程序员考试同步辅导 操作系统基础知识Word文档下载推荐.docx
《程序员考试同步辅导 操作系统基础知识Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《程序员考试同步辅导 操作系统基础知识Word文档下载推荐.docx（65页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
2）共享性
共享性是指系统中各个并发活动要共享计算机系统中的各种软、硬件资源，因此操作系统必须解决在多道程序间合理地分配和使用资源。
3）虚拟性
虚拟性是操作系统中的重要特征，所谓虚拟是指把物理上的一台设备变成逻辑上的多台设备。
例如我们将在本章后面介绍的假脱机（spooling）技术，就是利用快速、大容量、可共享的磁盘作为中介，模拟多个非共享的低速的输入输出设备，这样的设备称为虚拟设备。
4）不确定性
通常一个程序的初始条件相同时，无论何时运行，结果都应该相同。
但由于操作系统并发执行系统内的各种进程，与这些进程有关的事件如：
从外部设备来的中断、输入输出请求、各种运行故障、发生的时间等都不可预测，如果处理不当，将导致系统出错，这种不确定性所带来的错误是很难查找的。
4.操作系统的功能
1）处理机管理
处理机是计算机系统的心脏，在单用户系统或单道系统中，处理机为一个用户或一个作业服务，其管理简单，但资源利用率低。
为提高系统资源的利用率，引入了多道程序技术，即多个程序（作业）同时运行。
在多道程序或多用户的情况下，要组织多个作业同时运行，对多个用户进行响应，就需要解决对处理机的分配、调度和资源回收等问题。
处理机管理负责解决如何把CPU时间合理地、动态地分配给程序运行的基本单位——进程，使处理机得到充分的利用。
许多操作系统是以作业和进程的方式进行管理的，实现作业和进程的调度，分配处理机，控制作业和进程的执行。
现代的操作系统还引入了线程（thread）作为分配处理机的基本单位。
由于操作系统对处理机的管理策略不同，其提供的作业处理方式也就不同，如批处理方式、分时处理方式和实时处理方式，从而呈现在用户面前的就有不同的操作系统。
在操作系统中，最重要的资源是处理机，最重要的管理是处理机管理。
2）存储管理
计算机系统中，存储器（一般称为主存或内存）是运行程序和存放工作数据的部件，存储管理的工作主要是对内存储器进行分配、扩充和保护。
●内存分配：
在内存中除了操作系统和其他系统软件外，还要有一个或多个用户程序。
如何分配内存，以保证系统及各用户程序的存储区互相不冲突，是内存分配所要解决的问题。
●存储保护：
系统中有多个程序在运行，如何保证一道程序在执行过程中不会有意或无意地破坏另一道程序？
如何保证用户程序不会破坏系统程序？
这些就是存储保护问题。
●内存扩充：
当用户作业所需要的内存量超过计算机系统所提供的内存容量时，如何把内部存储器和外部存储器结合起来管理，为用户提供一个容量比实际内存大得多的虚拟存储器，使这个虚拟存储器和内存一样方便使用，这就需要使用内存扩充。
存储器是计算机系统中最重要的资源之一，因为任何程序和数据，以及各种控制用的数据结构，都必须占有一定的存储空间，因此，存储管理的目的就是尽量提高内存的使用效率。
存储管理的好坏直接影响着系统性能。
3）设备管理
现代计算机系统常常配置很多种类的输入输出设备，它们的输入输出速度差别很大。
计算机系统常常采用通道、控制器和设备3级控制方法管理这些设备。
设备管理的任务就是监视这些资源的使用情况，根据一定的分配策略，把通道、控制器和设备分配给请求输入输出操作的程序，并启动设备完成所需的操作。
为了发挥设备和处理机的并行工作能力，常常采用缓冲技术和虚拟技术。
由于输入/输出设备种类很多，使用方法各不相同，因此，设备管理应为用户提供一个良好的界面，使具体的设备特性透明化，以便用户能方便、灵活地使用这些设备。
4）文件管理（信息管理）
文件管理是对系统软件资源的管理。
对用户来说，文件系统是操作系统中最直观的部分。
我们把程序和数据统称为信息或文件。
