[操作系统]操作系统核心笔记(面试)

一、OS核心框架模块[0x0001][0x0001]核心考查形式进程管理[0x0001][0x0001]计算题调度、死锁、综合题内存管理[0x0001][0x0001]计算题地址变换、缺页、概念题文件管理[0x0001][0x0001]选择题、基础应用题设备管理[0x0001][0x0001]选择题、算法辨析题OS概述[0x0001][0x0001]选择题记忆类并发程序设计[0x0001][0x0001]结合进程管理考查二、OS概述2.1 核心定义与功能OS是管理软硬件资源的系统软件核心功能① 资源管理CPU、内存、I/O、文件② 提供用户接口命令/程序/GUI③ 实现并发、虚拟等特性。2.2 四大核心特性并发宏观多进程同时运行微观交替≠并行并行需多CPU共享资源被多进程共用互斥共享如打印机、同时共享如内存虚拟物理资源抽象为逻辑资源如虚拟内存、虚拟CPU异步进程不可预知推进OS保证最终完成2.3 体系结构单内核模块紧密结合高效但可扩展性差如早期DOS微内核核心功能通信、调度在内核其他在用户态可靠但通信开销大如Linux部分特性三、核心模块一进程管理3.1 核心基础进程具有独立功能的程序在数据集上的一次运行过程是资源分配和调度的基本单位。进程状态转换必背就绪→运行调度、运行→就绪时间片到、运行→阻塞等待资源、阻塞→就绪资源可用3.2 进程调度算法算法核心逻辑评价指标适用场景FCFS先到先服务平均等待时间长无饥饿批处理系统SJF/SRTF短作业/短剩余时间优先平均等待时间最短有饥饿可预知作业时长场景优先级调度高优先级先执行适配紧急任务有饥饿需老化机制缓解实时系统时间片轮转按时间片交替执行响应时间快无饥饿分时系统3.3 进程同步与互斥临界资源需互斥访问的资源如打印机临界区访问临界资源的代码段。同步机制必背信号量P/V操作、管程。P操作申请资源S--S0阻塞V操作释放资源SS≤0唤醒。3.4 死锁重点死锁必要条件必背① 互斥② 占有并等待③ 不可剥夺④ 循环等待。处理策略① 预防破坏任一必要条件② 避免银行家算法安全性检查③ 检测与解除资源剥夺、进程终止。四、核心模块二内存管理4.1 基础概念内存管理核心功能分配、回收、地址映射重定位、保护、扩充。地址映射逻辑地址→物理地址静态重定位加载时动态重定位运行时需硬件支持。4.2 内存分配方式分配方式核心逻辑碎片问题连续分配单一/固定/动态分配连续物理空间固定分区有内碎片动态分区有外碎片非连续分配分页/分段/段页式分配离散物理空间分页有内碎片分段有外碎片段页式仅内碎片4.3 分页/分段/段页式核心对比维度分页分段段页式划分依据物理大小固定逻辑模块不固定先分段再分页核心目的提高内存利用率支持模块化共享/保护兼顾二者优点地址结构页号页内偏移段号段内偏移段号页号页内偏移4.4 虚拟内存核心定义逻辑上扩充内存仅将部分页面调入内存其余在外存依赖离散性、多次性、对换性、虚拟性。实现方式请求分页主流、请求分段、请求段页式。4.5 页面置换算法算法核心逻辑关键特性OPT最佳淘汰未来最久不访问页面最优但不可实现作基准FIFO淘汰最早调入页面简单有Belady异常独有关联LRU最近最少用淘汰最近最久未访问页面性能优无Belady异常实现复杂CLOCK时钟扫描环形链表淘汰访问位为0页面平衡性能与实现难度主流实用计算步骤① 明确访问序列、物理块数、算法② 模拟调入/置换记录缺页初始调入算缺页③ 缺页率缺页次数/总访问次数。4.6 页面分配策略固定分配局部置换分配固定块缺页时仅淘汰自身页面简单但适配差可变分配全局置换动态调块数缺页时淘汰全局页面利用率高易颠簸可变分配局部置换动态调块数局部淘汰兼顾适配与稳定现代OS主流辅助机制工作集进程活跃页面集合分配块数≥工作集大小可避免颠簸。4.7 内存映射文件核心将文件映射到进程虚拟地址通过访问内存操作文件避免I/O拷贝。优缺点高效I/O、简化编程、支持共享但占虚拟地址、需处理同步问题。五、核心模块三文件管理5.1 核心概念文件具有文件名的一组相关数据的集合文件系统管理文件的软件数据结构。5.2 文件结构逻辑结构流式如文本文件、记录式如数据库文件物理结构连续快但易碎片、链接无碎片但慢、索引平衡快与碎片5.3 目录结构重点核心功能按名查找。类型单级、两级、树形主流如Windows/Linux、图形支持共享。六、核心模块四设备管理6.1 I/O控制方式方式CPU介入程度效率程序查询高全程等待低中断驱动中完成后中断中DMA低仅初始化/结束介入高块设备主流通道极低独立处理I/O极高多设备场景