操作系统之课后习题——引论

（一）简答题

1.在计算机系统上配置OS的目标是什么？作用主要表现在哪几个方面？

答：

        在计算机系统上配置OS，主要目标是实现：方便性、有效性、可扩充性和开放性；
OS的作用主要表现在以下3个方面：
1）OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口；
2）OS作为计算机系统资源的管理者；
3）OS实现对计算机资源的抽象。

2.试说明OS与硬件、其他系统软件以及用户之间的关系。

答：

        操作系统是覆盖在硬件上的第一层软件，它管理计算机的硬件和软件资源，并向用户提供良好的界面。操作系统直接管理着硬件资源，为用户完成所有与硬件相关的操作，从而极大地方便了用户对硬件资源的使用并提高了硬件资源的利用率。操作系统是一种特殊的系统软件，其他系统软件运行在操作系统的基础之上，可获得操作系统提供的大量服务，即操作系统是其他系统软件与硬件之间的接口。而一般用户使用计算机除了需要操作系统支持以外，还需要用到大量的其他系统软件和应用软件，以使其工作更高效和方便。（硬件、操作系统、其他系统软件、应用程序和用户之间存在着如图1.1所示的层次关系。）

3.试说明推动OS发展的主要动力是什么。

答：

        操作系统的发展是由技术、用户需求、市场趋势和经济因素共同推动的。主要体现在以下方面：

        

硬件的进步:

        计算能力: 随着时间的推移，计算机的处理能力显著增强，操作系统需要能够管理和最大化利用这些增强的能力。

        存储技术: 存储容量的增加和存取速度的提高导致了文件系统和内存管理策略的变化。

        新型硬件: 操作系统必须适应和支持新出现的硬件，例如USB设备、新型的网络适配器或图形处理器。

用户需求与期望的改变:

        易用性: 用户期望更加友好和直观的界面。

        多任务处理: 随着多任务的需求增加，操作系统需要更有效地管理并发和多任务处理。

        安全性: 用户数据的安全和隐私变得越来越重要。

网络和互联网的普及:

        网络功能: 为支持网络通信，操作系统必须具备网络功能和协议。

        远程计算: 支持远程桌面和远程应用程序执行变得重要。

        云计算: 与云服务的集成需要操作系统提供特定的功能和支持。

软件应用的复杂性:

        资源管理: 更复杂的应用程序需要更多的资源，操作系统需要有效地分配和管理这些资源。

        API和服务: 复杂的应用需要更丰富的API和服务。

安全和恶意软件的威胁:

        入侵检测: 随着恶意软件和网络攻击的增加，操作系统需要增强安全性，包括实时入侵检测和响应。

        隔离和沙箱: 为了安全地运行不受信任的代码，沙箱技术变得越来越重要。

移动计算与物联网（IoT）:

        能效: 在移动设备上，操作系统需要高度优化，以实现低功耗和延长电池寿命。

        嵌入式系统: IoT设备可能需要运行特定于任务的轻量级操作系统。

商业和经济因素:

        新技术和创新可能导致新的市场机会或商业模型，这也会驱动操作系统的发展。

考试写法   ：   *资人器体系应用     资人弃提佣

1）计算机系统资源的利用率不断提高；
2）方便用户；
3）器件不断更新换代；
4）计算机体系结构不断发展；
5）新的应用需求不断被提出。

4.在OS中，何谓脱机I/O方式和联机I/O方式？

答:

        脱机 I/O 是指预先将装实用户程序和数据的纸带或卡片装入纸带输入机或卡片机,在外头机的控制下,把纸带或卡片上的数据或程序输入到磁带上。该方式下的输入输出由外头 机控制达成, 是在离开主机的状况下进行的。 而联机 I/O 方式是指程序和数据的输入输出都是在主机的直接控制下进行的。

5.试说明推动分时系统形成和发展的主要动力是什么。

答:

        推动分时系统形成和发展的主要动力是更好地满足用户的需要。

        主要表现在:CPU的分时使用缩短了作业的平均周转时间;人机交互能力使用户能直接控制自己的作业;主机的共享使多用户能同时使用同一台计算机,独立地处理自己的作业。

6.实现分时系统的关键问题是什么？应如何解决。

答：

      实现分时系统的关键问题是使用户能与自己的作业进行交互，即用户在自己的终端上键入一条命令以请求系统服务后，系统能及时地接收并处理该命令，并在用户能够接受的时延内将结果返回的用户。

