《操作系统例题》课件

《操作系统例题》操作系统基础概念回顾1进程一个正在执行的程序的实例，拥有自己的地址空间、资源和执行状态。2线程进程内部的一个执行单元，共享进程的地址空间和资源，但拥有独立的执行栈和状态。3并发与并行并发是多个进程或线程在同一时间段内执行，但并非同时执行；而并行则是多个进程或线程同时执行。4资源管理操作系统负责管理系统资源，例如CPU、内存、外设等，并分配给不同的进程或线程。进程管理进程的概念进程是操作系统进行资源分配和调度的一个基本单位，是程序在执行过程中的一个动态实体。进程状态进程在运行过程中会经历不同的状态，例如运行态、就绪态、阻塞态等。进程管理操作系统负责进程的创建、终止、切换、同步和通信等操作。进程同步与互斥1同步多个进程在执行时需要相互配合,协调工作2互斥多个进程在访问共享资源时,必须互斥进行3临界区对共享资源进行访问的代码段死锁问题资源竞争多个进程竞争有限的资源导致死锁。循环等待进程互相等待对方持有的资源，形成循环等待链。死锁预防与解决预防通过破坏死锁产生的四个必要条件之一来防止死锁发生。例如，通过资源预先分配，确保每个进程在运行前获得所有所需的资源，从而打破“互斥条件”。解决当死锁发生时，采取措施解除死锁，例如撤销进程，回收其资源，或重新分配资源，打破“循环等待条件”。内存管理物理内存计算机系统中直接可寻址的内存空间，用于存放程序和数据。虚拟内存通过将部分数据存储在硬盘中，来扩展物理内存容量。内存分配策略如何将物理内存分配给不同的进程和线程。内存保护机制防止进程或线程访问其他进程的内存空间。分页存储管理页面将逻辑地址空间划分为大小相等的页面。页框将物理内存划分为大小相等的页框。页表记录页面和页框之间的映射关系。分段存储管理逻辑地址将程序分成多个逻辑段，每个段有一个段号和段内地址。物理地址将内存划分成多个物理段，每个段有一个段号和段内地址。段表记录每个段的起始地址和长度。虚拟内存物理内存物理内存是指计算机系统中实际存在的内存空间，通常由RAM芯片组成，容量有限。虚拟内存虚拟内存是一种技术，通过将硬盘空间作为内存扩展，使程序可以访问超过物理内存大小的地址空间。页面置换算法最佳置换算法(OPT)选择将来最长时间不会被访问的页面进行替换。先进先出(FIFO)选择最先进入内存的页面进行替换。最近最少使用(LRU)选择最近最少使用的页面进行替换。时钟算法结合了FIFO和LRU算法的优点。设备管理硬件抽象层为应用程序提供统一的接口，隐藏硬件细节。设备驱动程序控制特定硬件设备的操作，例如磁盘、网络卡和打印机。设备分配策略确定如何将设备分配给不同的进程或用户。磁盘调度算法FCFS先来先服务算法按照请求到达的顺序分配磁头。SSTF最短寻道时间优先算法选择离当前磁头最近的请求。SCAN扫描算法磁头从一端扫描到另一端，处理所有请求。C-SCAN循环扫描算法是一种改进的SCAN算法，它避免了磁头在两端反复扫描。作业管理作业调度根据作业的优先级、资源需求等因素，将作业分配给不同的处理器进行执行。作业控制负责监控作业的运行状态，并根据需要进行暂停、恢复或终止作业。作业执行分配给作业的处理器将根据作业的指令进行运算和处理，完成作业的任务。作业调度算法先来先服务(FCFS)按照作业到达的顺序进行调度。最短作业优先(SJF)选择运行时间最短的作业优先执行。优先级调度根据作业的优先级进行调度，优先级高的作业优先执行。文件管理1文件存储结构文件存储结构主要包括顺序结构、链接结构、索引结构等。顺序结构简单但浪费空间，链接结构灵活但访问速度慢，索引结构兼顾效率和灵活性。