二、操作系统基本原理

柔光的暖阳◎ 2023-10-02 09:19 25阅读 0赞

#### 操作系统基本原理 ####

*   *  2.1 操作系统概述
     *  2.2 进程管理
     *  2.3 内存管理
     *  2.4 文件管理
     *  2.5 设备管理
     *  2.6 微内核操作系统

*  大概考5 ~ 7分。

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### 2.1 操作系统概述 ###

![在这里插入图片描述][bb7ee791096b4cb28d7bd4a47d6e09e5.png]

*  **操作系统的作用**  
    管理系统的硬件、软件、数据资源。（一台计算机若没有装操作系统，无法控制使用这台计算机的资源，相当于操作系统是人和硬件之间的一种接触。）
    
    控制程序运行。
    
    人机之间的接口。（例如命令的方式、窗口的方式等都属于人机之间的接口）
    
    应用软件于硬件之间的接口。（是指 API 的接口，应用软件要调用一些硬件资源时可以通过操作系统专为应用软件提供的 API 接口来实现相关的功能）
 *  **操作系统的管理职能**  
    进程管理、存储管理、文件管理、作业管理、设备管理。
    
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_12_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]
    
    其中作业管理和设备管理考的较少。微内核操作系统中主要是微内核操作系统与普通操作系统的不同。

### 2.2 进程管理 ###

*  **进程的状态**  
    是指在进程管理的时为进程指定了几种状态，以便为进程分配相应的资源对其进行管理。
    
    最初把进程分为运行态、就绪态、等待态。
    
    **运行**：指这个进程它所需要的所有资源都已经准备好了，并给它 CPU 资源。
    
    **就绪**：指其它所有的资源的都已经准备好了，只缺 CPU 资源。
    
    **等待**： 除了没有 CPU 资源还缺其它资源（比如与外设的一些交互、等待用户的一些命令）。
    
    **状态之间的转换**
    
    **三态转换**  
    运行态等待某个事件（缺某种资源），就进入到等待状态；如果你等的这个资源可以调配给你（等待事件发生），等待状态会变为就绪状态（到就绪态排队）；到就绪状态等待 CPU 给你调度指令，就可以进入到运行状态。
    
    到运行状态不一定把自身的任务全部完成，因为 CPU 的资源是相当宝贵的，一般会采取时间片轮转算法分配 CPU 资源。一个进程从就绪到运行只能用一个时间片，等时间片用完了就算你的任务还没完成也要运行态进入到就绪态等下一次调度或下一个时间片轮到你的时候。
    
    没有等待直接变换为运行说明：运行时缺某个资源，等把这个资源读好之后要到就绪状态重新排队获取 CPU 的核心资源。
    
    **如图是三态转换到五态转换模型**  
    提出了挂起操作（人为的想把进程先搁置不处理它，并不缺其它的资源），阻塞就是等待，加入了静止就绪和阻塞两种状态。挂起就会进入到相应的静止状态，对应的恢复或激活就会进入到相应的活跃状态。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_15_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]
 *  **前趋图**  
    考试中经常与 PV 操作结合起来考察。
    
    **基本理念：** 表达要完成一系列活动的先后约束关系。可以看出哪些任务可以并行，哪些任务之间有先后关系。  
    ![在这里插入图片描述][07a140a5e05945b594cba2d4f2a55ab3.png] 如图假设 A、B、C、D、E 分别是包饺子过程中的绞肉、切葱末、切姜末、搅拌、包饺子。前面是顺序执行，后面是用前趋图表示。
 *  **进程的同步与互斥**  
    是进行一些 PV 操作分析的前提。
    
    **互斥**：在同一时刻只允许某一个进程去使用这个资源，同一个资源不能同时服务于多个进程。（相应的互斥资源，反义词是共享）
    
    **同步**：速度有差异，在一定情况下停下等待。（反义词是异步）
    
    PV 操作中的经典问题—生产者消费者问题：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_14_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]  
    图中单缓冲区情况下，对于市场的操作不能同时有生产者存东西又有消费者搬东西，同一时刻只允许一个人进入到市场中操作，这就是 互斥，市场是一个互斥资源。生产者把一个东西放进市场，市场容量只有一个，这时不能再往里面放（继续放会产生溢出的情况），只有等到消费者把市场里面的东西拿走，才允许生产者再往市场里面放东西，这就是 同步。多缓冲区情况下类似。
    
