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操作系统的重点与难点

目录
第一章 操作系统绪论 2
一、 OS 的引入和发展 2
二、 OS 的基本特征和功能 3
三、分层式结构和微内核结构 4
第二章 进程管理 5
一、 进程的基本概念 5
二、 进程同步的基本概念 6
三、 信号量机制及其应用 7
四、 经典进程的同步问题 8
五、 消息传递通信机制 9
六、 线程的基本概念 10
七、 内核级线程和用户级线程 11
八、优先权调度和基于时间片的轮转调度算法 11
十、 死锁的基本概念 12
十一、 预防死锁的方法 12
十二、利用银行家算法避免死锁 13
第三章 存储器管理 14
一、 重定位的基本概念 14
二、 动态分区分配方式 15
三、 分页和分段存储管理方式 16
四、 虚拟存储器的基本概念 17
五、请求分页系统的基本原理 17
第四章 设备管理 18
一、 I/O 控制方式 18
二、 缓冲管理 19
三、 设备独立性 20
四、 虚拟设备和 SPOOLing 技术 20
五、 设备处理 21
六、 磁盘调度 22
七、 磁盘高速缓存和廉价磁盘冗余阵列 RAID 22
第五章 文件管理 23
二、 连续分配、链接分配和索引分配 24
三、 位示图法和成组链接法 25
四、 目录管理 25
五、 文件共享方式 26
六、文件保护 27
七、 磁盘容错技术 27
八、 文件系统的数据一致性 28
第六章 操作系统接口 29
一、 操作系统向用户提供的接口 29
二、 系统调用的基本概念 29
三、 系统调用中的参数传递形式 30
第一章 操作系统绪论
本章的学习目的是要建立起 OS 的基本概念。学生应对以下几个重点、难点问题作认真的学习，切实掌握 OS 的一些基本概念。
一、 OS 的引入和发展
　　由于 OS 随着计算机技术和应用需求的不断发展，由简单变为复杂，由低级变为高级，故在学习“ OS 的引入和发展”时，应对下述几个问题有较清晰的认真：
　　（１） 早期无 OS 的计算机系统中，存在着所谓的“人机矛盾”和“ CPU-I/O 设备速度不匹配的矛盾。”它们对计算机资源的利用率有何严重的影响？
　　（２） 单道批处理系统中引入了哪些技术，它们是如何解决上述两对矛盾的？
　　（３） 单道批处理系统还存在哪些不足之处，而多道批处理系统又是通过哪些技术措施来解决这些不足的？
　　（４） 多道批处理系统还有哪些地方不能满足用户的需求，或者说，是在什么样的需求推动力的作用下，由批处理系统发展为分时系统的？实现分时系统的关键技术是什么？
　　（５） 上述几种系统还有哪些地方不能满足用户的需求，或者说，是在什么样的需求推动力的作用下由分时系统发展为实时系统的？在学习时还应注意分析和比较分时系统与实时系统的特征。　　
二、 OS 的基本特征和功能
　在多道程序的环境下， OS 具有四大特征和五大功能。在学习该问题时，应对下述四个方面的内容有较深入的理解：
　　（１） OS 的特征。 OS 具有并发、资源共享、虚拟和异步性四大特征，在学习时应对每种特征的具体含义和形成原因有较清晰的认识。
　　（２） OS 四大特征之间的关系。这四大特征之中，最重要的是并发特征，其他三个特征都是以并发为前提的。在学习时必须弄清楚并发和资源共享之间的关系并理解它们是如何导致虚拟和异步性特征的产生。
　　（３） OS 的功能。 OS 具有处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理和提供友好的用户接口等五大功能。在学习时应了解各个功能的主要任务，并必须深入了解处理机管理功能和 OS 的并发和共享特征之间的关系。
　　（４） OS 五大功能的必要性。为了保证多道程序能有条不紊地、高效地运行，并能方便用户对计算机系统的使用， OS 必须具备上述五大功能。在学习时请思考：如果缺少了其中的某个功能（如处理机管理或内存管理功能），将会对系统的运行产生什么样的影响。

三、分层式结构和微内核结构
　　在 OS 结构中，分层式结构是最为成熟的一种 OS 结构，被广泛应用了 20 多年。而 20 世纪 90 年代兴起的微内核结构是最具有发展前途的 OS 结构。在学习问题时，应对下述内容有较深刻的了解：
