目录

1. 操作系统概述
2. 进程管理
3. 存储管理
4. 文件管理
5. I/O 设备管理
6. 操作系统内核架构
7. 高频易混考点对比速记

一、操作系统概述

1. 操作系统四大核心特征

（1）并发（最核心特征）

同一时间段多个程序交替推进；宏观同时运行，微观分时占用 CPU。

并发：单核 CPU，时间段内交替执行

并行：多核 CPU，同一时刻多个程序同时运行

区分口诀：并发分时段，并行同一刻

（2）共享

并发进程共用软硬件资源，衍生概念临界资源

临界资源：同一时间仅允许 1 个进程访问（打印机、共享变量、摄像头），访问临界资源必须互斥。

（3）虚拟

对物理资源做逻辑抽象、资源扩容，屏蔽硬件限制。

典型案例：虚拟内存、虚拟 CPU、虚拟机。

（4）异步

进程以独立、不可预知的速度推进；异步会导致执行顺序混乱，需要同步 / 互斥机制约束次序。

四者逻辑关系

并发是基础前提 → 产生资源共享；并发必然引发异步问题，依靠同步互斥解决。

2. 操作系统发展阶段（选择高频考点）

手工操作阶段：无操作系统，人机串行，效率极低

批处理阶段

单道批处理：内存仅存放一道程序，CPU 大量空闲

多道批处理：操作系统正式诞生；支持并发，无交互能力

分时操作系统：时间片轮转调度，多用户联机使用，人机交互强（Windows、Linux）

实时操作系统：优先保障及时性、高可靠性；应用于导弹、自动驾驶、工业嵌入式

衍生系统：网络操作系统、分布式操作系统、个人桌面操作系统

二、进程管理（大题核心模块）

1. 进程五大状态（必考）

PCB（进程控制块）：进程唯一标识，存储进程全部管理信息。

状态	核心特点	状态转换规则
创建态	OS 分配资源、初始化 PCB	新建进程请求触发
就绪态	具备运行条件，仅缺少 CPU	调度分配 CPU→运行；时间片耗尽 / 被抢占→退回就绪
运行态	当前正在 CPU 执行指令	时间片到 / 等待 IO 事件→阻塞；进程执行完毕→终止
阻塞态（等待态）	等待 IO、信号等外部事件，有 CPU 也无法运行	等待事件完成→转为就绪
终止态	进程结束，OS 回收资源、销毁 PCB	调用 exit 退出、程序异常终止

