軟件設(shè)計師知識點精講之操作系統(tǒng)（一）

\o""軟件設(shè)計師是指能根據(jù)軟件開發(fā)項目管理和軟件工程的要求，按照系統(tǒng)總體設(shè)計規(guī)格說明書進(jìn)行軟件設(shè)計，編寫程序設(shè)計規(guī)格說明書等相應(yīng)的文檔的實用性人才。上半年軟考已經(jīng)結(jié)束，希賽軟考學(xué)院為打算參加下半年考試的你們準(zhǔn)備了一些\o""軟考軟件設(shè)計師教程知識點精講，希望對大家有所幫助。

1、操作系統(tǒng)的定義

是管理計算機(jī)中各種軟件、硬件資源的程序和相關(guān)文檔的集合，是一種系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)能有效的組織和管理系統(tǒng)中的各種軟、硬件資源，合理地組織計算機(jī)工作流程，控制程序的執(zhí)行，并且向用戶提供一個良好的工作環(huán)境和友好的接口。

操作系統(tǒng)的兩個重要作用：通過資源管理，提高系統(tǒng)的使用效率；改善人機(jī)界面，向用戶提供友好的工作環(huán)境。

操作系統(tǒng)的4個特征：并發(fā)性、共享性、虛擬性、不確定性。

操作系統(tǒng)的5個管理功能：進(jìn)程管理、文件管理、存儲管理、設(shè)備管理、作業(yè)管理

操作系統(tǒng)的分類：

批處理系統(tǒng)，計算機(jī)自動、順序地執(zhí)行作業(yè)流產(chǎn)生的每一個作業(yè)，以節(jié)省人工操作時間和提高機(jī)器的使用效率。分為單道批處理系統(tǒng)和多道批處理系統(tǒng)。優(yōu)點是同一批內(nèi)的各作業(yè)次次執(zhí)行，改善了cpu，io的使用效率，提高了吞吐量。缺點是磁盤需要人工裝卸，作業(yè)需要人工分類，監(jiān)督程序易受用戶程序破壞，缺少交互性。

分時系統(tǒng)，具有如下特征：多路性、獨立性、交互性、及時性。

實時系統(tǒng)，分為實時控制系統(tǒng)和實時信息處理系統(tǒng)。主要特點有：快速的響應(yīng)時間、有限的交互能力、高可靠性

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，使得計算機(jī)更有效地共享網(wǎng)絡(luò)資源，為網(wǎng)絡(luò)用戶提供所需各種服務(wù)的軟件和有關(guān)協(xié)議的集合。

分布式操作系統(tǒng)，是由多個分散的計算機(jī)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接而成，各主機(jī)無主次之分。為分布式計算機(jī)配置的操作系統(tǒng)稱為分布式操作系統(tǒng)。

微機(jī)操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)

2、研究操作系統(tǒng)的觀點

資源管理的觀點：從這種觀點看，操作系統(tǒng)的管理對象是計算機(jī)系統(tǒng)的資源，操作系統(tǒng)則是管理計算機(jī)系統(tǒng)的程序集合。這種觀點是在共享的前提下以資源分配、使用和回收為出發(fā)點，考慮操作系統(tǒng)各部分程序的功能和算法。

虛擬機(jī)的觀點：操作系統(tǒng)加裸機(jī)構(gòu)成虛擬計算機(jī)。虛擬機(jī)的觀點是從功能分解的角度出發(fā)，考慮操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將操作系統(tǒng)分成若干層次，每一層完成特定的功能。

3、順序程序執(zhí)行時的特征：順序性、封閉性、可再現(xiàn)性；

并發(fā)程序執(zhí)行時的特征：非封閉性、程序和機(jī)器執(zhí)行程序的活動不在一一對應(yīng)、并發(fā)程序間的相互制約性。

引入進(jìn)程的原因：由于程序并發(fā)執(zhí)行破壞了程序的封閉性和可再現(xiàn)性，使得程序和執(zhí)行程序的活動不在一一對應(yīng)，此時用靜態(tài)的程序概念已經(jīng)不能描述系統(tǒng)中程序動態(tài)執(zhí)行的過程，所以引入了進(jìn)程。

4、進(jìn)程的定義：就是程序的一次執(zhí)行，該程序可以和其它程序并發(fā)執(zhí)行。

進(jìn)程的組成：進(jìn)程通常是由程序、數(shù)據(jù)及進(jìn)程控制塊（PCB）組成的。進(jìn)程的程序部分是進(jìn)程執(zhí)行時不可修改部分，它描述了進(jìn)程需要完成的功能；進(jìn)程的數(shù)據(jù)部分是進(jìn)程的可修改部分；進(jìn)程控制塊是進(jìn)程的描述信息和控制信息，是進(jìn)程存在的惟一標(biāo)志。

