1. 操作系统的四个基本特征#

操作系统的四个基本特征是：并发、共享、虚拟、异步。其中并发和共享是两个最基本的特征，二者互为存在条件。

• 并发 (Concurrency)：
  • 指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
  • 在一段时间内同时存在多道运行的程序（进程）。
  • 并发执行能有效改善系统资源利用率，但使系统复杂化，需要对活动进行控制和管理。
• 共享 (Sharing)：
  • 计算机系统中的资源可供内存中多个并发的进程同时使用。
  • 资源不再为某道程序所独占。
• 虚拟 (Virtual)：
  • 将一个物理实体变为若干个逻辑上的实体。
  • 是操作系统管理系统资源的重要手段，可提高资源利用率。
• 异步 (Asynchronism)：
  • 也叫不确定性，指进程以人们不可预知的速度向前推进。
  • 进程的执行时间、顺序、速度和完成时间都是不可预知的。

2. 微内核操作系统#

1. 提高了系统的可拓展性：采用 C/S 模式，许多功能由相对独立的服务器实现，扩展时只需增加专门的服务器。
2. 增强了系统的可靠性：内核精简，正确性易保证；服务器间采用通信机制，单点出错不影响其他。
3. 可移植性强：能较容易地运行在不同的计算机硬件平台上。
4. 提供了对分布式系统的支持：采用消息传递机制，支持分布式系统和网络系统。
5. 融入了面向对象技术：封装、继承等机制有利于提高系统的正确性、易修改性和易扩展性。

• 运行效率低：完成一次用户请求需要利用消息实现多次交互，并多次进行用户/内核模式的上下文切换。

3. 三种操作系统的特点#

类型	特点/优点	缺点/适用场景
批处理操作系统	特点：脱机、多道、成批处理。 优点：系统利用率高，系统吞吐量大。	缺点：平均周转时间长，无交互能力。 分为单道（自动、顺序、单道） 和多道（调度、无序、多道）。
分时操作系统	特点：多路性、独立性、 及时性、交互性。	缺点：系统开销大。 适合小的不成熟的作业。
实时操作系统	特点：多路性、独立性、 及时性、交互性、高可靠性。	重点：必须在规定时间内响应外部事件， 系统必须安全可靠（如航空订票、生产控制）。

4. 进程与程序#

1. 动态性：进程是动态的（程序的执行），程序是静态的（有序代码的集合）。
2. 持久性：进程是暂时的（状态变化过程），程序是永久的（可长久保存）。
3. 组成：进程包括数据段、程序段及 PCB（进程控制块），而程序组成不同。
4. 对应关系：一个程序可对应多个进程（如多开 QQ），一个进程也可通过调用关系包含多个程序。

5. 同步与互斥#

• 引入原因：协调进程之间的相互制约关系。
• 同步 (直接制约关系)：
  • 为完成某种任务而建立的两个或多个进程，需要协调工作次序而产生的制约关系。
  • 通俗理解：只有运行了 A 才能运行 B。
• 互斥 (间接制约关系)：
  • 当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待。
  • 通俗理解：运行了 A 就不能运行 B。

临界区互斥的四个原则：

1. 空闲让进：临界区空闲时，允许一个进程进入。
2. 忙则等待：临界区已有进程时，其他进程必须等待。
3. 有限等待：进程要在有限时间内退出临界区，避免死等。
4. 让权等待：不能进入临界区时，应让出 CPU，避免忙等。

6. 死锁 (Deadlock)#

产生死锁的四个必要条件#

1. 互斥条件：资源在一段时间内只能被一个进程排它性使用。
2. 请求和保持条件：进程保持了至少一个资源，但又提出新请求并被阻塞，且不释放已获得资源。
3. 不可抢占条件：已获得的资源未使用完之前不能被抢占。
4. 循环等待条件：存在一个进程-资源的循环链（如 $p_0$ 等 $p_1$，… $p_n$ 等 $p_0$）。

死锁的处理方法#

1. 预防死锁：破坏四个必要条件（通常是破坏请求和保持、不剥夺、循环等待条件，互斥较难破坏）。
2. 避免死锁：安全状态、银行家算法。
3. 检测死锁：利用死锁定理。
4. 解除死锁：资源剥夺法、撤销进程法、进程回退法。

