信息系统管理工程师考点：操作系统知识

1.现代操作系统的特征和类型

⑴现代操作系统的特征

①并发性(Concurrence)：指两个或两个以上的运行程序在同一时间间隔段内同时执行。操作系统是一个并发系统，它应该具有处理多个同时执行的程序的能力。

②共享性(Sharing)：指操作系统中的资源(包括硬件和信息资源)可被多个并发执行的进程所使用。一次性向每个用户程序分别提供所需的全部资源不但浪费而且不可能，所以得让多个用户程序共用一套计算机系统的所有资源。因此就需要共享资源。

③异步性(Synchronisms)，即随机性。在多道程序环境中，允许多个进程并发执行，但资源有限而进程众多，多数情况下，进程不能一贯到底地执行，是以异步方式运行的。异步性给系统带来了潜在的危险，有可能导致与时间有关的错误，但只要运行环境相同，操作系统必须保证多次运行作业，都会获得完全相同的结果。

⑵操作系统的类型

①批处理操作系统

批处理操作系统产生于20世纪50年代，用户把要计算的应用问题编成程序，连同数据和作业说明书一起交给操作员，操作员集中一批作业，并输入到计算机中。然后，由操作系统来调度和控制用户作业的执行。

②分时操作系统

允许多个联机用户同时使用一台计算机系统进行计算的操作系统称为分时操作系统(Time Sharing Operating System)。每个用户在各自的终端上以问答方式控制程序运行，系统把中央处理器的时间划分成时间片，轮流分配给各个联机终端用户，每个用户只能在极短时间内执行，若时间片用完，而程序还未做完，则挂起等待下次分得时间片。

③实时操作系统

实时操作系统(Real Time Operating System)是指当外界事件或数据产生时，能够接收并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间内控制监控的生产过程或对处理系统做出快速响应，并控制所有实行任务协调一致运行的操作系统。

2.处理机管理

⑴中断控制

处理器管理要完成的第一项工作是处理中断事件，硬件只能发现中断事件，捕捉它并产生中断信号，但不能进行处理。配置了操作系统，就能对中断事件进行处理。中断对于操作系统来说非常重要，所谓中断是指CPU对系统发生的某个事件做出的一种反应，即CPU暂停正在执行的程序，保留现场(CPU当前的状态)后自动转去执行相应的处理程序，处理完该事件后再返回"断点",继续执行被"打断"的程序。引起中断的事件成为中断源，中断源向CPU提出进行处理的请求称为中断请求。发生中断时，被打断的暂停点称为断点。

⑵进程

进程是执行中的程序。该程序开始运行但还未结束。换句话说，进程是驻留在内存中的作业，它是从众多等待作业中选取出来并装入内存中的作业。进程可以处于运行状态或者等待CPU调用。只要作业被装入内存就成为进程。需要注意的是，每个进程都是作业，而每个作业未必都是进程。

⑶线程

线程是进程中执行运算的最小单位，亦即执行处理机调度的基本单位。如果把进程理解为在逻辑上操作系统所完成的任务，那么线程表示完成该任务的许多可能的子任务之一。线程可以在处理器上独立调度执行，这样，在多处理器环境下就允许几个进程各自在单独处理器上进行。操作系统提供线程就是为了方便而有效地实现这种并发性。

⑷进程的状态和转换

一个进程由创建而产生至撤销而消亡的整个生命周期，可以用一组状态加以描述，按进程在执行过程中的不同状态可定义5种不同的进程状态：

①运行态(Running)：占有处理器正在运行。

②就绪态(Ready)：指具备运行条件，等待系统分配处理器以便运行。

③等待态(Wait)：指不具备运行条件，正在等待某个事件的完成。

④新建态(New)：对应于进程刚刚被创建的状态。

⑤终止态(Exit)。

一个新进程在创建必要的管理信息后将进入就绪状态。此时进程将处于新建态，在等待操作系统完成创建进程的必要操作后被提交执行。

出现等待事件时运行状态的进程将进入等待状态，当等待事件结束，进程将进入就绪状态，进程就将在运行状态和就绪状态之间切换。

进程的终止要等待操作系统进行善后，再退出主存。

⑸进程的同步与互斥

①进程的互斥(Mutual Exclusion)