進(jìn)程和程序的區(qū)別是：進(jìn)程具有狀態(tài)而程序沒有。

5、進(jìn)程的狀態(tài)及狀態(tài)間的切換

三態(tài)模型：運行、就緒、阻塞。

五態(tài)模型：新建態(tài)、終止態(tài)、運行、就緒、阻塞。

新建態(tài)：對應(yīng)于進(jìn)程剛剛被創(chuàng)建時還沒有被提交，并等待系統(tǒng)完成創(chuàng)建進(jìn)程的所有必要信息的狀態(tài)。整個過程分為兩個階段，一是為一個新建進(jìn)程創(chuàng)建必要的管理信息，另一是讓進(jìn)程進(jìn)入就緒狀態(tài)。因為有了新建態(tài)，操作系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)的性能和主存的容量限制而推遲新建態(tài)的提交。

終止態(tài)也分為兩個階段，一是等待操作系統(tǒng)進(jìn)行善后處理，另一是釋放主存。

具有掛起狀態(tài)的進(jìn)程狀態(tài)：當(dāng)系統(tǒng)資源不能滿足所有進(jìn)程的運行要求時，必須將某些進(jìn)程掛起，放在磁盤對換區(qū)，暫時不參加調(diào)度，以平衡系統(tǒng)負(fù)載。有這樣幾個狀態(tài)：活躍就緒、靜止就緒、活躍阻塞、靜止阻塞。

6、進(jìn)程的控制

就是對系統(tǒng)中所有進(jìn)程從創(chuàng)建到消亡的全過程實施有效的控制。操作系統(tǒng)的內(nèi)核為系統(tǒng)實現(xiàn)進(jìn)程控制和存儲管理提供了有效的控制機(jī)制。大多數(shù)操作系統(tǒng)內(nèi)核均包含支撐功能和資源管理功能。

支撐功能：中斷處理、時鐘管理、原語操作。原語是由若干條機(jī)器指令構(gòu)成的，用于完成特定功能的一段程序。內(nèi)核在執(zhí)行某些基本操作時往往是通過原語操作實現(xiàn)的。原語在執(zhí)行過程中不可分割。內(nèi)核中包含的原語有進(jìn)程控制、進(jìn)程通信、資源管理等。

資源管理功能：進(jìn)程管理、存儲器管理、設(shè)備管理。

7、進(jìn)程間通信

進(jìn)程間的同步：一般來說，一個進(jìn)程相對于另一個進(jìn)程的運行速度是不確定的，即進(jìn)程

是在異步環(huán)境下運行。每個進(jìn)程都以各自獨立的不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，但相互合作的進(jìn)程需要在某些確定點上協(xié)調(diào)它們的工作，當(dāng)一個進(jìn)程到達(dá)了這些點后，除非另一進(jìn)程已完成了某些操作，否則就不得不停下來等等這些操作結(jié)束。

進(jìn)程間的互斥：在多道程序系統(tǒng)中，各進(jìn)程可以共享各類資源，但有些資源一次只能供一個進(jìn)程使用，稱為臨界資源（critialresource）。同步是進(jìn)程間的直接制約問題，互斥是進(jìn)程間的間接制約問題。臨界區(qū)（critialsection）是對臨界資源實施操作的那段程序。互斥臨界區(qū)管理的原則為：有空即進(jìn)、無空則等、有限等待、讓權(quán)等待。

8、整形信號量與PV操作

整形信號量是一個整形變量，根據(jù)控制對象的不同賦不同的值。信號量分為兩類：

公用信號量：實現(xiàn)進(jìn)程間的互斥，每個相關(guān)進(jìn)程即可對它施行P操作也可以進(jìn)行V操作，初值為1或資源的數(shù)目；

私用信號量：實現(xiàn)進(jìn)程間的同步，只有一個進(jìn)程可以對它施行P操作，其它進(jìn)程只能做V操作，初值為0或某個正整數(shù)。

信號量S的物理意義：S>=0表示某資源的可用數(shù)，S<0則其絕對值表示阻塞隊列中等待該資源的進(jìn)程數(shù)。PV操作是實現(xiàn)進(jìn)程同步與互斥的常用方法。PV操作是低級通信原語，其中P操作表示申請一個資源，V操作表示釋放一個資源。P操作定義：S：=S-1，若S>=0，則執(zhí)行P操作的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；否則若S<0，則該進(jìn)程為阻塞狀態(tài)，并將其插入阻塞隊列。V操作定義：S：=S+1，若S>0，則執(zhí)行V操作的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；否則，若S<=0，則從阻塞狀態(tài)喚醒一個進(jìn)程，并將其插入就緒隊列，執(zhí)行V操作的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。利用PV操作實現(xiàn)進(jìn)程的互斥：令信號量mutex的初值為1，當(dāng)進(jìn)入臨界區(qū)時執(zhí)行P操作，臨界區(qū)時執(zhí)行V操作。P（mutex）臨界區(qū)V（mutex）

