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兴平住房和城乡建设局门户网站,广东河源网站建设,大连网络公司团队,视频分享网站模板操作系统与数据结构核心知识点解析 课程摘要 本文详细解析了操作系统和数据结构的核心知识点#xff0c;包括操作系统的基本概念、内核与用户模式、中断异常、系统调用、引导过程#xff0c;以及操作系统的目标和功能。同时#xff0c;也深入讲解了进程与线程的引入、状态与…操作系统与数据结构核心知识点解析课程摘要本文详细解析了操作系统和数据结构的核心知识点包括操作系统的基本概念、内核与用户模式、中断异常、系统调用、引导过程以及操作系统的目标和功能。同时也深入讲解了进程与线程的引入、状态与切换、CPU调度、同步与互斥等关键概念。此外还涉及了内存管理的概念、连续分配与非连续分配方式、虚拟内存技术、文件管理的目录操作、逻辑结构与物理结构以及数据结构中的压缩矩阵、二叉树、二叉排序树、图存储结构与算法等。通过这些内容的讲解帮助读者全面理解并掌握操作系统和数据结构的核心知识。分段知识点总结操作系统核心知识点精讲一、操作系统基本概念1.1 定义与特征操作系统的定义是管理计算机硬件与软件资源的系统软件。其核心特征包括并发性多个任务在宏观上同时执行共享性互斥共享如打印机同时访问如只读文件虚拟性通过技术手段扩展物理资源能力异步性程序执行顺序和速度不可预知注并发与并行的区别在于并发是逻辑上的同时执行而并行是物理上的同时执行。1.2 目标与功能功能模块 管理对象 对应章节处理机管理 CPU资源 进程与线程存储器管理 内存资源 内存管理文件管理 文件系统 文件管理设备管理 I/O设备 I/O设备管理graph LRA[操作系统功能] -- B[处理机管理]A -- C[存储器管理]A -- D[文件管理]A -- E[设备管理]1.3 接口类型命令接口联机命令接口交互式脱机命令接口批处理程序接口系统调用如API二、操作系统运行环境2.1 特权指令与模式切换特权指令仅在内核态执行的指令如I/O操作模式切换用户态→内核态通过trap指令触发中断内核态→用户态通过IRET指令返回2.2 中断与异常类型 触发源 特点外中断 外部设备 异步发生内中断 CPU内部 同步发生异常 程序错误 不可屏蔽原语操作具有原子性执行过程不可中断如信号量操作2.3 系统调用机制系统调用执行流程用户程序执行trap指令切换到内核态并保存现场查找系统调用表执行服务例程返回用户态并恢复现场三、进程与线程管理3.1 进程定义与特征进程是程序的一次执行过程核心特征动态性有生命周期并发性多个进程可同时存在独立性资源分配基本单位异步性执行速度不可预知3.2 进程状态转换graph LRA[创建] -- B[就绪]B -- C[运行]C -- D[阻塞]D -- BC -- E[终止]C --|时间片用完| B状态转换触发条件运行→阻塞主动请求资源如I/O操作阻塞→就绪被动由操作系统唤醒运行→就绪时间片用完被抢占3.3 进程控制块PCBPCB包含的核心信息进程标识符PID进程状态运行/就绪/阻塞程序计数器PC值寄存器集合内存分配信息I/O状态信息真题示例行号70在PCB中存储进程调度所需的信息主要是处理机状态信息寄存器值、PC指针等。3.4 进程通信方式共享存储建立共享内存区域消息传递直接通信发送到接收方队列间接通信通过信箱中转管道通信匿名管道单向传输命名管道支持双向3.5 线程模型比较对比项 进程 线程资源分配 CPU资源基本单位 不拥有资源地址空间 独立地址空间 共享进程地址空间切换开销 大需切换页表 小仅切换PC和寄存器并发性 进程间并发 线程间更高并发关键结论引入线程后进程仍是CPU资源分配的基本单位。