进程的互斥是解决进程间竞争关系的手段。几个进程要使用同一共享资源时，但最多允许一个进程去使用，其他进程必须等待，直到使用共享资源的进程释放该资源。

②进程的同步(synchronization)

进程的同步是解决进程间协作关系的手段。一个进程的执行依赖于另一个进程的消息，当一个进程没有得到来自于另一个进程的消息时则等待，直到消息到达才被唤醒。

⑹分时系统

分时系统是为了满足用户需求所形成的一种新型 OS .它与多道批处理系统之间，有着明显的性能差别。分时系统的基本思想包括：

①时间片：是把计算机的系统资源(尤其是 CPU时间)进行时间上的分割，每个时间段称为一个时间片，每个用户依次轮流使用时间片。

②分时技术：把处理机的运行时间分为很短的时间片，按时间片轮流把处理机分给各联机作业使用。

③分时操作系统：是一种联机的多用户交互式的操作系统。一般采用时间片轮转的方式使一台计算机为多个终端服务。对每个用户能保证足够快的响应时间，并提供交互会话能力。

④设计目标：对用户的请求及时响应，并在可能条件下尽量提高系统资源的利用率。

分时系统适合办公自动化、教学及事务处理等要求人机会话的场合。分时系统实现中的关键问题是及时接收和及时处理。

⑺死锁

当文件被一个进程使用时，将不能再被别的进程使用。在这种情况下如果没有强制进程释放文件的防备措施，就会发生死锁。

当操作系统允许一个进程运行，而没有首先检查它所需的资源是否准备好，以及是否允许这个进程占有资源直到它不需要为止。就会发生死锁。操作系统中需要有一些措施来防止死锁。一种解决方法是当所需资源不空闲时，不允许进程运行。但这样做将导致另一问题。另一种解决方法是限制进程占有资源的时间。

3.存储管理

操作系统按照存储管理可以分为两大类：单道程序和多道程序。

⑴单道程序

在单道程序里，大多数内存专用于单一的程序，仅仅一小部分用来装载操作系统。在这种配置下，程序整体装入内存运行，运行结束后由其他程序取代。

这里内存管理器的工作是简单明了的，即将程序载入内存、运行、再装入下一个程序取代它。但是，这种技术仍然有很多问题：程序必须能够载入内存。如果内存容量小于程序大小，程序将无法运行。当一个程序正在运行时，其他程序不能运行。程序在执行过程中经常需要从输入设备得到数据，并且需要把数据发送至输出设备。但输入/输出设备的速度远远慢于CPU,所以当输入/输出设备运行时CPU处于空闲状态。而此时由于其他程序不在内存中，CPU不能为其服务。这种情况下CPU和内存的使用效率很低。

⑵多道程序

在多道程序中，同一时刻可以装入多个程序并且能够同时执行这些程序。CPU轮流为它们服务。在运行过程中，程序可以在内存和硬盘之间多次交换。

①分区调度

分区调度是多道程序使用的第一种技术。在这种模式中，内存被分为不定长的几个分区。每个部分或分区保存一个程序。CPU在各个程序之间交替服务。它由一个程序开始，执行一些指令直到有输入/输出操作或者分配给那个程序的时限到达。CPU保存最近执行指令的内存地址然后转入下一个程序。对下一个程序采用同样的步骤执行。当所有程序服务完毕后，CPU再转回第一个程序。当然，CPU可以进行优先级存取。

这种技术下，每个程序完全载入内存，并占用了连续的地址。分区调度改进了CPU的使用效率，但仍有一些问题：

分区大小需由内存管理器预先决定。如果分区小了，有的程序就不能载入内存。如果分区大了，内存中就会出现空闲区。

即使分区在计算机启动时很合适，但随着新程序交换载入内存后有可能出现空闲区。当空闲区过多时，内存管理器能够压缩分区将空闲区移走并创建新区，但这将给系统增加额外负担。

