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四级网络工程师最全操作系统复习资料

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第一章 操作系统概论
1、操作系统：是计算机系统的一个系统软件，有效管理系统中软硬件资源，合理组织计算机工作流程，方便。
2、操作系统特征：并发性（多程序宏观并发，微观单道）、共享性（互斥共享，同时共享）、随机性（异步性，进程走走停停）
3、操作系统功能：进程管理（进程控制、进程同步、进程通信、调度），存储管理（内存分配与回收、存储保护、内存扩充）、文件管理（文件存储空间、目录管理——按名存储、文件安全性）、设备管理、用户接口（命令接口、程序接口、图形接口）
4、操作系统分类：（1）按用户界面的使用环境和功能特征 批处理操作系统，分时操作系统，实时操作系统
（2）个人操作系统，网络操作系统，分布式操作系统，嵌入式操作系统

批处理操作系统：特点 成批处理。
优点：自动化高目标系统资源利用率高 作业吞吐率高（单位时间内计算机系统处理作业的个数）
缺点：不能直接与计算机交互 不适合调试程序
单道批处理系统：自动性、顺序性、单道性
多道批处理系统：提高CPU利用率、增加系统吞吐量
指令：一般指令（用户）
特权指令：输入输出，停机（系统）
5、 SPOOLing（假脱机技术）：把独占改为虚拟共享
a) 在磁盘上开辟输入井，输出井
b) 在主存——输入缓冲区、输入缓冲区
c) 输入进程——数据从输入设备—输入缓冲区—输入井—CPU需要，输入井—主存
特点：提高输入输出速度、把独占改为虚拟共享、实现虚拟设备功能
6、 分时系统：交互的、采用时间片轮转、轮流为多个终端用户使用
特点：多路性、交互性、独占性、及时性
影响相应时间：（1）机器处理能力（2）请求服务时间（3）终端数（4）服务请求分布（5）调度算法
7、 实时系统：在规定时间完成处理——工业控制、军事控制、实时通讯（电讯、银行、飞机订票、股市）
特点：多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性
8、 嵌入式操作系统
特点：内核小、专用性强、系统精简、高实时性、多任务操作系统
9、 分布式操作系统
特点：分布性、并行性、透明性、共享性、健壮性
10、 操作系统结构：整体结构、层次结构（硬件层—操作系统层—系统程序层—应用程序层）、微内核（客户服务器结构 典型的WINDOWS NT）
11、计算机系统包括 硬件系统，软件系统
12、计算机系统的资源包括两大类 硬件资源和软件资源
13、硬件系统：中央处理器，内存储器，外存储器，以及各种类型的输入输出设备（键盘，鼠标显示器，打印机）
14、软件系统：各种程序和数据
软件系统又分为：应用软件，支撑软件（数据库，网络，多媒体），系统软件（操作系统，编译器）
15、.操作系统的任务：组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源
向用户提供各种服务功能（一方面 向程序开发和设计人员提供高效的程序设计接口 二 向使用计算机系统的用户提供接口）

16、操作系统的发展
1.手工制作2.早期批处理3.多道批处理4.分时系统

17、UNIX系统
C语言编写，多用户，多任务，分时操作系统 ，树形文件系统

7.个人计算机操作系统
20世纪70年代 微软MS DOS 单用户单任务
1984年 苹果操作系统
1992 微软 交互式操作系统WINDOWS 3.1
1995 window95
1991 linux linux遵循UNIX标准POSIX 继承UNIX全部优点

嵌入式操作系统
高可靠性，实时性，占有资源少，智能化能源管理。易于连接，低成本

个人计算机操作系统
单用户多任务

网络操作系统（NOS）
目标：相互通信及资源共享
两种模式：集中式，分布式

网络操作系统和分布式操作系统 主要不同在于：网络操作系统能够构架与不同的操作系统
网络操作系统不要求对网络资源透明的访问，对本地资源和异地资源访问区别对待
分布式操作系统强调单一操作系统对整个分布式系统的管理，调度

指令集：ISO/IEC7816-4
提供的指令类型：数据管理类，通信控制类，安全控制类
四个基本功能： 资源管理，通信管理，安全管理，应用管理
智能卡硬件资源：CPU，存储部件，通信接口

