軟件設(shè)計(jì)師知識(shí)點(diǎn)精講之操作系統(tǒng)

軟件設(shè)計(jì)師知識(shí)點(diǎn)精講之操作系統(tǒng)（一）

\o""軟件設(shè)計(jì)師是指能根據(jù)軟件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目管理和軟件工程的要求，按照系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)規(guī)格說(shuō)明書(shū)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，編寫(xiě)程序設(shè)計(jì)規(guī)格說(shuō)明書(shū)等相應(yīng)的文檔的實(shí)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(jì)師教程知識(shí)點(diǎn)精講，希望對(duì)大家有所幫助。

1、操作系統(tǒng)的定義

是管理計(jì)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(jì)算機(jī)工作流程，控制程序的執(zhí)行，并且向用戶提供一個(gè)良好的工作環(huán)境和友好的接口。

操作系統(tǒng)的兩個(gè)重要作用：通過(guò)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(gè)特征：并發(fā)性、共享性、虛擬性、不確定性。

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

操作系統(tǒng)的分類(lèi)：

批處理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)、順序地執(zhí)行作業(yè)流產(chǎn)生的每一個(gè)作業(yè)，以節(jié)省人工操作時(shí)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(diǎn)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(diǎn)是磁盤(pán)需要人工裝卸，作業(yè)需要人工分類(lèi)，監(jiān)督程序易受用戶程序破壞，缺少交互性。

分時(shí)系統(tǒng)，具有如下特征：多路性、獨(dú)立性、交互性、及時(shí)性。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)，分為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)。主要特點(diǎn)有：快速的響應(yīng)時(shí)間、有限的交互能力、高可靠性

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，使得計(jì)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(gè)分散的計(jì)算機(jī)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接而成，各主機(jī)無(wú)主次之分。為分布式計(jì)算機(jī)配置的操作系統(tǒng)稱(chēng)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(diǎn)

資源管理的觀點(diǎn)：從這種觀點(diǎn)看，操作系統(tǒng)的管理對(duì)象是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源，操作系統(tǒng)則是管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程序集合。這種觀點(diǎn)是在共享的前提下以資源分配、使用和回收為出發(fā)點(diǎn)，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(diǎn)：操作系統(tǒng)加裸機(jī)構(gòu)成虛擬計(jì)算機(jī)。虛擬機(jī)的觀點(diǎn)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(shí)的特征：順序性、封閉性、可再現(xiàn)性；

并發(fā)程序執(zhí)行時(shí)的特征：非封閉性、程序和機(jī)器執(zhí)行程序的活動(dòng)不在一一對(duì)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(dòng)不在一一對(duì)應(yīng)，此時(shí)用靜態(tài)的程序概念已經(jīng)不能描述系統(tǒng)中程序動(dòng)態(tài)執(zhí)行的過(guò)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(shí)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(méi)有。

5、進(jìn)程的狀態(tài)及狀態(tài)間的切換

三態(tài)模型：運(yùn)行、就緒、阻塞。

五態(tài)模型：新建態(tài)、終止態(tài)、運(yùn)行、就緒、阻塞。

新建態(tài)：對(duì)應(yīng)于進(jìn)程剛剛被創(chuàng)建時(shí)還沒(méi)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(gè)過(guò)程分為兩個(gè)階段，一是為一個(gè)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?yàn)橛辛诵陆☉B(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(gè)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(yùn)行要求時(shí)，必須將某些進(jìn)程掛起，放在磁盤(pán)對(duì)換區(qū)，暫時(shí)不參加調(diào)度，以平衡系統(tǒng)負(fù)載。有這樣幾個(gè)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(duì)系統(tǒng)中所有進(jìn)程從創(chuàng)建到消亡的全過(guò)程實(shí)施有效的控制。操作系統(tǒng)的內(nèi)核為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程控制和存儲(chǔ)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(shí)鐘管理、原語(yǔ)操作。原語(yǔ)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(shí)往往是通過(guò)原語(yǔ)操作實(shí)現(xiàn)的。原語(yǔ)在執(zhí)行過(guò)程中不可分割。內(nèi)核中包含的原語(yǔ)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(chǔ)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(lái)說(shuō)，一個(gè)進(jìn)程相對(duì)于另一個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行速度是不確定的，即進(jìn)程