易错区分

阻塞态不能直接进入运行态，必须先转入就绪队列；

就绪：缺 CPU；阻塞：缺外部事件。

2. 进程同步与互斥

（1）两类制约关系

互斥（间接制约）

多个进程争抢临界资源，同一时刻仅一个进程访问。

示例：多个进程共用一台打印机。

同步（直接制约）

进程存在固定先后执行顺序，存在数据依赖。

示例：管道通信，必须先写入数据，后读取数据。

产生根源：进程异步推进，执行顺序不可控。

（2）临界区访问四大原则（必背）

空闲让进：无进程占用临界资源，请求进程直接进入

忙则等待：已有进程占用，其余进程阻塞等待

有限等待：进程不会无限阻塞，避免饥饿问题

让权等待：无法进入临界区时主动释放 CPU，禁止忙等

3. 信号量与 P/V 操作（计算题核心）

基础定义

信号量 S：整型变量，代表系统剩余可用资源数量

S > 0：剩余可用资源总数

S = 0：资源全部占用，无等待进程

S < 0：数值绝对值 = 当前阻塞等待该资源的进程数量

P、V 操作均为原语，执行过程不可中断。

P (S)（wait，申请资源）：S = S - 1

资源充足直接进入临界区；资源不足，进程阻塞进入等待队列。

V (S)（signal，释放资源）：S = S + 1

释放资源，若队列存在等待进程，自动唤醒队首进程。

三大使用场景

实现互斥：信号量初值设为 1（二元互斥信号量）

实现同步：控制进程固定先后执行顺序

描述多进程前驱执行关系

4. 死锁

（1）死锁 4 个必要条件（必须同时满足才会产生死锁）

记忆口诀：互斥、不剥夺、请求保持、循环等待

互斥条件：临界资源同一时间仅能被一个进程占用

不剥夺条件：资源仅能由进程主动释放，系统无法强行抢占

请求并保持条件：进程已持有部分资源，申请新资源阻塞时，不释放已有资源

循环等待条件：存在进程 - 资源环形等待链，每个进程持有的资源被下一个进程申请

（2）三大死锁处理策略

死锁预防

思路：主动破坏 4 个必要条件中任意一条，从根源杜绝死锁。

破坏互斥：将临界资源改造为可共享（多数硬件无法实现）

破坏不剥夺：申请资源失败时主动释放全部资源，或系统强制抢占

破坏请求保持：进程一次性申请全部所需资源，要么全分配，要么全不分配

破坏循环等待：统一所有资源申请顺序，强制进程按固定顺序申请

优点：绝对无死锁；缺点：资源利用率低，执行效率差

死锁避免

思路：不破坏必要条件，动态判断资源分配，拒绝进入不安全状态。

经典算法：银行家算法

安全状态：存在完整执行序列，所有进程均可顺利完成；不安全状态存在死锁风险。

优点：资源利用率高于预防；缺点：需要提前预知进程最大资源需求，实现复杂

死锁检测与解除

思路：允许死锁发生，系统定时检测，发现死锁后处理。

检测方式：构建进程资源图，查找环路。

解除手段：①撤销部分死锁进程；②抢占资源分配给其他进程；③进程回滚

优点：资源利用率最高，真实操作系统主流方案；缺点：死锁发生后存在任务丢失、系统开销

三、存储管理

1. 分段存储管理（非连续分配）

逻辑地址格式

段号 S | 段内地址 W

段由程序员划分：代码段、数据段、堆栈段，各段长度不相等。

段表作用

存储内容：段号、段长、段基址（段起始物理地址）

地址变换流程：

拆分逻辑地址，分离段号 S、段内位移 W

使用段号查询段表

越界判断：S≥段表长度 或 W≥当前段长 → 越界中断

物理地址 = 段基址 + 段内地址 W

分段优缺点

优点：便于程序模块化、支持段共享、段保护，符合程序员思维

缺点：动态分配产生大量外部碎片，内存利用率低

1. 分页 VS 分段 核心对比

对比项	分页存储	分段存储
划分主体	操作系统自动划分	用户 / 程序员划分
长度	页面大小固定	各段长度不相等
地址结构	页号 + 页内地址	段号 + 段内地址
碎片类型	仅存在内部碎片	仅存在外部碎片
设计目的	提升内存利用率	满足模块化、共享需求

