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计算机基础 · 考点总结

综合整理自: 操作系统概述、存储管理、文件系统、磁盘管理

知识图谱

计算机基础
├── 1. 操作系统基础
│   ├── 操作系统作用
│   ├── 分时 / 实时 / 网络操作系统
│   └── 用户、应用、硬件之间的接口
├── 2. 进程管理 ⭐⭐⭐
│   ├── 进程状态转换
│   ├── 进程与线程
│   ├── 同步与互斥
│   ├── 临界资源
│   └── PV 操作
├── 3. 死锁与银行家算法 ⭐⭐
│   ├── 死锁概念
│   ├── 死锁必要条件
│   └── 安全状态判断
├── 4. 存储管理 ⭐⭐
│   ├── 页式存储
│   ├── 段式存储
│   └── 段页式存储
├── 5. 文件系统 ⭐⭐
│   ├── 索引文件
│   ├── 直接索引
│   ├── 一级间接索引
│   └── 二级间接索引
└── 6. 磁盘管理 ⭐⭐
    ├── 存取时间
    ├── 磁盘读取时间
    └── 磁盘移臂调度算法

一、操作系统基础

1.1 操作系统的作用

操作系统是计算机系统中最核心的系统软件。

作用	说明
管理资源	管理硬件、软件、数据资源
控制程序运行	负责进程调度、内存分配、I/O 控制
人机接口	为用户提供命令、图形界面等操作方式
软硬件接口	为应用程序屏蔽硬件细节，提供系统调用

一句话： 操作系统向下管理硬件，向上服务应用。

1.2 特殊操作系统

类型	核心特点	关键词
分时操作系统	采用时间片轮转，为多个用户服务	多路性、独立性、及时性
实时操作系统	必须在规定时间内响应	时间约束、实时控制
网络操作系统	提供网络通信和资源共享能力	共享资源、网络服务

易考点：

分时系统强调多个用户共享系统资源。
实时系统强调在规定时间内完成响应。
网络操作系统强调网络资源共享和网络服务。

二、进程管理 ⭐⭐⭐

2.1 进程状态转换

进程常见三态：

状态	含义
运行态	正在 CPU 上执行
就绪态	已具备运行条件，只等 CPU
等待态 / 阻塞态	等待某个事件发生，暂时不能运行

状态转换：

就绪态 --调度--> 运行态
运行态 --时间片到--> 就绪态
运行态 --等待事件--> 等待态
等待态 --事件发生--> 就绪态

易错点： 等待态不能直接进入运行态，必须先变成就绪态，再由调度程序分配 CPU。

2.2 进程与线程

对比项	进程	线程
定义	资源分配的基本单位	CPU 调度的基本单位
拥有资源	拥有独立地址空间和资源	共享进程资源
切换开销	较大	较小
通信方式	进程间通信较复杂	同进程线程共享内存，通信方便
安全性	相互隔离较强	一个线程异常可能影响整个进程

记忆要点：

进程管资源，线程管执行。

2.3 同步与互斥

概念	含义	关系类型
互斥	多个进程竞争同一临界资源，同一时刻只允许一个进程访问	间接制约
同步	多个进程为了协作，需要按照一定先后顺序执行	直接制约

临界资源：一次只允许一个进程访问的资源，例如打印机、共享变量、共享文件。

临界区：进程中访问临界资源的那段代码。

2.4 信号量与 PV 操作

信号量可以表示资源数量：

S > 0：可用资源数量
S = 0：没有可用资源
S < 0：等待该资源的进程数量

操作	含义	本质
`P(S)`	申请资源 / 等待	`S--`
`V(S)`	释放资源 / 通知	`S++`

记忆：

P = 申请资源，可能阻塞
V = 释放资源，可能唤醒

2.5 前驱图与 PV 操作

前驱图表示任务之间的先后关系。

图中关系	PV 操作思路
A 指向 B	A 是 B 的前驱，B 是 A 的后继
A 执行完	对后继关系执行 `V`，通知后继
B 执行前	对前驱关系执行 `P`，检查前驱是否完成

技巧：

有几个箭头，就通常对应几个同步信号量。
有后继就 V，有前驱就 P。
用于同步的信号量初值一般为 0。

三、死锁与银行家算法 ⭐⭐

3.1 死锁概念

死锁：多个进程因竞争资源而相互等待，导致每个进程都在等待一个不可能发生的事件。

3.2 死锁的四个必要条件

条件	含义
互斥条件	资源一次只能被一个进程使用
请求与保持条件	进程已占有资源，同时又请求新资源
不剥夺条件	进程已获得的资源不能被强行剥夺
循环等待条件	存在进程资源的循环等待链