第二章 操作系统的运行机制
1、 CPU（运算器、控制器、寄存器、高速缓存）
寄存器：用户可见寄存器（数据寄存器、地址寄存器、条件码寄存器）、控制状态寄存器（程序计数器、指令寄存器、程序状态字）
2、 处理器状态：
（1） 管态—特权指令、目态—非特权指令（管态可调用所有指令和资源，改变处理器状态，目态转换官态——中断，官态转目态——修改PSW值）
PSW程序状态字
（2） 核心状态、管理状态、用户程序状态（目标状态）
3、 存储器结构图
4、 存储保护（1界地址寄存器——（1）上下限寄存器，（2）基址寄存器和限长寄存器
2存储键）
5、 中断与异常
a) 中断特点：随机的、可恢复的、自动处理的
b) 中断分类
c) 中断：与正在执行的指令无关，能够屏蔽
异常：与正在执行的指令有关，不能够屏蔽
d) 中断系统：硬件中断装置、软件中断处理程序
e) 经过中断扫描机构扫描中断信号
f) 产生中断方式：I/ O中断（正常，异常）、时钟中断、硬件故障中断、程序性中断、系统调用
6、 系统调用与一般调用的差别：运行的系统状态不同，系统调用在管态
7、 I/O技术控制方法：通道（使CPU从I/O事务解脱，提高效率、传输数据较小，按字节）、DMA技术（按块传输）、缓冲技术（匹配速度问题）
8、 时钟（一般由硬件提供）：硬件时钟、软件时钟或绝对时钟、相对时钟
第三章 进程线程模型
1多道程序的设计模型
采用多道程序的设计能够提高CPU的利用率

1.1程序的顺序执行
特点：顺序性，封闭性，程序执行结果的确定性，程序执行结果的可再现性

1.2多道程序设计
一般采用并行操作技术。

多道程序设计环境的特点
根本目的：提高整个操作系统的效率。
衡量系统效率的尺度：系统吞吐量 指在单位时间内系统所处理作业的道数。

多道程序的特点：独立性，随机性，资源共享性

1.3程序的并发执行
指两个或两个以上的程序在计算机中同处于以开始执行且尚未结束的状态
特点：（1） 并发程序在执行期间具有相互制约关系
（2）程序与计算不在一一对应
（3）并发程序执行结果不可再现（宏观上是同时进行的，但从微观上，在单个CPU中 依然是顺序执行的）

1.4进程模型： 程序、数据、PCB（灵魂）进程控制块组成
从操作系统的角度：分为系统进程和用户进程（系统进程优先级高于用户进程）

进程和程序的联系和区别
联系：程序是构成进程的组成部分之一，从静态角度，进程是由程序，数据和进程控制块组成。
区别：程序是静态的，进程是动态的

进程的特性：
并发，动态（动态产生，动态消亡），独立（相对完整的资源分配单位），交往（相互作用），异步（相互独立 不可预知的前进）。

1.5进程的状态及状态转换
三状态：运行 就绪 等待
就绪->运行 进程被调度的程序选中
运行->就绪 时间片用完
运行->等待 等待某事件发生
等待->就绪 等待的事件已经发生
五状态：
运行，就绪，阻塞，创立，结束
状态转换：创立进程，提交，调度运行，释放，超时，事件等待，事件出现。
创立：建立未进入就绪
结束
七状态：
运行 阻塞，创立，结束，就绪挂起，阻塞挂起，就绪
新引入的状态（挂起和激活）
挂起状态：内存转外存
激活状态：外存转内存
状态转换：
创立—就绪：加入就绪队列
就绪—执行：执行
执行—阻塞：等待资源而无法执行（请求某种服务、启动某种操作、新数据尚未到达、无新工作可做）
执行—就绪：时间片结束、优先权较低
阻塞—就绪：得到资源
执行—终止：正常结束或异常错误

1.6进程控制块PCB
分为调度信息和现场信息
调度信息包括（进程名，进程号，存储信息，优先级，当前状态，资源清单，消息队列指针，进程队列指针，和当前打开文件）
现场信息（程序状态字，时钟，界地址）