　　（１） 分层式结构。该结构是指将 OS 按某些原则分为若干个层次，并规定了层次间的单向调用关系。在学习时应对分层结构是为了解决什么样的问题，它又是如何解决该问题的等内容有较深入的了解。
　　（２） 分层的原则。在学习时应知道一个 OS 应设置哪些层次的主要依据，并清楚通常应把哪些功能放在最低层，哪些功能放在最高层。
　　（３） 客户 / 服务器技术。该技术是把 OS 分为两个部分：一部分是用于提供各种服务的服务器另一部分是用于顺序 OS 最基本功能（含通信功能）的内核。在学习时必须清楚，为什么要将 OS 一分为二，由此会带来什么好处。
　　（４） 面向对象技术。该技术是基于“抽象”和“隐蔽”原则来控制 OS 的复杂度的。它利用封装的数据结构和一组对它进行操作的过程，来表示系统中的某个对象，以达到隐蔽系统内部数据结构和操作的顺序细节的目的。在学习时应了解什么是对象、面向对象技术会给 OS 带来什么好处。

　　（５） 微内核结构。它是指将客户 / 服务器技术、面向对象技术用于基于内核技术的 OS 中所形成的 OS 结构。在学习时应对该结构用于解决什么样的问题、又是如何解决该问题的，以及该结构有何优点有较深刻的了解。

第二章 进程管理
本章的学习目的是要建立起 OS 的基本概念和使学生理解如何掌握处理机调度和死锁。学生应对以下几个重点、难点问题作认真的学习，切实掌握 OS 的一些基本概念。
一、 进程的基本概念
进程既是 OS 中的一个重要概念，又是系统进行资源分配和独立运行的基本单位。学习 OS ，首先必须理解和掌握好进程的概念，为此，应认真学习和掌握下述几个方面的内容：
（１） 为什么要引入进程。引入进程是为了使内存中的多道程序能够正确地并发执行。在学习时应清楚地理解为什么程序不能与其他程序并发执行，而由 PCB、程序段和数据段三部分组成的进程实体却能与其它进程一起并发执行。
（２） 进程具有哪些基本特征。进程具有动态性、并发性、独立性、异步性和结构特征。在学习时应较好地理解每个特征的含义和形成原因，并且要特别注意比较进程和程序这两个概念的异同之处。
（３） 进程有哪些基本状态。进程具有就绪、执行和阻塞三种基本状态。在学习时必须了解在一个进程的生命周期中，它是如何随着自身的执行和外界条件的变化不断地在各种状态之间进行转换的。
（４） 进程控制块。为了描述和控制进程， OS必须为每个进程建立一个进程控制块PCB。在学习时应了解PCB具有哪些作用，为此，在PCB中必须包含哪些内容。 　　
二、 进程同步的基本概念
进程同步既是 OS中的一个重要概念，又是保证系统中诸进程间能协调运行的关键，故应对它有较深入的理解，并能熟练地运用。为此，应对下述与进程同步有关的几个基本概念有较好的理解和掌握：
（１） 临界资源: 临界资源是指一次仅允许一个进程访问的资源。在学习时，应了解这种资源应采取什么样的共享方式。
（２） 临界区: 进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。显然，为了实现进程互斥地访问临界资源，诸进程不能同时进入自己的临界区。在学习时，应了解用什么样的机制（称同步机制）来实现进程互斥地进入自己的临界区。
（３） 同步机制应遵循的准则。用于实现进程同步的机制有多种，但它们都要遵循“空闲让进”、“忙则等待”、“有限等待”、和“让权等待”四个准则。读者必须清楚，为什么要同时满足这四条准则，如违背了其中的基本准则，其后果是什么。
三、 信号量机制及其应用
信号量机制是一种卓有成效的进程同步机制，它已被广泛地应用于各种类型的 OS中。因此，在学习时，必须对下述几个与信号量有关的内容有较深刻的理解和掌握：
（１） 信号量的含义。信号量是一个用来实现同步的整型或记录型变量，除了初始化外，对它只能执行 P和V这两种原子操作。在学习时，应了解对信号量的P和V操作分别是如何实现的，整型信号量存在着什么不足之处，记录型信号量是如何解决整型信号量的不足的。
（２） 信号量的物理意义。一个信号量 S通常对应于一类临界资源，在学习时，读者必须理解S.value的值在物理上有什么特殊的含义，而每次P和V操作又分别意味着什么，故必须分别对S.value进行什么操作。