补充公式：死锁计算#

进程数小于资源数，则不会发生死锁的公式：

• 如果可以整除： $最多申请资源数 = 资源总数 / 进程数$。
• 如果不可以整除： $最多申请资源数 = (资源总数 / 进程数) + 1$。
  • 例：$5/3 + 1 = 2$。

7. 假脱机技术 (Spooling) - 打印机共享#

处理过程：

1. 接收请求：当多个用户进程提出打印请求时，假脱机管理进程不直接分配打印机，而是做两件事：
   • 在磁盘输出井申请空闲缓冲区，存入要打印的数据。
   • 申请一张打印请求表，填入信息并挂到假脱机文件队列上。
2. 执行打印：当打印机空闲时，输出进程从队列队头取出一张请求表，将数据从输出井传送到输出缓冲区，再送到打印机打印。

8. 分页存储管理 vs 分段存储管理#

比较维度	分页存储管理	分段存储管理
单位性质	物理单位。为了实现离散分配，消减内存外零头。	逻辑单位。含有一组相对完整的信息，更好满足用户需求。
大小	固定，由系统决定。硬件实现。	不固定，由用户编写的程序决定（编译时划分）。
地址空间	一维（单一线性地址空间）。	二维（需给出段名 + 段内地址）。
权限	读、写。	读、写、执行。

9. 内存访问与地址计算习题#

习题 1：内存访问次数#

题目：无快表（TLB）的基本页式存储管理中，每次从主存中取指令或取操作数，至少要 2 次访问主存。

• 解析：

  1. 第一次访问主存中的页表，获取物理地址。
  2. 第二次根据物理地址访问主存中的数据或指令。
  • 注：如果有快表（TLB），且命中，则只需要访问 1 次主存。

习题 2：页面地址转换计算#

题目：有一系统采用页式存储管理，作业大小 8KB，页大小 2KB。

依次装入内存的第 7、9、10、5 块。

试将虚拟地址 7145 转换成内存地址 7575。

解题步骤：

1. 已知条件：

   • 页大小 $L = 2KB = 2048 B$。
   • 虚拟地址 $A = 7145$。
   • 页表映射关系（隐含在题目描述中）：
     • 页号 0 -> 块号 7
     • 页号 1 -> 块号 9
     • 页号 2 -> 块号 10
     • 页号 3 -> 块号 5
     • (注：题目中“依次装入”通常暗示页号 0, 1, 2, 3 分别对应这些块号)

2. 计算页号 (P) 和页内偏移 (W)：

   • $P = A / L = 7145 / 2048 = 3$ (取整)。
   • $W = A \mod L = 7145 \mod 2048 = 1001$。

3. 查找对应块号：

   • 页号 3 对应的块号是 5。

4. 计算物理地址：

   • $物理地址 = 块号 \times 块大小 + 页内偏移$
   • $Addr = 5 \times 2048 + 1001 = 10240 + 1001 = 11241$。
   • (注：原文计算式写为 5*2048+1001-11241，结果正确)

答案：虚地址 7145 的内存地址是 11241。

10. 文件检索与物理结构#

检索方法#

• 索引文件：利用关键字进行折半查找 -> 找到表项（指针） -> 访问记录。
• 索引顺序文件：利用关键字检索索引表 -> 找到记录组第一个表项 -> 顺序查找主文件。

文件的物理结构#

1. 连续组织方式（顺序文件结构）：分配连续磁盘空间。
2. 链接组织方式（链接式文件结构）：分配不连续空间，通过指针链接。
3. 索引组织方式（索引式文件结构）：建立索引表管理盘块。

11. 磁盘空间管理：位示图法 (Bitmap)#

• 分配过程：

  1. 顺序扫描位示图，找到 $map[i, j] = 0$ 的空闲位。
  2. 计算盘块号 $B = n \times (i-1) + j$ （$n$ 为每行位数）。
  3. 将位示图对应位置为 1。

• 回收过程：

  1. 根据盘块号 $B$ 计算行号和列号。
     • $i = (B-1) \text{ DIV } n + 1$。
     • $j = (B-1) \mod n + 1$。
  2. 修改位示图：令 $map[i, j] = 0$。