②分页调度

分页调度改进了分区调度的效率。在分页调度下，内存被分成大小相等的若干个部分称为帧。程序则被分为大小相等的部分称为页。页和帧的大小通常是一样的，并且与系统用于从存储设备中提取信息的块大小相等。

页被载入到内存中后占用帧。如果程序有三页，它就在内存中占用三个帧。在这种技术下，程序在内存中不必是连续的。两个连续的页可以占用内存里不连续的两个帧。分页调度对分区调度的优势在于一个需要六个帧的程序可以代替两个各占有不连续的三个帧的程序。新程序不必等到有六个连续的帧出现后再载入内存。

分页调度在一定程度上改进了效率，但整个程序仍需要在运行前全部载入内存。这意味着如果只有四个不连续帧时，一个需要六个帧的程序是不能载入内存的。

③虚拟内存

请求分页调度和请求分段调度意味着当程序执行时，一部分程序驻留在内存中，一部分则放在硬盘上。这就意味着，例如，10MB内存可以运行10个程序。每个程序3MB,一共30MB.任一时候10个程序中的10兆在内存中，还有20MB在硬盘上。这里实际上只有10MB内存但却有30MB的虚拟内存。

4.设备管理

⑴I/O控制

在计算机系统中输入/输出设备存在着数量和速度上的限制。这些设备与CPU和内存比起来速度要慢很多，当进程访问输入/输出设备时，这个设备对其他进程而言是不可用的。

设备管理器不停地监视所有的输入/输出设备，以保证它们能够正常运行。管理器同样也需要知道什么时候设备已经完成一个进程的服务，而且准备为队列中的下一个进程服务。

设备管理器为每个输入/输出设备维护一个队列，或是为类似的输入/输出设备维护一个或多个队列。

管理器使用不同的方式来访问输入/输出设备。

⑵Spooling系统

外围设备联机操作(Simultaneous Peripheral Operations On Line,Spooling)，简称为Spooling系统或假脱机系统。Spooling技术是用一类物理设备模拟另一类物理设备的技术，是使独占使用的设备变成多台虚拟设备的一种技术，也是一种速度匹配技术。

为了实现联机同时外围操作功能，必须具有能将信息从输入设备输入到辅助存储器缓冲区域的"预输入程序";能将信息从辅助存储器输出缓冲区域输出到输出设备的"缓输出程序"以及控制作业和辅助存储器缓冲区域之间交换信息的"井管理程序".

为了存放从输入设备输入的信息以及作业执行的结果，系统在辅助存储器上开辟了输入井和输出井。"井"是用作缓冲的存储区域，采用井的技术能调节供求之间的矛盾，消除人工干预带来的损失。

5.文件管理

⑴文件目录

文件系统的基本功能之一就是负责文件目录的建立、维护和检索，要求编排的目录便于查找、防止冲突，目录的检索方便迅速。

文件目录项应包括以下内容：

①有关文件存取控制的信息。

②有关文件结构的信息。包括文件的逻辑结构和物理结构。

③有关文件管理的信息。

当用户要求存取某个文件时，系统通过文件目录，按名存取，就可找到所寻文件的目录项，然后通过目录项就可存取文件信息。

最简单的文件目录是一级目录结构，在操作系统中构造一张线性表，与每个文件有关的属性占用一个目录项就成了一级目录结构。但一级目录会出现文件重名的问题，由于都使用同一文件目录，一旦重名，就会出现混淆无法按名存取。还有就是难以实现文件共享。

因此采用二级目录，二级目录分两级，第一级为主文件目录，用于管理所有用户文件目录;第二级为用户文件目录，每个用户在该级都有一登记栏，其内容与一级目录的目录项相同。每一用户只能查看自己的文件目录。

二级目录的推广形成了多级目录。每一级目录可以是下一级目录的说明，也可以是文件的说明，从而形成了层次关系。多级目录多采用树型结构。树型目录可较好地反映现实世界中具有层次关系的数据集合和较确切地反映系统内部文件的分支结构;不同文件可以重名，只要不在同一末端的子目录中。