（３） 用信号量实现互斥。为了实现进程对临界资源的互斥访问，需为每类临界资源设置一初值为 1的互斥信号量mutex。在学习时，应清楚在进入临界区前或退出临界区后应对mutex分别执行什么操作，为什么对mutex的P和V操作必须成对出现，如少了其中的P操作或V操作，会对互斥算法产生什么样的影响。
（４） 用信号量实现前趋关系。为实现前趋关系 Pi→Pj，可为它们设置一个初值为0的信号量S。在学习时，应清楚对S的P操作和V操作应分别安排在什么位置，同时必须注意P(S)操作和V(S)操作也必须成对出现。
四、 经典进程的同步问题 　
我们以生产者－消费者为例，来说明学习此重点问题时应了解和掌握什么。
（１） 该问题用于解决什么问题。生产者－消费者问题是用于解决一群生产者和消费者之间的进程互斥和进程同步问题。在学习时首先应了解哪些资源属于临界资源，并为它们设置了哪些信号量，信号量的初值应如何设置；其次，应了解哪些地方需要同步，并需为它们设置哪些信号量，信号量的初值又应如何设置等。
（２） 如何实现进程互斥。为实现对缓冲池的互斥访问，应为它设置一互斥信号量 mutex ，读者应在生产者进程和消费者进程中都能找到成对的用于实现互斥的P(mutex) 和 V(mutex) 操作。
（３） 如何实现进程同步。为实现进程同步，应为缓冲池设置表示缓冲区空和满的 empty 和 full 信号量，应在相互合作的进程中找到成对的 P(empty) 和 V(empty) 操作，成对的 P(full) 和 V(full) 操作。
（４） 对程序的阅读方式。由于生产者－消费者问题属于并发执行程序，因此在阅读时可存取交替阅读的方式。我们可以先从任一程序（如生产者）开始阅读，当它因P 操作失败而阻塞时，该程序便不能继续往下运行，此时，可去阅读消费者程序；而当消费者唤醒阻塞的生产者，或者消费者因 P失败而受阻时，则又可返回道生产者程序继续阅读。

五、 消息传递通信机制
无论是单机系统、多机系统，还是计算机网络中，消息传递机制都是一种使用十分广泛的进程通信机制，故必须了解以下几个问题：
（１） 什么是消息传递通信机制。这是指以格式化的消息为进程间数据交换单位的进程通信方式，在学习时应了解通常在一个消息中应包含哪几方面的内容，定长格式的消息和变长格式的消息分别具有什么优缺点。
（２） 消息传递通信机制有哪几种实现方式。消息传递通信机制有直接通信和间接通信两种实现方式，在学习时应注意比较它们在原语的提供、通信链路的建立、通信的实时性等方面的异同。
（３） 如何协调发送进程和接收进程。为了使诸进程问题能协调地进行通信，必须对进程通信地收、发双方进行进程同步，在学习时应了解常用地同步方式有哪些，它们分别适用于何种场合。
（４） 消息缓冲队列通信机制。消息队列通信机制是一种常用地直接通信方式，在学习时应较好地理解它是如何在诸进程间实现互斥和同步地，其发送和接收过程又是如何完成的。 　　
六、 线程的基本概念
线程是 20 世纪 80 年代中期在操作系统领域出现的一个非常重要的机制和技术，它能有效地提高系统的性能。目前，不仅在操作系统中，而且在数据库管理系统和其他应用软件中，都普遍引入了线程的概念。故在学习时应对下述几个问题有较好的理解：
（１） 为什么要引入线程。在学习时必须清晰地认识到，为什么进程的并发执行需要付出较大的时空开销，这对系统的并发程度又将产生什么样的影响，而线程机制是如何解决上述问题的，它带来了哪些好处。
（２） 线程具有哪些特征。线程实体具有轻型、可独立运行、可共享其所隶属的进程所拥有的资源等特征。在学习时，应了解线程自己为什么还必须拥有少量的私有资源，并注意在并发性、调度性、拥有资源和系统开销等方面对多线程 OS 中的线程和进程进行比较。
（３） 如何创建和终止线程。在学习时应了解应用程序是如何创建线程和终止线程的，还应注意比较线程的创建和终止与传统的进程的创建和终止有什么异同之处。

七、 内核级线程和用户级线程
　 线程按其实现方式可分为内核级线程和用户级线程两类。在学习时应了解以下两个方面的内容：
　（１） 什么是内核级线程。内核级线程的 TCB 被保存在核心空间中，它的运行需获得内核的支持。在学习时，必须了解内核支持线程的创建、撤消和切换等功能是如何实现的，内核支持线程有哪些优点，又有哪些缺点。
