【操作系統考點匯集】操作系統考點匯集

關于操作系統可能考察的知識點

操作系統基本原理

什么是操作系統？

操作系統是指控制和管理整個計算機系統的硬件和軟件資源，并合理地組織調度計算機的工作和資源的分配，以提供給用戶和它軟件方便的接口和環境，是計算機系統中最基本的系統軟件,總結一下就是：

  1. 操作系統（Operating System，簡稱 OS）是管理計算機硬件與軟件資源的程序，是計算機系統的內核與基?，是計算機系統資源的總管理者：處理器管理【進程管理】、存儲器管理【內存管理】、文件管理、設備管理【IO管理】
  2. 操作系統本質上是運?在計算機上的軟件程序 ；
  3. 操作系統為?戶提供?個與系統交互的操作界? ，向上層提供方便易用的服務
  4. 操作系統分內核與外殼（我們可以把外殼理解成圍繞著內核的應?程序，?內核就是能操作硬件的程序）

內核負責管理系統的進程、內存、設備驅動程序、?件和?絡系統等等，決定著系統的性能和穩定性。是連接應?程序和硬件的橋梁。 內核就是操作系統背后?盒的核?

操作系統的四大特性

操作系統的四大特性是：并發、共享、虛擬、異步

串行、并發和并行的區別是什么

并發是指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生，在多道程序環境下，一段時間內宏觀上有多個程序在同時執行，而在同一時刻，單處理器環境下實際上只有一個程序在執行，故微觀上這些程序還是在分時的交替進行。操作系統的并發是通過分時得以實現的，和串行以及并行的概念區別

  • 串行：順序做不同事的能力：先洗衣服，洗完后做飯。弱雞。
  • 并發：交替做不同事的能力：一會兒洗衣服，一會兒做飯，交替執行，但快如閃電。洗衣服的是一個（cpu）做飯的是一個（cpu），所以多核的情況下會非常快，在同一個時間段內每個cpu各司其職團戰。并發的實質是一個物理CPU(也可以多個物理CPU) 在若干道程序之間多路復用，并發性是對有限物理資源強制行使多用戶共享以提高效率。
  • 并行：同時做不同事的能力：左手洗衣服右手做飯，在同一時刻同時做兩件事。單兵王。并行性指兩個或兩個以上事件或活動在同一時刻發生。在多道程序環境下，并行性使多個程序同一時刻可在不同CPU上同時執行。

核心區別：并發關注的是資源充分利用（也就是不讓cpu閑下來），并行關注的是一個任務被分解給多個執行者同時做，縮短這個任務的完成時間（也就是盡快做完這件事），操作系統的并發性是指計算機系統中同時存在多個運行著的程序，因此它具有處理和調度多個程序同時執行的能力。在操作系統中，引入進程的目的是使程序能并發執行。并行則是同時間同時刻有幾個程序同時運行，有幾核就就幾個程序在并行。單核CPU只能并發多個程序，多核CPU可以并發也可以并行【4核CPU可以并行4個程序，程序大于核心時就需要用到并發性】

什么是用戶態和核心態

根據進程訪問資源的特點，我們可以把進程在系統上的運?分為兩個級別：

  1. ?戶態(user mode) : ?戶態運?的進程或可以直接讀取?戶程序的數據。
  2. 核心態(kernel mode):可以簡單的理解核心態運?的進程或程序?乎可以訪問計算機的任何資源，不受限制

用戶態和核心態的調用切換是需要CPU切換的，是會消耗資源的

什么是系統調用，系統調用流程

我們運?的程序基本都是運?在?戶態，如果我們調?操作系統提供的核心態級別的?功能，就需要系統調?了
在這里插入圖片描述
在我們運?的?戶程序中，凡是與共享資源有關的操作（如?件管理、進程控制、內存管理、文件管理等)，都必須通過系統調??式向操作系統提出服務請求，并由操作系統代為完成。這些系統調?按功能?致可分為如下?類：

  • 設備管理。完成設備的請求或釋放，以及設備啟動等功能。
  • ?件管理。完成?件的讀、寫、創建及刪除等功能。
  • 進程控制。完成進程的創建、撤銷、阻塞及喚醒等功能。
  • 進程通信。完成進程之間的消息傳遞或信號傳遞等功能。
  • 內存管理。完成內存的分配、回收以及獲取作業占?內存區??及地址等功能。

