系统架构设计师_操作系统

这是一篇关于阅读《系统架构设计师教程》操作系统相关知识章节时，总结的精华知识的思维导图。该思维导图比教系统全面。

操作系统基础知识

• 计算机硬件资源
  • 中央处理机（CPU）
  • 存储器（主存与外存）
  • 输入输出设备
• 操作系统
  • 操作系统是计算机系统的核心系统软件，其他软件是建立在操作系统基础上的，并在操作系统的统一管理和支持下运行
  • 计算机硬件（微机）
    • 操作系统
      • 语言处理程序
        • 应用程序
  • 操作系统的作用
    • 通过资源管理，提高计算机系统的效率
    • 改善人机界面，向用户提供友好的工作环境
  • 操作系统分类
    • 单用户操作系统和批处理操作系统
    • 分时操作系统和实时操作系统
    • 网络操作系统和分布式操作系统
    • 嵌入式操作系统
  • 操作系统的特征
    • 并发性
    • 共享性
    • 虚拟性
    • 不确定性
  • 操作系统的功能
    • 进程管理
    • 文件管理
    • 存储管理
    • 设备管理
    • 作业管理
• 处理机与进程管理
  • 进程
    • 进程是资源分配和独立运行的基本单位
  • 1.进程的定义及分类
    • 进程是程序的一次执行，该程序可以和其他程序并发执行。进程通常由程序、数据、及进程控制块（PCB）组成
    • PCB描述了进程的基本情况，是进程存在的唯一标志
  • 2.进程的状态转换与控制
    • 三态模型
      • 就绪
      • 运行
      • 阻塞
    • 五态模型
      • 新建
      • 就绪
        • 活跃就绪
        • 静止就绪
      • 运行
      • 阻塞
        • 活跃阻塞
        • 静止阻塞
      • 终止
    • 进程控制是指对系统中所有进程从创建到消亡的全过程实施有效的控制
    • 进程控制是通过进程控制原语实现的，进程控制原语主要有创建原语、撤销原语、挂起原语、激活原语、唤醒原语
  • 3.进程互斥与同步以及P、V操作
    • 1. 进程间同步
      • 异步环境下的一组并发进程之间互发消息、相互合作、互相等待，使得各进程按一定的速度执行的过程称为进程同步
    • 2. 进程间互斥
      • 一组并发进程中的一个或多个程序段，因共享某一共有资源而使得它们必须以一个不允许交叉的顺序执行。也即，互斥要保证临界资源在某一时刻只被一个进程访问
    • 3. 临界资源
      • 系统中有些资源可以供多个进程同时使用，有些资源一次只能供一个进程使用，称为临界资源，如打印机、公共变量和表格等
    • 4. 临界区管理原则
      • 临界区是进程中对临界资源实施操作的那段程序。互斥临界区的管理原则是有空则进、无空则等、有限等待、让权等待
    • 5. 信号量机制
    • 6. 整型信号量与PV操作
      • 公用信号量：实现进程间的互斥，初值=1或资源数目
      • 私用信号量：实现进程间的同步，初值=0或某个正整数
    • 7. 利用PV操作实现进程的互斥
    • 8. 利用PV操作实现进程的同步
  • 4.进程通信与管理
    • 进程通信
      • 进程间的信息交换
      • 根据通信内容可分为控制信息的交换和数据的交换
      • 控制信息的交换成为低级通信，进程的同步与互斥是通过信号量来实现通信的，属于低级信息。
      • 数据的交换成为高级通信。高级通信的类型有共享存储系统和消息传递系统和管道通信。高级通信的方式有直接通信和间接通信
    • 管程
      • 管程是由一些共享数据、一组能为并发进程执行的作用在共享数据上的操作的集合、初始代码以及存取权组成的，也即共享数据及在其上操作的一组过程就构成了管程。进程可以在任何需要资源的时候调用管程，且在任一时刻最多只有一个进程能够真正地进入管程，其他的只能等待。管程提供了一种可以允许多进程安全有效地共享抽象数据类型的机制。
  • 5.进程调度与死锁
    • 进程调度
      • 进程调度即处理器调度（上下文切换），主要功能是确定把处理器在什么时候分配给哪一个进程。在某些操作系统中，一个作业从提交到完成需要经历高、中低三级调度。
    • 调度方式与算法
      • 调度方式是指当有更高优先级的进程到来时如何分配CPU。调度方式分为可剥夺和不可剥夺两种。
      • 调度算法
        • 先来先服务
        • 时间片轮转（round robin）
        • 优先级调度
        • 多级反馈调度算法
    • 死锁
