1. 操作系统的地位

计算机系统由硬件和软件组成，未配置软件的计算机称为裸机。

操作系统是用户与计算机之间桥梁，是裸机上的第一层软件。当配置了操作系统后，用户不再直接使用计算机系统硬件，而是利用操作系统所提供的命令和服务去操纵计算机。

题目：

2. 程序串行和并发执行

（1）程序串行执行的特征

• 顺序性：按照指令顺序依次执行，执行完当前指令后，才会执行下一条指令。
• 封闭性：程序执行时独占系统资源，不受其他程序的干扰。
• 可再现性：只要初始条件相同，程序多次执行的结果就相同。

（2）程序并发执行的特征（资源、变量）

• 间断性：程序在执行过程中会出现“走走停停”的情况。
• 失去封闭性：程序的执行会受到其他程序的影响。
• 不可再现性：即使初始条件相同，程序多次执行的结果可能不同。

3. 进程的状态

三态模型：

• 运行：进程在 CPU 上运行时，处于运行状态。
• 就绪：进程获得了除 CPU 之外的所有资源，一旦获得 CPU 使用权就可以运行。
• 阻塞：正在运行的进程要等待某一事件发生（如 IO 操作），暂时停止运行，这时也会失去 CPU 使用权。

五态模型：引入新建和终止状态

题目：

4. 同步与互斥

进程同步：进程间需要相互合作，协同工作，所以有的进程需要等待其他进程完成某项工作后再继续向下执行。

进程互斥：多个进程因正用临界资源而互斥执行。

临界资源：在多道程序系统环境中，各进程可以共享各类资源，但有些资源同一时刻只能供一个进程使用，称为临界资源。

临界区：操作临界资源的那段程序。

互斥临界区的管理原则：

• 有空即进：当无进程处于临界区时，允许进程进入，并且只能在临界区运行有限的时间。
• 无空则等：当有一个进程在临界区时，其他进程若想进入必须等待，以保证互斥。
• 有限等待：对于要求访问临界资源的进程，应保证能在有限的时间进入临界区，以免陷入“饥饿” 状态。
• 让权等待：当进程不能进入临界区时，应立即释放 CPU，避免忙等。

5. 信号量和 PV 操作

信号量：是一个整型变量，S≥0 表示某资源的可用数目，S＜0 表示阻塞队列中等待该资源的进程数。

PV 操作：用于实现进程同步和互斥，P 操作申请一个资源，V 操作释放一个资源。两个操作都是低级通信原语，要成对出现。

P 操作定义：S=S-1，若 S≥0，则表示能使用资源；若 S＜0，则将该进程放入阻塞队列。

V 操作定义：S=S+1，若 S＞0，则不进行操作；若 S ≤ 0，则将阻塞队列中队头的进程放入就绪队列等待 CPU（准备使用资源）。

【例】

• 假设只有一台打印机（S=1），进程 1 去申请打印机（S=S-1➡S=0），然后使用打印机；
• 此时，进程 2 也申请打印机（S=S-1➡S=-1），因为 S ＜ 0，所以该进程进入阻塞队列。
• 进程 1 用完并释放打印机之后（S=S+1➡S=0），发现 S ≤ 0，于是将阻塞队列中的队头进程（进程 2）放入就绪队列，等待 CPU 的调度，随后就可以使用打印机。进程 2 用完后，释放打印机资源（S=S+1➡S=1）。

注：进程 1 用完并释放打印机后，S ≤ 0，说明之前 S≤-1。当 S =-1时，说明是在没有资源的情况下去申请资源，所以阻塞队列中一定有等待使用资源的进程；S＜-1时就更是没有资源的情况下去申请资源了。

6. PV 操作与前驱图

初始时，各信号量 $S_{12}、S_{13}、S_{23}、S_{34}$ 都为 0。前驱图与对应的 PV 操作如下：

PV 操作是如何保证程序按照前驱图执行的呢？

假设先执行 P2 进程，也就是先执行 F2 函数，就需要通过 P 操作申请 S12 表示的资源，但是 S12 初始为 0，所以 P2 进程被送入阻塞队列，等待 P1 进程执行完并释放 S12 资源才能再执行。这样实现了 P2 在 P1 进程之后执行。其余同理。