      及时地接收命令和返回输出结果是比较容易做到的。一般只要在系统中配置一多路卡，并为每个终端配置一个缓冲区用来暂存用户键入的命令和输出的结果就可以了，因此.关键要解决的问题是确保在一较短的时间内，系统中所有的用户程序都能执行1次，从而使用户键入的命令能能有到及时处理。为此，一方面，用户作业提交后应立即进入内存。一方面，系统应设置一个被称为时间片的很短的时间，并规定每个程序每次最长只能连续运行一全时同片，知果时间片用完，则不管它是否运行完毕，都必须将CPU 让给下一个作业。通过任业分时共享CPU，可使所有的作业付到及时的处理，使用户简请求得到及时的响应。

7.为什么要引入实时系统？

答：实时系统是指 系统能及时响应外部事件的请求，在规定的额时间内内完成对时间的处理，并控制所有实时任务协调一致的运行。引入实时系统是为了 更好的满足实时控制领域和实时信息处理领域的需要。

8.什么是HRT任务和SRT任务？试举例说明。

答：

        硬实时任务是指系统必须满足任务对截止时间的要求,否则可能出现难以预测的结果。如运载火箭的控制等。软实时任务是指它的截止时间并不严格,偶尔错过了任务的截止时间,对系统产生的影响不大。举例:网页内容的更新、火车售票系统。

9.试从及时性、交互性及可靠性方面对分时系统与实时系统进行比较。

答：

(1)及时性方面：分时系统的及时性是指用户能在很短时间间隔内获取系统响应，这一时间间隔是根据人们能接受的等待时间来确定的。一般为2~3s。对实时系统来说，及时性是实时系统的关键问题之一，实时信息系统的及时性要求和分时系统的及时性要求相似，而实时控制系统的及时性要求则是由被控制对象所要求的开始截止时间和完成截止时间决定的，一般为秒级，毫秒级，甚至更低。
（2）交互性方面：交互性问题是分时系统的关键问题。在分时系统中用户可以通过终端与系统进行广泛的人机交互，比如文件编辑、数据处理和资源共享等。实时系统也有交互性，但是在实时系统中，交互性仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序，即实时系统的交互性具有很大的局限性。
（2）可靠性方面：可靠性是实时系统的另一个关键问题，实时系统中的任何差错都可能带来巨大的经济损失，甚至导致无法预料的灾难性后果，因此实时系统往往采用多级容错措施来保证系统高度可靠。分时系统也要求可靠，但是相对实时系统而言的要求较低。
 

10.微机OS按运行方式来分，可以分为哪几类？举例说明。

答：

        按照运行方式，微机OS可以分为3类：单用户单任务OS、单用户多任务OS、多用户多任务OS。
（1）单用户单任务OS:只允许一个用户上机（使用计算机），且只允许用户程序作为一个任务运行，主要配置在8位和16位微机上。最具代表性的单用户单任务OS是CP/M（8位）和MS-DOS（16位）。
（2）单用户多任务OS:只允许一个用户上机，但允许用户把程序分成若干个任务并发执行，从而有效地改善了系统性能。最具代表性的单用户多任务OS是微软的早期推出的Windows系列，如Windows3.1、Windows 95、Windows 98等。
（3）多用户多任务OS:允许多个用户通过各自的终端使用一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可以进一步分为若干个任务并发执行，从而进一步提高资源利用率和系统吞吐量。最具代表性的多用户多任务OS是UNIX系统，各种类UNIX系统（如Solaris、Linux系统等）以及Windows NT/Server系列的系统。
 

11.OS具有那几大特征，他们之间有何关系？

答：

OS具有4大基本特征：并发、共享、虚拟、异步。它们有如下4种关系。
（1）并发和共享是OS最基本的特征。为了提高计算机资源利用率，OS必然要采用多道程序技术，使得多个程序共享系统资源、并发执行。
（2）并发和共享互为存在条件。一方面，资源的共享是以程序（进程）的并发执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，就不会存在资源共享方面的问题；另一方面若系统不能对资源共享实施有效的管理，协调好各进程对共享资源的访问，则并将影响程序的并发执行。
（3）虚拟以并发和共享为前提。，OS之所以采用虚拟技术，就是为了使并发进程更方便、更有效地共享系统资源。OS多采用虚拟技术在逻辑上增加CPU和设备的数量以及存储器的数量，从而解决并发进程对有限系统资源的共享问题。
（4）异步性使并发性和共享性的必然结果。OS允许多个并发进程共享资源、相互合作，使得每个进程地运行过程受到了其他进程地制约，不再“一气呵成”，这必然会导致异步性这一特征的产生。
 

