山东大学操作系统考点.pdf

### 山东大学操作系统考点知识点总结 #### 第一章：TLB、OS、页表、硬件的关系，中断在OS的地位，分布式概念 - **TLB（Translation Lookaside Buffer）**： - TLB是用于加快虚拟地址到物理地址转换速度的一种高速缓存。 - 它保存了最近使用的页表项，从而减少了访问主存获取页表项的次数。 - TLB通过硬件实现，当处理器执行地址转换时自动查询。 - **OS与页表**： - 操作系统通过页表管理内存。 - 页表记录了虚拟地址空间中每一页对应的物理地址。 - OS负责更新页表，确保虚拟地址映射正确。 - **OS与硬件**： - 操作系统作为软件与硬件之间的桥梁。 - 它直接控制硬件资源，如处理器、内存等，并为用户提供统一的界面。 - 操作系统通过设备驱动程序与特定硬件交互。 - **中断在OS中的作用**： - 中断是硬件向处理器发出的信号，用于通知处理器发生了某些事件或条件。 - 在操作系统中，中断是处理外部事件的基础。 - 中断处理程序通常由操作系统提供，用于响应各种硬件事件，如输入/输出完成、定时器到期等。 - **分布式系统概念**： - 分布式系统是由多台计算机组成的网络系统，这些计算机通过网络相互连接并共享资源。 - 特征包括透明性、并发性、容错性等。 - 操作系统需要支持分布式环境下的通信和服务。 #### 第二章：OS服务与功能的区别，用户OS接口，OS应用程序接口，OS硬件程序接口，系统调用与API区别，策略与机制分离原则，分层式操作系统、微内核操作系统主要优缺点，虚拟机、进程、JVM关系，系统启动引导过程 - **OS服务与功能的区别**： - 功能指操作系统的具体能力，如文件管理、进程管理等。 - 服务则是操作系统为应用程序提供的抽象层，使开发者可以更简单地使用这些功能。 - **用户OS接口**： - 用户界面是操作系统为最终用户提供的交互手段，包括命令行界面和图形用户界面。 - 用户可以通过这些界面启动程序、管理文件等。 - **OS应用程序接口(API)**： - API定义了应用程序如何请求操作系统的服务。 - 它是一组函数和过程，应用程序通过它们调用操作系统功能。 - **OS硬件程序接口**： - 指操作系统与硬件之间交互的接口。 - 包括设备驱动程序等，用于控制硬件设备。 - **系统调用与API区别**： - 系统调用是操作系统提供的低级接口，直接与内核交互。 - API是更高层次的接口，通常包含一系列系统调用的封装，简化了应用开发。 - **策略与机制分离原则**： - 策略是指如何做决策，而机制是指执行决策的具体方法。 - 分离原则强调将决策制定与实际执行分开，提高系统的灵活性和可维护性。 - **分层式操作系统与微内核操作系统**： - **分层式操作系统**： - 通过多个层次构建，每一层建立在下一层之上。 - 优点是结构清晰，易于理解和维护。 - 缺点是效率较低，因为每一层之间的通信开销较大。 - **微内核操作系统**： - 只保留最核心的功能在内核中，其他服务运行在用户空间。 - 优点是模块化强，易于扩展。 - 缺点是对性能有一定影响，因为用户空间与内核空间的切换开销较大。 - **虚拟机、进程、JVM关系**： - **虚拟机**是一种模拟真实机器的软件，可以在其上运行操作系统或应用程序。 - **进程**是正在运行的程序实例，拥有独立的地址空间。 - **JVM（Java Virtual Machine）**是一种特定类型的虚拟机，用于执行Java字节码。 - 这三者之间存在层次关系：进程可以包含多个JVM，每个JVM可以运行多个虚拟机实例。 - **系统启动引导过程**： - 开机后，首先执行BIOS固件程序。 - BIOS加载启动引导程序（如GRUB）。 - 启动引导程序加载操作系统内核。 - 内核初始化，加载必要的驱动程序和服务。 - 最终呈现给用户的是操作系统桌面环境或命令行界面。 #### 第三章：进程与线程的概念、地位；进程间通信 - **进程与线程的概念**： - **进程**：一个正在执行的应用程序实例，拥有独立的内存空间。 - **线程**：进程内的执行单元，共享进程的资源，但有自己的栈和寄存器状态。 - **地位**：进程是系统资源分配的基本单位，而线程是CPU调度的基本单位。 - **进程间通信(IPC)**： - IPC允许不同进程之间交换数据和同步执行。 - 方法包括管道、消息队列、信号量、共享内存等。 - 有效实现IPC对于构建高效、可扩展的应用程序至关重要。 #### 第四章：为什么一个进程有多个线程，这样做有什么好处？用户级线程与内核级线程的区别与联系 - **为什么一个进程有多个线程**： - 提高并发性：允许多个线程同时执行。 - 资源共享：线程共享同一进程的内存空间，减少资源消耗。 - 代码重用：可以更容易地重用代码逻辑。 - **用户级线程与内核级线程的区别**： - **用户级线程**： - 由应用程序或库管理，不涉及内核。 - 切换速度快，但缺乏内核支持可能导致性能瓶颈。 - **内核级线程**： - 由操作系统内核管理。 - 支持更复杂的调度策略，但切换速度较慢。 - **联系**： - 都是为了提高程序的并发执行能力。 - 可以混合使用，即一个进程中既有用户级线程也有内核级线程。 #### 第五章：CPU调度策略，bursttime，调度原则，调度算法(7种)特点，优缺点，Gantt图 - **CPU调度策略**： - 选择合适的算法来决定哪个进程（或线程）获得CPU时间。 - 目标是最大化CPU利用率，公平分配资源。 - **bursttime**： - CPU执行一个任务所需的时间。 - 用于衡量进程执行的速度和效率。 - **调度原则**： - 公平性：确保所有进程都能得到合理分配的CPU时间。 - 响应时间：最小化用户的等待时间。 - 吞吐量：单位时间内完成的任务数量。 - 资源利用率：最大化硬件资源的使用率。 - **调度算法**： - **先来先服务(FCFS)**：按到达顺序调度进程。 - **短作业优先(SJF)**：优先调度执行时间短的进程。 - **时间片轮转(RR)**：为每个进程分配固定时间片。 - **优先级调度**：根据优先级高低调度进程。 - **最短剩余时间优先(SRTF)**：动态调整优先级，剩余时间最短的优先执行。 - **多级反馈队列(MFQ)**：不同队列有不同的调度策略。 - **多级队列(MQ)**：按照进程类型分配队列。 - **Gantt图**： - 一种图表形式，显示进程在时间轴上的执行情况。 - 用于可视化调度策略的效果。 #### 第六章：同步的原因，硬件实现同步的方式Swap,TestAndSet指令，会编程（如何使用上述指令进行同步），关中断的问题，会使用信号量(wait/signal)编程序，原语为什么关中断没有问题，临界区与原语的区别，事务与原语区别，编程：同步问题，管程实现哲学家就餐问题 - **同步的原因**： - 保护共享资源不被同时修改。 - 保证数据一致性。 - 避免竞态条件。 - **硬件实现同步**： - **Swap指令**：用于原子地交换内存中的值。 - **TestAndSet指令**：测试并设置变量值，用于实现互斥。 - **关中断的问题**： - 关闭中断可以防止中断发生时改变处理器的状态，但在长时间关中断时可能导致其他任务无法及时响应。 - **使用信号量(wait/signal)编程**： - 信号量是用于协调进程间的同步机制。 - wait操作减少信号量计数器，signal操作增加信号量计数器。 - **原语**： - 不可分割的操作。 - 在执行过程中不允许被打断。 - **临界区与原语的区别**： - **临界区**：一段代码，在执行时不允许其他进程或线程干扰。 - **原语**：操作系统中不可中断的操作。 - **事务与原理的区别**： - **事务**：一组必须作为一个整体成功或失败的操作。 - **原语**：操作系统级别的不可中断的操作。 - **管程实现哲学家就餐问题**： - 管程是一种高级同步机制，用于封装共享资源和相关的方法。 - 在解决哲学家就餐问题时，可以使用管程来管理餐叉的访问权，确保不会发生死锁。 #### 第七章：死锁概念，特征(4)，解决方案(3)，预防机制与避免机制的区别，银行家算法，死锁检测算法与避免算法的区别，恢复死锁的方式(2) - **死锁概念**： - 多个进程互相等待对方持有的资源，导致无限等待的状态。 - 特征包括：互斥条件、保持并等待条件、非抢占条件、循环等待条件。 - **解决方案**： - **预防**：通过设计规则阻止至少一个必要条件成立。 - **避免**：在资源分配前检查是否会导致死锁。 - **检测与恢复**：定期检查系统状态，一旦发现死锁则采取措施恢复。 - **预防机制与避免机制的区别**： - **预防**：完全避免死锁的发生，可能过于保守。 - **避免**：允许暂时进入可能的状态，通过算法确保系统安全。 - **银行家算法**： - 一种避免死锁的算法。 - 根据当前资源分配和进程需求预测未来状态，确保不会进入不安全状态。 - **死锁检测算法与避免算法的区别**： - **检测**：定期检测系统状态，找出死锁状态。 - **避免**：在资源分配前就判断是否会进入死锁状态，提前阻止。 - **恢复死锁的方式**： - **资源剥夺**：从某个或某些进程中剥夺资源，使其释放已占有的资源。 - **撤销进程**：终止一个或多个进程，以解除死锁状态。 #### 第八章：swapping，内存连续分配的优缺点，离散分配的优缺点，分页分段的概念区别优缺点。地址变换过程 - **swapping**： - 将内存中的进程页面交换到磁盘上，以腾出内存空间。 - 用于管理内存不足的情况。 - **内存连续分配的优缺点**： - **优点**：实现简单，便于地址转换。 - **缺点**：容易产生碎片，内存利用率不高。 - **离散分配的优缺点**： - **优点**：减少内存碎片，提高内存利用率。 - **缺点**：地址转换复杂，需要额外的硬件支持。 - **分页与分段**： - **分页**：将内存划分为固定大小的页面。 - **分段**：根据逻辑结构将内存划分为可变大小的段。 - **区别**： - 分页侧重于内存管理，而分段侧重于程序的逻辑结构。 - 分页提供更好的内存利用，分段提供更好的编程模型。 - **地址变换过程**： - 逻辑地址通过页表转换为物理地址。 - 如果使用段式管理，则先将逻辑地址转换为段地址，再转换为物理地址。 #### 第九章：虚拟存储器意义及其实现方式，请求式分页系统与分页式系统区别，CPU与请求分页系统，写时复制，置换策略及其优缺点，颠簸的原因 - **虚拟存储器的意义**： - 扩展物理内存容量。 - 允许进程使用比实际物理内存更多的内存。 - 提高内存利用率和程序的执行效率。 - **请求式分页系统与分页式系统区别**： - **请求式分页**：只在需要时才将页面加载到内存中。 - **分页式系统**：所有页面都预先加载到内存中。 - **CPU与请求分页系统**： - CPU在执行指令时检查页表，如果发现页面不在内存中，则触发缺页中断。 - 操作系统负责将所需的页面从磁盘加载到内存中。 - **写时复制**： - 一种优化技术，仅在修改页面时才创建该页面的副本。 - 减少不必要的复制操作，提高效率。 - **置换策略**： - 选择哪些页面从内存中移除，以便为新页面腾出空间。 - 常见策略包括LRU（最近最少使用）、FIFO（先进先出）等。 - **颠簸的原因**： - 内存使用不当，频繁地替换页面进进出出。 - 常见于内存不足的情况下，导致系统性能大幅下降。