2016系统架构师考试知识点总结

12016系统架构师考试知识点总结21操作系统操作系统是计算机系统中的核心系统软件，负责管理和控制计算机系统中硬件和软件资源，合理组织计算机工作流程和有效利用资源，在计算机与用户之间起接口的作用1.1操作系统的类型操作系统的类型（依据使用环境和对作业的处理方式）分为批处理、分时、实时、网络和分布式等。1、批处理：把作业分类，把一批作业编成一个作业执行序列。可分联机和脱机。特征为脱机使用计算机、成批处理和多道程序运行。2、分时：采用分时技术，使多个用户同时以会话控制自己程序的运行，每个用户都认为拥有各自独立的、支持自己请求服务的系统。特征有交互性、多用户同时性和独立性。3、实时：专用，系统与应用难分离。并不强调资源利用率，更关心及时性、可靠性和完整性。分实时过程控制和实时信息处理。特征有即时响应、高可靠性。4、网络：按网络架构的各个协议标准制订，包括网络管理、通信、资源共享、系统安全和多种网络应用，实现协同工作和应用集成。特征有互操作性、协作处理。5、分布式：要求一个统一的操作系统，实现系统操作的统一性，负责全系统的资源分配和调度，为用户提供统一的界面。6、操作系统的5项基本功能，包括处理器管理、存储管理、设备管理、文件管理和作业管理。1.2操作系统的结构结构分为无序、层次、面向对象、对称多处理和微内核。1、无序：又称整体或模块结构。以大型表格和队列为中心，操作系统各个部分围绕着表格运行，整个系统是一个程序。模块结构相对独立，模块之间通过规定的接口相互调用。优点为缩短开发周期。缺点是模块之间调用关系复杂、相互依赖，使分析、移植和维护系统较易出错。2、层次：操作系统分解成若干个单向依赖的层次，由多层正确性保证操作系统的可靠性。优点层次结构清晰，简化了接口设计，有利于系统功能的增加或删改，易于保证可靠性，便于维护和移植。3、面向对象：基于面向对象程序设计的概念，采用了各种不同的对象技术。把对象最为系统中的最小单位，由对象、对象操作、对象保护组成的操作系统。优点适用于网络操作系统和分布式操作系统。4、对称多处理：所有多处理运行且共享同一内存（内存储器、主存、实存）。优点适合共享存储器结构的多处理机系统。5、微内核：把系统的公共部分抽象出来，形成一个底层核心，提供最基本的服务，其他功能以服务器形式建立在微内核之上。具有良好的模块化和结构化特征，模块之间和上下层之间通过消息来通信。操作系统大多拥有两种工作状态：核心态和用户态。一般的应用程序工作在用户态，内核模块和最基本的操作系统核心工作在核心态。微内核结构由一个简单的硬件抽象层和一组比较关键的原语（仅仅为建立系统必须的部分，包括线程管理、地址空间和进程间通信）或系统调用组成。微内核的目标将系统服务的实现和系统的基本操作规则分离开来。3微内核技术的优点：（1）统一的接口；（2）可伸缩性好；（3）可移植性好；（4）实时性好；（5）安全可靠性高，安全是微内核的特性；（6）支持分布式系统、支持多处理器的架构和高度并行的应用程序；（7）真正面向对象的操作系统。1.3处理器管理程序的并行运行就涉及到资源的竞争使用，就需要管理其核心资源。1.3.1进程状态进程是一个程序关于某个数据集的一次运行。进程是程序的一次运行活动，动态的概念，而程序是静态概念，是指令的集合。进程具有动态性和并发性，程序是进程运行时所对应的运行代码。在操作系统中进程是进行系统分配、调度和管理的最小单位，线程是处理器分配资源的最小单位。静态的观点看，进程是程序、数据和进程控制块组成，动态观点看，进程是计算机状态的一个有序集合。进程状态总体分为为三态模型和五态模型。1、三态模型（所有进程在内存中）包括运行、就绪和等待态。运行态就绪态，运行时间片到；出现更高优先权进程。运行态等待态，等待使用资源，如等待外设传输；等待人工干预。就绪态运行态，CPU空闲时选择一个就绪进程；等待态就绪态，资源得到满足，如外设传输结束；人工干预完成。