计算机操作系统汤小丹等第三版课后答案16部分版解析.docx
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计算机操作系统汤小丹等第三版课后答案16部分版解析
第一章操作系统引论
1.设计现代OS的主要目标是什么?
方便性，有效性，可扩充性和开放性.
2.OS的作用可表现为哪几个方面?
a.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口；
b.OS作为计算机系统资源的管理者；
c.OS实现了对计算机资源的抽象.
3．为什么说OS实现了对计算机资源的抽象？
答：
OS首先在裸机上覆盖一层I/O设备管理软件，实现了对计算机硬件操作的第一层次抽象；在第一层软件上再覆盖文件管理软件，实现了对硬件资源操作的第二层次抽象。
OS通过在计算机硬件上安装多层系统软件，增强了系统功能，隐藏了对硬件操作的细节，由它们共同实现了对计算机资源的抽象。
4．试说明推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是什么？
答：
主要动力来源于四个方面的社会需求与技术发展：
（1）不断提高计算机资源的利用率；
（2）方便用户；
（3）器件的不断更新换代；（4）计算机体系结构的不断发展。
5．何谓脱机I/O和联机I/O？
答：
脱机I/O是指事先将装有用户程序和数据的纸带或卡片装入纸带输入机或卡片机，在外围机的控制下，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围机控制完成，是在脱离主机的情况下进行的。
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。
7.实现分时系统的关键问题是什么?
应如何解决?
a.关键问题：
使用户能与自己的作业进行交互，即当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。
b.解决方法：
------对于及时接收，只需在系统中设置一多路卡，使主机能同时接收用户从各个终端上输入的数据；此外，还须为每个终端配置一个缓冲区，用来暂存用户键入的命令（或数据）。
------对于及时处理，应使所有的用户作业都直接进入内存，并且为每个作业分配一个时间片，允许作业只在自己的时间片内运行，这样在不长的时间内，能使每个作业都运行一次。
8.为什么要引入实时操作系统？
9.什么是硬实时任务和软实时任务？
试举例说明。
10.试从交互性、及时性以及可靠性方面将分时系统与实时系统进行比较。
12.试在交互性，及时性和可靠性方面，将分时系统与实时系统进行比较.
a.分时系统是一种通用系统，主要用于运行终端用户程序，因而它具有较强的交互能力；而实时系统虽然也有交互能力，但其交互能力不及前。
b.实时信息系统对实用性的要求与分时系统类似，都是以人所能接收的等待时间来确定；而实时控制系统的及时性则是以控制对象所要求的开始截止时间和完成截止时间来确定的，因此实时系统的及时性要高于分时系统的及时性。
c.实时系统对系统的可靠性要求要比分时系统对系统的可靠性要求高。
13.OS具有哪几大特征?
它的最基本特征是什么?
a.并发性、共享性、虚拟性、异步性。
b.其中最基本特征是并发和共享。
（最重要的特征是并发性）
14.是什么原因使操作系统具有异步性特征?
在多道程序环境下允许多个进程并发执行，但由于资源等因素的限制，
进程的执行通常并非一气呵成，而是以走走停停的方式运行。
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，每道程序总共需要多
少时间才能完成，都是不可预知的，因此导致作业完成的先后次序与进入内
存的次序并不完全一致。
或者说，进程是以异步方式运行的。
但在有关进程
控制及同步机制等的支持下，只要运行环境相同，作业经多次运行，都会获
得完全相同的结果，因而进程以异步的方式执行是系统所允许的。
15．处理机管理有哪些主要功能？
它们的主要任务是什么？
答：
处理机管理的主要功能是：
进程管理、进程同步、进程通信和处理机调度；进程管理：
为作业创建进程，撤销已结束进程，控制进程在运行过程中的状态转换。
进程同步：
为多个进程（含线程）的运行进行协
调。
通信：
用来实现在相互合作的进程之间的信息交换。
处理机调度：
（1）作业调度。
从后备队里按照一定的算法，选出若干个作业，为他们分配运行所需的资源（首选是分配内存）。
（2）进程调度：
从进程的就绪队列中，按照一定算法选出一个进程，把处理机分配给它，并设置运行现场，使进程投入执行。
16．内存管理有哪些主要功能?