一个文件当它暂时不用时，就把它放到外部存储器（如磁盘、磁带和光盘等）上保存起来。
对这些文件如果不能很好地进行管理，就会引起混乱，甚至使其遭受破坏。
这就是文件管理需要解决的问题。
文件管理的功能包括：
建立、修改和删除文件；
按文件名进行访问；
决定文件信息的存放位置、存放形式及存取权限；
管理文件间的联系及提供对文件的共享、保护和保密等，允许多个用户协同工作又不引起混乱。
5）用户接口（作业管理）
上述4项功能是操作系统对软、硬件资源的管理。
除此以外，操作系统也必须为用户提供一个友好的用户接口——命令接口和图形接口。
一般来说，用户通过两种命令接口请求操作系统的服务。
一种接口是作业一级的接口，即提供一组控制操作命令，如UNIX的Shell命令语言或作业控制语言（JCL）让用户组织和控制自己作业的运行。
作业控制又分成两类：
联机控制和脱机控制。
另一种用户接口是程序一级的接口（编程接口），即提供一组广义指令（或称系统调用、程序请求）供用户程序和其他系统程序调用。
当这些程序要求进行数据传输、文件操作或有其他资源要求时，通过这些广义指令向操作系统提出申请，并由操作系统代为完成。
操作系统对计算机的资源进行全面管理，它的基本特征是多任务并行和多用户资源共享。
多任务并行是指操作系统可以支持用户同时提交多项任务，同时工作；
资源共享是指系统中的资源为多个用户共同使用。
5.操作系统的类型
根据操作系统的使用环境和对作业的处理方式来划分，操作系统主要有以下几种基本类型。
1）批处理操作系统
在批处理操作系统（BatchProcessingOperatingSystem）中，系统操作员将作业成批提交，由操作系统选择作业调入内存加以处理，最后由操作人员将运行结果交给用户。
批处理系统的特点：
一是“多道”，指系统内可同时容纳多个作业；
二是“成批”，指系统成批自动运行多个作业。
批处理系统的目标是提高资源利用率和实现作业执行的自动化。
批处理操作系统分为单道批处理和多道批处理两种。
（1）单道批处理操作系统：
一次可提交多个作业，而不是单个作业。
当一个作业运行结束后，随即自动调入同批的下一个作业运行，从而节省了作业之间的人工操作时间，提高了资源的利用率。
早期单道批处理系统解决了作业自动转换问题，从而减少了作业建立和人工操作的时间。
单道批处理存在的主要问题是：
CPU和I/O设备使用忙闲不均（取决于当前作业的特性），对以计算为主的作业，外设空闲；
对以I/O为主的作业，CPU空闲。
（2）多道批处理操作系统：
正是为了解决单道批处理操作系统存在的问题而产生了多道批处理操作系统。
它除了保持作业自动转换的功能外，还能支持同一批中的多道用户程序在一个CPU上同时运行。
作业调度程序从后备作业中选取多个作业进入主存，在任意一个时刻，每当运行中的一个作业因输入输出操作而需要调用外部设备时，就把CPU及时交给另一道等待运行的作业，从而将主机与外部设备的工作方式由串行改变为并行，进一步避免了因主机等待外设完成任务而白白浪费宝贵的CPU时间的情况。
2）分时操作系统
分时操作系统（TimeShareOperatingSystem）是指一台计算机连接多个终端，系统把CPU时间分为若干个时间片，采用时间片轮转的方式处理用户的服务请求，对每个用户能保证及时响应，并提供交互会话能力。
分时操作系统具有下述特点。
●多用户同时性：
允许多个用户同时联机使用计算机。
●交互性：
每个用户可随时通过终端向系统提出服务请求，系统也可随时通过终端响应用户，从而加快了调试过程。
●独立性：
由于采用时间片轮转方式使一台计算机同时为多个用户服务，对于每个用户的操作命令又能快速响应，因此，用户彼此之间都感觉不到别人也在使用同一台计算机，如同自己独占计算机一样。
●及时性：
系统对用户的响应非常及时，不会让用户等待执行命令的处理时间过长。
分时操作系统的主要目标是保证用户响应的及时性。
通常，计算机系统中往往同时采用批处理和分时处理方式来为用户服务，即时间要求不强的作业放入“后台”（批处理）处理，需频繁交互的作业放在“前台”（分时）处理。
3）实时操作系统
