2020年中级数据库系统工程师考试笔记4—操作系统知识

4.1 本章考点

4.2 操作系统基本概念

1.操作系统定义

  操作系统：能有效地组织和管理系统中的各种软硬件资源，合理地组织计算机系统工作流程、控制程序的执行，并且向用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。

  操作系统2个重要作用：

• 通过资源管理提高计算机系统的效率；
• 改善人机界面向用户提供有好的工作环境。

2.操作系统功能

  操作系统4个特征：并发性、共享性、虚拟性和不确定性。

  操作系统功能5大部分：进程管理、文件管理、存储管理、设备管理、作业管理。

  操作系统分类：批处理操作系统（单道和多道批处理）、分时操作系统（轮流机制）、实时操作系统（实时控制系统和实时信息处理系统）、网络操作系统（集中模式、客户端/服务器模式、对等模式模式）、分布式操作系统、微机操作系统和嵌入式操作系统等类型。

4.3 进程管理

  进程管理也称处理机管理。

  引入原因：多道程序批处理系统和分时操作系统中有多并发执行程序，采用程序已无法描述系统中程序执行时动态变化的过程。

  进程是资源分配和独立运行的基本单位。(2020年选择题考题)

1.4.1 进程状态（★★★）

  在多道程序系统中，理论上进程一般有3种基本状态：运行、就绪和阻塞；实际系统中情况更复杂一些，在三态模型上加入了新建态和终止态。

  具体的状态关系如下：

  另外，系统资源吃紧时进程挂起，具有挂起状态的进程状态及其转换如下：

1.4.2 进程间的通信（★★★）

1.同步与互斥

  并发环境进程将必然存在资源共享和相互合作问题，进程通信是指各个进程交换信息的过程。

• 同步是合作进程间的直接制约问题，进程间的同步是指在系统中一些需要相互合作、协同工作的进程，比如数据库update操作涉及的进程；
• 互斥是申请临界资源进程间的间接制约问题，进程的互斥是指系统中多个进程因争用临界资源而互斥执行，比如打印机。

2．临界区

  临界区是指进程中对临界资源实施操作的那段程序（或者说阻止多个进程同时进入访问共享资源的代码段），互斥区管理4条原则：有空即进、无空则等、有限等待、让权等待。

3．信号量机制

这个知识点常在选择题出现，主要是P、V判断。

  信号量机制（PV机制，来源荷兰文，P源于“passeren”意为通过，V源于“vrijgeven”意为释放）是一种有效的进程同步与互斥工具，主要有整型信号量、记录型信号量和信号量集机制，有网友通俗理解为厕所门上的“有人”“无人”提示，没差。

  信号量是一个整型变量，根据控制对象不同被赋予不同的值。

  S≥0表示某资源的可用数，S<0其绝对值表示阻塞队列中等待该资源的进程数。

  PV操作：

• P操作表示申请一个资源：S:=S-1，若S≥0（资源可用），则执行P操作的进程继续执行，若S<0（无资源可用）则置该进程为阻塞状态，并将其插入阻塞队列。
• V操作表示释放一个资源：S:=S+1，若S≥0，则执行V操作的进程继续执行，若S≤0则从阻塞状态唤醒一个进程，并将其插入就绪队列，然后执行V操作的进程继续。

  例1.同步案例：单缓冲区的生产者和消费者的同步问题，生产者进程$P_1$（传输产品到缓冲区）和消费者进程$P_2$（从缓冲区取走产品），$P_1$和$P_2$共用产品变量，对应$P_1$、$P_2$需要两个信号量$S_1$、$S_2$，初值分别为1、0。

  方案：执行P($S_1$)→产品进入缓冲区→V($S_2$)→P($S_2$)→从缓冲区取走产品消费→V($S_1$)

  P($S_1$)表示$P_1$进程就绪准备工作，把它对应的信号量$S_1$置0，表示$P_1$进程不可用正在工作中；消费者得到产品后，V($S_2$)把$S_2$置1，表示$P_2$可以开始工作。

  P($S_2$)表示$P_2$进程要工作了，把它对应的信号量$S_2$置0，取走产品消费后，V($S_1$)将$S_1$置1，表示任务完成，$P_1$进程可以开始下一轮的工作了。

4．高级通信原语（了解一下）

  PV操作属于低级通信方式：编程难度大、效率低。
高级通信方式主要分为：共享存储模式、消息传递模式和管道通信。
5．管程（了解一下）

  同步机制—管程，基本思路是采用资源集中管理的方法，将系统中的资源用某种数据结构抽象的表示出来。由于临界区是访问共享资源的代码段，建立一个管程管理进程提出的访问请求。