12.是什么关系使OS具有异步特征？

答：

OS具有异步特征，而异步是并发和共享地必然结果。 具体可以归纳为以下3个原因。
（1）在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源等因素地限制，进程的执行通常并非一气呵成，而是以走走停停的方式完成的。
（2）内存中的每个进程在何时执行、何时暂停、以怎样的速度向前推进，都是不可预知的。
（3）但是在有关进程控制以及同步机制等的支持下，只要运行环境相同，作业经过多次运行都会获得完全相同的结果，因为异步方式是允许的。

13.所谓OS内核？OS内核的主要功能是什么？

答：

        OS内核定义：在现代OS理论中，一般将OS划分为若干层次，再将OS的不同功能分别设置在不同层次中。通常将一些与硬件紧密相连的模块（如中断程序）、各种常用设备的驱动程序以及运行频率比较高的模块（如时钟管理、进程调度、公共基本操作等）都紧密安排在靠近硬件的模块种，让他们常驻内存，进而形成了所谓的OS内核。
OS内核主要功能：
（1）支撑功能：包括中断处理、时钟管理和原语操作等；
（2）资源管理功能：包括进程管理、存储器管理、设备管理等。

14.何谓原语，何谓原子操作？

答：

        原语，是一个过程，该过程由若干条指令组成没用于完成一定的功能。原子操作，是一个不可分割的基本单位，是指一个操作的所有动作要么全做，要么全部不做。
因此，原语在执行过程中不允许被中断，原子操作在内核态被执行，常驻内存。

15.简要描述处理机的双重工作

答：

 一般地，处理机至少需要两种单独的运行模式：即用户态和内核态。
（1）用户态，又称为目态，计算机硬件可以通过一个模式位1来表示它。当计算机运行用户程序时，系统即处于用户态。
（2）内核态，又称管态或系统态，计算机硬件可以通过一个模式位0来表示它。当OS能够控制计算机时，它就处于内核态。比如，当用户程序通过系统调用请求OS服务时，系统必须从用户态切换到内核态，以响应请求。

16.简述中断处理过程

答：一旦CPU响应中断，系统就会开始进行中断处理。中断处理的过程主要包括以下3步。
（1）保护被中断进程的现场。为了在中断处理结束后能使进程正确返回中断点，系统必须保存当前处理机状态字和程序计数器的值。（保护现场）
（2）分析中断原因，执行相应的中断处理程序。在多个中断请求同时发生时，处理优先级最高的中断源所发出的请求。（执行中断）
（3）恢复被中断进程的现场，CPU继续执行被中断的原进程。（恢复现场）
PS:可以简记为：保护现场—>确认中断向量—>开中断—>执行中断服务程序—>关中断—>恢复现场—>开中断

17.处理机管理有哪些主要功能？他们的主要任务是什么？

答：

        处理机管理的主要功能有4个：进程管理、进程同步、进程通信和处理机调度。其中各部分的主要任务为：
（1）进程管理：为作业创建进程，撤销已结束进程，控制进程在运行中的状态转换。
（2）进程同步：协调多个进程（含线程）的运行。
（3）进程通信：实现在相互合作的进程之间的信息交换。
（4）处理机调度：包括作业调度和进程调度。作业调度是按照一定的算法从后备队列里选出若干个作业，为他们分配运行所需的资源；进程调度是按照一定的算法从进程的就绪队列中选取一个进程，把处理机分配给它，并设置运行现场，使进程投入运行。

18.存储器管理有哪些主要功能？他们的主要任务是什么？

答：

设备管理的主要功能有4个：缓冲管理、设备分配、设备处理和设备虚拟。其中各部分的主要任务为：
（1）完成用户提出的I/O请求，为用户分配进程所需的I/O设备，并完成指定的I/O操作。
（2）提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O速度，方便用户使用I/O设备。

19.设备管理有哪些主要功能？他们的主要任务是什么？

答：

设备管理的主要功能有4个：缓冲管理、设备分配、设备处理和设备虚拟。其中各部分的主要任务为：
（1）完成用户提出的I/O请求，为用户分配进程所需的I/O设备，并完成指定的I/O操作。
（2）提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O速度，方便用户使用I/O设备。