实时操作系统（RealTimeOperatingSystem）是随着计算机应用于实时控制和实时信息处理而发展起来的。
实时操作系统是指系统能够及时响应事件，并以足够快的速度完成对该事件的处理。
实时操作系统包括实时控制系统和实时处理系统。
实时控制是指生产过程控制（如炼钢、电力生产和数控机床）及武器控制等；
实时处理是指实验数据采集和订票系统等。
实时操作系统的主要特点是及时性和高可靠性。
4）网络操作系统
网络操作系统（NetworkOperatingSystem）开发是在原来各自计算机操作系统的基础上，按照网络体系结构的协议、标准进行开发的，包括计算机网络管理、通信、资源共享、系统安全和多种网络应用服务等。
其功能主要包括高效、可靠的网络通信；
对网络中共享资源的有效管理；
电子邮件、文件传输、共享硬盘、打印机等服务；
网络安全管理；
互操作能力。
5）分布式操作系统
分布式操作系统（DistributedOperatingSystem）与网络操作系统都是工作在一个由多台计算机组成的系统中，这些计算机之间可以通过一些传输设备进行通信和系统资源共享。
分布式操作系统更倾向于任务的协同执行，并且各系统之间无主次之分，系统之间也无须采用标准的通信协议进行通信。
分布式操作系统基本上废弃（或改造）了各单机的操作系统，整个网络设有单一的操作系统，由这个操作系统负责整个系统的资源分配和调度，为用户提供统一的界面。
用户在使用分布式操作系统时不需要像使用网络操作系统那样，指明资源在哪台计算机上，因此分布式操作系统的透明性、稳固性、统一性及系统效率都比网络操作系统要强，但实现起来难度也大。
分布式操作系统对于多机合作和系统重构、稳固性和容错能力有更高的要求，希望分布式操作系统有更短的响应时间、更大的吞吐量和更高的可靠性。
分布式操作系统与网络操作系统最大的差别是：
网络操作系统的用户必须知道网址，而分布式系统用户则不必知道计算机的确切地址；
分布式操作系统负责全系统的资源分配，通常能很好地隐藏系统内部的实现细节，如对象的物理位置、并发控制、系统故障处理等对用户都是透明的。
6）微机操作系统
微机操作系统（MicrocomputerOperatingSystem）是指配置在微型计算机上的操作系统。
常用的微机操作系统有DOS、Windows、OS/2、UNIX和Linux等。
其中，Microsoft公司开发的单用户单任务操作系统DOS是首先在IBM-PC机上使用的微机操作系统。
MS-DOS操作系统是16位微机单用户单任务操作系统的标准。
多任务操作系统Windows98/NT/2000/XP是Microsoft公司开发的一系列图形用户界面的多任务、多线程的操作系统。
7）嵌入式操作系统
嵌入式操作系统（EmbeddedOperatingSystem）运行在嵌入式智能芯片环境中，对整个智能芯片及其控制的各种部件和装置等资源进行统一协调、处理、指挥和控制。
6.研究操作系统的观点
研究和分析操作系统，可以从资源管理观点和虚拟机观点出发。
1）资源管理观点
引入操作系统是为了合理地组织计算机的工作流程，管理和分配计算机系统硬件和软件资源，使资源能为多个用户共享。
因此，操作系统是计算机资源的管理者。
这里的资源是指计算机系统进行数值计算和数据处理所需的物质基础，通常分为系统硬件资源和软件资源。
硬件资源是组成计算机和计算机操作所需的物理实体，它们是看得见摸得着的设备，如处理机、存储器及输入/输出设备（键盘、显示器、打印机和磁盘等）。
软件资源是依赖于一定的物理实体才能被人们所感知的一类资源，如程序和数据等，它们可经显示器或打印机等设备展现给用户。
操作系统是控制和管理计算机系统资源的一组程序，其工作是当用户程序和其他程序争用这些资源时提供有序的和可控的分配。
我们通常将操作系统分为CPU管理、存储管理、设备管理、文件管理、用户与操作系统接口5个主要部分。
主要研究资源的使用情况、资源的分配策略及分配和回收资源。
2）虚拟机观点
从服务用户的机器扩充的观点来看，操作系统为用户使用计算机提供了许多服务功能和良好的工作环境。