进程的组成（程序，数据 和进程控制块）

PCB组织方式（线性方式，索引方式，链接方式）

进程的队列（就绪队列，等待，运行）

1.7进程控制
经过原语（由若干条指令所构成，用来实现某个特定的操作）

进程控制原语：创立进程，撤销进程，挂起进程，激活进程，阻塞进程，唤醒进程，以及改变进程优先级。
创立原语，撤销原语，阻塞原语，唤醒原语。

UNIX经过fork()函数创立子进程，执行一次，返回两个结果

1.8线程模型
更小的独立运行的基本单位-线程
引入线程 为了减少并发执行时所付出的时间和空间开销
进程拥有两个基本属性：是一个可拥有资源的独立单位，又是一个能够独立调度和分派的基本单位

1.8.1线程的基本概念
是进程中的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位
一个线程能够创立和撤销另一个线程，同一个进程的多个线程之间能够并发执行

线程特性：每个线程有一个唯一的标识符合一张线程描述表。
不同的线程能够执行相同的程序。
同一个进程中的各个线程共享该进程的内存地址空间
线程是处理器的独立调度单位 多个线程能够并发执行

线程的好处：花费时间少 创立的速度比进程块，系统开销少，两现成的切换花费时间少 能独立运行

线程和进程比较
线程又称为 轻量级进程 传统的进程称为重量级进程

调度：线程作为调度和分派的基本单位，吧进程作为资源拥有的基本单位。
并发性：
拥有资源：线程不拥有系统资源
系统开销：进程的开销远大于线程的开销

1.8.2线程的实现机制
第一种：用户级线程 不依赖于内核 LINUX
第二种：内核级线程 依赖内核 windows
第三种：混合实现方式 solaris

1.9进程（线程）调度
一般分为：高级调度（作业调度—批处理），中级调度，低级调度（进程（线程）调度）
进程（线性）调度即处理机调度

2.0调度算法的设计原则：面向用户原则（周转时间）、面向系统（系统吞吐量）

2.0.1进程行为：当一个进程等外部设备完成工作而被阻塞的行为属于I/O
某些花费了绝大多数时间在计算上面的 称为计算密集型
在等待I/0花费了绝大多数的时间 称为I/0密集型
系统分类：一般分为 批处理 交互式 实时系统

2.1调度算法的设计目标
公平，系统策略的强制执行 另一个就是保持系统的所有部分尽可能忙碌
一般检查三个指标：吞吐量，周转时间，CPU利用率
周转时间：从一个批处理作业提交时刻开始直到改作业完成时刻为止统计的平均时间

2.2进程（线程）调度算法
先来先服务FCFS（非抢占式）
最短作业优先SPF（非抢占式）
最短剩余时间优先SPT（抢占式 ）
轮转法（R-R）分成一个个时间片 影响时间片的因素（系统响应时间，就绪进程的数目，计算机的处理能力）
应该将时间片设为20-50ms
最高优先级算法（抢占或非抢占）
多级反馈队列算法（综合了先进先出，时间片，可抢占式）
最短进程优先