⑵文件的结构和组织

文件的组织是指文件中信息的配置和构造方式，通常从文件的逻辑结构和组织及文件的物理结构和组织两方面考虑。

①文件的逻辑结构

一种是流式文件，另一种是记录式文件。

流式文件指文件内的数据不再组成记录，只是依次的一串信息集合，也可以看成是只有一个记录的记录式文件。

记录式文件内包含若干逻辑记录，逻辑记录是文件中按信息在逻辑上的独立含意划分的一个信息单位，记录在文件中的排列可能有顺序关系，记录与记录之间不存在其他关系。

②文件的物理结构

文件的物理结构和组织是指逻辑文件在物理存储空间中存放方法和组织关系。

顺序文件是指将文件中的逻辑上连续的信息存放到存储介质的依次相邻的块上便形成顺序结构的文件。

连接文件是指第一块文件信息的物理地址由文件目录给出，而每一块的连接字指出了文件的下一个物理块。连接字内容为0时，表示文件至本块结束。

索引文件是指使用一张索引表，其中每个表目包含一个记录的键及其记录数据的存储地址，存储地址可以是记录的物理地址，也可以是记录的符号地址的文件。

⑶文件的存取

①顺序存取

顺序存取是指按记录顺序进行读/写操作的存取方法。读操作总是读出下一次要读出的文件的下一个记录，同时，自动让文件记录读指针推进，以指向下一次要读出的记录位置。写操作是先设置一个文件记录指针，它总指向下一次要写入记录的存放位置，然后将一个记录写到文件末端，允许对文件进行前跳或后退N(整数)个记录的操作。

②直接存取

直接存取是以任意次序直接读写某个记录。

③索引存取

索引存取是基于索引文件的存取方法。由于文件中的记录不按它在文件中的位置，而按它的记录键来编址，所以，用户提供给操作系统记录键后就可查找到所需记录。

⑷文件的共享和保护

文件保护是指防止文件被破坏，它包括：一防止系统崩溃所造成的文件破坏;二是防止其他用户的非法操作所造成的文件破坏。

为防止系统崩溃所造成的文件破坏，常采用定时转储，系统的管理员每隔一段时间，或一日、或一周、或一月、或一个期间，把需要保护的文件保存到另一个介质上，以备数据破坏后恢复。

为防止其他用户的非法操作所造成的文件破坏，常通过操作系统的安全性策略来实现。

文件保密的目的是防止文件被窃取，主要使用设置密码和使用密码。文件密码是用户为每个文件规定的密码，写在文件目录中并隐蔽起来，当提供的密码与之一致时，才能使用这个文件。另一个是终端密码，有系统分配给用户，当提供的密码相符时才能使用该终端。但要回收某个用户的使用权时，需修改密码，而更改后的密码要通知其他的用户。

使用密码是一种更有效的文件保护方法，它将文件中的信息翻译成密码形式，使用时再解密。

6.作业管理

⑴作业

作业是用户提交给操作系统计算的一个独立任务。每个作业须经过若干个相对独立又相互关联的顺序加工步骤才能得到结果，每个加工步骤称为一个作业步。一个作业从提交给系统，直到运行结束获得结果，要经过提交、收容、执行和完成四个阶段。

⑵作业管理

作业管理可采取脱机和联机两种方式运行。在脱机方式下，用户使用系统提供的作业控制语言书写作业说明书。把用户对系统的各种请求和对作业的控制要求集中描述，并与程序和数据一起提交给系统。系统接受用户作业输入，把它们放到输入井，然后在操作系统的管理和控制下执行。在联机方式下，操作系统为用户提供了一组联机命令，用户通过终端键入命令，以控制作业的运行过程。

7.用户界面

每个操作系统都有用户界面，即指用来接受用户(进程)的请求并向操作系统的其他部分解释这些请求的程序。一些操作系统的用户界面，比如UNIX,被称为命令解释程序(shell)。在其他操作系统中，则被称为窗口，以指明它是一个由菜单驱动的并有着GUI(图形用户界面)的部件。