怎樣利用PV操作實現(xiàn)進(jìn)程的同步：可用一個信號量與消息聯(lián)系起來，當(dāng)信號量的值為0時表示希望的消息未產(chǎn)生，當(dāng)信號量的值為非0時表示希望的消息已經(jīng)存在。假定用信號量S表示某條消息，進(jìn)程可以通過調(diào)用P操作測試消息是否到達(dá)，調(diào)用V操作通知消息已準(zhǔn)備好。最典型的是單緩沖區(qū)的生產(chǎn)者和消費者的同步問題。如果采用PV操作來實現(xiàn)進(jìn)程PA和進(jìn)程PB間的管道通信，并且保證這兩個進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的正確性，則至少需要2個信號量，信號量的初值分別為0、1。

9、高級通信原語

因為PV操作不足以描述復(fù)雜的進(jìn)程間的信息交換，所以引入高級通信原語。高級通信原語有這么幾種：共享存儲系統(tǒng)、消息傳遞系統(tǒng)、管道通信。進(jìn)程通信有直接和間接兩種方式。間接方式是以信箱以為媒介。

10、管程（monitor）

另一種同步機(jī)制，采用資源集中管理的方法，將系統(tǒng)中的資源用某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象地表示出來。由于臨界區(qū)是訪問共享資源的代碼段，因而建立一個管程來管理進(jìn)程提出的訪問請求。采用這種方式對共享資源的管理就可以借助數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及在其上實施操作的若干過程來進(jìn)行。對共享資源的申請和釋放可以通過過程在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的操作來實現(xiàn)。

11、進(jìn)程調(diào)度

在某些系統(tǒng)中一個作業(yè)從提交到完成需要經(jīng)歷高、中、低三級的調(diào)度。

高級調(diào)度（又稱長調(diào)度、作業(yè)調(diào)度或接納調(diào)度），它決定輸入池中的哪個后備作業(yè)可以調(diào)入主系統(tǒng)做好運行的準(zhǔn)備，成為一個或一組就緒進(jìn)程。

中級調(diào)度（又稱對換調(diào)度），它決定處于交換區(qū)中的哪個就緒進(jìn)程可以調(diào)入主存，以便直接參與CPU的競爭。

低級調(diào)度（又稱進(jìn)程調(diào)度），它決定處于主存中的哪個進(jìn)程使用CPU。調(diào)度方式，是指當(dāng)有更高優(yōu)先級的進(jìn)程來到時如何分配CPU。調(diào)度的方式分為可剝奪式和不可剝奪式兩種。

常用的調(diào)度算法：先來先服務(wù)，主要用于宏觀調(diào)度，有利于長作業(yè)，有利于CPU繁忙的作業(yè)；時間片輪轉(zhuǎn)，主要用于微觀調(diào)度，提高了并發(fā)性和響應(yīng)時間，最終提高了資源利用率；優(yōu)先級調(diào)度，分為靜態(tài)和動態(tài)兩種；多級反饋調(diào)度，是在時間片輪轉(zhuǎn)和優(yōu)先級算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到。其特點是：照顧了短進(jìn)程以提高系統(tǒng)吞吐量，照顧I/O型進(jìn)程以獲得較好的I/O設(shè)備利用率并縮短響應(yīng)時間，不必估計進(jìn)程的執(zhí)行時間和動態(tài)調(diào)節(jié)優(yōu)先級。

12、死鎖

就是指兩個以上的進(jìn)程相互請求對方已經(jīng)占有的資源時而導(dǎo)致無法繼續(xù)運行下去的現(xiàn)象。

幾種會產(chǎn)生死鎖的情況：進(jìn)程推進(jìn)程順序不當(dāng)，同類資源分配不當(dāng)，PV使用不當(dāng)。

進(jìn)程資源有向圖：由方框、圓圈和有向邊3部分組成。其中資源用方框表示，進(jìn)程用圓圈表示。在方框中每一個小圓圈代表一個資源。有向邊分別代表請求資源和分配資源。

死鎖產(chǎn)生的原因：因為競爭資源或進(jìn)程推進(jìn)順序非法。進(jìn)程推進(jìn)順序仍是關(guān)于進(jìn)程請求和釋放資源的順序。

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