四、处理机调度4.1 三级调度体系调度级别 发生位置 状态转换 功能作业调度 外存→内存 后备→就绪 选择作业装入内存中级调度 外存↔内存 挂起↔就绪 内存资源平衡进程调度 内存→CPU 就绪→运行 分配CPU时间片4.2 调度算法对比算法名称 抢占性 优点 缺点FCFS 非抢占 实现简单 长作业等待时间长SJF 可抢占 平均等待时间最小 可能饥饿优先级调度 可选 满足紧急任务 低优先级可能饥饿时间片轮转 抢占 公平响应快 上下文切换开销大多级反馈队列 抢占 兼顾长短作业 实现复杂4.3 调度性能指标CPU利用率 “CPU有效工作时间” /“总时间”吞吐量单位时间完成作业数周转时间 作业完成时间 - 提交时间带权周转时间 “周转时间” /“实际运行时间”五、同步与互斥5.1 基本概念graph TBA[临界资源] -- B[互斥访问]C[进程同步] -- D[直接制约关系]同步机制四大原则空闲让进忙则等待有限等待让权等待5.2 信号量机制记录型信号量操作原理P(S){ S.value–;if(S.value 0){ 加入等待队列; 阻塞当前进程;}}V(S){ S.value;if(S.value 0){ 从队列移出一个进程; 唤醒该进程;}}PV操作必须成对出现同步操作遵循”前V后P”原则前驱操作完成后执行V后继操作前执行P5.3 经典同步问题生产者-消费者问题共享变量缓冲区buffer[n]信号量mutex1缓冲区互斥emptyn空缓冲区数full0满缓冲区数哲学家进餐问题解决方案限制最多4人同时就餐奇数号先取左叉再取右叉使用AND型信号量六、死锁处理6.1 死锁条件与处理策略必要条件互斥条件请求和保持不可抢占循环等待处理策略对比策略 实施时机 典型方法死锁预防 事前 破坏必要条件死锁避免 事中 银行家算法死锁检测 事后 资源分配图化简死锁解除 检测后 资源剥夺/进程终止6.2 银行家算法安全状态判断步骤计算Need矩阵NeedMax-Allocation查找Need≤Work的进程假设分配并更新WorkWorkAllocation重复步骤2-3直到所有进程完成重要结论安全状态一定不会死锁不安全状态不必然导致死锁七、内存管理7.1 连续分配方式分配方式 碎片类型 特点单一连续 内部碎片 系统区/用户区划分固定分区 内部碎片 分区大小预先设定动态分区 外部碎片 分区大小动态可变动态分区分配算法首次适应FF从低地址开始查找最佳适应BF选择最小合适分区最坏适应WF选择最大合适分区邻近适应NF从上次结束位置开始7.2 分页存储管理地址变换过程逻辑地址 → 页号|页内偏移 ↓查询页表 → 物理块号 ↓物理地址 块号|页内偏移多级页表示例二级页表逻辑地址 → 页目录号|页表号|页内偏移 ↓查询页目录 → 页表起始地址 ↓查询页表 → 物理块号 ↓物理地址 块号|页内偏移7.3 页面置换算法算法名称 特点 可能问题OPT 淘汰最远将访问页 理想不可实现FIFO 淘汰最先进入页 Belady异常LRU 淘汰最久未使用页 开销大CLOCK 环形链表访问位 改进FIFO缺页率计算$% $八、文件系统管理8.1 文件物理结构结构类型 随机访问 文件扩展 典型应用连续分配 支持 困难 CD-ROM链接分配 不支持 容易 FAT文件系统索引分配 支持 容易 UNIX文件系统FAT表示例簇号 下一簇指针0 EOF1 32 43 24 18.2 文件目录结构graph TDA[根目录] -- B[用户目录1]A -- C[用户目录2]B -- D[文件A]B -- E[文件B]C -- F[子目录]F -- G[文件C]8.3 磁盘调度算法算法名称 寻道特点 可能问题FCFS 按请求顺序服务 效率低SSTF 选择最近磁道 可能饥饿SCAN 磁头单向移动到底 无饥饿C-SCAN 单向移动且直接回起点 公平性更好九、I/O设备管理9.1 I/O软件层次graph BTA[用户进程] -- B[设备独立性软件]B -- C[设备驱动程序]C -- D[中断处理程序]D -- E[硬件设备]9.2 缓冲区技术缓冲区类型对比类型 缓冲区数量 特点单缓冲 1 Tmax(C,M)T双缓冲 2 Tmax(C,T)循环缓冲 多个 组成缓冲池缓冲池 共享池 动态分配缓冲区公式说明C计算时间M传输入缓冲时间T传出缓冲时间9.3 假脱机技术SPOOLing工作原理在磁盘建立输入井和输出井输入进程模拟脱机输入输出进程控制实际输出核心作用将独占设备改造成共享设备