实时系统中的调度算法：（1）速率单调调度算法（RMS）（2）最早最终时限优先调度（EDF）
第四章 并发与同步
1、进程关系：同步、互斥
2、进程同步：是指多个进程中发生的事件存在某种时序关系，必须协同工作，相互配合，以共同的完成一个任务
3、进程互斥：是指由于共享资源所要求的排她性，进程间要相互竞争，以使用这些互斥资源
4、进程互斥的解决方法：（1）由竞争各方平等协商，（2）引入进程管理者（只有信号量）
5、临界资源：是指只允许一个进程访问和使用的资源
6、计算机中的资源共享的程度可分为三次：互斥，死锁，饥饿。
互斥 是指多个进程不能同时使用同一个资源。
死锁 是指避免多个进程互不相让，避免出现都得不到足够资源的情况
饥饿 避免某些进程一直得不到资源或得到资源的概率很小
7、临界资源访问过程分成：进入区，临界区，退出区，剩余区。
8、进程同步遵循的准则：空闲则入，忙泽等待，有限等待，让权等待
9、进程互斥的硬件方法：TS指令、SWAP指令、信号量
10、信号量
大于等于0：可用资源数
小于0：进程被阻塞数
对信号量的操作：P操作-（wait(s)）：进临界区
V操作+(signal(s))：释放临界区
11、管程：
一个管程由 过程 变量 数据结构等组成的集合
一个管程由四个部分组成：管程名称，共享数据的说明，对数据进行操作的一组进程和对公共享数据赋初值的语句
管程三个主要特征：模块化 抽象数据类型 信息隐蔽
12、进程通信（管道通信）方式：共享内存，消息机制，以及经过共享文件进行通信
共享内存：设有一个公共内存区
消息机制：消息缓冲通信（要用发送消息原语，接收消息原语）
信箱通信（可存信件数，已有信件数，可存信件的指针）
管道通信（UNIX 就是连接两个进程之间的一个打开的共享文件） 优点：传输数据量大 但通信速度慢
第五章
1、存储器分为：内存储器和外存储器，
a) 处理器能够直接访问内存 但不能直接访问外存。CPU经过启动相应的输入/输出设备后才能使外存和内存交换信息。
b) 对于内存速度和容量的要求是：内存的直接存取速度尽量快到与CPU取指速度相匹配，其容量达到能装下当前运行的程序和数据
2、 内存空间分为：系统区和用户区
3、存储管理的主要任务：
1.内存的分配和回收.
位示图法，空闲页面表，空闲块表
内存分配两种方式：静态分配（程序运行前）和动态分配（在目标模块装入时确定并分配的）。
2.存储共享：代码共享、数据共享。
3. 存储保护：地址越界保护、权限保护、存储键
4. 扩充内存容量：采用虚拟存储技术或其它交互技术
4、地址转换：逻辑地址从0开始 ，绝对地址就是物理地址。
地址重定位：把逻辑地址装换成绝对地址。
静态重定位 把程序的指令地址和数据地址全部转换程绝对地址。在程序执行前完成
动态重定位 直接把程序装入到分配的内存区域中，每当执行一条指令时都由硬件的地址转换机构将指令中的逻辑地址转换为绝对地址
5、内存管理方案：单一用户（连续区）管理，分区管理，页式管理，段式管理，段页式管理
6、分区存储管理方案：把内存划分为若干个连续区域，每个分区装入一个运行的程序。分区的方式归纳成 固定分区、可变分区。
固定分区：在程序运行时必须提供对内存资源的最大申请量。
特点：（1）一个分区只能装一个作业，反之亦然。
（2） 经过分区分配表（起始位置，大小，状态）实现对主存的分配与回收
（3） 采取静态地址重定位，分区总数确定，当作业小时浪费主存
可变分区：在装入程序时划分内存分区，可变分区有较大的灵活性，比固定分区有更好地内存利用率。
（1） 可变分区的实现：已分分区表、空闲分区表，分配主存是，先分小地址，再分大地址，首次分区，只有一个空闲区。
（2） 空闲分区的分配策略：最先适应算法（地址递增），最优适应算法（挑最小，长度递增），最坏适应算法（挑最大，长度递减），下次适应算法。
（3）分区管理方案的优缺点：可变分区的内存利用率比固定分区高 缺点：内存使用仍不充分，而且存在较为严重的碎片问题，浪费处理机时间
（4）移动技术：能够集中分散的空闲区，提高内存的利用率，便于作业动态扩充内存。缺点：（1）移动会增加系统开销（2）移动是有条件的
7、覆盖技术和交换技术
覆盖技术和交换技术的主要区别是控制交换的方式不同，前者主要是在早期的系统中，而后者当前主要用于小型分时系统。
交换技术又称为对换技术：进程从内存移到磁盘并再移回内存称为交换。交换技术多用于分时系统中。缺点：在交换时需要花费大量的CPU时间，影响对用户的响应时间。
8、 页式存储（支持离散存储，有效解决碎片多的问题，不用增加系统开销解决碎片问题）
a) 页式存储器使用的逻辑地址由两部分组成，页号（分页多少）和页内地址（页面大小）
b) 位示图（空闲块）、页表（页块关系）、主存分配表（存储页表在内存位置）
c) 地址转换
i. 页号=逻辑地址/页长（取整）
ii. 页内地址=逻辑地址MOD页长（余数）
iii. 块号=字号*字长+位号
iv. 物理地址=内存块号*块长+页内地址（块内地址）+用户区基址
d) 页表：
i. 多级页表，大多数操作系统采用二级页表
ii. 散列页表
iii. 反置页表
9、 快表（页表必须访问两次内存，第一次按页号读出页表中对应的块号，第二次按计算出来的绝对地址进行读写。而快表存在高速缓存，快表找到，内存访问一次，找不到内存访问两次）
a) 采用两种方法：一种是在地址映射机制中增加一组高速寄存器保存页表，另一方法是在地址映射机制中增加一个小容量的联想存储器（相联存储器）
10、 虚拟存储技术：
a) 最大容量与地址寄存器位数有关，位数为24，则大小为2^24B
b) 当最大大于实际，实际容量=主存+硬盘
当最大小于实际，实际容量=最大
c) 虚拟存储技术同交换技术在原理上市类似的：交换技术是以进程为单位进行的，而虚拟存储一般是以页或段为单位
d) 虚拟页式存储管理（页号，有效号，页框号，访问位，修改位，保护位，禁止缓存位）
e) 页面调度策略：调入策略（请求调页、预调页）、置页策略、置换策略（固定分配局部置换，可变分配全局置换，可变分配局部置换）