  管程有一些共享数据、一组能为并发进程所执行的作用在共享数据上的操作的集合、初始代码以及存取权组成。
6．进度调度

  进度调度方式是指当有更高优先级的进程到来时如何分配CPU，分为可剥夺和不可剥夺两种。

1.4.3 死锁（★★★）

2020年11月8日下午题的考到如何解决死锁，以及两级锁能否规避死锁的发生，学习死锁要结合并发事务与两级锁的相关知识。

  死锁，是指两个以上的进程相互都要求对方已经占有的资源导致无法继续运行下去的现象，产生原因竞争资源及进程推荐顺序非法，产生死锁的4个人必要条件：互斥条件、请求保持条件、不可剥夺条件和环路条件。

  死锁的4种处理策略：鸵鸟策略（不理财策略）、预防策略、避免策略和检测与解除死锁。

  资源互斥案例见书本P192。

1.4.4 线程

2020年上午选择题考到线程实现方式：用户空间和内核。

  传统的进程有2个基本属性：可拥有资源的独立单位，可独立调度和分配的基本单位。线程作为调度和分配的基本单位，进程作为独立分配资源的单位。

4.4 存储管理

4.4.1 基本概念（了解一下）

1.存储器的结构

  存储器管理的对象是主存存储器（内存）。

  存储管理的主要功能包括主存空间的分配和回收、提高主存的利用率、扩充主存、对主存信息实现有效保护。

  常用的存储器结构：寄存器—主存—外存，寄存器—缓存—主存—存储组织的功能外存。
2.地址重定位

  地址重定位是指将逻辑地址变换成主存物理地址的过程，分为静态地址重定位（程序装入主存时）和动态地址重定位（程序运行期间）。

4.4.2 存储管理方案

  存储管理的主要目的是解决多个用户使用主存的问题，主要方案：分区存储管理、分页存储管理、分段存储管理、段页式存储管理以及虚拟存储管理。

1.页式存储管理的地址映射

  进程执行时，系统通过查找页表就可以找到每页所对应的物理块号，如下逻辑页号为4，查找页表可得该页的物理块号为15，与页内地址256拼接得到物理地址，页表的作用是从页号到物理块号的地址映射。

2.段式存储管理的地址变换

  系统中每个进程建立段表，每个段在表中占有一个表项，在其中记录了该段在主存中的基址（起始地址）和段的长度。进程在执行时，通过查段表来找到每个段所对应的主存区，为了实现从逻辑地址到物理地址的变换功能，系统中设置了段表寄存器，用于存放段表始址和段表长度。

  在进行地址变换时：
  （1）判断段号是否越界：段号S≥段表长度L，表示段号太大，访问越界，产生越界中断信号；若未越界，则根据段表的始址和该段的段号，计算出该段对应段表项的位置，从中读出该段在主存中的起始地址，然后在检查段内地址d是否超过该段的段长SL。
  （2）判断段内地址是否越界：若d≥SL（该段的段长），发出越界中断信号；若未越界，则要访问的主存物理地址=基址$S^{\prime }$+段内地址d。

3.段页式存储管理的地址变换结构

  在段页式系统中逻辑地址到物理地址的变换过程：
（1）根据段号S查段表，得到页表的起始地址；
（2）根据页号P查页表，得到物理块号b；
（3）将物理块号b拼页地址W得到物理地址。

4.5 设备管理

  设备管理包括各种设备分配、缓冲区管理和实际物理I/O设备操作，通过管理达到提高设备利用率和方便用户的目的。

  I/O系统由设备、控制器、通道（具有通道的计算机系统）、总线和I/O软件组成。

  设备管理技术：中断技术、DMA技术、通道技术、缓冲技术。设备管理的主要功能是动态地掌握并记录设备的状态、设备分配和释放、缓冲区管理、实现物理I/O设备的操作、提供设备使用的用户接口及设备的访问和控制。

4.5.1 I/O软件

选择题常考这部分内容，I/O设备管理软件4个层次要掌握。

  设置I/O软件的主要目标是设备独立性和统一命名，独立于设备，就可以提高设备管理软件的设计效率。I/O设备管理软件一般分为4层：中断处理程序、设备驱动程序、与设备无关的系统软件和用户级软件。

4.5.2 设备管理采用的相关技术

  引入通道的目的是使数据的传输独立于CPU，使CPU从繁琐的I/O工作中解脱出来。

1.引入缓冲技术的原因：

• 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾；
• 减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制；
• 提高CPU和I/O设备之间的并行性。

  在所有的I/O设备与处理机（主存）之间都使用了缓冲区来交换数据，所以操作系统必须组织和管理好这些缓冲区，缓冲可分为单缓冲、双缓冲、多缓冲和环形缓冲。
2.Spooling技术

  Spooling（外围设备联机操作）实际上是用一类物理设备模拟另一类物理设备的技术，是使独占使用的设备变成多台虚拟设备的一种技术，也是一种速度匹配技术。

4.5.3 磁盘调度

  磁盘调度是采用适当调度算法使各进程对磁盘的平均访问时间最小，磁盘调度氛围移臂调度和旋转调度，磁盘调度的目标是使磁盘的平均寻道时间最少。常用的磁盘调度算法：https://www.cnblogs.com/tjulym/p/5003655.html