　（２） 什么是用户级线程。用户级线程是在用户空间实现的。在学习时，必须了解用户级线程有哪些优点，通过用户空间的线程库（即运行时系统）来实现用户级线程有哪些不足之处，而将用户级线程和核心支持线程结合起来（即内核控制的用户线程）又能带来什么样的好处。
八、优先权调度和基于时间片的轮转调度算法
　优先权调度和基于时间片的轮转调度算法是目前被广泛使用的两种进程调度算法，读者应对它们有较深入的理解和掌握。
　　（１） 什么是优先权调度算法。这是指将处理机分配给就绪队列中优先权最高的进程的调度算法。在学习时应了解系统是根据哪些因素来确定一个进程的优先权的，在采用动态优先权的系统中又将根据哪些因素来调整运行进程的优先权。
（２） 什么是响应比优先调度算法。这是指以响应比作为进程的优先权的进程调度算法。在学习时应了解高响应比优先调度算法是为了解决什么问题而引入的，它有何缺点。
（３） 什么是时间片轮转算法。这是指让就绪进程以 FCFS 的方式按时间片轮流使用 CPU 的调度方式。在学习时应了解时间片的概念是为了解决什么问题而引入的，它是如何解决上述问题的。
（４） 什么是多级反馈队列调度算法。该算法设置了多个就绪队列，并给每个队列赋予不同的优先权和时间片。在学习时应了解该算法是如何对各个就绪队列中的进程进行进程调度的，为什么它能较好地满足各种类型用户的需要。
十、 死锁的基本概念
死锁是指多个进程竞争资源而形成的一种僵局，若无外力的作用，这些进程将无法再向前推进。可见，死锁状态不同于一般的阻塞状态。在学习时，读者应对下述两个问题有较深刻的理解和掌握：
（1） 产生死锁的原因是什么。产生死锁的根本原因是竞争资源和进程推进顺序非法，在学习时应了解这两个根本原因与 OS 的两个基本特征并发和共享之间存在着什么样的联系。
（2） 产生死锁的必要条件有哪些。产生死锁的必要条件有互斥条件、请求与保持条件、不剥夺条件和环路等待条件，在学习时请思考如果其中的一个条件不满足，为什么不会产生死锁
十一、 预防死锁的方法
　预防死锁是通过摒弃死锁产生的必要条件来达到防止死锁产生的目的的。在学习时应了解下述几个方面的内容：
（1） 摒弃“互斥”条件。读者应了解“互斥”条件为什么很难被摒弃，对某些（极少数的）互斥共享的设备（如打印机）又可通过什么技术来摒弃互斥条件。
（2） 摒弃“请求和保持”条件。应了解可通过哪些方法来摒弃“请求和保持”条件，它们对进程的运行和系统资源的利用率造成了什么样的影响。
（3） 摒弃“不剥夺”条件。读者应了解可通过哪些方法来摒弃“不剥夺”条件，这些方法有什么缺点。
（4） 摒弃“环路等待”条件。应了解可通过哪些方法来摒弃“环路等待”条件，它对系统和用户带来了哪些不便，对资源的利用率又有什么影响。
（5） 各种方法的比较。读者应从实现的简单性和资源的利用率等方面比较上述几种预防死锁的方法，以了解哪种方法实现最简便，哪种方法可使资源利用率受损最少。
十二、利用银行家算法避免死锁
银行家算法是一种最有代表性的避免死锁的算法。在学习时应对下述几个方面的内容有较好的理解：
（1） 避免死锁的实质在于如何防止系统进入不安全状态。在学习时，必须清晰地认识到，为什么系统处于安全状态便可避免进入死锁状态，而处于不安全状态则极有可能导致死锁状态的产生。
（2） 在银行家算法中用到了可利用资源向量 Available 、最大需求矩阵 Max 、分配矩阵 Allocation 、需求矩阵 Need 等数据结构，而在安全性检查算法中则还要用到工作向量 Work 和完成向量 Finish 等数据结构，读者应对它们的物理意义和相互关系有较好的理解。
（3） 安全性检查算法的目的是寻找一个安全序列。在学习时应了解满足什么条件的进程 Pi ，其对资源的最大需求可以得到满足，故可顺利完成；当 Pi 完成后，应如何修改工作向量 Work 和完成向量 Finish 。
（4） 在利用银行家算法避免死锁时应了解，系统什么时候可以为提出资源请求的进程试行分配资源，什么时候才可以正式将资源分配给进程。

第三章 存储器管理
本章的目的是了解各种存储器管理的方式和它们的实现方法，为此应对以下几个重点、难点问题作认真的学习，并切实掌握其中的内容。
一、 重定位的基本概念
　　重定位的实质是地址变换，它将进程地址空间中的逻辑地址转换为主存空间中的物理地址，从而保证进程能够正常执行。在学习时应对下述两个方面的内容有较好的理解：