    对于 PV 操作问题要分析出同步在哪些地方，互斥在哪些地方，才能准确定位哪里要写 P 操作，哪里要写 V 操作。
 *  **PV 操作**
    
    **基本概念**  
    临界资源：诸进程间需要互斥方式对其进行共享的资源，如打印机、磁带机等。  
    临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。  
    信号量：是一种特殊的变量。应用于 PV 操作中的一种专属变量。如 P(S)，V(S) 中的 S 就是信号量。
    
    **PV 操作就是 P 操作和 V 操作组合起来**  
    P 操作就是把信号量自减1，判断信号量是否小于0，若小于0，会阻塞当前进程并把它放到一个进程的队列里，然后这个进程就处于一个等待状态；若不小于0，继续执行当前的程序。
    
    V 操作就是一个反向的操作，把信号量自加1，判断它是否小于等于0，若是就在系统的进程队列里拿出一个进程来唤醒它让它继续执行，否则继续执行当前程序。  
    ![在这里插入图片描述][8e551d008e404c34a7d2b643b7ee50e0.png]  
    单缓冲区生产者、消费者问题 PV 原语描述：  
    ![在这里插入图片描述][a331cece510d4b8abc625803d047ab3d.png]  
    PV 操作解决的是并发进程间某些约束关系的问题。
    
    例题：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_15_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]  
    上题选A，C。P(Sn)，V(Sn) 这一对 PV 操作所实现的功能是该书店最多允许 n 个购书者进入。 购书者付款和收银员收费就是同步关系，没有提出付款请求，不允许收费（约束关系），所以 b1 处要有个 P 操作，没有付款申请时就阻塞起来，相应的在 a1 处要有个 V 操作，付款时购书者通知（唤醒）收银员收费。在付完款后购书者需要等待收银员完成收银操作（计算应付金额，确认付款金额，找零等）后才能走（约束关系），所以在 a2 处要有个 P 操作，收银员没有处理完就阻塞起来购书者还不能走，相应的在 b2 处要有个 V 操作，收银员收费完成后通知（唤醒）购书者可以走了。
    
    PV 操作解题的核心关键就是找出约束关系，模拟假设先执行哪个进程会遇到哪个问题，在哪里有什么约束，假设先执行另一个进程有会面临哪些问题和约束关系，再把 PV 操作加进来能够解决这些问题。
 *  **PV操作与前趋图**  
    把前趋图转为 PV 操作的形式即把前趋图的每一个活动都转成相应的进程，为了让这些进程在并发执行时依然按前趋图约束关系的先后顺序来执行加入了相应的 PV 操作。这种题经常考到，必须掌握。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_11_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]例题：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_15_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]  
    上题选C、A、A。可以把 S1、S2、S3、S4 信号量标到相应箭头上（标的时候一般遵循从左到右，从上到下的顺序），如下图：  
    ![图1][1]  
    箭头的起点位置就是对应的 V 操作，箭头的终点位置就是对应的 P 操作。
 *  **死锁问题**  
    进程管理是操作系统的核心，但如果设计不当，就会出现死锁问题。如果一个进程在等待一件不可能发生的事，则进程就死锁了。而如果一个或多个进程产生死锁，就会造成系统死锁。
    
    **主要问题：**  
    **1.** 给定一定数量的进程，每个进程需要多少资源，要计算的就是系统至少有多少个这样的资源才不可能发生死锁。系统在某一时刻发现所有的可用资源都已经分配出去了，而所有进程都无法完成自身的任务而去释放已占用的资源，这就会产生死锁。（所有的进程都在等待别人给它释放资源，自己又不愿意把自己的资源分享给别人。）
    
    **2.** 死锁的预防和避免问题，涉及到银行家算法。
    
    典例1： 系统有3个进程A、B、C。这三个进程都需要5个系统资源。系统至少有多少个资源，才不可能发生死锁。  
    ![在这里插入图片描述][471a71a97b014fa990e42fc252e222bf.png]  
    假设有 k 个进程，每个进程需要 n 个系统资源，则不发生死锁时系统至少有 k  × \\times × (n-1) + 1 个资源。上题答案就是13（如图给每个进程都分配4个资源，最后一个资源就可以共享）。
    