      • 死锁是指两个以上的进程互相都因请求对方已经占有的资源，无限期地等待并无法继续运行下去的现象
      • 死锁是系统的一种出错状态，它浪费系统资源，还会导致整个系统崩溃，所以应该尽量预防和避免死锁
    • 死锁产生地原因及条件
      • 产生死锁的原因是资源竞争及进程推进顺序非法。
      • 产生死锁地4个必要条件
        • 互斥条件
        • 请求保持条件
        • 不可剥夺条件
        • 环路条件
      • 解决死锁地策略
        • 鸵鸟策略（不理睬策略）
        • 预防策略
          • 破坏死锁地四个必要条件之一
        • 避免策略
          • 精心地分配资源，动态地回避死锁
        • 检测与解除死锁
          • 一旦发生死锁，系统不但能检测出，还能解除
  • 6.线程
    • 线程是进程中的一个实体，是被系统独立分配和调度的基本单位
    • 一个进程可包含多个线程
    • 同一个进程中的所有线程资源共享
    • 线程可创建另一个线程，同一个进程中的多个线程可并发执行
    • 线程具有就绪、运行、阻塞三种基本状态
• 存储管理
  • 存储器是计算机系统的关键性资源，是存放各种信息的主要场所。存储器的发展方向是高速、大容量和小体积。存储管理的主要任务是如何提高主存的利用率、扩充主存以及对主存信息实现有效保护。存储管理的对象是主存储器（简称主存或内存）。
  • 存储管理的概念
    • 存储器结构
      • 寄存器
        • 主存
          • 外存
      • 寄存器
        • 缓存
          • 主存
            • 外存
    • 逻辑地址
      • 用户程序经编译后，每个目标模块以0为基地址进行的顺序编址，它不是主存中的真实地址，是相对基地址而言的。逻辑地址又称为相对地址、程序地址或虚拟地址
    • 物理地址
      • 主存中各存储单元的地址，从统一的基地址进行的顺序编址，是主存中的真实地址，可以寻址并实际存在。物理地址又称为绝对地址。
    • 存储空间
      • 逻辑地址空间（简称地址空间）是逻辑地址的集合，物理地址空间（简称存储空间）是物理地址的集合
  • 地址重定位
    • 程序的逻辑地址被转换成主存的物理地址的过程称为地址重定位
      • 静态重定位
        • 在程序执行之前进行地址重定位，即装入内存时重定位
      • 动态重定位
        • 在程序执行期间，在每次存储访问之前进行地址重定位
  • 存储管理的功能
    • 存储管理的功能有主存储器的分配和回收、提高主存储器的利用率、存储保护、主存扩充
  • 存储管理的方式
    • 分区存储管理
    • 分页存储管理
    • 分段存储管理
    • 段页式存储管理
    • 虚拟存储管理
• 设备管理
  • 设备管理的任务是保证在多道程序环境下，当多个进程竞争使用设备时，按一定策略分配和管理各种设备，控制设备的各种操作，完成输入/输出设备与主存之间的数据交换
  • 设备分类
    • 按设备的使用特性分为存储设备、输入/输出设备、终端设备和脱机设备
    • 从资源分配角度分为独占设备、共享设备和虚拟设备
    • 按设备的从属关系分为系统设备和用户设备
    • 按数据组织方式分为块设备和字符设备
    • 按数据传输速率分为低速设备、中速设备、高速设备
    • 按输入/输出对象分为人机通信设备、机机通信设备
    • 按是否可交互分为非交互设备、交互设备
  • 设备管理的主要技术
    • 中断技术
    • DMA技术（Direct Memory Access，DMA）
    • 缓冲技术
    • 虚设备与SPOOLING（外围设备联机）技术
  • 设备管理软件
    • 中断处理程序
    • 设备驱动程序
    • 与设备无关的系统软件
    • 用户层I/O软件
  • 数据传输控制方式
    • 设备管理的主要任务之一是控制设备和内存或CPU之间的数据传送
    • 数据传输控制方式
      • 程序控制方式
      • 中断方式
      • 直接存储访问方式
      • 通道方式
  • 磁盘调度算法
    • 磁盘是可供多个进程共享的设备。磁盘调度是使各进程对磁盘的平均访问时间最小。
    • 调度算法
      • 先来先服务（first-come first-served，FCFS）
      • 最短寻道时间优先（Shortest Seek Time First，SSTF）
      • 扫描算法（SCAN）
• 文件管理