用户不再直接使用硬件机器（称为裸机），而是通过操作系统来控制和使用计算机，从而把计算机扩充为功能更强、使用更方便的计算机系统（称为虚拟计算机）。
操作系统的全部功能，如系统调用、命令、作业控制语言等，称为操作系统虚拟机。
虚拟机观点从功能分解的角度出发，考虑操作系统的结构，将操作系统分成若干个层次，每一层次完成特定的功能，从而构成一个虚拟机，并为上一层次提供支持，构成它的运行环境。
这样，通过逐个层次的功能扩充最终完成操作系统虚拟机，从而向用户提供各种服务，完成用户的各项任务。
2.1.2典型例题分析
例1：
计算机加电自检以后，引导程序首先装入（25），否则，计算机不能做任何事情。
（2008年下半年试题25）
A.操作系统B.编译程序C.Office系列软件D.应用软件
分析：
本题考查的是操作系统的基本知识。
操作系统位于硬件之上，所有其他软件之下，是其他软件的共同环境与平台。
计算机加电以后，首先引导操作系统。
不引导操作系统，计算机不能做任何事。
答案：
A
例2：
操作系统的任务是（25）。
（2008年上半年试题25）
A.把源程序转换为目标代码
B.管理计算机系统中的软、硬件资源
C.负责存取数据库中的各种数据
D.负责文字格式编排和数据计算
操作系统的任务是管理计算机系统中的软、硬件资源；
编译或汇编程序把源程序转换为目标代码；
数据库管理系统负责存取数据库中的各种数据；
文字处理软件和计算软件负责文字的格式编排和数据计算。
B
例3：
UNIX操作系统的Shell不能完成（27）的功能。
（2006年上半年试题27）
A.解释并执行来自终端的命令B.解释并执行Shell脚本
C.解释并执行来自外存的命令D.执行系统功能调用
UNIX操作系统的Shell是系统的核心，可以实现解释并执行来自终端、外存和Shell的命令。
D
2.1.3同步练习
1.操作系统是用户与计算机之间的接口，有了操作系统，用户就可以方便地使用计算机。
操作系统在裸机上运行，其他软件在操作系统上运行。
在功能上，操作系统提供功能很强的
（1），用户软件使用这些
（1）请求操作系统的服务，一般软件在
（2）运行，操作系统在（3）运行。
（1）A.程序调用B.系统调用C.文件管理D.作业调用
（2）A.用户级B.核心级C.终端级D.作业级
（3）A.用户级B.核心级C.终端级D.作业级
2.操作系统的基本特征是
（1）和
（2）。
（1）的意思是指存在许多同时的活动（或并行的活动），输入/输出操作和处理机运行并行活动，在主存中同时驻留几道用户程序等都是
（1）的例子。
（1）A.并行B.系统调用C.并发D.用户管理
（2）A.公用B.共享C.人机会话D.分时
3.处理机管理负责解决如何把
（1）合理地、动态地分配给程序运行的基本单位
（2），使处理机得到充分的利用。
现代的操作系统还引入（3）作为分配处理机的基本单位。
（1）A.寻道时间B.CPU时间C.寻址时间D.作业调用时间
（2）A.进程B.中断C.线程D.作业
（3）A.进程B.单元C.线程D.以上都不对
4.从资源管理的角度出发，操作系统可以分为
（1）、
（2）、（3）、（4）及作业管理5个部分。
（1）A.并发管理B.CPU管理C.信号量管理D.中断管理
（2）A.虚存管理B.PCB管理C.进程管理D.存储管理
（3）A.设备管理B.PSW管理C.虚设备管理D.共享管理
（4）A.文件目录管理B.FCP管理C.文件管理D.索引文件管理
5.允许多个用户在其终端上同时交互地使用计算机的操作系统，称为
（1），通常采用
（2）策略为用户服务。
在（3）的控制下，计算机系统能及时处理由过程控制反馈的数据并做出响应。
设计（3）时，首先要考虑系统的（4）。
（1）A.网络操作系统B.分布式操作系统
C.分时操作系统D.单用户操作系统
（2）A.可靠性和灵活性B.实时性和可靠性
C.优先权分配D.时间片轮转
（3）A.实时操作系统B.单用户操作系统
C.批处理操作系统D.分时操作系统
（4）A.时间片轮转B.短作业优先
C.时间片加权分配D.实时性和可靠性
2.1.4同步练习参考答案
1.
（1）B
（2）A（3）B
2.
（1）C
（2）B
3.