這樣可以保證系統的穩定性和安全性。系統調用有以下流程：

  • 執行傳參指令，將系統調用需要參數傳遞，發現特權指令
  • 執行陷入指令，引發內中斷，因此轉入內中斷相應處理程序，也就是系統調用入口
  • CPU切換到核心態
  • 依據參數執行系統調用，執行特權指令，執行完成
  • CPU轉回用戶態

系統調用結束，可以看的出，這里用到了內中斷。

操作系統進程管理

進程和線程的區別是什么

進程和線程的主要概念如下：

  • 進程，每個進程都有獨立的代碼和數據空間（進程上下文），進程間的切換會有較大的開銷，一個進程包含1–n個線程。進程是操作系統進行資源分配的單位，多進程是指操作系統能同時運行多個任務（程序）。
  • 線程，同一類線程共享代碼和數據空間【堆和方法區】，每個線程有獨立的運行棧【本地方法棧、虛擬機棧】和程序計數器(PC)，線程切換開銷小。進程中獨立操作的執行單元。多線程是指在同一程序中有多個順序流在并發執行
  • 在引入線程的操作系統中，通常都是把進程作為分配資源的基本單位，而把線程作為獨立運行和獨立調度的基本單位。

詳細區別和相同點歸納如下

  • 在狀態變化上：線程和進程一樣分為五個階段，創建、就緒、運行、阻塞、終止。
  • 地址空間和其它資源：進程間相互獨立，同一進程的各線程間共享，某進程內的線程在其它進程不可見。
  • 通信：進程間通信IPC，線程間可以直接讀寫進程數據段（如全局變量）來進行通信——需要進程同步和互斥手段的輔助，以保證數據的一致性。
  • 調度和切換：線程上下文切換比進程上下文切換要快得多。
  • 在多線程操作系統中，進程不是一個可執行的實體，只是作為分配資源的基本單位，線程作為獨立運行和獨立調度的基本單位

線程和進程最?的不同在于基本上各進程是獨?的，?各線程則不?定，因為同?進程中的線程極有可能會相互影響

進程有哪幾種狀態，狀態如何轉換

進程有五種狀態：創建、就緒、運行、阻塞、終止。

  • 創建狀態(new) ：進程正在被創建，尚未到就緒狀態。
  • 就緒狀態(ready) ：進程已處于準備運?狀態，即進程獲得了除了處理器之外的?切所需資源，?旦得到處理器資源(處理器分配的時間?)即可運?。
  • 運?狀態(running) ：進程正在處理器上上運?(單核 CPU 下任意時刻只有?個進程處于運?狀態)。
  • 阻塞狀態(waiting) ：?稱為等待狀態，進程正在等待某?事件?暫停運?如等待某資源為可?或等待 IO 操作完成。即使處理器空閑，該進程也不能運?。
  • 結束狀態(terminated) ：進程正在從系統中消失。可能是進程正常結束或其他原因中斷退出運?