　　（１）应了解为什么要引入重定位，由重定位装入程序在装入进程时一次性完成的静态重定位适用于何种场合，它有何优缺点 。
　　（２） 读者应进一步了解动态重定位是为了解决什么问题而引入的，在连续分配方式、分页系统和分段系统中，分别是如何实现动态重定位的。

二、 动态分区分配方式
　 动态分区分配方式是一种曾经广为流行的内存分配方式，至今仍在内存分配中占有一席之地。在学习时，应了解下述几个问题：
　　（１） 如何提高内存利用率。动态分区分配方式是根据进程的实际需要，动态地为进程分配内存，应了解造成动态分区分配方式内存空间浪费的主要原因是什么，它可以通过什么办法加以解决。
　　（２） 分配算法动态分区分配方式可采用空闲分区表或空闲分区链来描述分区的情况，并可采用首次适应、最佳适应等算法来进行内存的分配和回收，读者应了解在采用不同的分配算法时，系统是如何组织空闲分区表或空闲分区链的，它们又是如何进行分区的分配和回收的。
　　（３） 如何进行分区的保护。该方式可利用界限寄存器或保护键来进行分区的保护，应了解它们分别是如何进行越界检查的；在检查到越界情况时，将由谁负责进行具体的处理。
三、 分页和分段存储管理方式
　　 分页和分段存储管理方式不仅能有效地提高内存空间的使用效率，而且是实现虚拟存储器的基础。在学习时应对以下几个方面的内容有较深刻的理解和掌握：
　　（１） 分页存储管理方式。在学习时应了解是在什么推动力的作用下，使内存管理由动态分区分配方式发展为分页存储管理方式；分页系统如何将地址空间中的进程划分为若干个页，它又是如何进行内存分配的。
　　（２） 分页系统的地址转换。应掌握分页系统逻辑地址的结构。为了进行逻辑地址到物理地址的转换，分页系统必须为每个进程配置什么样的数据结构并提供哪些硬件支持，为什么引入快表可加快分页系统存取指令和数据的速度。
　　（３） 分段存储管理方式。 了解由分页发展为分段，并进一步发展为段页式存储管理方式的主要推动力是什么，分段和段页式系统是如何管理进程的地址空间和内存空间的，它们的地址变换是如何完成的，并应注意对分段系统和分页系统加以比较。
　　（４） 信息的共享和保护。分页系统和分段系统都可以实现信息的共享，并可通过越界检查和存取权限对信息进行保护。在学习时应了解为什么分段系统比分页系统更容易实现信息的共享和保护；对代码页（段）的共享有什么特别的要求，原因是什么。
四、 虚拟存储器的基本概念
　 虚拟存储管理技术已被广泛地应用于现代操作系统中，它的主要功能是从逻辑上扩充内存的容量。由于它是存储器管理中的重点部分，因而在学习时，应对下述几个问题有较清楚和深入的理解：
　　（１） 为什么要引入虚拟存储器。引入虚拟存储器主要是为了解决内存空间不足的问题，在学习时应了解虚拟存储器是如何扩充内存容量的，为什么一次性和驻留性并非是程序运行所必需的条件，或者说，为什么只需将部分程序和数据装入内存，便能完成整个程序的运行。
　　（２） 虚拟存储器具有哪些特征。虚拟存储器具有多次性、对换性和虚拟性的特征，读者必须了解每种特征的具体含义，以及它们相互之间存在着什么样的关系，它们与离散分配之间又存在着什么样的关系。
　　（３） 实现虚拟存储器的关键技术是什么。实现虚拟存储器的关键是请求调页（段）技术和页（段）置换技术，在学习时应清楚地了解这些技术的实现需要得到哪些硬件支持和软件支持。
五、请求分页系统的基本原理
　　 请求分页系统是目前最常用的一种实现虚拟存储器的方式，它只需将进程当前要用到的部分页面装入内存，便可启动进程的运行。在学习时应对下述内容有较深刻的理解和掌握：
　　（１） 页表机制。为实现虚拟存储器，必须扩充页表项的内容，应了解除了内存块号和存取权限字段以外，页表中还必须增加哪些字段，为什么要增加这些字段。
　　（２） 地址变换过程。请求分页系统的地址变换页必须通过地址变换机构进行，应了解请求分页系统的地址变换机构，是在基本分页系统的地址变换机构的基础上增加了哪些功能而形成的。
（３） 页面转换算法。页面转换算法即选择换出页面的算法，它直接影响到系统的性能。在学习时应了解一些常用的页面转换算法，并进一步了解为什么 LRU 算法具有比较好的性能，它的主要缺点是什么，可用什么方法实现 LRU 近似算法。
第四章 设备管理
学习本章的目的是使学生了解操作系统处理用户 I/O 请求的基本过程，为此应对以下几个重点、难点问题作认真的学习。