2、五态模型：包括运行、活跃就绪、活跃阻塞、静止就绪和静止阻塞。1.3.2信号量和PV操作操作系统中，进程之间存在互斥和同步。1、互斥控制是为了保护共享资源，不让多个进程同时访问这个共享资源。就是阻止多个进程同时访问这些资源的代码段（临界区），一次只允许一个进程访问的资源。初始值信号量S应该设置为1.2、同步控制进程A在另一个进程B到达指定位置L2之前，不应前进到超过点L1。初始值信号量S应该设置为03、生产者-消费者问题不仅要解决生产者进程与消费者进程的同步关系，还要处理缓冲区的互斥关系。1.3.3死锁问题死锁是指多个进程之间互相等待对方的资源，而在得到对方资源之前又不释放自己的资源，这样，造成循环等待的一种现象。1、死锁发生的必要条件产生死锁的根本原因在于系统提供的资源个数少于并发进程要求的该类资源数。产生死锁有4个必要条件：互斥条件、不可抢占条件、保持与等待条件（部分分配条件）、循环等待条件。2、银行家算法指在分配资源之前先看清楚，资源分配后是否会导致系统死锁。如果会死锁，则不分配，否则就分配。3、解决死锁的策略（1）死锁预防。破坏导致死锁必要条件中的任意一个就可以预防死锁。（2）死锁避免。指进程在每次申请资源时判断这些操作是否安全。（3）死锁检测。判断系统是否处于死锁状态，如果是，则执行死锁解除策略。4（4）死锁解除。将某进程所拥有的资源强行收回，分配给其他的进程。1.3.4管程与线程1、管程由管程名、局部子管程的变量说明、使用共享资源并在数据集上进行操作的若干过程，对变量赋初值的语句等4个基本部分组成。每一个管程管理一个临界资源。2、线程可共享进程的资源与地址空间，通过线程的活动，进程可以提供多种服务或实行子任务并行。多线程实现的并行避免了进程间并行的缺点：创建线程的开销比创建进程要小，同一进程的线程共享进程的地址空间。1.4文件管理对外部存储设备上以文件方式存放的信息的管理。用户通过对文件的访问（读写）来完成对文件的查找、修改、删除和添加等操作。常用的访问方法有两种，即顺序访问和随机访问。1.4.1文件的逻辑组织逻辑结构是用户可见的结构。文件的逻辑结构可以分为无结构的字符流文件和有结构的记录文件（格式文件）两种。记录文件由记录组成，即文件内容划分为多个记录，以记录为单位组织和使用信息。常用的记录式结构有连续结构、多重结构、转置结构和顺序结构。用户通过对文件的存取来完成对文件的修改、追加和搜索等操作，常用的存取方法有顺序存取法、随机存取法（直接存取法）和按键存取法。1.4.2文件的物理组织文件的物理结构是指文件在存储设备上的存储方法，常用的文件物理结构有连续文件（顺序文件）、串联文件（链接文件）和索引文件。1.4.3树形目录结构文件控制块的集合被称为文件目录，文件目录被组织成文件，叫目录文件。文件管理的一个重要的方面是对文件目录进行组织和管理。文件系统一般采用一级目录结构、二级目录、多级目录结构。DOS、UNIX和WINDOWS都是采用多级树形目录结构。路径是指从树形目录中的某个目录层次到某个文件的一条道路。1.4.4存储空间管理文件存储设备的管理实质上是对空闲块的组织和管理问题，包括空闲块的组织、空闲块的分配与空闲块的回收等问题。存储管理方法有：1、空闲表法；2、空闲链表法（包括空闲盘块链、空闲盘区链）；3、位图法；（4）成组连接法（将空闲表和空闲链表结合形成的一种空闲盘块管理方法）。1.5存储管理虚拟存储技术，即在内存中保留一部分程序或数据，在外存中放置整个地址空间的副本。虚拟存储技术是一种性能非常优越的存储器管理技术，被广泛地应用于大、中、小型及微型机中。1.5.1地址变换用户编程所用的地址（虚地址），实际的内存地址则称为物理地址（实地址）。每次访问内存时都要进行逻辑地址到物理地址的转换，这种转换由硬件完成的，而内存和外存间的信息动态调度是硬件和操作系统两者配合完成的。51、静态重定位：在虚空间程序执行之前由装配程序完成地址映射工作。优点：不需要硬件的支持；缺点：无法实现虚拟存储器，必须占用连续的内存空间且难以做到程序和数据的共享。