他们的主要任务是什么？
答：
内存管理的主要功能有：
内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充。
内存分配：
为每道程序分配内存。
内存保护：
确保每道用户程序都只在自己的内存空间运行，彼此互不干扰。
地址映射：
将地址空间的逻辑地址转换为内存空间与对应的物理地址。
内存扩充：
用于实现请求调用功能，置换功能等。
17．设备管理有哪些主要功能？
其主要任务是什么？
答：
主要功能有:
缓冲管理、设备分配和设备处理以及虚拟设备等。
主要任务:
完成用户提出的I/O请求，为用户分配I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；以及方便用户使用I/O设备.
18．文件管理有哪些主要功能？
其主要任务是什么？
答：
文件管理主要功能：
文件存储空间的管理、目录管理、文件的读/写管理和保护。
文件管理的主要任务：
管理用户文件和系统文件，方便用户使用，保证文件安全性。
20．在微内核OS中，为什么要采用客户/服务器模式？
答：
C/S模式具有独特的优点：
⑴数据的分布处理和存储。
⑵便于集中管理。
⑶灵活性和可扩充性。
⑷易于改编应用软件。
21．试描述什么是微内核OS。
答：
（1）足够小的内核;
（2）基于客户/服务器模式;（3）应用机制与策略分离原理;（4）采用面向对象技术。
23．何谓微内核技术？
在微内核中通常提供了哪些功能？
答：
把操作系统中更多的成分和功能放到更高的层次（即用户模式）中去运行，而留下一个尽量小的内核，用它来完成操作系统最基本的核心功能，称这种技术为微内核技术。
在微内核中通常提供了进程（线程）管理、低级存储器管理、中断和陷入处理等功能。
24．微内核操作系统具有哪些优点？
它为何能有这些优点？
答：
（1）提高了系统的可扩展性;
（2）增强了系统的可靠性;（3）可移植性;（4）提供了对分布式系统的支持（5）融入了面向对象技术
第二章进程管理
1.什么是前趋图？
为什么要引入前趋图？
答：
前趋图（PrecedenceGraph）是一个有向无循环图，记为DAG（DirectedAcyclicGraph），用于描述进程之间执行的前后关系。
2.试画出下面4条语句的前趋图:
S1:
a:
=x+y;
S2:
b:
=z+1;
S3:
c:
=a-b;
S4:
w:
=c+1;
3.为什么程序并发执行会产生间断性特征？
程序在并发执行时，由于它们共享系统资源，以及为完成同一项任务而相互合作，致使在这些并发执行的进程之间，形成了相互制约的关系，从而也就使得进程在执行期间出现间断性。
4.程序并发执行时为什么会失去封闭性和可再现性？
因为程序并发执行时，是多个程序共享系统中的各种资源，因而这些资源的状态是由多个程序来改变，致使程序的运行失去了封闭性。
而程序一旦失去了封闭性也会导致其再失去可再现性。
5.在操作系统中为什么要引入进程概念？
它会产生什么样的影响?
为了使程序在多道程序环境下能并发执行，并能对并发执行的程序加以控制和描述，从而在操作系统中引入了进程概念。
影响:
使程序的并发执行得以实行。
6.试从动态性，并发性和独立性上比较进程和程序?
a.动态性是进程最基本的特性，可表现为由创建而产生，由调度而执行，因得不到资源而暂停执行，以及由撤销而消亡，因而进程由一定的生命期；而程序只是一组有序指令的集合，是静态实体。
b.并发性是进程的重要特征，同时也是OS的重要特征。
引入进程的目的正是为了使其程序能和其它建立了进程的程序并发执行，而程序本身是不能并发执行的。
c.独立性是指进程实体是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统中独立获得资源和独立调度的基本单位。
而对于未建立任何进程的程序，都不能作为一个独立的单位来运行。
7.试说明PCB的作用?