一、 I/O 控制方式
　　I/O 控制方式随着计算机技术的发展而不断地由低效的方式演变为高效的方式，故在学习时应了解 I/O 控制方式的演变过程，每种 I/O 控制方式是如何进行控制的，又是如何提高 CPU 的利用率的。
　　（１） 程序 I/O 方式。因为当时尚未出现中断机构，所以在进行 I/O 时， CPU 不得不花费大量得时间去测试 I/O 设备得工作状态，此时 CPU 完全陷入 I/O 工作中。

　　（２） 中断驱动 I/O 控制方式。在系统中引入中断机构后， CPU 就不必再不断测试。在学习时应清楚地了解和掌握在中断机构地支持下，其 I/O 控制是如何实现的， CPU 的利用率提高了多少。
　　（３） DMA /O 控制方式。在系统中配置了 DMA 控制器后，其传输数据的基本单位是数据块。 很好地了解此时 I/O 控制是如何实现地， CPU 的效率提高了多少。
　　（４） I/O 通道控制方式。系统中配置了通道控制器后，在通道程序的控制下，其传输的基本单位由一个数据块增为一组数据块。 了解什么是通道程序，它是如何实现 I/O 控制的。
　二、 缓冲管理
　在现代操作系统中，几乎所有的 I/O 设备在与处理机交换数据时，都使用了缓冲区。因此，应对下述问题作认真的学习和理解：
　　（１） 缓冲的引入是为了提高 CPU 和 I/O 设备的并行性。在学习时，应了解如果没有缓冲区， CPU 和 I/O 设备应如何工作；而引入缓冲后，可带来哪些好处。
　　（２） 单缓冲是如何提高 I/O 速度的，它存在着哪些不足，而双缓冲、循环缓冲又是如何进一步提高 CPU 和 I/O 设备的并行性的。
　　（ 3 ） 缓冲池是为了解决什么问题而引入的，引入缓冲池后系统将如何处理 I/O 设备和 CPU 间的数据传输。
三、 设备独立性
　　在现代 OS 中都毫无例外地实现了设备独立性，在学习时，应较深刻地理解下述几个问题：
　　（１） 什么是设备独立性。设备独立性也称设备无关性，它是指用户程序独立于具体使用的物理设备。在学习时，读者应了解为什么设备独立性能提高设备分配的灵活性，并使 I/O 重定位的实现变得更为容易。
　　（２） 如何实现设备独立性。为实现设备独立性，系统必须在设备驱动程序之上设置一层设备独立性软件，应了解该层软件有哪些功能，它是如何实现逻辑设备名到实际使用的物理设备名之间的转换的。
四、 虚拟设备和 SPOOLing 技术
　　虚拟性是 OS 的四大特征之一，而实现虚拟设备最常用的技术便是 SPOOLing 技术，因此，必须对下列问题有较清晰的认识和掌握：
　（1） 什么是虚拟设备技术。虚拟设备技术是指把每次仅允许一个进程使用的物理设备，改造为能同时供多个进程共享的虚拟设备的技术，或者说将一个物理设备变换为多个对应的逻辑设备。在学习时必须了解实现虚拟设备技术的关键是什么。
　（2） 什么是 SPOOLing 技术。 SPOOLing 也称作假脱机操作，是指在多道程序的环境下，利用多道程序中的一道或两道进程来模拟外围控制机，从而在联机的条件下实现脱机 I/O 的功能。在学习时应了解 SPOOLing 系统由哪几部分组成，并注意对假脱机和脱机两种 I/O 技术加以比较。
　（3） 如何共享打印机。应了解在 SPOOLing 系统中，当用户申请打印机时，系统将如何为之服务，并可以通过这个例子来说明为什么 SPOOLing 技术可加快 I/O 的速度，为什么它可以把一台独占的设备变换成可供多个进程共享的虚拟设备。
五、 设备处理
　　I/O 操作最终都必须通过设备处理来实现。在学习时，读者必须清楚地了解下述内容：
　（1） 设备驱动程序。设备驱动程序是 I/O 进程与设备控制器之间地通信程序，它的主要任务是按用户的要求去启动 I/O 设备，以完成相应的 I/O 操作。应了解为了完成上述任务，设备驱动程序应具备哪些功能。
　（2） I/O 中断处理程序。 I/O 中断处理程序的主要任务是对引起本次中断的 I/O 操作进行结束处理，应了解这些结束处理通常应包含哪些工作。
　（3） 设备处理的过程。应了解 CPU 是如何响应 I/O 中断的，以及一次完整的 I/O 操作是如何在设备驱动程序和 I/O 中断的配合下完成的。
六、 磁盘调度
