计算机操作系统-核心知识

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本文整理了计算机操作系统核心知识点，涵盖软件基础、操作系统分类、进程管理、死锁、存储管理、文件管理、作业管理及设备管理与SPOOLing技术等高频考点，内容精简、条理清晰，可用于学习复习与考前快速记忆。

📚 计算机软件与操作系统核心知识点总结

一、计算机软件基础

1. 定义与组成

  • 定义：能指挥计算机完成特定任务、以电子格式存储的程序、数据和相关文档，功能依赖硬件实现。
  • 组成：程序（主体）+ 相关数据 + 相关文档（设计报告、维护手册、用户指南等）。
  • 特性：依附性、不可见性、脆弱性、易复制性、无磨损性。

2. 软件版权

  • 版权归属：作者享有拷贝、发布、修改等权利，用户仅拥有使用权。
  • 盗版定义：未获得版权所有者许可就复制和散发商品软件的行为。
  • 相关法规：知识产权保护法、著作权法、专利法、计算机软件保护条例等。

3. 著作权法保护期限

  • 永久保护：署名权、修改权、保护作品完整权。
  • 公民作品：发表权、使用权和获得报酬权保护期为作者终生及其死亡后50年（截止于作者死亡后第50年的12月31日）。
  • 合作作品：截止于最后死亡的作者死亡后第50年的12月31日。
  • 法人/组织作品：发表权、使用权和获得报酬权保护期为50年（截止于作品首次发表后第50年的12月31日）。

4. 软件分类

按应用角度分

  • 系统软件：管理系统资源、提供基本操作，包括：
    • 操作系统（Windows、Unix、Linux等）
    • 程序设计语言处理系统（编译器，如Java、C++）
    • 数据库管理系统（DBMS，如SQL Server、Oracle）
    • 实用程序（磁盘清理、碎片整理等）
    • BIOS：最接近计算机硬件的系统软件。
  • 应用软件：为用户完成特定任务，如超市销售管理系统、教务管理系统、PowerPoint等，以系统软件为基础运行。

按权益处置分

  • 商品软件：可买卖的商业软件。
  • 共享软件：“买前免费试用”的有版权软件。
  • 自由软件：考试中简化为开源软件。

二、操作系统核心

1. 地位与作用

  • 地位：计算机运行配置必不可少的底层系统软件。
  • 作用：
    1. 管理分配系统软硬件资源。
    2. 提供人机界面（命令行/图形界面）。
    3. 为应用程序开发与运行提供高效平台。
  • 关键概念：
    • 裸机：只有硬件、没有软件的计算机。
    • 虚计算机：操作系统屏蔽了大部分物理设备技术细节。
    • 存储位置：操作系统驻留在硬盘，运行在内存。

2. 操作系统分类

按计算机系统分

  • 单用户操作系统：一个用户独占全部资源（如PC DOS）。
  • 多用户操作系统：多个用户共享软硬件资源（如UNIX、Linux）。

按工作过程分

  • 批处理系统：用户提交任务后，系统按顺序自动运行（单道/多道）。
  • 分时操作系统：多终端用户按时间片共享资源，特征：多路性、交互性、独立性、及时性。
  • 实时操作系统：时间性强、反应快速，核心特点：及时响应、高可靠性。

三、处理器管理（进程管理）

1. 基础概念

  • 多任务处理：操作系统支持同时运行多个程序，Windows采用“并发多任务”，调度策略为时间片轮转。
  • 前台/后台任务：前台任务是活动窗口对应的任务，后台任务是其他所有任务。

2. 进程

  • 定义：程序关于某个数据执行一次的过程，是系统分配资源和调度的独立单位。
  • 结构：进程控制块（PCB，进程存在的唯一标志）+ 程序 + 数据 = 进程实体。
  • 特性：
    1. 动态性（最基本特征）
    2. 并发性
    3. 独立性
    4. 异步性
  • 状态转换：
    • 就绪态：已获得除CPU外的所有资源，等待CPU。
    • 运行态：正在CPU上执行。
    • 阻塞态：因等待事件暂停执行，事件完成后回到就绪态。
    • 转换关系：运行态 → 时间片到 → 就绪态；运行态 → 等待事件 → 阻塞态；阻塞态 → 事件发生 → 就绪态。