缺页中断：要访问的页面不在内存中。

11、页面置换算法：先进先出页面置换算法(fifo)，最近最少使用页面算法（LRU），最近最不常使用页面置换算法（LFU），理想页面置换算法（OPT），最近未使用页面置换算法（NRU），第二次机会页面置换算法，时钟页面置换算法（clock）

12、 缺页中断率：
a) 影响缺页中断率的因素：分配给程序的内存块数，页面的大小。程序编制方法，页面置换算法。
b) 中断率=中断次数/页面访问总次数
13、 段式和段页式存储管理方案：
a) 系统将内存空间动态分为若干个长度不同的区域，每个区域称作一个物理块，每个物理块在内存中有一个起始地址 称作段首止，从0开始编址。用户程序的逻辑地址由段号和段内地址组成。
自己细看***段式存储
操作系统第六单元 文件管理
1、文件：信息项是构成文件内容的基本单位。
文件系统的文件名：solaris的UFS 长度可达255个字符，FAT12(MS-DOS 8个字符，外加句点和3个字符的拓展名，NTFS也可达到255个字符)
FAT12不区分大小写 EXT2区分大小写。FAT12只使用ACSII，MS-DOS和windows /XP对不同的后缀有特定的解释。

2、 文件系统：是文件和目录相关的子系统、是操作系统中统一管理信息资源的一中软件
a) 文件系统还负责对文件的按名存取。
b) 操作系统对文件透明存储
3、 文件分类：（目的：对不同文件进行管理，提高系统效率，提高页面友好性）
a) 按文件的用途：系统文件，库函数文件，用户文件
b) 按文件组织形式 普通文件 目录文件 特殊文件
c) 按文件的保护方式：只读文件，读写文件，可执行文件，无保护文件
d) 信息流向：输入，输出，输入输出
e) 按存放时限：临时，永久，档案文件
f) 按文件的介质类型：磁盘文件，磁带文件，卡片文件，打印文件
g) 组织结构：逻辑文件（流式文件和记录式文件） 物理结构（顺序文件，链接文件，索引文件）
h) UNIX类操作系统的文件分类：普通文件，目录文件，特殊文件
4、文件系统功能（非重点）：
a) 实施存储空间分配回收
b) 文件按名存储
c) 实现文件共享，提供保护和保密
d) 向用户提高使用的接口
e) 系统维护及向用户提供有关信息
f) 保持文件系统执行效率
g) 提供I/O的统一接口
5、 文件的结构
a) 文件的逻辑结构：
i. 无结构的流式文件、有结构的记录式文件
ii. 遵循原则：查找快捷、修改方便、空间紧凑、易于操作
iii. 流式文件：是无结构法的，有序字符的集合，UNIX是流式文件结构。
iv. 记录式文件：记录式文件分为：定长记录文件和不定长记录文件
b) 文件的物理结构：
i. 常见的文件的物理结构：顺序结构，链接结构，索引结构，I节点结构
1. 顺序结构：优：支持顺序存储和随机存储、存取快速
缺：不能动态增长、分配空间慢、容易产生碎片
2. 链接结构：优：解决碎片，有利于文件动态扩充和增删
缺：不能随机存取，存取速度慢刺头移动多，效率低，可靠性较差，链接指针需要空间
windows的FAT文件系统采用的是链接结构
ii. 文件物理块（文件物理记录）：文件分配及传输信息的基本单位
iii. 物理记录大小与物理设备有关，与逻辑记录大小无关
6、 文件的存储介质：
a) 介质分类：顺序存取设备（磁带），随机存取设备（磁盘）
i. 磁盘上每个物理块的位置确定：柱面号，磁头号，扇区号表示。
ii. 磁带特性：存取速度与信息密度，带速，间隙有关。
iii. 一次访问磁盘的时间由组成：寻道时间，延迟时间（旋转时间），传输时间
iv. 磁盘位置：
1. 已知物流块号，则磁盘地址：
a) 柱面号（磁道号）=物理块号/（磁头数*扇区数）
b) 磁头号=[物理块号MOD（磁头数*扇区数）]/扇区数
7、 文件的存取方式：顺序存取，随机存取（又称为直接存取）。UNIX系统采用了顺序存取和随机存取两种方法。