考点： 只要破坏四个必要条件中的任意一个，就可以预防死锁。

3.3 银行家算法

银行家算法用于避免死锁，核心思想是：系统只在分配后仍处于安全状态时才真正分配资源。

基本规则：

进程最大需求量不能超过系统资源总数。
进程可以分期请求资源。
总请求数不能超过最大需求量。
若当前资源不能满足安全分配，则可以推迟请求。

常见变量：

名称	含义
`Max`	进程对资源的最大需求
`Allocation`	已经分配给进程的资源
`Need`	进程还需要的资源
`Available`	系统当前可用资源

核心公式：

Need = Max - Allocation

安全性判断思路：

找到一个 Need <= Available 的进程。
假设该进程顺利执行完成并释放资源。
更新 Available = Available + Allocation。
重复直到所有进程都能完成。
如果能找到完整安全序列，则系统安全。

四、存储管理 ⭐⭐

4.1 页式存储

页式存储：把程序和内存划分为大小相同的块，以页为单位把程序调入内存。

优点	缺点
内存利用率高	增加系统开销
碎片小	可能产生抖动
分配和管理简单	不符合用户逻辑结构

关键词： 页大小固定，逻辑地址分为页号和页内地址。

4.2 段式存储

段式存储：按照用户作业中的自然段划分逻辑空间，例如代码段、数据段、堆栈段。

优点	缺点
便于程序共享	内存利用率较低
便于保护	容易产生外部碎片
符合用户逻辑结构	管理复杂

关键词： 段长度可变，符合程序逻辑结构。

4.3 段页式存储

段页式存储：先分段，再分页。一个程序有多个段，每个段再划分为多个页。

优点	缺点
空间浪费小	系统复杂性增加
存储共享容易	管理开销增加
存储保护容易	占用空间增加
能动态链接	执行速度可能下降

4.4 三种存储方式对比

对比项	页式	段式	段页式
划分依据	物理等长页	逻辑功能段	先逻辑分段，再物理分页
大小	页大小固定	段长可变	段可变，页固定
碎片	内部碎片	外部碎片	内部碎片较小
用户可见性	用户不易感知	用户可见	用户可见段，系统管理页
主要优势	管理简单、利用率高	共享和保护方便	兼顾页式和段式优点

五、文件系统 ⭐⭐

5.1 索引文件

索引文件通过索引节点记录文件数据块的位置。

常见索引方式：

类型	指向内容	作用
直接索引	直接指向数据块	访问小文件快
一级间接索引	指向一个地址块，地址块再指向数据块	扩大文件大小
二级间接索引	指向一级间接索引块	支持更大文件

5.2 索引文件计算

已知：

物理块大小 = 1KB = 1024B
地址项长度 = 4B

一个索引块可存放地址项数量：

1024 / 4 = 256

如果有 10 个直接索引项：

索引类型	可指向数据块数量	可表示文件大小
直接索引	`10`	`10 × 1KB = 10KB`
一级间接索引	`256`	`256 × 1KB = 256KB`
二级间接索引	`256 × 256`	`65536 × 1KB = 65536KB`

总文件大小：

10KB + 256KB + 65536KB = 65802KB

答题套路：

先算一个索引块能放多少地址项。
直接索引：索引项个数 × 块大小。
一级间接：地址项数 × 块大小。
二级间接：地址项数 × 地址项数 × 块大小。
多级索引总容量相加。

5.3 位示图

位示图：用每一个 bit 表示一个磁盘块是否空闲。

位值	含义
`0`	空闲
`1`	占用

如果机器字长为 16 位，则一个字可以表示 16 个磁盘块的使用情况。

六、磁盘管理 ⭐⭐

6.1 磁盘存取时间

磁盘存取时间主要包括：

存取时间 = 寻道时间 + 旋转延迟时间 + 传输时间

时间	含义
寻道时间	磁头移动到目标磁道所需时间
旋转延迟时间 / 等待时间	等待读写扇区旋转到磁头下方所需时间
传输时间	真正读写数据所需时间

考试简化： 有些题会把存取时间简化为 寻道时间 + 等待时间，具体按题目条件计算。

6.2 磁盘移臂调度算法

算法	全称	思想	特点
FCFS	先来先服务	按请求到达顺序服务	公平，效率可能较低
SSTF	最短寻道时间优先	优先服务离当前磁头最近的请求	平均寻道短，可能饥饿
SCAN	扫描算法 / 电梯算法	磁头按一个方向移动，沿途服务请求，到端点再反向	兼顾效率与公平
CSCAN	循环扫描算法	只沿一个方向服务，到端点后快速回到起点	等待时间更均匀