如下圖所示：

進程間的通信方式

進程間通信的IPC方式分為如下7種：

  • 管道/匿名管道(Pipes) ：?于具有親緣關系的??進程間或者兄弟進程之間的通信。
  • 有名管道(Names Pipes) : 匿名管道由于沒有名字，只能?于親緣關系的進程間通信。為了克服這個缺點，提出了有名管道。有名管道嚴格遵循先進先出FIFO。有名管道以磁盤?件的?式存在，可以實現本機任意兩個進程通信。
  • 信號(Signal) ：信號是?種?較復雜的通信?式，?于通知接收進程某個事件已經發?
  • 消息隊列(Message Queuing) ：消息隊列是消息的鏈表,具有特定的格式,存放在內存中并由消息隊列標識符標識。管道和消息隊列的通信數據都是先進先出的原則。與管道（?名管道：只存在于內存中的?件；有名管道：存在于實際的磁盤介質或者?件系統）不同的是消息隊列存放在內核中，只有在內核重啟(即，操作系統重啟)或者顯示地刪除?個消息隊列時，該消息隊列才會被真正的刪除。消息隊列可以實現消息的隨機查詢,消息不?定要以先進先出的次序讀取,也可以按消息的類型讀取.? FIFO 更有優勢。消息隊列克服了信號承載信息量少，管道只能承載?格式字節流以及緩沖區大小受限等缺點
  • 信號量(Semaphores) ：信號量是?個計數器，?于多進程對共享數據的訪問，信號量的意圖在于進程間同步。這種通信?式主要?于解決與同步相關的問題并避免競爭條件。
  • 共享內存(Shared memory) ：使得多個進程可以訪問同?塊內存空間，不同進程可以及時看到對?進程中對共享內存中數據的更新。這種?式需要依靠某種同步操作，如互斥鎖和信號量等。可以說這是最有?的進程間通信?式。
  • 套接字(Sockets) : 此?法主要?于在客戶端和服務器之間通過?絡進?通信。套接字是?持TCP/IP 的?絡通信的基本操作單元，可以看做是不同主機之間的進程進?雙向通信的端點，簡單的說就是通信的兩?的?種約定，?套接字中的相關函數來完成通信過程

操作系統中進程的調度算法有哪些

為了確定?先執?哪個進程以及最后執?哪個進程以實現最? CPU 利?率，計算機科學家已經定義了?些算法，它們是：

  • 先到先服務(FCFS)調度算法 : 從就緒隊列中選擇?個最先進?該隊列的進程為之分配資源，使它?即執?并?直執?到完成或發?某事件?被阻塞放棄占? CPU 時再重新調度。
  • 短作業優先(SJF)的調度算法 : 從就緒隊列中選出?個估計運?時間最短的進程為之分配資源，使它?即執?并?直執?到完成或發?某事件?被阻塞放棄占? CPU 時再重新調度。
  • 時間?輪轉調度算法 : 時間?輪轉調度是?種最古?，最簡單，最公平且使?最?的算法，?稱 RR(Round robin)調度。每個進程被分配?個時間段，稱作它的時間?，即該進程允許運?的時間。
    多級反饋隊列調度算法 ：前?介紹的?種進程調度的算法都有?定的局限性。如短進程優先的調度算法，僅照顧了短進程?忽略了?進程 。多級反饋隊列調度算法既能使?優先級的作業得到響應?能使短作業（進程）迅速完成。因?它是?前被公認的?種較好的進程調度算法，UNIX 操作系統采取的便是這種調度算法。
    優先級調度 ： 為每個流程分配優先級，?先執?具有最?優先級的進程，依此類推。具有相同優先級的進程以 FCFS ?式執?。可以根據內存要求，時間要求或任何其他資源要求來確定優先級。

線程間的同步方式有哪些

線程同步是兩個或多個共享關鍵資源的線程的并發執?。應該同步線程以避免關鍵的資源使?沖突。操作系統?般有下?三種線程同步的?式：

  • 互斥量(Mutex)：采?互斥對象機制，只有擁有互斥對象的線程才有訪問公共資源的權限。因為互斥對象只有?個，所以可以保證公共資源不會被多個線程同時訪問。?如 Java 中的synchronized 關鍵詞和各種 Lock 都是這種機制。
  • 信號量(Semphares) ：它允許同?時刻多個線程訪問同?資源，但是需要控制同?時刻訪問此資源的最?線程數量、
  • 事件(Event) :Wait/Notify：通過通知操作的?式來保持多線程同步，還可以?便的實現多線程優先級的?較操作

操作系統存儲管理

分?機制和分段機制有哪些共同點和區別呢？

分?機制和分段機制的共同點 ：

  • 分?機制和分段機制都是為了提?內存利?率，減少內存碎?。
  • ?和段都是離散存儲的，所以兩者都是離散分配內存的?式。但是，每個?和段中的內存是連續的。

分?機制和分段機制的區別：

  • ?的??是固定的，由操作系統決定；?段的??不固定，取決于我們當前運?的程序。
  • 分?僅僅是為了滿?操作系統內存管理的需求，?段是邏輯信息的單位，在程序中可以體現為代碼段，數據段，能夠更好滿??戶的需要。

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