　　当有多个进程要求访问磁盘时，系统根据某种算法决定先为哪个请求服务的过程称为磁盘调度，它的目标是使各进程对磁盘的访问时间最小。在学习时，应对下述问题有较好的理解：
　　（1）磁盘访问时间应由哪几部分组成，各部分又分别是如何进行计算的，它可使我们自然地理解，为什么磁盘调度地主要目标是优化平均寻道时间。
　　（2） FCFS 、 SSTF 、 SCAN 、 CSCAN 、 N-Step-SCAN 以及 FSCAN 等算法分别是如何进行磁盘调度的，以及在这些调度算法的演变过程中，分别解决了哪些问题。
七、 磁盘高速缓存和廉价磁盘冗余阵列 RAID
　　 磁盘是现代计算机系统中主要的文件存储设备，它的性能好坏将直接影响到整个计算机系统的性能。而磁盘高速缓存是提高磁盘 I/O 速度最常用的技术，磁盘冗余阵列 RAID 不仅能有效地提高磁盘 I/O 的速度，还能很好地改善磁盘系统地可靠性。
　　（1） 磁盘高速缓存。磁盘高速缓存是开辟在内存中，专门用来暂存一系列磁盘块信息的缓冲区。在学习时应了解采用磁盘高速缓存后系统应如何访问磁盘，其磁盘 I/O 的速度提高了多少，当磁盘高速缓存已满时应如何进行磁盘块的置换，为保证磁盘块中数据的一致性应存取哪些措施。
　　（2） 廉价磁盘冗余阵列 RAID 。 RAID 是利用一台磁盘阵列控制器来统一管理和控制一组磁盘驱动器，从而组成一个高度可靠的、快速的大容量磁盘系统。在学习时应了解 RAID 是通过什么技术来提高磁盘 I/O 的速度，又是通过什么技术来改善磁盘系统的可靠性的， RAID 可以分为哪几级，它带来了哪些好处。
第五章 文件管理
本章的学习目的是使学生掌握文件系统的基本概念和实现过程，为此应对以下几个重点、难点问题作认真的学习，切实地掌握其基本内容。
一、 顺序文件、索引文件和索引顺序文件
　　 根据用户和系统管理上的需要，可将有结构文件的记录组织成顺序文件、索引文件和索引顺序文件三种形式。
　　（１） 顺序文件。它是指由一系列记录按某种顺序排列所形成的文件。学习时应了解如何对定长记录的顺序文件进行读 / 写操作，这种文件形式有何优缺点，它主要用于何种场合。
　　（２） 索引文件。它是指为每一文件建立一张索引表，将文件中每个记录的记录号、长度和指向该记录的指针计入索引表中的一种文件组织形式。在学习时应能较好地理解为什么要引入索引文件，并能用图来说明索引文件的组织形式，以及索引文件的优缺点。
（３） 索引顺序文件。它是上述两种文件组织方式的结合，它为文件建立一张索引表，但只为每组记录中的第一个记录设置一索引表项。学习时应了解索引顺序文件是为了解决什么样的问题而引入，如何对索引顺序文件进行检索，当文件非常大时又应如何处理。
二、 连续分配、链接分配和索引分配
　 在为文件分配存储空间时，通常可采用连续分配、链接分配和索引分配三种方式。
　　（１） 连续文件。这是指为每个文件分配一组相邻接的磁盘块的方式。学习时应了解如何对连续分配的文件进行顺序访问或随机访问，这种分配方式有何优缺点。
　　（２） 链接分配。这是为每个文件分配多个离散的磁盘块，并通过链接指针将它们链成一个链表的分配方式。在学习应很好地理解隐式链接分配方式是为了解决什么问题而引入的，它有何不足之处，而显式链接结构式如何解决上述不足的，它较适合用于哪种场合，并能用图来说明这两种分配方式是如何将多个离散的盘块链成一个链表的。
　　（３） 索引分配。这是指为每个文件分配多个离散的磁盘块，并为它分配一个索引块（表），再把分配给该文件的所有磁盘块号都记录在该索引块中的分配方式。在学习时应能很好地掌握为什么要引入索引分配方式，采用索引分配方式时应如何对文件进行访问，当文件很大时又应如何处理。另外，还必须很好地了解和掌握混合索引分配方式是为了解决什么问题而引入的，此时，应如何将文件的逻辑地址转换成物理地址。
三、 位示图法和成组链接法
　　 位示图法和成组链接法是两种最常用的文件存储空间管理方式。
　　（１） 位示图法。它利用二进制的一个bit位来表示磁盘中一个磁盘块的使用情况。在学习时应了解使用位示图如何来进行磁盘块的分配或回收，这种管理方式有何优点。
　　（２） 成组链接法。这是一种使用在 UNIX 中的文件存储空间管理方式，在学习时应掌握它是如何将磁盘块进行分组并将各个磁盘块组链成一个成组链的，它应如何进行盘块的分配和回收，这种管理方式有什么优点。　　