为什么说PCB是进程存在的唯一标志?
a.PCB是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的记录型数据结构。
PCB中记录了操作系统所需的用于描述进程情况及控制进程运行所需的全部信息。
因而它的作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（含数据），成为一个能独立运行的基本单位，一个能和其它进程并发执行的进程。
b.在进程的整个生命周期中，系统总是通过其PCB对进程进行控制，系统是根据进程的PCB而不是任何别的什么而感知到该进程的存在的，所以说，PCB是进程存在的唯一标志。
11.试说明进程在三个基本状态之间转换的典型原因.
a.处于就绪状态的进程，当调度程序为之分配了处理机后，该进程便由就绪状态变为执行状态。
b.当前进程因发生某事件而无法执行，如访问已被占用的临界资源，就会使进程由执行状态转变为阻塞状态。
c.当前进程因时间片用完而被暂停执行，该进程便由执行状态转变为就绪状态。
12.为什么要引入挂起状态？
该状态有哪些性质？
a.引入挂起状态主要是出于4种需要（即引起挂起的原因）:
终端用户的请求，父进程请求，负荷调节的需要，操作系统的需要。
b.被挂起的进程是处于静止状态，并且不能直接被处理机调度。
17.为什么进程在进入临界区之前应先执行“进入区”代码？
而在退出前又要执行“退出区”代码？
为了实现多个进程对临界资源的互斥访问，必须在临界区之前加一段用于检查临界资源是否正在被访问的代码，如未被访问，该进程可进入临界区对此临界资源进行访问；如正被访问，则该进程不能进入临界区访问临界资源。
在退出临界区后，执行恢复访问标志的代码为“退出区”，而在退出前执行“退出区”代码主要是为了使其它进程能再访问此临界资源。
18.同步机构应遵循哪些基本准则？
为什么？
a.空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待四条准则
b.为实现进程能互斥地进入到自己的临界区
19.试从物理概念上说明记录型信号量wait和signal。
Wait（S）：
当S.value>0时，表示目前系统中这类资源还有可用的，执行一次wait操作，意味着进程请求一个单位的该类资源，是系统中可供分配的该类资源减少一个，因此描述为S.value:
=S.value-1；当S.value<0时，表示该类资源已分配完毕，因此进程应调用block原语，进行自我阻塞，放弃处理机，并插入到信号量链表S.L中。
Signal（S）：
执行一次signal操作，意味着释放一个单位的可用资源，使系统中可供分配的该类资源数增加一个，故执行S.value:
=S.value+1操作。
若加1后S.value≤0，则表示在该信号量链表中，仍有等待该资源的进程被阻塞，因此应调用wakeup原语，将S.L链表中的第一个等待进程唤醒。
22.试写出相应的程序来描述图2-17所示的前驱图。
a.Vara,b,c,d,e,f,g,h;semaphore:
=0,0,0,1,0,0,0,0;
begin
parbegin
beginS1;signal（a）;signal（b）;end;
beginwait（a）;S2;signal（c）;signal（d）;end;
beginwait（b）;S3;signal（e）;end;
beginwait（c）;S4;signal（f）;end;
beginwait（d）;S5;signal（g）;end;
beginwait（e）;S6;signal（h）;end;
beginwait（f）;wait（g）;wait（h）;S7;end;
parend
end
b.略
23.在生产者—消费者问题中，如果缺少了signal（full）或signal（empty），对执行结果将会有何影响？
如果缺少了signal（full），那么表明从第一个生产者进程开始就没有对信号量full值改变，即使缓冲池存放的产品已满了，但full的值还是0，这样消费者进程在执行wait（full）时会认为缓冲池是空的而取不到产品，那么消费者进程则会一直处于等待状态。