  • 文件是具有符号名的、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的集合
  • 文件管理系统是操作系统中对文件进行统一管理的一组软件和相关数据（即被管理的文件）的集合，简称文件系统
  • 文件系统的功能
    • 按名存取
    • 统一用户接口
    • 并发访问和控制
    • 安全性控制
    • 优化性能
    • 差错恢复
  • 文件类型
    • 性质和用途
      • 系统文件、库文件和用户文件
    • 安全属性
      • 只读文件、读写文件、可执行文件和不保护文件
    • 组织形式
      • 普通文件、目录文件、设备文件（特殊文件）
    • 信息保存期限
      • 临时文件、档案文件和永久文件
    • 信息流向
      • 输入文件、输出文件、输入/输出文件
  • 文件的结构和组织
    • 文件的逻辑结构有结构的记录文件和无结构的字符流文件
    • 文件的物理结构有连续结构、链接结构、索引结构、多个物理块的索引表
  • 文件的访问方法
    • 文件的访问方法是指读写文件存储设备上的一个物理块的方法
    • 顺序访问
      • 对文件中的信息按顺序依次读写的方式
    • 随机访问
      • 对文件中的信息可以按任意的次序随机地读写文件中的信息
  • 文件存储设备管理
    • 对空闲空间的组织、分配与回收
    • 空闲空间管理方法
      • 位图法
      • 索引法
      • 链接法
  • 文件控制块和文件目录
    • 文件控制块是系统为每个文件设置的用于描述和控制文件的数据结构，它是文件存在的唯一标志，简称为（File Control Block，FCB）。FCB一般包含基本信息、位置信息、存取控制信息和使用信息
    • 文件目录是文件控制块的有序集合
  • 文件的使用
    • 工作目录
    • 目录管理命令
      • 建立目录
      • 显示工作目录
      • 改变目录
      • 删除目录
    • 文件控制命令
      • 建立文件
      • 删除文件
      • 打开文件
      • 关闭文件
      • 改文件名
      • 改变文件属性
    • 文件存取命令
      • 读写文件
      • 显示文件内容
      • 复制文件
    • 文件的共享是指不同的用户使用同一文件，它是不同用户完成同一任务的必须的功能
    • 文件的安全是指文件的保密和保护，即限制非法用户使用和破坏文件。
• 作业管理
  • 作业管理和作业控制
    • 作业是系统为完成一个用户的计算任务（或一次事务处理）所做的工作总和。它由程序、数据和作业说明书三部分组成
    • 作业控制块JCB是记录与该作业有关的各种信息的登记表。JCB是作业存在的唯一标志，包括用户名、作业名、状态标志等信息。在输入井中，通常将作业控制块排成一个或多个队列，称为作业后备队列，因此作业后备队列是由若干个JCB组成的
  • 作业状态及转换
    • 提交、后备、执行、完成
  • 作业调度及常用调度算法
    • 作业调度是完成从后备状态到执行状态的转变及从执行状态到完成状态的转变
    • 作业调度算法
      • 先来先服务
      • 短作业优先
      • 响应比高优先
      • 优先级调度算法
      • 均衡调度算法
    • 调度算法的性能
      • 平均周转时间
      • 平均带权周转时间
  • 用户界面
    • 用户界面是计算机中实现用户与计算机通信的软、硬件的总称。
• 网络操作系统
  • 网络操作系统（Network Operating System，NOS）是使网络中各计算机能方便而有效地共享网络资源，为网络用户提供所需的各种服务的软件和有关规则的集合。
  • 网络操作系统的特征
    • 硬件独立性
    • 多用户支持
    • 支持网络使用程序及管理功能
    • 多种客户端支持
    • 提供目录服务以及支持多种增值服务等
  • 网络操作系统的分类
    • 集中模式
    • 客户机/服务器模式
    • 对等模式（peer-to-peer）
  • 网络操作系统
    • NetWare系列
    • Windows系列
    • UNIX和Linux及相应的服务软件
• 常见操作系统
  • Unix系统
    • 是由美国贝尔实验室发明的一种多用户、多任务的分时操作系统
  • Windows家族
  • Linux系统
    • 支持多用户、多任务、多进程、实时性较好的、功能强大而稳定的操作系统，也是目前运行硬件平台最广泛的操作系统