题目：

7. PV 操作实现进程互斥

令信号量 mutex 的初值为 1，进入临界区时执行 P 操作，退出临界区时执行 V 操作，这样就能实现进程互斥。

8. PV 操作实现进程同步

信号量的值为 0 表示希望的消息未产生，非 0 时表示希望的消息已经存在。

调用 P 操作测试消息是否到达，调用 V 操作通知消息已准备好。

（1）单缓冲区情况下的进程同步

• 针对生产者 P1 有信号量 S1，初值为 1，表示可以再向缓冲区中放入一个产品；
• 针对消费者 P2 有信号量 S2，初值为 0，表示缓冲区中有 0 个产品可以取出。
  

首先，生产者 P1 生产一个产品，并执行 P(S1)，即 S1=S1-1，若 S1≥0 则可以向缓冲区中放入产品；否则进入阻塞队列。放入之后，执行 V(S2)，即 S2=S2+1，若 S2>0，则什么也不做；若 S2≤0，说明阻塞队列中有消费者进程，则将其放入就绪队列中等待，一旦被 CPU 调度就可以从缓冲区中取产品。

消费者 P2 执行 P(S2)，即 S2=S2-1，若 S2<0，说明缓冲区没有产品，则 P2 到阻塞队列中；若 S2≥0，说明可以从缓冲区中取产品。取出产品后要执行 V(S1)，即 S1=S1+1，若 S1>0，则什么也不做；若 S1≤0，说明阻塞队列中有生产者进程，则将其放入就绪队列中等待，一旦被 CPU 调度就可以向缓冲区中放入产品。

（2）多缓冲区情况下的进程同步

设置 3 个信号量 S、S1 和 S2：

• S 是一个互斥信号量，初值为 1，因为多缓冲区可能会进来多个进程同时操作，所以需要进行互斥控制；
• S1 表示缓冲区中还可以放入多少产品，初值为 n；
• S2 表示缓冲区中可取出多少产品，初值为 0。

题目：

9. 进程资源图

P1、P2、P3 进程分别是阻塞的还是非阻塞的？该进程资源图是否可以简化，如果可以，简化顺序是什么？

先分配资源：

申请资源时发现：

• P1 不用申请，可以运行，非阻塞；
• P2 需要申请 2 个 R1 资源，无法满足，于是阻塞；
• P3 需要申请 1 个 R2 资源，无法满足，于是阻塞。

由于 P1 进程可以直接运行，所以运行完成后能释放 1 个 R1 资源和 1 个 R2 资源；于是 P2 进程可以申请到 2 个 R1 资源并运行完毕；R3 进程也可以申请到 1 个 R2 资源并运行完毕。所以进程资源图可以简化，简化的顺序是 P1➡P2➡P3 或 P1➡P3➡P2。

下面的例子中，分配完资源后，发现三个进程都无法再申请所需资源，所以都阻塞。因此进程资源图也无法简化。

题目：

10. 死锁

当有 n 个进程，m 个资源，每个进程所需要的资源数为 k,
且系统采用轮流分配的方式为每个进程分配资源时（软考题目都是这个策略)，判断是否会发生死锁的公式为：m ≥ n × (k - 1) + 1。满足该条件就不会发生死锁，否则就会发生死锁。

下面的例子中轮流分配就不会出现死锁：

• 7 个资源，3 个进程，每个进程需要的资源数量为 3。
• 第一轮先为每个进程分配 1 个资源，还剩下 4 个；
• 第二轮再为每个进程分配 1 个资源，还剩下 1 个；
• 第三轮可以将剩余的 1 个资源分配给第一个进程。此时，资源全部分配完毕。
• 当第一个进程执行完毕后，释放持有的资源，于是这些资源可以分配给正在等待资源的后两个进程，于是后两个进程也得以执行完毕。

题目：

11. 死锁避免

死锁产生的条件（缺一不可）：

• 互斥：多个线程不能同时使用同一资源。
• 持有并等待：线程持有资源 1 并等待资源 2 的同时，不会释放已经持有的资源 1。
• 不可剥夺：已经持有的资源在使用完之前不能被其他线程获取。
• 环路等待：线程 A 已经持有资源 2，想获取资源 1；线程 B 已经获取了资源 1，想获取资源 2。

死锁的预防：

• 预先静态分配法：破坏了 “不可剥夺条件”，预先分配所需资源，保证不等待资源。但降低了资源利用率、降低进程发程度，有时可能无法预先知道所需资源。
• 资源有序分配法：破坏了 “环路条件”，把资源分类按顺序排列，保证不形成环路。该方法存在的问题是限制进程对资源的请求；由于资源的排序占用系统开销。

