源分配圖中存在環路,則系統一定出現死鎖。（錯）

P,V操作不僅可以實現并發進程之間的同步和互斥,而且能夠防止系統進入死鎖狀態。（錯）

由于資源數少于進程對資源的需求數,因而產生資源的競爭,所以這種資源的競爭必然會引起死鎖。（錯）

某采用頁式虛擬存儲管理的系統,頁面大小為100字。現有一用戶作業,它依次要訪問的字地址序列是:215,58,90,186,355,430,306,168,279,93,201,140。系統分配給該作業的主存共300字,分別使用OPT和LRU,并計算缺頁率。

根據如下段表:

段號 基地址 長度 合法(0)/非法(1)

0 300 200

1 7500 540

2 3000 1010

3 2000 90

(1)求出邏輯地址為0,100的物理地址并將其的合法性填入上表適當位置;

(2)求出邏輯地址為3,100的物理地址并將其的合法性填入上表適當位置;

在分頁系統中,邏輯空間最多可以有64個頁,每頁1KB字節。若把它映射到由32個物理塊組成的存儲器。問:(1)有效的邏輯地址有多少位?(2)有效的物理地址有多少位?

(1)16：64X1024 = 2的16次方,(2)15：32X1024

在一個請求分頁系統中,分別采用FIFO、OPT和LRU頁面置換算法時,假如一個作業的頁面走向為4、3、2、1、4、3、5、4、3、2、1、5,當分配給該作業的物理內存塊數是3時,分別計算在訪問過程中所發生的缺頁次數和缺頁率(用畫表形式)。

(2)如果一個邏輯地址空間長度為35KB的用戶程序申請內存,系統采用最佳適配算法,請畫出分配后的空閑塊的鏈表情況。

(3) 針對2)里的內存分配情況,若該用戶程序內有一讀取數據指令“LOAD 2,4096”,請算出該用戶程序運行時的實際讀取地址。(240K+4096B=244K)

(1) 采用最先適配法,所得到的分區首址是多少?被分配的那個空閑分區將分別剩下多少字節?(100K, 50K)

(2) 采用最佳適配法,所得到的分區首址是多少?被分配的那個空閑分區將分別剩下多少字節?(330K, 30K)

(3) 采用最壞適配法,所得到的分區首址是多少?被分配的那個空閑分區將分別剩下多少字節?(410K,72K)

假設一個磁盤有100個柱面，每個柱面有5個磁道，每個盤面被分為4個扇區，柱面、磁頭和扇區的編號均從0開始。現用字長為32位的位示圖來管理磁盤空間，位示圖的字號、位號從0開始編號。

（1）每個柱面有多少個存儲塊？該磁盤組共有多少個存儲塊?

（2）求位示圖中字號為4、位號為4的二進制位對應塊的物理塊號？

（3）給出該塊的物理地址（柱面號、磁頭號、扇區號）?

（4）刪除文件歸還第15柱面第5磁道第2扇區，對應的物理塊號是多少？位示圖中應修改第幾字第幾位？

（1）每個柱面有5（道）X4 （扇區） =20個存儲塊，磁盤共有20X100=2000個存儲塊。

（2）位示圖中字號為4、位號為4的二進制位對應塊的塊號是4*32+4=132。

（3）132/（54）=6，132%（54）=12，12/4=3，12%4=0，該塊的柱面號是6，磁頭號是3，扇區號是0。

（4） 塊號=（15柱面第5磁道第2扇區）15X5X4+5X4+2=322

某磁盤組有100個柱面，每個柱面有4個磁道，每個磁道被分為2個扇區。現用字長為16位的位示圖來管理磁盤空間，位示圖中的字號、位號從“0”開始編號。試問：

（1）存儲該位示圖需多少字節？

（2）位示圖中字號為6、位號為26的二進制位所對應盤塊的邏輯塊號是多少？它在哪個柱面、磁道號和扇區號（柱面編號從“0”開始）？

（1）100X4X2/8=100字節。

（2）位示圖中字號為6、位號為24的二進制位所對應盤塊的塊號是6X16+26=122, m=122/(42)=15, n=122%(42)=2, 2/8=0, 2%8=2

所以該塊在15號柱面，0號磁道號和2號扇區號。

某文件系統中每盤塊大小為4KB，每塊地址用4B表示，請問：

（1）若該文件系統采用二級和三級索引結構，則它能管理的最大文件長度分別是多少字節？

（2）若有一個20KB大小的文件，現已獲取到該文件的目錄信息，如需讀取該文件最后16B的數據，當文件系統分別采用連續結構和鏈接結構時，各需要讀取多少個盤塊？

（1）一個盤塊里的盤號數：4KB/4B=1K

（2）連續結構：讀取1個盤塊

某磁盤磁道分成5個扇區(0～4)，每個扇區存放一個邏輯記錄。一個用戶文件有 5個記錄：A、B、C、D、E，被順序存放在一個磁道上。 假定磁盤旋轉一周的時間是 30ms， 每個記錄讀出后需9ms的時間處理。試問：

(1)順序讀出6個記錄并進行處理，共需多少時間？

(2)給出一種在磁盤上安排記錄的策略，使整個時間盡可能少。

（1）（6+9）X 5 + 21 X 4 = 159 ms

（2）安排策略：A,D,B,E,C ，共需：（6+9）X 5 + 3 X 4 = 87 ms

有一個請求磁盤服務的隊列，要訪問的磁道分別是：97，180，30，120，16，19，78，69，設磁頭最初在35道上。請問：

（1）寫出FCFS算法的尋道序列，并算出平均尋找長度

（2）寫出SSTF算法的尋道序列，并算出平均尋找長度。

（3）當磁頭移動方向為：朝著圓心方向，寫出SCAN算法的尋道序列，并算出平均尋找長度。

（4）當磁頭移動方向為：遠離圓心方向，寫出SCAN算法的尋道序列，并算出平均尋找長度。

（5）當磁頭移動方向為：1 朝著圓心方向，寫出循環SCAN算法的尋道序列，并算出平均尋找長度。

（6）當磁頭移動方向為：遠離圓心方向，寫出循環SCAN算法的尋道序列，并算出平均尋找長度。