如果缺少了signal（empty），例如在生产者进程向n个缓冲区投满产品后消费者进程才开始从中取产品，这时empty=0，full=n，那么每当消费者进程取走一个产品时empty并没有被改变，直到缓冲池中的产品都取走了，empty的值也一直是0，即使目前缓冲池有n个空缓冲区，生产者进程要想再往缓冲池中投放产品会因申请不到空缓冲区而被阻塞。
24.在生产者—消费者问题中，如果将两个wait操作即wait（full）和wait（mutex）互换位置，或者将signal（mutex）和signal（full）互换位置，结果会如何？
在生产者—消费者问题中，如果将两个wait操作，即wait（full）和wait（mutex）互换位置后，可能引起死锁。
考虑系统中缓冲区全满时，若一生产者进程先执行了wait（mutex）操作并获得成功，则当再执行wait（empty）操作时，它将因失败而进入阻塞状态，它期待消费者进程执行signal（empty）来唤醒自己，在此之前，它不可能执行signal（mutex）操作，从而使试图通过执行wait（mutex）操作而进入自己的临界区的其他生产者和所有消费者进程全部进入阻塞状态，这样容易引起系统死锁。
若signal（mutex）和signal（full）互换位置后只是影响进程对临界资源的释放次序，而不会引起系统死锁，因此可以互换位置。
25.我们为某临界资源设置一把锁W，当W=1时表示关锁；当W=0时表示锁已打开，试写出开锁和关锁原语，并利用它们去实现互斥。
整型信号量：
lock（W）:
whileW=1dono-op
W:
=1;
unlock（W）:
W:
=0;
记录型信号量：
lock（W）:
W:
=W+1;
if（W>1）thenblock（W.L）
unlock（W）:
W:
=W-1;
if（W>0）thenwakeup（W.L）
例子：
VarW:
semaphore:
=0；
begin
repeat
lock（W）;
criticalsection
unlock（W）;
remaindersection
untilfalse;
end
26.试修改下面生产者——消费者问题解法中的错误：
producer:
begin
repeat
……
produceaniteminnextp;
wait（mutex）;
wait（full）;
buffer（in）:
=nextp;……
signal（mutex）;
untilfalse;
end
consumer:
begin
repeat
……
wait（mutex）;
wait（empty）;
nextc:
=buffer（out）;
out:
=out+1;
signal（mutex）;
consumeiteminnextc;
untilfalse;
end
27.试利用记录型信号量写出一个不会出现死锁的哲学家进餐问题的算法。
三种解决方法中的任意一种即可（略）。
P62
28.在测量控制系统中的数据采集任务时，把所采集的数据送往一单缓冲区；计算任务从该单缓冲区中取出数据进行计算。
试写出利用信号量机制实现两任务共享单缓冲区的同步算法。
a.Varmutex,empty,full:
semaphore:
=1,1,0;
gather:
begin
repeat
……
gatherdatainnextp;
wait（empty）;
wait（mutex）;
buffer:
=nextp;
signal（mutex）;
signal（full）;
untilfalse;
end
compute:
begin
repeat
……
wait（full）;
wait（mutex）;
nextc:
=buffer;
signal（mutex）;
signal（empty）;
computedatainnextc;
untilfalse;
end
b.Varempty,full:
semaphore:
=1,0;
gather:
begin
repeat
……
gatherdatainnextp;
wait（empty）;
buffer:
=nextp;
signal（full）;
untilfalse;
end
compute:
begin
repeat
……
wait（full）;
nextc:
=buffer;
signal（empty）;
computedatainnextc;
untilfalse;
end
33.试比较进程间的低级通信工具与高级通信工具.