（1）B
（2）A（3）C
4.
（1）B
（2）D（3）A（4）C
5.
（1）C
（2）D（3）A（4）D
2.2处理机管理
2.2.1考点辅导
2.2.1.1基本概念
在计算机系统上运行的程序是指令的集合，每一个程序完成特定的任务。
在只允许一个程序运行的系统（称为单道系统）中，这个程序独占系统资源，而系统按程序的指令顺序运行，程序的顺序执行有两个基本特征：
程序的封闭性和程序的可再现性。
●封闭性：
指程序运行时独占系统资源，只有程序本身能改变系统的状态。
●可再现性：
指程序运行不受外部因素的影响，只要初始条件相同，运行结果就相同。
多道程序系统让多个程序在系统中轮流运行，当一个程序不用处理机时，另一个程序就使用。
也就是说，处理机在程序间来回切换，从而获得宏观上的并行（微观上的串行），以提高处理机的利用率。
这种切换，通常是由中断引起的。
由于中断以不可预测的次序发生，即程序的指令执行序列也以不可预测的次序前进，这样就会产生操作系统的另一个特性——不确定性。
即在多道程序系统中，顺序程序的封闭性和可再现性消失了，需要采用一个新的概念——进程来描述程序的执行。
进程是运行中的程序，是系统进行资源分配和调度的独立单位。
1.进程及其组成
进程是一个程序关于某个数据集的一次运行。
进程是一个动态的概念，而程序是静态的概念，是指令的集合。
因此，进程具有动态性和并发性。
进程通常由程序、数据和进程控制块（PCB）组成。
程序是进程运行所对应的运行代码，一个进程对应于一个程序，一个程序可以同时对应于多个进程，代码在运行过程中不会被改变的程序，常称为纯码程序或可重入程序，这类程序是可共享的程序。
进程控制块是进程动态特性的集中反映，也是进程存在的唯一标志。
在操作系统中，进程是进行系统资源分配、调度和管理的最小单位。
现代操作系统中还引入了线程，线程是比进程更小的、能独立运行的基本单位，在引入线程的操作系统中，线程是进程中的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位，是处理机分配的最小单位。
2.进程的状态及其转换
在多道系统中，进程的运行是走走停停的，在处理机上的交替运行，使它的运行状态不断变化。
进程的状态主要有三态模型和五态模型。
三态模型中最基本的状态有3种：
运行、就绪和阻塞。
●运行（running）：
正占用处理机。
●就绪（ready）：
只要获得处理机即可运行。
●阻塞（blocked）：
也称等待或挂起状态，正等待某个事件（如I/O完成）的发生。
在进程运行的过程中，由于自身进展情况及外界环境的变化，这3种基本状态可以在一定的条件下相互转换，进程的状态及转换如图2-1所示。
图2-1进程状态及其转换图
五态模型比三态模型更加复杂，在三态模型的基础上增加了新建态和终止态。
新建态对应于进程刚刚被创建还没有被提交时的状态，此时应在等待系统完成创建进程的所有必要信息。
创建进程时分两个阶段：
第一个阶段为一个新进程创建必要的管理信息；
第二个阶段让该进程进入就绪状态。
有了新建态，操作系统往往因系统的性能和内存容量的限制推迟新建态进程的提交。
进程的终止态也可分为两个阶段：
第一个阶段等待操作系统进行善后处理；
第二个阶段释放内存。
2.2.1.2进程的控制
进程的控制就是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。
不仅要控制正在运行的进程，而且还要能创建新的进程，撤销已完成的进程。
进程的控制机构是由操作系统内核实现的。
通常将与硬件密切相关的模块放在紧挨硬件的软件层中，并使它们常驻内存，以便提高操作系统的运行效率，通常将这部分称之为操作系统的内核，它为系统对进程进行控制和对存储器进行管理提供了有效的控制机制。
1.支撑功能
1）中断处理
操作系统的各种重要活动最终都依赖于中断。
例如，各种类型的系统调用、键盘命令的输入、设备驱动及文件系统等都依赖于中断。
通常内核只对中断进行“有限次处理”，然后转入有关进程继续处理。
这不仅可以减少中断处理的时间，还可以提高程序的并发性。
2）时钟管理
操作系统的许多活动要用到时钟管理。
如在分时系统时间片
升级会员 