死锁的处理策略主要有 4 种：鸵鸟策略（即不理睬策略）、预防策略、避免策略、检测解除死锁。

死锁的避免：

死锁预防设法破坏产生死锁的 4 个必要条件之一，死锁避免则不那么严格地限制产生死锁的必要条件。最著名的死锁避免算法是Dijkstra 提出的银行家算法，但需要很大的系统开销。

银行家算法对每一个系统可以满足的资源请求命令进行检测，如果发现分配资源后系统进入不安全状态，则不予分配；否则分配。与死锁预防策略相比，它提高了资源利用率，但检测资源分配后系统是否安全的过程增加了系统开销。

安全状态：系统按照某种顺序如<P1, P2, …, Pn> 来为每个进程分配资源，直到最大需求量，能够使它们顺序完成。此时，<P1, P2, …, Pn> 称为安全序列。

12. 线程

进程的创建、撤销、切换需要较大的时空开销，所以系统中的进程数量不宜过多，切换的频率不宜过高，这就限制了并发程度，所以引入了线程。

线程是调度的基本单位，进程是资源分配的单位。

线程只拥有很少的资源，如：虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。同属一个进程的线程可以共享进程拥有的全部资源，这些线程之间不能共享资源。

13. 程序局部性原理

时间局限性：程序中的某条指令一旦执行，则不久后该指令可能再次被执行；某个存储单元被访问，则不久后该存储单元可能再次被访问。主要原因是程序中存在者大量循环操作。

空间局限性：一旦程序访问了某个存储单元，则不久后附近的存储单元也很可能被访问。即程序在一段时间内所访问的地址可能集中在一定的范围内，主要原因是程序顺序执行。

页面变换表中的淘汰机制：

• 首先看状态位，状态位为 0 的不考虑，因为不在内存
• 其次看访问位，如果访问位为 0，表示未访问过，淘汰
• 如果访问位都为 1，再看修改位，若修改位为 0，表示未修改过，淘汰

14. 分页存储管理

页面大小是 4K 时，逻辑地址结构为（4K = 4096 = $2^{12}$）：

假设计算机系统的页面大小是 4K，进程 P 的页面变换表如下表所示。若 P 要访问的逻辑地址为十六进制 1C20H，那么该逻辑地址经过地址变换后，其物理地址应为多少？

1 位十六进制就是 4 位二进制，所以最低的 3 位 C20 转换成二进制就能就对应页内地址，最高位 1 就对应页号。将页号对应的物理块号与页内地址拼接就能得到物理地址，逻辑地址 1C20H 对应的物理地址是 3C20H。

15. 段页式存储管理

段页式存储的地址结构：

16. 缓冲区

16.1 单缓冲区

IO 设备会将作业输入到缓冲区，缓冲区再把作业传送给工作区（用户进程）。单缓冲区只能容纳一个作业，所以非空时不能输入作业，非满时不能传送作业。

假设输入（T）、传送（M）、处理（C）所需时间分别为 5s、2s、1s，则 n 个作业并行处理的过程如下（以 n=3 为例）：

可以看到，下一个作业的输入时间（T） 包含了上一个作业的处理时间（C）。所以，处理完 n 个作业所需的时间为 (T+M)×n+C。

16.2 双缓冲区

IO先向缓冲区1中输入任务，然后缓冲区1将任务传送到工作区，工作区再处理任务；缓冲区1将任务传送到工作区时，IO设备空闲，可以继续向缓冲区2中输入任务……

可以看到，下一个作业的输入时间（T） 包含了上一个作业的传送时间（M）、处理时间（C）。所以，处理完 n 个作业所需的时间为 T×n+M+C。

17. 磁盘调度算法和旋转调度算法

一次磁盘读写过程由三个动作组成：

• 寻道：磁头移动定位到指定磁道，这部分时间代价最高；
• 旋转定位：等待指定扇区旋转至磁头下；
• 数据传输

17.1 磁盘调度算法

假设 I/O 对各个柱面上块的请求顺序为 98、183、37、122、14、124、65、67。如果磁头一开始位于53，则采用各种磁盘调度算法时，访问顺序分别为（0 和 199 是边界）：