    **死锁的预防和避免**
    
    **产生死锁的四个必要条件**：互斥、保持和等待、不剥夺、环路等待。
    
    互斥：不是互斥使用资源，那么大家就可以同时共享使用。
    
    保持和等待：各个进程会保持自己的资源，并等待别人释放更多的资源给自己。
    
    不剥夺：系统不会把已经分配给一个进程的资源剥夺并分配给另一个进程。
    
    环路等待：比如第一个进程在等待第三个进程给它释放资源，而第二个进程在等待第一个进程给它释放资源，而第三个进程又在等待第二个进程给它释放资源。这样就形成了环路等待。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_12_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]  
    死锁的预防：打破四大条件。（一般考的不多）  
    **死锁的避免：** 有序资源分配法，银行家算法。  
    **1.** 有序资源分配法：顺序分配资源给所有进程。这样资源利用率较低，一般不采用。  
    **2.银行家算法：** （考的较多）  
    基本思想：以银行放贷的思路来做资源分配。
    
    原则:  
    当一个进程对资源的最大需求量不超过系统中的资源数时可以接纳该进程。
    
    进程可以分期请求资源，但请求的总数不超过最大需求量。
    
    当系统现有的资源不能满足进程尚需资源时，对进程的请求可以推迟分配，但总能使进程在有限的时间里得到资源。
    
    典例：![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_14_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]  
    正确 B 序列的模拟运行分析过程：![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_15_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]  
    可以把每一个选项的序列模拟执行，看是否能运行下去，一旦运行不下去就是产生了死锁。  
    ![在这里插入图片描述][0396ad25c6da42acb8d0ceda916efdc4.png]  
    现有就是系统现在剩下未分配的所有资源，已经分配的就是系统给某个进程已经分配的资源，当这个进程运行结束后，会把已经分配的资源释放，那么下一个进程的现有就是系统剩下的所有资源再加上上一个进程释放的资源。

### 2.3 内存管理 ###

*  **分区存储组织**  
    从软件的层次看存储管理的机制，一些相关的**算法**。
    
    例题： 某计算机系统的内存大小为128k，采用可变分区分配方式进行内存分配，当前系统的内存分块情况如下图所示，现有作业4申请内存9k，几种不同的存储分配算法在分配中产生的什么样的结果？  
    ![在这里插入图片描述][ac00ff9caffa4ee49db11735cbe6ff3b.png]  
    首次适应算法：顺次往下找，符合需求的空间就分配。  
    最佳适应算法：把空闲区块按从小到大排序，从最小的开始找，符合需求的空间就分配。这样分配的空间尽可能与它的大小相近，但运行一段时间系统会有许多不好利用的碎块空间（非常小）。  
    最差适应算法：把空闲区从大到小排序，从最大的开始找，符合需求的就分配。  
    循环首次适应算法：把空闲区顺次连成环，从上次找到空闲区的下一个空闲分区开始找，符合需求的就分配。用循环的方式分配会均匀一些，但不会有大的空闲分区。
 *  **段页式存储**  
    主要是**页式存储**中物理地址和逻辑地址之间的转化。还要了解页式存储、段式存储、段页式存储的基本特点和运作的基本方式。
    
    **问题**：在内存中划定一个用户区域，是供用户程序调入内存时使用的（一般是整体调入），这时要运行大于用户空间的程序是不可能的。因为在内存中用户空间可能被打碎了，不是连续完整的一个大空间，所以无法一次性的装入及运行那么大的程序。为了解决这个问题就提出了段页式存储。
    
    **1.页式存储**  
    **基本原理：** 把用户程序分成等分大小的页，比如等分成 4k 一个区块，这样一个块就称为页，把内存中的存储区也等分为 4k 的区块，调入用户程序的机制就是用哪些块或页就把哪些块和页调入进来。
    
    **页表：** 记录用户程序和内存间的映射关系，就是用户程序中的多少页对应内存中的多少号块。
    
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_14_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]  
    **优缺点：** 利用率高，碎片小，分配及管理简单；但增加了系统开销（在执行某程序时定位具体代码需要查表的方式才能准确的定位，先读取页表再读取它里面的页号查找块号就会耗时，这种转换就增加了开销。），可能产生抖动现象（后面会介绍到）。
    