3. 进程调度

调度方式

  • 非抢占式：进程一直运行到结束或阻塞，实现简单但不适用于实时系统。
  • 抢占式：可暂停正在执行的进程，分配给其他进程，原则包括：
    1. 时间片原则
    2. 短作业优先原则
    3. 优先权原则

调度算法

算法 核心思想 优缺点
FCFS（先来先服务） 按到达顺序调度 利于长作业，不利于短作业
SJF（短作业优先） 优先调度估计运行时间最短的作业 降低平均等待时间，提高吞吐量，但不考虑紧急程度，主观因素大
高优先权优先 按作业紧迫程度确定优先级 照顾紧急作业，用于批处理/实时系统
时间片轮转 每个进程分配固定时间片 最公平、使用最广，时间片到则重新排队
HRN（高响应比优先） 响应比=(执行时间+等待时间)/执行时间 避免饥饿，适用于批处理系统
多级反馈队列 结合时间片轮转与优先级 兼顾长短作业，响应时间好，适用性广

四、死锁

1. 产生原因

  • 竞争资源：多个进程共享不可剥夺资源（如打印机）且资源不足。
  • 推进顺序非法：进程请求和释放资源的顺序不当。
  • 关键：只有不可剥夺资源才会产生死锁。

2. 必要条件（缺一不可）

  1. 互斥条件：临界资源一段时间内只被一个进程占用。
  2. 请求和保持条件：进程请求新资源时，保持已分配资源。
  3. 不剥夺条件：已分配资源在使用完前不能被剥夺。
  4. 环路等待条件：死锁时必然存在进程-资源环形链。

3. 处理方法

  • 预防死锁：破坏一个或多个必要条件。
  • 避免死锁：动态分配资源时防止进入不安全状态。
  • 检测死锁：允许死锁发生，通过检测机构及时发现。
  • 解除死锁：检测到死锁后，采取措施解除。

4. 典型例题

3个并发进程竞争资源R，每个进程需要5个R，至少需要多少个R才能保证不死锁？
解：最坏情况是每个进程已分配4个R，共3×4=12个，再增加1个即可满足任一进程完成，故至少13个。

五、存储管理

1. 核心功能

对内存空间进行分配、回收、共享、保护和扩充。

2. 虚拟存储器

  • 组成：Windows中由物理内存（RAM）+ 硬盘虚拟内存（pagefile.sys页面文件）联合组成。
  • 大小限制：受外存空间和CPU地址表示范围限制，一般为物理内存的1~2.5倍。
  • 用户操作：可设置硬盘逻辑盘上虚拟内存的容量。

六、文件管理

1. 文件与文件系统

  • 文件：具有文件名的若干相关元素的集合。
  • 文件系统：由管理文件的系统软件（记录）和被管理的对象（文件，即数据/程序）组成。

2. 文件属性与类型

  • 属性：类型、长度、物理位置、创建/修改时间、系统/隐藏/存档/只读等。
  • 命名规则：文件名+扩展名（如.txt、.exe），Windows文件名最长255字符，不能使用* \ / < > : " | ?等特殊字符。
  • 常见扩展名：
    | 扩展名 | 含义 | 扩展名 | 含义 |
    |————|———|————|———|
    | .bak | 备份文件 | .c | C源程序 |
    | .txt | 文本文件 | .doc | 文档文件 |
    | .exe | 可执行文件 | .dll | 动态链接库 |

3. 文件路径

  • 绝对路径：从盘符开始（如C:\windows\system32\ou.exe）。
  • 相对路径：从当前路径开始（如当前路径为C:\windows，可写为.\system32\cmd.exe，.可省略）。

4. 文件目录功能

  • 实现“按名存取”（最基本功能）。
  • 提高检索速度。
  • 允许文件同名（通过不同目录区分）。
  • 允许文件共享并控制权限。

七、作业管理

1. 调度层次

  • 高级调度（作业调度）：从外存后备队列选作业建立进程，仅批处理系统需要，分时/实时系统不需要。
  • 中级调度（内存调度）：将暂时不能运行的进程调至外存，提高内存利用率。
  • 低级调度（进程/短程调度）：决定哪个就绪进程获得CPU，最基本，所有OS都必须有。