先来先服务（FCFS）：按照请求顺序服务

总的磁头移动为 640 (45 + 85 + 146 + 85 + 108 + 110 + 59 + 2) 个柱面，平均寻道长度 = 640/8 = 80。

最短寻道时间优先（SSTF）： 每次都就近服务

总的磁头移动为 236 (12 + 2 + 30 + 23 + 84 + 24 + 2 + 59) 个柱面，平均寻道长度 = 236/8 = 29.5。

扫描算法（SCAN）/ 电梯调度算法： 从磁头当前位置开始，沿磁头移动的方向由近及远地访问，如果访问到尽头就调转方向继续由近及远地访问

总的磁头移动为 208 (16 + 23 + 51 + 2 + 31 + 24 + 2 + 59) 个柱面，平均寻道长度 = 208/8 = 26。

循环扫描算法（CSCAN）/单向扫描算法： 从磁头的当前位置沿着其原本的方向由近及远访问，若到达尽头则跳回最内/外层，以与第一次相同的方向继续访问。

总的磁头移动为 322 ( 12 + 2 + 31 + 24 + 2 + 59 + 169 + 23) 个柱面，平均寻道长度 = 322/8 = 40.25。

虽然在这个例子中，CSCAN 表现不是最好的，但总体来说能有效避免将已经扫描过的磁道重新扫描一次，降低了平均寻道距离。

17.2 旋转调度算法

假设磁盘旋转速度为 20ms/圈，每读一个记录之后需要处理 4 ms。若同一磁道上有 10 个逻辑记录，初始时读写头在 A 处，按照 A~J 依次读取并处理，则总共需要多长时间？

为了画图方便，我们画成了磁盘静止，磁头运动（原本是磁盘在转）。磁盘转速 20ms/圈，每圈 10 条记录，所以读取一条记录需要 2ms。

初始时，磁头指向 A 的起始；2ms 后，读取 A 完毕，指向 B 的起始；4ms 后处理完已读取的 A，期间磁头逐渐指向了 D 的起始。

此时要读取并处理 B，于是磁头要跨过 D、E、F……J、A 共 8 个记录，来指向 B 的起始，所需时长为 16ms。之后对于 B，依然要 2ms 读取，4ms 处理。

对于 B~J 的所有记录，都要经历 16ms + 2ms + 4ms 的过程。

所以，读取并处理 A~J 共需时间为：(2 + 4) + (16 + 2 + 4) × 9 = 204ms。

给出一种优化方案，使处理程序用尽可能短的时间读取和处理这些记录，并给出所需时间。

18. 多级索引结构

索引将文件的逻辑块号映射到磁盘的物理块号。简单索引结构使用直接索引，即文件的每个逻辑块号直接对应一个物理块号，但这种方式对于大文件存在局限性，因为它能表示的文件大小受索引表大小的限制。多级索引则是在此基础上，将索引表本身也进行分层存储和管理，从而扩大了可表示的文件范围。

19. 文件目录

操作系统为每个文件或文件夹分配一个文件控制块（FCB），这些文件控制块组成了文件目录，用于文件或文件夹的检索。

文件控制块包含三类信息：

• 基本信息类：例如文件名、文件的物理地址、文件长度和文件块数等。
• 存取控制信息类：文件的存取权限，像 UNIX 用户分成文件拥有者、同组用户、其他用户三类，且都可以设置读（R）写（W）执行（X）权限。
• 使用信息类：文件建立日期、最后一次修改日期、最后一次访问日期、当前使用的信息（如打开文件的进程数、在文件上的等待队列）等。

20. 目录结构

文件目录结构的组织方式直接影响到文件的存取速度，关系到文件的共享性和安全性。常见的目录结构有 3 种：

• 一级目录结构：只有一个文件夹，该文件夹中直接存放所有文件。
• 二级目录结构：主目录下，每个用户都有自己的文件夹，直接存放自己的所有文件。
• 多级目录结构

21 位示图

位示图：在外存上建立一张位示图（bitmap），用二进制表示文件存储器中物理块的使用情况。0 表示空闲，1 表示占用。

字的编号有时从 0 开始，有时从 1 开始，具体根据题目判断。

因为位示图用每一位表示一个物理块的使用情况，所以其大小由磁盘空间大小（物理块总数）决定。题目中有时告诉字长，让计算物理块的使用情况需要用多少字来表示。

22. 杂题