    **逻辑地址和物理地址之间的转换：（考的较多）**  
    逻辑地址和物理地址有很多部分是相同的，页内地址是相同的（由于调入时以页为单位偏移量不会变化），页号不同。
    
    如何由逻辑地址求物理地址：逻辑地址的页内地址就是物理地址的页内地址，通过它的页号查找块号，将块号和页内地址连到一起就是物理地址。如上图。
    
    例题：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_15_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4]  
    上题选D，B。  
    题中页面大小为 4k ，用二进制表示：4k = 212 ，所以页内地址就是12位二进制码，转换成十六进制就是三位，所以题中逻辑地址的页内地址为后三位 A29 ，在表中对应5的页号找到页帧号（块号）为6，连接起来就是物理地址为 6A29H 。
    
    淘汰的页号只能是在内存中的，就是状态位为1的，而且只有访问位为0的才能淘汰。
    
    **2.段式存储**  
    **基本原理：** 从地址的结构上看段式和页式类似，实际它的分割方式和页式有较大差距。它是按逻辑结构来划分的，比如一个程序中把一个主函数划分为一个段，第一个子函数来作为一个段，第二个子函数来又作为一个段等等，段的大小不要求一致（在页式存储里是不允许的，规定了页的大小，那么所有的页都这么大）。
    
    **段表：** 存的段号，段长，基址。表示这个段在内存中是从哪一个地址（起始地址）开始的连续空间段。![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_15_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 5] **优缺点：** 多道程序共享内存（按逻辑划分便于共享），各段程序修改互不影响；但内存利用率较低，内存碎片浪费大（它要根据段的大小在内存中切相应的区块来完成任务）。
    
    **3.段页式存储**  
    **基本原理：** 结合段式和页式两种存储中和形成的，先分段再分页。如下图所示。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_11_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]  
    **优缺点：** 空间浪费小，存储共享容易、存储保护容易、能动态连接；但由于管理软件的增加，复杂性和开销也随之增加，需要的硬件以及占用的内容也有所增加，使得执行速度大大下降。
    
    **4.快表**：是一块小容量的相联存储器（按内容存取的），由高速缓存器组成（它是放到 Cache 里面，相应的慢表是放在内存中），速度快，并且可以从硬件上保证按内容并行查找，一般用来存放当前访问最频繁的少数活动页面的页号。
 *  **页面置换算法（页面淘汰算法）**  
    广泛应用于分层的存储体系中，在之前的 Cache 中 Cache 的数量有限，当它所有的块都被占了要调入新的块时，就涉及到页面置换的问题。在内存中也面临这样的问题。
    
    **典型算法：** 最优算法（OPT）、随机算法（RAND）、先进先出算法（FIFO）（有可能产生抖动）、最近最少使用算法（LRU）（不会抖动）。考试中一般出现的是后面两种。
    
    随机算法：随机的淘汰一种，性能是不稳定的。
    
    最优算法：理论层面上的页面淘汰算法，即已经知道访问的页面序列是怎样的，而且根据这个序列分析算出了什么时间淘汰什么页面能够取得最高的效率性能。实际中无普遍的规律，无法从整体上了解要访问的页面顺序是怎样的，比如分支，在实际中无法直接应用，一般的作用是把最优的写出来，再把其它的算法方案与它对比，看其它的和最优的差距有多大。
    
    \*\*先进先出算法：\*\*淘汰页面时就看内存  
    中这几个页面哪个是先进入到内存的，就淘汰哪个。
    
    抖动： 比如分配给你更多的资源，我希望你把这个任务做的更加好一些，但是没有更好反而效率降低了。在内存中分配了3个页面，页面的淘汰率或者缺页率假设10个，然后分配了4个页面，结果淘汰率超过了10个，这就叫抖动。
    
    **最近最少使用算法：** 就是根据使用情况来看，刚刚被访问的页面很可能马上再次要被访问到不会被淘汰出去（局部性原理）。
    
    实例： （先进先出算法）  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_14_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]  
    图中第一个表中的第一行表示的是访问的页面的序列，第一列表示内存的三个页面（首先是空的），第二列是表示先要访问编号为4的程序页，这时内存中没有编号为4的程序页，就会调入编号为4的并产生缺页（内存里面没有），按序列访问到1号页时，现在内存中的页是4、3、2（内存只有三个页，满了就要淘汰），4是最先进入到内存中的，所以淘汰的就是4号页，把1号页调入进来。其它的类似。依次类推下来，总的缺页次数为9。
    
