操作系统复习资料

根据提供的文件信息，我们可以整理出以下相关知识点： ### 1. 输入输出(I/O)通信方式 - **可编程I/O**：在这种模式下，处理器通过不断轮询I/O设备的状态来确定是否可以进行数据传输。这意味着CPU需要频繁检查设备是否准备好进行数据交换，效率较低。 - **中断驱动I/O**：当I/O设备准备好进行数据传输时，它会向处理器发送一个中断信号。处理器响应中断，保存当前状态，并处理I/O请求。这种方式比可编程I/O更高效，因为CPU不需要一直轮询设备状态。 - **直接存储器访问(DMA)**：在DMA模式下，一旦处理器启动了I/O操作，DMA控制器将接管数据传输任务，直接在I/O设备和主存之间进行数据交换，而无需CPU介入。这种方式进一步提高了I/O操作的效率。 ### 2. 高速缓存(Cache)的原理与替换算法 - **高速缓存原理**：高速缓存利用了程序访问的局部性原理，即程序倾向于重复访问最近访问过的数据或指令。通过存储这些频繁访问的数据或指令，高速缓存可以显著减少从主存获取数据的时间，从而提高整体性能。 - **替换算法**：当高速缓存满时，需要采用一种策略来决定移除哪个缓存项。最常见的策略是“最近最少使用”(LRU)算法，即移除最近一段时间内未被访问的数据。此外，还有随机替换(Random)、先进先出(FIFO)等策略。 ### 3. 操作系统的发展历程 操作系统经历了以下几个主要阶段： - **串行处理**：早期的计算机只能顺序执行任务。 - **简单批处理系统**：允许用户提交作业列表，系统自动按顺序处理。 - **多道程序批处理系统**：引入多道程序技术，允许多个作业同时驻留在内存中。 - **分时系统**：用户可以交互式地使用计算机，操作系统会轮流为每个用户提供服务。 - **实时系统**：用于需要及时响应外部事件的应用场景。 ### 4. 操作系统的重要理论进展 - **进程**：进程是程序的一次执行过程，操作系统通过进程的概念实现了并发。 - **内存管理**：提供了虚拟内存、分页、分段等机制，有效地管理和利用内存资源。 - **信息保护和安全**：确保数据的安全性和完整性。 - **调度和资源管理**：通过各种算法来优化资源分配，提高系统的吞吐量。 - **系统结构**：操作系统的设计模式，例如微内核结构。 ### 5. 操作系统管理的资源 - **主存空间**：用于存储正在运行的程序和数据。 - **I/O设备**：如硬盘、键盘、鼠标等外围设备。 - **处理器**：控制CPU的使用，以满足多个进程的需求。 ### 6. 现代操作系统的特征 - **微内核体系结构**：只保留最基本的组件在内核中，其他服务在用户空间运行。 - **多线程**：允许多个线程在同一进程中并发执行。 - **对称多处理**：多个处理器对等协作处理任务。 - **分布式操作系统**：跨越多台物理计算机协同工作。 - **面向对象设计**：使用面向对象的方法来组织操作系统结构。 ### 7. 进程状态变迁 - **运行态**：进程正在执行。 - **就绪态**：进程已准备好执行，等待CPU时间片。 - **阻塞态**：等待某种条件（如I/O完成）满足。 - **新建态**：进程刚被创建，还未进入就绪队列。 - **退出态**：进程已结束执行，等待回收资源。 ### 8. 进程控制块(PCB)的作用 - PCB是操作系统用来管理进程的关键数据结构，包含了进程的所有相关信息，如状态、优先级、内存指针等。 - PCB允许操作系统保存和恢复进程状态，从而支持多进程环境。 ### 9. 中央处理器的工作状态 - **运行**：处理器正在执行某个进程。 - **空闲**：没有进程可供执行，处理器处于空闲状态。 - **在分派**：操作系统正在选择下一个要执行的进程。 ### 10. 操作系统的执行方式 - **非特权模式**：普通用户的执行模式，权限有限。 - **特权模式**：操作系统使用的模式，拥有完全控制权。 ### 11. 线程类型和执行方式 - **用户级线程**：完全由应用程序管理，无需内核支持。 - **内核级线程**：由操作系统内核管理，可以在不同处理器上并发执行。 ### 12. 微内核体系结构 - 微内核将操作系统的核心功能与服务分离，核心只包含最基本的服务，其他服务在用户空间运行。 ### 13. 进程切换 - **进程切换**是指操作系统从一个进程切换到另一个进程的过程。 - **步骤**： - 保存当前进程的上下文。 - 更新当前进程的状态和相关信息。 - 选择新的进程并更新其状态。 - 恢复新进程的上下文并开始执行。 ### 14. 临界资源与临界区 - **临界资源**：多个进程可能同时尝试访问的资源。 - **临界区**：代码中访问临界资源的部分，同一时间只能有一个进程执行。 ### 15. 信号量 - **信号量**是一种同步原语，用于控制对共享资源的访问。 - **物理意义**：信号量的值反映了资源的数量。当信号量值大于0时，表示有可用资源；小于0时，表示没有可用资源，等待的进程将被阻塞。 ### 16. 信号量与资源数量、进程数量的关系 - 信号量值的大小直接反映了可用资源的数量。 - 当信号量值为正时，表示有足够的资源供进程使用。 - 当信号量值为负时，表示资源不足，等待资源的进程会被阻塞。 ### 17. 信号量如何控制程序的运行 - 信号量通过semWait和semSignal操作来控制进程对资源的访问。 - semWait操作会尝试获取资源，如果资源可用，则继续执行；如果资源不可用，则进程被阻塞。 - semSignal操作会释放资源，通知等待的进程可以继续执行。 ### 18. 如何实现临界区的互斥访问 - 通常使用信号量或其他同步机制（如互斥锁）来实现。 - 通过确保每次只有一个进程能够进入临界区，避免了资源的竞争问题。