2、动态重定位：在程序执行过程中，在CPU访问内存之前，将要访问的程序或数据地址转换为内存地址。动态重定位依靠硬件地址变换机制完成，其优点主要是可以对内存进行非连续分配；提供了虚拟存储器的基础；有利于程序段的共享。1.5.2存储组织虚拟存储器分为单一连续分区、固定分区、可变分区、可重定位分区、非请求页式、请求页式和段页式7种。常见的虚存组织项目段式管理页式管理段页式管理划分方式段（不定长）每个作业一张段表页(定长)每个进程一张页表先将内存分为等长页，每个作业一张段表（通常有一个基号指向它），每段对应一组页表。虚地址(s,d),即（段号，段内偏移）(p,d),即（页号，页内偏移）(s,p,d)即（段号，段内页号，页内偏移）虚实转换段表内找出起始地址，然后+段内偏移页表内找出起始地址，然后+页内偏移先在段表中找到页表的起始地址，然后在页表中找到起始地址，最后+页内偏移主要优点简化了任意增长和收缩的数据段管理，利于进程间共享过程和数据消除了页外碎片结合了段与页的优点，便于控制存取访问主要缺点段外碎片降低了利用率存在页内碎片增长复杂度，增加硬件存在页内碎片在现行的虚存组织方面，最常见的段页式管理，在进行实地址转换时，可以采用的公式如下：（（（x）+s）+p）*2^n+d,其中x为基号,s段号,p页号,d为页内偏移,n的值为d的总位数。(x)表示x里的内容。1.5.3存储管理在虚拟存储器的管理中，涉及到载入（调入）、放置（放入分区）和置换等问题1、调入策略：何时将一页或一段从外存中调入内存，通常有两种策略，包括请求调入法和先行调入法。2、放置策略：调入后，放在内存的什么位置。3、置换策略：实际内存小于虚存的，可能发生内存中已满，但需要使用的页不在内存中这一情况（缺页中断），就需要进行置换，即将一些内存中的页淘汰到外存，腾出空间给要使用的页。4、置换算法：（1）最优OPT算法：淘汰不再使用或将来才使用的页；（2）随机Rand算法，随机的选择淘汰的页，开销很小，但可能选中立即就要使用的页；（3）先进先出FIFO算法：可能会出现Belady现象；（4）最近最少使用LRU算法5、存储管理局部性原理分时间局部性和空间局部性。时间局部性指最近访问存储位置，很可能在不久将来还要访问；空间局部性指存储访问有成组的倾向，当访问了某个位置后，很可能也要访问其附近的位置。根据局部性原理的特征性，Denning阐述了程序性能的工作集理论。工作集是进程频繁访问的页面集合。工作集理论指出，为使进程有效地运行，它的页面工作集中、应驻留内存中。6控制颠簸的技术还有控制缺页率。1.6作业管理操作系统中用来控制作业的进入、执行和撤销的一组程序称为作业管理程序。在作业管理中，系统为每一个作业建立一个作业控制模块jcb，系统通过jcb感知作业的存在。JCB包括的主要内容有作业名、作业状态、资源要求、作业控制方式、作业类型以及作业优先权。1.6.1作业状态一个作业从交给计算机系统到执行结束退出系统，一般都要经历提交、后备、执行和完备4个状态。1.6.2作业调度1、处理器调度分为三级调度，即低级调度、中级调度和高级调度。2、低级调度（进程调度）：确定处理器在就绪进程间的分配；中级调度（交换调度）：决定进程在内、外存之间的调入、调出；高级调度（作业调度）：选取一个或一组作业，为它们建立进程，分配必要的资源，使它们能够运行起来。3、作业调度主要完成从后备状态到执行状态的转变，及从执行状态到完成状态的转变。4、作业调度算法有如下几种：（1）先来先服务FCFS；（2）短作业优先SJF；（3）响应比高者优先HRN=1+W/T；（4）优先级调度。1.7设备管理设备管理程序提供的功能：（1）提供和进程管理系统的接口；（2）进行设备分配；（3）实现设备和设备、设备和CPU等之间的并行操作；（4）进行缓冲区管理。1.7.1数据传输控制方式在计算机中，I/O系统可以有5个不同的工作方式，分别为程序控制方式、程序中断方式