    当把内存页加到4个时，再算下来缺页会达到10次如图中第二个表。这就产生了抖动的现象。
    
    例题： （FIFO与LRU的**区别**）  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_14_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4]  
    由于内存空间是3页，开始内存为空，所以 5、0、1 这三页用两种算法的操作是一样的，都会产生缺页并且不涉及淘汰页问题。
    
    接下来访问的2号页，现在内存中的三个页都已经被占用了，就要淘汰哪个页而把2号页调入。FIFO 看的是5号页是最先进入的，就把它淘汰了。LRU 是访问2时考虑到刚刚访问被访问完的是1，其次是0，最久没有访问到最近没有访问到的是5，所以淘汰5号页。
    
    接下来访问0号页，当前内存中存的是0、1、2这三个页，所以这两种算法都是命中的（不涉及到淘汰，也没有缺页）。
    
    接下来访问3号页，当前内存没有3号页就要调入，就会产生缺页中断，FIFO ：当前内存中存的还是0、1、2这三个页，是0号页最先进来的，就淘汰0号页。LRU ：当前内存中是1、2、0这三个页，最久没有访问到的是1，淘汰的就是1。
    
    剩下的依次类推。
    
    **区别：** FIFO 总的来说只考虑谁先进来就淘汰谁；LRU 是看访问的情况，最近访问到了就不会被淘汰，再看哪一个最久没有访问到就淘汰。
    
    经典试题实例：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_14_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 5]  
    上题选 B、C。  
    没有使用快表说明每读一次程序的块（就是用户程序的页），要先在内存上查表，才能读取相应的内存块，所以每个块要进行两次内存的访问，有6个页即就有6个块，就会访问12次内存。
    
    考试规则：默认约定指令无论占到几个块都会一次性调入，如题中 swap 指令占了两个页，按常规来讲会产生两次缺页中断，但实际只有一次缺页中断；而题中的数据类型的 A、B 都占了两页，就会产生两次缺页中断，总共就是产生5次。

### 2.4 文件管理 ###

*  **索引文件结构**  
    这种文件结构本身的容量很有限，但引入了 一种扩展机制可以很方便的把这个文件的容量扩大很多倍。![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_11_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]  
    **基本概念：** 一般的索引文件是有13个结点（编号0~12），考试时如果不是13个结点会有说明（说明哪些结点是什么情况），没有说明就是标准的13个结点。这13个结点存的地址，地址对应的物理盘块存的是文件的内容。
    
    **基本原理：** 考虑文件本身容量的扩展问题把索引结点分成直接索引、一级间接索引、二级间接索引、三级间接索引。上图中假如物理盘块的大小为4K，物理盘块的地址占 4 个字节：  
    直接索引的容量： 4K  × \\times × 10 = 40K  
    一级间接索引的容量：4K  × \\times × 1024  
    二级间接索引的容量：4K  × \\times × 1024  × \\times × 1024  
    三级间接索引的容量：4K  × \\times × 1024  × \\times × 1024  × \\times × 1024  
    注： 索引文件结构就是用这种方式扩展容量，但间接级别越多，访问的效率越低。
    
    实例：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_16_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]  
    正确答案选 C、A。  
    题中的所说的逻辑块号往往是从0开始算的，直接索引就是一个索引节点对应一个逻辑块号，而一级间接索引节点对应 1K/4字节 = 256 个物理块（一个磁盘索引块的大小为KB，每个地址项大小为4字节），所以
    
    101 号物理块对应的索引节点是 iaddr\[7\] ，它采用的是二级间接地址索引，所以存放的是二地址索引表。iaddr\[0\]~iaddr\[4\] 采用直接索引，对应的逻辑块号就是 0 ~ 4 ，而 iaddr\[5\] 和 iaddr\[6\] 采用一级间接索引，分别对应的逻辑块号就是 5 ~ 260、261 ~ 516。
 *  **文件和树型目录结构**  
    主要考察相对路径和绝对路径的概念。大多数操作系统中采用的都是树型文件结构。如下图所示就是树型文件目录结构：  
    ![在这里插入图片描述][bdcaed5bdef04c4a94c0f74d242e68ca.png]  
    一般文件属性：R（只读文件属性）、A（存档）、S（系统文件）、H（隐藏文件）。  
    一般文件名的组成：驱动器号、路径、主文件名、扩展名。
    