20.文件管理有哪些主要功能？他们的主要任务是什么？

答：

文件管理的主要功能有3个：文件存储空间管理、目录管理、文件读写管理和保护。其主要任务是对用户文件和系统文件进行管理以方便用户使用、保证文件安全。

21.现代OS的新功能有哪些？

答：

现代OS除了具有传统OS的功能外，还具有保障系统安全、支持用户联网获取服务和可处理多媒体信息等功能。

22.什么是微内核OS？它具有哪些优点？

答：

微内核OS是具有如下4个特征的OS：（1）足够小的内核；（2）基于客户/服务器模式；（3）应用策略与机制分离原则；（4）采用面向对象技术。
微内核OS的主要优点有4个：（1）提高了系统的可扩展性；（2）增强了系统的可靠性和可移植性；（3）提供了对分布式系统的支持；（4）融入了面向对象技术。

23.外核OS的基本思想是什么？

答：

     外核OS的基本思想是：内核不提供传统OS中的进程、虚拟存储等抽象事物，而是专注于物理资源的隔离（保护）与复用。具体来说，在基于外核结构的OS中，内核负责保护系统资源，而硬件资源的管理职责则委托给了应用程序，这样，OS就可以做到在保证资源安全的前提下，减少对应用程序的限制，充分满足应用程序对硬件资源的不同需求。

24.什么是系统调用？系统调用与一般用户程序和库函数有何区别？

答 ：

        系统调用是OS提供给程序员的唯一接口。程序员利用系统调用，在源程序层面动态请求和释放系统资源，并调用系统中已有的系统功能来完成那些与机器硬件部分相关的工作以及控制程序的执行速度等。因此，系统调用像一个黑箱子，对用户屏蔽了OS的具体动作，而只提供有关的功能。
        系统调用与一般用户程序和库函数的区别在于3点：（1）系统调用（程序）在内核态执行，调用它们时需要一个类似于硬件中断处理机制的中断处理机制来提供系统服务；（2）普通用户程序是直接为用户完成某特定功能而设计的，它们一般在用户态执行；（3）库函数是把函数放到库里提供别人使用的一种方式，是面向应用开发，方便人们编程的。

（二）计算题

1.设有3道程序A、B、C，它们按照优先次序（A->B->C）顺序执行，它们的计算I/O操作时间如表1-1所示，假设3道程序以串行方式使用相同的设备进行I/O操作，试画出程序运行和多道程序运行的时间关系图，并计算完成3道程序所须花费的时间。

表1-1 时间表

程序	时间
	计算	I/O操作	计算
A	30	40	10
B	60	30	10
C	20	40	20

2.一个多道批处理系统中仅有P1和P2两个作业，P2比P1晚5ms到达， 它们的计算和I/O操作顺序如下：

P1:计算60ms,I/O操作80ms,计算20ms.

P2:计算120ms,I/O操作40ms,计算40ms.

答：

 这道题中，P1和P2是不能同时进行 IO 的，正确的流程为：

①. P1 计算60ms；

②. P1 进行80ms IO（同时P2进行120ms计算）；

③. P2进行 40ms IO（同时 P1进行20ms计算）；

④. P2 进行 40ms 计算。

总计：60+120+40+40=260ms

（三）综合题

1.os的概念、特征和功能是什么？

答：

基本概念：操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，它是计算机系统中最基本的系统软件。

特征：并发，共享，虚拟，随机。

主要功能：操作系统作为用户与计算机硬件之间的接口，要为其上层的用户、应用程序提供简单易用的服务。

2. （考研真题）若某计算问题的执行情况如图 1-14 所示。

则请回答下列问题。
（1）叙述该计算问题中处理机、输入机和打印机是如何协同工作的。
（2）计算在图 1-14所示执行情况下处理机的利用率。
（3）简述处理机利用率不高的原因。
（4）请画出能提高处理机利用率的执行方案。

答：

（1）处理机、输入机和打印机是按照输入→处理→打印的顺序依次执行的，输入机为处理机提供数据，处理机得到数据后进行处理，处理结果通过打印机打印输入。输入机读取一批数据，花费时间为100；处理机对这批数据进行计算，花费时间为20；打印机打印计算结果，花费时间为40。

（2）处理机的利用率=［20/（100+20+40）］×100%=12.5%。

（3）当一道程序在运行中发出I/O请求后，处理机只能处于等待状态，即必须等I/O完成后
才能继续运行，因此处理机会长时间处于空闲状态，这会导致其利用率不高。
（4）采用多道程序设计技术使处理机、输入机和打印机并行工作，可以提高处理机的利用
率，如图所示。