四、 目录管理　
　 文件系统中存储着大量的文件，它们必须通过文件目录加以妥善的组织和管理。坐在学习时必须对下述与目录管理有关的内容有较清晰的认识：
　　（１） 文件控制块（ FCB ）。 FCB 是用来描述和控制文件的数据结构，而 FCB 的有序集合被称为文件目录，即一个 FCB 就是一个文件目录项。在学习时应了解 FCB 通常应包含哪些内容，它与文件之间存在着什么样的关系。
　　（２） 索引结点。读者应理解磁盘索引结点是为了解决什么问题而引入的，它与 FCB 、目录项之间存在着什么样的关系。另外，还应了解为什么要引入内存索引结点，以及在索引结点中还应增加哪些数据项，原因是什么。
　　（３） 单级目录和两级目录结构。在学习时应清楚地了解在单级目录结构中应如何创建或删除文件，它在哪些地方无法满足对目录管理地要求，而两级文件目录是如何解决这些问题的。
　　（４） 多级目录结构。在学习时应很好地理解和掌握目录结构由单级目录发展为两级、并进一步发展为多级目录结构带来了哪些好处，应如何根据绝对路径名或相对路径名在多级目录结构中线性地检索一个文件或子目录，要创建或删除一个文件或子目录时应如何进行处理。　　
五、 文件共享方式
　 文件共享的主要目的：一是提高文件存储空间的利用率，二是方便用户对文件的使用。当前常用的文件共享方式有基于索引结点的共享方式和利用符号链实现文件共享两种。
　　（１） 基于索引结点的共享方式。这是指将多个目录项指向同一个磁盘索引结点的共享方式。在学习时应了解如何不引入索引结点，而直接通过 FCB 来共享文件会产生什么问题，这种共享方式应如何进行文件的删除操作，它有何优缺点。
（２） 利用符号链实现文件共享。这是指通过建立一个类型为 LINK 、内容为被共享文件路径名的新文件来实现共享的方式。在学习时应了解当用户访问 LINK 类型的文件时，系统应如何进行处理通过这种方式共享文件有何优缺点。　　
六、文件保护
文件保护是指避免文件拥有者或其他用户因有意或无意的错误使文件受到破坏。
文件保密是指文件本身不得被未授权的用户访问。
文件保护和文件保密都涉及到用户对文件的访问权限， 即文件的访问控制。常见的文件访问控制方式有：
访问控制矩阵、访问控制表、用户权限表、口令和密码。

七、 磁盘容错技术 　
　　 磁盘容错技术是用来提高磁盘系统可靠性的一种技术。在 Novell 系统中，根据它所存取的具体措施，又将它分为 SFT-I 、 SFT-II 和 SFT-III 三个级别。
　　（１） SFT-I 。 SFT-I 是低级磁盘容错技术，主要用来防止因磁盘表面发生缺陷所引起的数据丢失。在学习时应了解，其中的双份目录和双份文件分配表措施主要是用来解决什么问题的，热修复重定向和写后读校验措施又是用来解决什么问题的，它们分别是如何解决上述问题的。
　　（２） SFT-II 。 SFT-II 是中级磁盘容错技术，主要用于防止磁盘驱动器和磁盘控制器的故障所导致的系统不能正常工作。在学习时应了解磁盘镜像可用来解决什么问题，它对磁盘 I/O 的速度有什么影响；而磁盘双工又是为了解决什么问题而引入的，它对磁盘 I/O 的速度又有哪些影响。　　
八、 文件系统的数据一致性
数据一致性是影响文件系统可用性的又一个重要问题，为此，在现代 OS 乃至数据库系统中，都提供了一些软件手段以保证系统中数据的一致性。
　　（１） 事务。事务是现代 OS 和数据库系统中用来保证同一个数据项在不同记录或不同文件中一致的一种常用手段。在学习时应了解事务是如何保证数据的一致性的，事务操作和原语操作之间存在着什么区别，在事物操作中引入检查点主要是为了解决什么问题，为什么多个事务的执行具有顺心性（即在某些时候它们的这些必须互斥地进行），以及如何实现事务的顺序性。。
　　（２） 磁盘块号的一致性检查。在学习时应了解磁盘块号一致性检查的目的是什么，磁盘块号一致性检查软件应如何设置每个磁盘块的空闲盘块号计数器和数据盘块号计数器的值，为什么这两个计数器的值必须互补，在检查过程中可能出现哪些异常现象，分别应如何解决。
　　（ 3 ） 链接计数的一致性检查。如果文件系统通过索引结点来实现文件共享，则还必须对文件的链接计数进行一致性的检查。在学习时应了解一致性检查软件是通过什么和文件索引结点中的链接计数字段的比较来进行一致性检查的，在检查过