2文件目录结构文件目录结构用来组织和管理文件系统中的文件，常见的目录结构包括单级目录、树形目录和图状目录等。目录结构影响着文件的组织方式和访问效率。3文件共享和保护文件共享是指多个用户可以访问同一个文件，文件保护则是为了防止非法访问和破坏文件数据。共享和保护机制确保了文件系统安全性和数据完整性。文件目录结构树形结构：常见于大多数操作系统，易于理解和管理，但可能会出现路径过长的问题。图状结构：允许文件之间建立复杂的关系，灵活度高，但管理复杂。单级目录结构：简单易懂，但缺乏组织性，不适用于大型文件系统。文件存储结构顺序存储文件信息按顺序存放在一块连续的存储空间中。链接存储文件信息分散在存储空间中，通过指针链接起来。索引存储文件信息分散存放，由一个索引块记录每个数据块的位置。文件共享和保护文件共享允许多个用户访问相同的文件。不同的访问权限可以防止未经授权的修改。文件保护机制包括访问控制、加密和备份。这些机制可以防止数据丢失或被盗。访问控制可以限制用户对文件的访问权限，确保只有授权人员可以访问或修改文件。操作系统安全数据完整性保护数据免受未经授权的访问，修改和删除系统可用性确保系统正常运行，并避免恶意攻击导致服务中断身份验证与授权验证用户身份，并根据权限控制对资源的访问操作系统引导过程加电自检(POST)检查硬件是否正常工作.引导加载程序从启动设备（通常是硬盘）加载操作系统内核.内核初始化初始化系统资源，如内存管理、中断处理等.启动系统服务加载并启动其他系统服务，如文件系统、网络服务等.用户登录提示用户输入用户名和密码，并验证用户身份.中断处理机制1中断请求当系统发生中断事件时，硬件会向CPU发送中断请求信号。2中断处理CPU响应中断请求，保存当前执行状态，并将控制权转移到中断处理程序。3中断处理程序中断处理程序根据中断类型执行相应的处理操作，例如处理I/O请求或异常情况。4恢复执行中断处理程序完成后，CPU恢复之前保存的执行状态，继续执行被中断的程序。系统调用机制1用户态与内核态2系统调用接口3系统调用处理程序4系统调用返回系统调用是用户程序与操作系统内核交互的一种机制。用户态程序通过系统调用接口请求内核提供服务，内核态系统调用处理程序执行相应的操作，并将结果返回给用户态程序。并发编程模型1线程模型使用多个线程来执行任务,线程是轻量级的进程,共享同一地址空间,提高效率.2协程模型协程是一种用户级线程,由程序员控制,比线程更轻量级,适用于高并发场景.3事件驱动模型使用事件循环机制,处理异步事件,提高系统响应速度.4异步模型使用异步编程方式,避免阻塞,提高程序性能.并发控制机制互斥确保在同一时间只有一个进程或线程可以访问共享资源，以防止数据不一致。同步协调多个进程或线程的执行顺序，以确保它们按预期的方式交互，例如生产者-消费者问题。死锁当多个进程或线程相互等待对方释放资源时，就会发生死锁，导致系统无法继续运行。线程管理轻量级进程线程是轻量级进程，共享相同的地址空间，可以更高效地利用资源。并发执行多个线程可以并发执行，提高程序的效率和响应能力。同步与互斥线程之间需要进行同步和互斥，以保证数据的一致性。进程间通信数据共享不同进程之间需要共享数据时，进程间通信提供了一种机制。资源协作多个进程需要协同工作完成任务，进程间通信可以实现资源共享和同步。信息传递进程间通信可以传递消息，实现进程之间的信息交互。生产者-消费者问题生产者生产者负责生产产品，并将其放入缓冲区。消费者消费者负责从缓冲区中获取产品进行消费。缓冲区缓冲区用于存储生产者生产的产品，供消费者消费。读者-写者问题读者读取共享数据，不会修改数据。写者修改共享数据，不允许其他读者或写者同时访问。目标允许多个读者同时访问，但只有