• 先来先服务（FCFS）：按访问请求到达的先后次序服务；
• 最短寻道时间优先（SSTF）：优先选择距当前磁头最近的访问请求进行服务，主要考虑寻道优先；
• 扫描算法（SCAN）：不仅考虑到要访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑的是磁头的当前移动方向；
• 单向扫描调度算法（CSCAN）：磁头只做单向移动。

4.6 文件管理

  文件是具有符号名的、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的集合，一个文件包括文件体和文件说明。

  文件管理系统，就是操作系统中实现文件统一管理的一组软件和相关数据的集合，专门负责管理和存取文件信息的软件机构。

  文件系统类型：FAT、Vfat、NTFS、Ext2、HPFS等。

4.6.1 文件的结构和组织

  文件的结构是指文件的组织形式。

  Unix文件索引表项分4种寻址方式：直接寻址、一级间接寻址、二级间接寻址、三级间接寻址。

4.6.2 文件目录

绝对路径和相对路径必须掌握。

  文件至少包括文件名和存放文件的物理地址，这个数据结构称为文件控制块，文件控制块的有序集合称为文件目录。

  文件控制块包含三类信息：基本信息类、存取控制信息类、使用信息类。

  单机目录结构：在整个系统中只需建立以张目录表，每个文件占一个目录项；

  二级目录结构：有主文件目录和用户目录组成；

  多级目录结构：两级目录结构的层次关系推广，也称为树形目录结构。

  绝对路径名：从根目录“/”开始的完整文件名；

  相对路径名：从当前工作目录下的路径名。

4.6.3 存取方法和存储空间的管理（★★★）

  文件的存取方法是指读写文件存储器上的一个物理块的方法，通常有顺序存取和随机存取两种方法。

  空闲区：外存空间上的一个连续的未分配区域。

4.6.4 文件的共享和保护（了解一下）

  文件共享是指不同用户进程使用同一文件。

  常见的文件链接有硬链接和符号链接。

  硬链接：两个文件目录表指向同一个索引节点的链接，该链接也称基于索引节点的链接；符号链接：符建立新的文件或目录，并与原来文件或目录的路径名进行映射，当访问一个符号连接时，系统通过该映射找到原文件的路径，并对其进行访问。

  文件系统对文件的保护常采用存取控制方式，存取控制就是不同的用户对文件的访问规定不同的权限，以防止文件被未经文件主同意的用户访问。
- 存取控制矩阵：是一个二维矩阵，一维列出计算机的全部用户，另一维列出系统中的全部文件。

• 存取控制表：按用户对文件的访问权力的差别对用户进行分类。
• 用户权限表：以用户或用户组为单位将用户可存取的文件集中起来存入表中。
• 密码：文件存入磁盘时用该密码对文件内容加密。

4.6.5 系统的安全与可靠性

  系统的安全涉及两类不同的问题，一类涉及技术、管理、法律、道德和政治等问题，另一类涉及操作系统的安全机制。一般从4个级别对文件进行安全性管理：系统级、用户级、目录级和文件级。

  文件系统的可靠性是指系统抵抗和预防各种物理性破坏和人为性破坏的能力，（1）转储和恢复；（2）日志文件；（3）文件系统的一致性。

4.7 作业管理

  作业是系统为完成一个用户的计算任务所做的工作总和，在操作系统中用来控制作业进入、执行和撤销的一组程序称为作业管理程序。

  作业的状态及其转换：

  选择调度算法需要考虑如下因素：与系统的整个设计目标一致，均衡的使用系统资源，以及平衡系统和用户的要求。
作业调度算法：

• 先来先服务：启动等待时间最长的作业优先；
• 短作业优先：启动要求运行时间最短的作业；
• 响应比高优先：响应比高的作业优先启动。

  作业响应时间为作业进入系统后的等候时间与作业的执行时间之后：

• 优先级调度算法：可由用户指定作业优先级，优先级高的作业先启动；
• 均衡调度算法：根据系统的运行情况和作业本身的特性对作业进行分类。

  通常用平均周转时间或平均带权周转时间来衡量调度性能的优劣，假设作业$J_i(1,2,\dots ,n)$的提交时间为$t_{si}$，执行时间为$t_{ri}$，作业完成时间为$t_{ai}$，则作业$J_i$的周转时间$T_i$和带权周转时间$W_i$分别定义为：

  n个作业的平均周转时间T和戴荃周转时间W分别定义为：

  显然，等待时间为0时作业的周转时间最短。

  用户界面是计算机中实现用户与计算机通信的软硬件部分的总称。

  用户界面分为：控制面板式用户界面、字符用户界面、图形用户界面、新一代用户界面。

说明：
1.疏忽、遗漏、错误之处，欢迎留言批评指正。
2.至此第4章书本教程知识点总结结束，后续会继续完善补充本章的历年真题，转载请注明出处，整理不易，谢谢！