    **绝对路径**：是从盘符（树根）开始的路径。  
    **相对路径**：是从当前路径开始的路径。  
    如要找 w1 下面的 f1 ，绝对路径： /D1/W1/f1；相对路径：假设当前目录为D1，要找 f1 ,只是 /W1/f1。
 *  **空闲存储空间的管理**  
    指的是在磁盘上有大量的空闲空间，需要把这些空间管理起来以便在某个文件要申请相应的存储空间时能够有依据的分配给它。这部分主要考察的是位示图法。
    
    **管理方法：** 空闲区表法（空闲文件目录）、空闲链表法、位示图法、成组链接法。
    
    空闲区表法：用一个表来记录哪些地方是空闲的以便管理它们。  
    空闲链表法：把这些空闲区链成一个链表，分配空间的从在这个链表上划出相应的空间来用就行。  
    成组链接法：分组也分链方式。
    
    **位示图法：** 画一个位示图，图中1表示的区域已经被占用，0表示的区域还是空闲的，把整个存储空间分成很多物理块就能直观地从图中看出哪些物理块是被占用的，哪些是空闲的。  
    ![在这里插入图片描述][3c23d58a5eb24ce8ac665a2bd24edabd.png]  
    要掌握位示图的计算问题（尺度标准），例题：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_14_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 6]  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_15_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 6]  
    物理块号是从0开始的，4195号物理块就是第4196块物理块，而题中每个字长32位，每一位对应一个物理块，所以就是 (4195+1)/32 = 131.125，这说明当前物理块是在第132个字中（字是从第1个开始的）。
    
    题目中是要把这个物理块分配给某文件，意思就是要占用这个物理块，即就是要置为1；而这里的位置是从0开始的，131  × \\times × 32 = 4192，就是第1个字到第131个字对应的物理块号是0 ~ 4191，所以第132个字中的第0位的物理块号是4192，所以4195号物理块是在第132字的第3位置。
    
    注： 题目中的多少字是从1开始算的，多少位置是从0开始的。

### 2.5 设备管理 ###

*  **数据传输控制方式**  
    主要是指内存和外设之间的数据传输控制问题。解决这种问题的几种方案：程序控制、程序中断、DMA、通道、输入输出处理机。其中通道和输入输出处理机一般是在类似专用的计算机上解决传输控制问题，一般不考察。![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_15_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 7]  
    **程序控制方式**：又称程序查询方式，最低级也是CPU介入最多的方式，整个的数据传输控制很多时候都要 CPU 的介入。这种方式中外设不会主动的反馈信息（传输情况），而是由 CPU 发出相应的查询指令，查询看有没有传输完，没有就继续传，完了之后就进行下一步工作。
    
    **程序中断方式**：很多地方和程序控制方式相似，但主动性更强一些，加了中断机制。如果外设完成了数据的传输会发一个中断，系统就进行下一步处理。效率要比查询的更快一些。
    
    **DMA方式**：也称直接存取控制方式，有专门的 DMA 控制器，用于管控外设和内存之间的数据交换，CPU 只在开头做一些介入（比如安排一些事物、做一些初始化等）。整个过程中由 DMA 控制器来完成来监管，完成之后再由 CPU 接手过来做后续的工作，这样的方式就高很多。
 *  **虚设备与SPOOLING技术**  
    用一个实例来说明，理解基本原则就行。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_12_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]  
    SPOOLING 技术核心：开辟了缓冲区，要输入或输出的数据先缓存起来如上图所示，这样就解决了外设的低速和内部系统的高效之间速度差异的问题，一般系统都内置了SPOOLING 。

### 2.6 微内核操作系统 ###

*  就是把内核做的更小的操作系统，把内核做小主要的好处体现在它的稳定性、可靠性、安全性。操作系统作为核心的系统软件，一旦出现问题就会影响整个系统的运行，把内核缩小之后出现问题的概率就大大降低了。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAWDg4ODg4OOWtpueUnw_size_14_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 7]  
    如图，微内核操作系统里面分了用户态和核心态，核心态就是内核部分运行情况，而用户态是在核心态之外运行的，就是在用户态部分出现了问题没有关系，但核心态出现问题一般都比较严重。用户态和核心态之间有交互，普通的东西一般在用户态处理，只有核心关键的部分（比如和系统内核紧密关联的）才在核心态处理。这个图要记住哪些部分在用户态，哪些部分在核心态。

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