八、设备管理与SPOOLing技术

1. 设备管理核心功能

  • 设备分配
  • 设备映射
  • 设备驱动
  • 引入缓冲的主要目的：
    1. ⚡ 缓和处理机和I/O设备间速度不匹配的矛盾（如高速CPU与慢速打印机）。
    2. 🛡️ 减少对CPU的中断次数，降低CPU被频繁打断的开销。
    3. 🔗 提高CPU和I/O设备之间的并行性，让CPU与设备可同时工作，提升系统效率。

2. SPOOLing系统三大部分详解

SPOOLing（假脱机）是模拟脱机I/O的技术，将独占设备改造为共享设备，由三部分组成：

  1. 输入井/输出井
    • 磁盘上开辟的大存储空间，模拟脱机I/O的磁盘设备。
    • 输入井：暂存输入设备送来的数据。
    • 输出井：暂存用户程序的输出数据。
  2. 输入缓冲区/输出缓冲区
    • 内存中开辟的缓冲区，用于缓和CPU与磁盘速度不匹配的矛盾。
    • 输入缓冲区：暂存输入设备数据，再传送到输入井。
    • 输出缓冲区：暂存输出井数据，再传送到输出设备。
  3. 输入进程SPi / 输出进程SPo
    • 模拟脱机I/O的外围控制机：
      • SPi：将输入设备数据经缓冲区送入输入井，CPU需要时直接从输入井读入内存。
      • SPo：将用户输出数据从内存送到输出井，待设备空闲时，再从输出井经缓冲区送到输出设备。

3. 共享打印机原理（SPOOLing典型应用）

  • 设备类型：打印机是独占设备（同一时间只能被一个进程使用），通过SPOOLing技术可改造为共享设备（宏观上多用户同时使用，微观上交替使用）。
  • 处理流程：
    1. 用户进程请求打印时，系统在磁盘输出井中为其申请空闲缓冲区，将打印数据存入。
    2. 为用户进程申请空白打印请求表，填写打印信息并挂到假脱机文件队列。
    3. 打印机空闲时，输出进程从队列头取出请求表，按要求将数据从输出井经输出缓冲区送到打印机打印。
  • 核心效果：多个用户的打印任务被排队缓存，CPU无需等待慢速打印机，实现“同时打印”的效果。

4. SPOOLing系统核心特点

  1. ✅ 提高I/O速度：将对慢速设备的操作转化为对高速磁盘的操作。
  2. ✅ 将独占设备改造为共享设备：允许多个进程同时访问独占设备。
  3. ✅ 实现虚拟设备功能：用户感觉独占了设备，实际是共享使用。

5. 关键总结

  • SPOOLing技术是对脱机输入/输出系统的模拟，必须建立在多道程序环境和高速随机外存（磁盘）基础上。
  • 它是操作系统将独占设备虚拟化为共享设备的核心手段，典型场景就是共享打印机。

九、核心考点速记

  1. 软件 = 程序 + 数据 + 文档。
  2. 最接近硬件的系统软件是BIOS。
  3. 进程的最基本特征是动态性，PCB是进程存在的唯一标志。
  4. 死锁的4个必要条件：互斥、请求和保持、不剥夺、环路等待。
  5. 虚拟存储器 = 物理内存 + 硬盘页面文件。
  6. 相对路径.代表当前目录，可省略。
  7. 进程调度是最基本的调度，所有OS都必须实现。
  8. 引入缓冲的目的：缓和 CPU 与 I/O 设备速度不匹配、减少中断、提高并行性。
  9. SPOOLing（假脱机）技术：将独占设备虚拟为共享设备，典型应用：共享打印机。
  10. 操作系统分类：批处理、分时、实时；分时特征：多路性、交互性、独立性、及时性。
  11. 进程三态：就绪 → 运行 → 阻塞（等待事件），阻塞结束回到就绪。
  12. 文件系统最基本功能：按名存取。