是在異步環(huán)境下運(yùn)行。每個(gè)進(jìn)程都以各自獨(dú)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(diǎn)上協(xié)調(diào)它們的工作，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程到達(dá)了這些點(diǎn)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(lái)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(lèi)資源，但有些資源一次只能供一個(gè)進(jìn)程使用，稱(chēng)為臨界資源（critialresource）。同步是進(jìn)程間的直接制約問(wèn)題，互斥是進(jìn)程間的間接制約問(wèn)題。臨界區(qū)（critialsection）是對(duì)臨界資源實(shí)施操作的那段程序?；コ馀R界區(qū)管理的原則為：有空即進(jìn)、無(wú)空則等、有限等待、讓權(quán)等待。

8、整形信號(hào)量與PV操作

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

公用信號(hào)量：實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的互斥，每個(gè)相關(guān)進(jìn)程即可對(duì)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(hào)量：實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步，只有一個(gè)進(jìn)程可以對(duì)它施行P操作，其它進(jìn)程只能做V操作，初值為0或某個(gè)正整數(shù)。

信號(hào)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(duì)值表示阻塞隊(duì)列中等待該資源的進(jìn)程數(shù)。PV操作是實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步與互斥的常用方法。PV操作是低級(jí)通信原語(yǔ)，其中P操作表示申請(qǐng)一個(gè)資源，V操作表示釋放一個(gè)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(duì)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(gè)進(jìn)程，并將其插入就緒隊(duì)列，執(zhí)行V操作的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。利用PV操作實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的互斥：令信號(hào)量mutex的初值為1，當(dāng)進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)執(zhí)行P操作，臨界區(qū)時(shí)執(zhí)行V操作。P（mutex）臨界區(qū)V（mutex）

怎樣利用PV操作實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的同步：可用一個(gè)信號(hào)量與消息聯(lián)系起來(lái)，當(dāng)信號(hào)量的值為0時(shí)表示希望的消息未產(chǎn)生，當(dāng)信號(hào)量的值為非0時(shí)表示希望的消息已經(jīng)存在。假定用信號(hào)量S表示某條消息，進(jìn)程可以通過(guò)調(diào)用P操作測(cè)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(fèi)者的同步問(wèn)題。如果采用PV操作來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程PA和進(jìn)程PB間的管道通信，并且保證這兩個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的正確性，則至少需要2個(gè)信號(hào)量，信號(hào)量的初值分別為0、1。

9、高級(jí)通信原語(yǔ)

因?yàn)镻V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(jí)通信原語(yǔ)。高級(jí)通信原語(yǔ)有這么幾種：共享存儲(chǔ)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(lái)。由于臨界區(qū)是訪問(wèn)共享資源的代碼段，因而建立一個(gè)管程來(lái)管理進(jìn)程提出的訪問(wèn)請(qǐng)求。采用這種方式對(duì)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(shí)施操作的若干過(guò)程來(lái)進(jìn)行。對(duì)共享資源的申請(qǐng)和釋放可以通過(guò)過(guò)程在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

11、進(jìn)程調(diào)度

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

高級(jí)調(diào)度（又稱(chēng)長(zhǎng)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(gè)后備作業(yè)可以調(diào)入主系統(tǒng)做好運(yùn)行的準(zhǔn)備，成為一個(gè)或一組就緒進(jìn)程。

中級(jí)調(diào)度（又稱(chēng)對(duì)換調(diào)度），它決定處于交換區(qū)中的哪個(gè)就緒進(jìn)程可以調(diào)入主存，以便直接參與CPU的競(jìng)爭(zhēng)。

低級(jí)調(diào)度（又稱(chēng)進(jìn)程調(diào)度），它決定處于主存中的哪個(gè)進(jìn)程使用CPU。調(diào)度方式，是指當(dāng)有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程來(lái)到時(shí)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(lái)先服務(wù)，主要用于宏觀調(diào)度，有利于長(zhǎng)作業(yè)，有利于CPU繁忙的作業(yè)；時(shí)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(shí)間，最終提高了資源利用率；優(yōu)先級(jí)調(diào)度，分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種；多級(jí)反饋調(diào)度，是在時(shí)間片輪轉(zhuǎn)和優(yōu)先級(jí)算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到。其特點(diǎn)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(shí)間，不必估計(jì)進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)優(yōu)先級(jí)。

12、死鎖

就是指兩個(gè)以上的進(jìn)程相互請(qǐng)求對(duì)方已經(jīng)占有的資源時(shí)而導(dǎo)致無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行下去的現(xiàn)象。

幾種會(huì)產(chǎn)生死鎖的情況：進(jìn)程推進(jìn)程順序不當(dāng)，同類(lèi)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(gè)小圓圈代表一個(gè)資源。有向邊分別代表請(qǐng)求資源和分配資源。

死鎖產(chǎn)生的原因：因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)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(qǐng)求和釋放資源的順序。

死鎖產(chǎn)生的4