3. 段页式存储管理（结合分页 + 分段优势）

逻辑地址三层结构

段号 S | 段内页号 P | 页内地址 W

两级查表流程

段表：根据段号找到本段页表起始地址

页表：根据段内页号找到物理块号

物理地址 = 物理块号拼接页内地址

优点：支持分段共享，碎片极少；缺点：单次内存访问需要三次访存，系统开销大

4. 请求分页・四大页面置换算法（计算题高频）

基础概念：内存物理块有限，访问页面不在内存触发缺页中断；内存已满时需要淘汰页面。

OPT 最佳置换算法

淘汰未来最长时间不访问的页面；缺页率最低，理论最优；无法实现，仅作参考标准。

FIFO 先进先出置换算法

淘汰最早装入内存的页面；独有 Belady 异常（内存块增多，缺页次数反而上升）。

LRU 最近最久未使用算法（考试最高频）

淘汰当前时间点之前，最久没有访问的页面；性能接近 OPT，商用系统广泛使用。

CLOCK 时钟置换算法（近似 LRU）

页面附加访问位，环形链表循环扫描；访问位 0 直接淘汰，访问位 1 则清零继续查找；硬件开销小，工程常用。

页面置换通用做题步骤

遍历页面访问序列

页面已在内存：不缺页；LRU 需更新访问时序

页面不在内存（缺页）

内存存在空闲块：直接装入页面

内存已满：按算法规则淘汰一页，装入新页面

统计缺页次数，计算缺页率 = 缺页次数 ÷ 总访问次数

存储碎片速记

连续分配（单一 / 固定 / 动态分区）→ 外部碎片

分页存储 → 内部碎片

分段存储 → 外部碎片

段页式：几乎无碎片

四、文件管理

1. 基础概念

文件：一组有意义信息的集合

文件属性：文件名、大小、存储位置、权限、创建时间等

文件逻辑结构（用户视角）

流式文件（无结构）：文本文件

记录式文件（有结构）：数据库文件

文件物理结构（磁盘存储视角）

连续分配：磁盘块连续存放；随机访问快，易产生外部碎片

链接分配：离散存储，块内存储下一块指针；无碎片，仅适合顺序访问

索引分配：独立索引块存储数据块地址；支持随机访问，占用额外索引空间（最常考）

2. 文件目录 & FCB

FCB（文件控制块）：存储单个文件全部管理信息，FCB 存在则文件存在。

文件目录：大量 FCB 集合，核心目标：实现按名存取。

一级目录：系统一张目录表，文件不能重名，查找速度慢

二级目录：主目录 + 用户目录，不同用户文件可同名

多级树形目录（Windows/Linux 通用）

绝对路径：从根目录出发完整路径，全局唯一

相对路径：从当前工作目录出发访问文件

3. 磁盘空闲空间 4 种管理方式

空闲区表：记录连续空闲磁盘区域；适配连续分配，碎片多时表格庞大

位示图法：二进制位图，1 代表占用、0 代表空闲；占用空间固定，计算题高频

空闲块链：空闲块通过指针串联；分配需遍历链表，效率偏低

成组链接法（UNIX 专用）：空闲块分组管理，每组首块记录下一组信息；兼顾空间与效率

五、I/O 设备管理

1. I/O 设备分类

按使用特性：人机交互设备、存储设备、网络通信设备

按传输速率：低速、中速、高速设备

按信息交换单位：块设备、字符设备

2.四大 I/O 控制方式（CPU 干预逐步减少）

控制方式	核心特点	传输单位	优缺点
程序直接控制（轮询）	CPU 持续轮询设备状态，全程占用 CPU	字	逻辑简单；CPU 利用率极低
中断驱动方式	I/O 发起后 CPU 并行运算，传输完成发中断通知	字	释放部分 CPU；单次仅传 1 字，中断频繁
DMA 直接存储器访问	CPU 仅初始化，整块数据由 DMA 搬运，结束才中断	块	大幅减少 CPU 干预；单次仅处理连续块
通道控制方式	独立硬件执行通道程序，自主完成批量 I/O	一组块	CPU 干预最少；硬件成本高，多用于大型机

六、操作系统内核架构

1. 单体内核

核心逻辑：文件系统、驱动、图形模块全部运行在内核态、同一地址空间。

代表系统：Linux

优点：无频繁进程切换，通信开销小，运行效率高

缺点：内核庞大难裁剪；单一模块崩溃会导致整机宕机，安全性差

2. 微内核

核心逻辑：内核仅保留基础调度功能；驱动、文件系统、图形服务全部运行在用户态进程。

代表系统：Minix、QNX

优点：内核精简易移植；服务相互隔离，单个服务故障不宕机；适配分布式系统

缺点：用户态 / 内核态频繁切换，进程通信开销大，整体效率低于单体内核

七、全书高频坑点速记

并发≠并行；并发单核，并行多核

就绪缺 CPU，阻塞缺事件，阻塞不能直接到运行态

P 操作 S 减 1，V 操作 S 加 1；P 可能阻塞，V 可能唤醒

死锁 4 条件必须同时成立，破坏任意一条即可避免死锁

FIFO 独有 Belady 异常；OPT 无法实现；LRU 计算题最多

分页：内部碎片；分段：外部碎片

页面置换仅属于请求分页，基础分页无置换操作

文件逻辑结构 = 用户视角；物理结构 = 磁盘存储视角

DMA 传输单位是块，中断 / 轮询传输单位是字