8、 文件目录：每个文件都设置了一个描述性数据结构-文件控制块（FCB），FCB包含：文件名，文件起始地址等等。文件目录是FCB的集合、文件目录放在外存。
9、 文件目录结构
a) 一般吧文件目录设计成一级目录，二级目录结构，多级目录结构。
i. 一级目录：（1）简单，易实现（2）易发生重命名（3）时间长（4）不便共享，适合PC单用户
ii. 二级目录：主文件目录，用户文件目录
1. 缺点：增加了系统开销
2. 优点：（1）提高速度（2）解决重名（3）可共享（4）实现文件保护和保密（5）解决不同用户可不同命，可是同名用户不能同名
iii. 多级目录：unix和DOS都采用树形目录
1. 特点：层次清楚、解决了文件重命名问题、搜索速度快
10、 目录检索：路径检索的方法：全路径名（又称为绝对路径名）、相对路径（更快）
11、 文件目录的改进：为了加快目录检索速度、把FCB分为符号目录项（文件符号名、文件内部号）和基本目录项（其它）。
目录项分解法优点：减少了访问磁盘的次数，提高了文件目录检索速度。
12、 存储空间的分配与回收
a) 位示图，空闲块表（适合物理结构为顺序结构的文件系统），空闲块链表，成组链接（成组链接的管理方式比普通的链接方式效率高）
13、 文件系统的实现
a) 记录是文件中数据处理的基本单位
b) 关系：用户打开文件表指向了系统打开文件表
14、 文件的保护和安全
a) 文件的共享：目的节省时间和存储空间、减少用户工作量、进程经过文件交换信息
b) 文件安全：
i. 影响因素：人为、系统、自然
ii. 采取措施：建立副本（小且重要）、定时转储（较大）、存取权限
15、 文件的存取权限
a) 存取控制矩阵
b) 二级存取控制
c) UNIX中的文件存取权限（文件属主或文件拥有者(owner)，文件属组的同组用户(group)，其它用户(other)）
16、文件的保密（防止文件被窃取）
措施：1.隐蔽文件目录 2.设置口令3.使用密码（文件翻译成密文，使用时再解密）
17、 常见的提高文件系统的技术：块高速缓存，磁盘空间的合理分配，对磁盘调度算法进行优化
a) 一般采用以下几种移臂调度算法：先来先服务（FCFS），最短寻道时间优先算法（SSTF，存在饥饿），扫面算法、电梯算法（SCAN），循环扫描算法（S-SCAN、解决饥饿，出现黏着），为了达到公平、高效
b) 移臂调度：减少寻找磁道时间
旋转调度：减少寻找扇区时间
18、 RAID技术：RAID0采用多个磁盘并行以提高读写速度，1用磁盘镜像的方法提高存储的可靠性，2和3以位或者字节作为并行单位，4的并行单位是块。
19、 WINDOWS 的FAT和UNIX系统
a) FAT（file allocation table） 简单的目录结构，三个版本：FAT-12，-16，-32，FAT系统以簇为单位分配，包含：引导扇区，文件分配表，根目录（大小为32字节）
UNIX文件系统——每个目录项包含两个域（文件名、I节点集）、三级索引结构