操作系统¶
概述¶
操作系统是管理计算机硬件和软件资源的系统软件，为应用程序提供运行环境。作为用户和计算机硬件之间的桥梁，操作系统负责资源分配、进程调度、内存管理、文件存储和设备控制等核心功能。
主要目标： - 方便性：为用户提供简洁的编程接口 - 有效性：提高系统资源的利用率 - 可扩展性：方便新增硬件和软件功能 - 开放性：遵循标准规范便于互联互通
一、进程管理¶
1.1 进程与线程¶
| 概念 | 定义 | 特点 |
|---|---|---|
| 进程 | 程序的一次执行过程，是资源分配的基本单位 | 独立地址空间，创建/切换开销大 |
| 线程 | CPU 调度的基本单位，是进程中的一个执行流 | 共享进程地址空间，切换开销小 |
进程三态模型：就绪 → 运行 → 阻塞
1.2 进程调度算法¶
| 算法 | 描述 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| FCFS（先来先服务） | 按到达顺序调度 | 公平简单 | 平均等待时间长 |
| SJF（短作业优先） | 优先调度运行时间短的 | 平均等待时间最短 | 长作业可能饥饿 |
| RR（时间片轮转） | 每个进程运行一个时间片 | 响应快，交互性好 | 时间片选择关键 |
| 优先级调度 | 按优先级高低调度 | 可区分紧急程度 | 低优先级可能饥饿 |
| 多级反馈队列 | 多个队列，不同时间片 | 综合平衡 | 实现复杂 |
1.3 进程同步与互斥¶
临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源。
同步机制： - 信号量（Semaphore）：P（wait）操作申请资源，V（signal）操作释放资源 - 管程（Monitor）：高级同步机制，封装了共享变量和操作过程
经典同步问题： - 生产者-消费者问题：有限缓冲区的生产消费同步 - 读者-写者问题：多读可同时，写必须独占 - 哲学家进餐问题：避免死锁的经典模型
1.4 死锁¶
死锁产生的四个必要条件： 1. 互斥：资源一次只能被一个进程使用 2. 请求与保持：进程持有资源的同时请求其他资源 3. 不可剥夺：已分配资源不能被强制剥夺 4. 循环等待：进程间形成循环等待链
死锁处理策略： | 策略 | 方法 | 特点 | |------|------|------| | 预防 | 破坏四个必要条件之一 | 资源利用率低 | | 避免 | 银行家算法 | 需要预先知道最大需求 | | 检测 | 资源分配图化简 | 发现后解除 | | 解除 | 撤销进程/剥夺资源 | 代价较大 |
二、内存管理¶
2.1 内存管理方式¶
| 方式 | 描述 | 特点 |
|---|---|---|
| 连续分配 | 进程占用连续内存区域 | 简单，但有外部碎片 |
| 分页 | 将内存划分为固定大小的页帧 | 消除外部碎片，内部碎片小 |
| 分段 | 按逻辑段分配（代码段、数据段等） | 方便共享和保护 |
| 段页式 | 分段 + 分页结合 | 兼具二者优点 |
2.2 虚拟内存¶
基于局部性原理（时间局部性 + 空间局部性），将程序的部分内容装入内存即可运行。
页面置换算法： | 算法 | 策略 | 评价 | |------|------|------| | FIFO | 淘汰最早进入的页面 | 实现简单，但可能置换常用页面（Belady异常） | | LRU | 淘汰最久未使用的页面 | 性能好，但硬件支持成本高 | | Clock（NRU） | 近似 LRU，使用访问位 | 折中方案，广泛使用 | | 最优置换 | 淘汰未来最远使用的页面 | 理论最优，不可实现 |
2.3 分段与段页式¶
- 分段：逻辑地址 = 段号 + 段内偏移
- 分页：逻辑地址 = 页号 + 页内偏移
- 段页式：逻辑地址 = 段号 + 段内页号 + 页内偏移
三、文件系统¶
3.1 文件目录结构¶
- 单级目录：所有文件在同一目录下（命名冲突）
- 两级目录：每个用户一个目录
- 树形目录：层次结构，路径名唯一（最常用）
- 无环图目录：支持共享
3.2 文件分配方式¶
| 方式 | 描述 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 连续分配 | 文件占用连续磁盘块 | 顺序访问快 | 产生外部碎片 |
| 链接分配 | 每个块指向下一块 | 无外部碎片 | 随机访问慢 |
| 索引分配 | 索引块记录所有数据块地址 | 随机访问快 | 索引块占用空间 |
3.3 磁盘调度算法¶
| 算法 | 描述 | 特点 |
|---|---|---|
| FCFS | 按请求顺序调度 | 公平，但寻道时间长 |
| SSTF（最短寻道优先） | 优先处理最近的请求 | 平均寻道时间短，可能饥饿 |
| SCAN（电梯算法） | 单向移动，处理沿途请求 | 公平性好 |
| C-SCAN（循环扫描） | 单方向扫描，另一端直接返回 | 等待时间更均匀 |
四、设备管理¶
4.1 I/O 控制方式¶
| 方式 | 描述 | CPU 参与度 |
|---|---|---|
| 程序查询 | CPU 不断轮询设备状态 | 高（忙等） |
| 中断驱动 | 设备完成后发中断通知 CPU | 中 |
| DMA | 直接内存访问，批量传输 | 低（仅参与开始和结束） |
| 通道控制 | 专用处理器控制 I/O | 极低 |
4.2 缓冲技术¶
- 单缓冲：OS 在内存中分配一个缓冲区
- 双缓冲：两个缓冲区交替使用
- 循环缓冲：多个缓冲区形成环形
- SPOOLing 技术：用磁盘模拟独占设备，将独占设备变为共享设备（如打印机）
常见面试题¶
高频考点
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进程和线程有什么区别？ 答：进程是资源分配的基本单位，有独立地址空间；线程是 CPU 调度的基本单位，共享进程的地址空间。
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死锁产生的四个必要条件是什么？ 答：互斥、请求与保持、不可剥夺、循环等待。
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虚拟内存的作用是什么？ 答：将部分程序装入内存即可运行，实现"逻辑上扩大内存"，支持多道程序并发执行。
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页面置换算法有哪些？各自的优缺点？ 答：FIFO（简单但可能 Belady 异常）、LRU（性能好但成本高）、Clock（折中方案）。
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进程间通信方式有哪些？ 答：管道、消息队列、共享内存、信号量、套接字。
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分页和分段的区别？ 答：分页是系统管理的不可见机制，页大小固定；分段是用户可见的逻辑划分，段大小可变。