用户用低级通信工具实现进程通信很不方便，因为其效率低，通信对用户不透明，所有的操作都必须由程序员来实现，而高级通信工具则可弥补这些缺陷，用户可直接利用操作系统所提供的一组通信命令，高效地传送大量的数据。
36.为什么要在OS中引入线程？
在OS中引入进程的目的，是为了使多个程序能并发执行，以提高资源利用率和系统吞吐量。
在OS中再引入线程，则是为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销，使OS具有更好的并发性。
38.试从调度性，并发性，拥有资源及系统开销方面对进程和线程进行比较.
a.调度性。
在传统的操作系统中，拥有资源的基本单位和独立调度、分派的基本单位都是进程，在引入线程的OS中，则把线程作为调度和分派的基本单位，而把进程作为资源拥有的基本单位；
b.并发性。
在引入线程的OS中，不仅进程之间可以并发执行，而且在一个进程中的多个线程之间，亦可并发执行，因而使OS具有更好的并发性；
c.拥有资源。
无论是传统的操作系统，还是引入了线程的操作系统，进程始终是拥有资源的一个基本单位，而线程除了拥有一点在运行时必不可少的资源外，本身基本不拥有系统资源，但它可以访问其隶属进程的资源；
d.开销。
由于创建或撤销进程时，系统都要为之分配和回收资源，如内存空间等，进程切换时所要保存和设置的现场信息也要明显地多于线程，因此，操作系统在创建、撤消和切换进程时所付出的开销将显著地大于线程。
33.试比较进程间的低级与高级通信工具。
答：
用户用低级通信工具实现进程通信很不方便，效率低，通信对用户不透明，所有操作都必须由程序员来实现，而高级通信工具弥补了这些缺陷，用户直接利用操作系统提供的一组通信命令，高效地传送大量的数据。
34．当前有哪几种高级通信机制？
答：
共享存储器系统、消息传递系统以及管道通信系统。
35．消息队列通信机制有哪几方面的功能？
答：
（1）构成消息
（2）发送消息（3）接收梢息（4）互斥与同步。
36．为什么要在OS中引入线程？
答：
在操作系统中引入线程，则是为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销，使OS具有更好的并发性，提高CPU的利用率。
进程是分配资源的基本单位,而线程则是系统调度的基本单位。
37．试说明线程具有哪些属性？
答：
（1）轻型实体
（2）独立调度和分派的基本单位（3）可并发执行（4）共享进程资源。
38.试从调度性，并发性，拥有资源及系统开销方面对进程和线程进行比较。
答：
（1）调度性。
线程在OS中作为调度和分派的基本单位，进程只作为资源拥有的基本单位。
（2）并发性。
进程可以并发执行，一个进程的多个线程也可并发执行。
（3）拥有资源。
进程始终是拥有资源的基本单位，线程只拥有运行时必不可少的资源，本身基本不拥有系统资源，但可以访问隶属进程的资源。
（4）系统开销。
操作系统在创建、撤消和切换进程时付出的开销显著大于线程。
39.为了在多线程OS中实现进程之间的同步与通信，通常提供了哪几种同步机制？
答：
同步功能可以控制程序流并访问共享数据，从而并发执行多个线程。
共有四种同步模型：
互斥锁、读写锁、条件变量和信号。
40．用于实现线程同步的私用信号量和公用信号量之间有何差别？
答：
（1）私用信号量。
当某线程需利用信号量实现同一进程中各线程之间的同步时，可调用创建信号量的命令来创建一个私用信号量，其数据结构存放在应用程序的地址空间中。
（2）公用信号量。
公用信号量是为实现不同进程间或不同进程中各线程之间的同步而设置的。
其数据结构是存放在受保护的系统存储区中，由OS为它分配空间并进行管理。
41．何谓用户级线程和内核支持线程？
答：
（1）用户级线程：
仅存在于用户空间中的线程，无须内核支持。
这种线程的创建、撤销、线程间的同步与通信等功能，都无需利用系统调用实现。
用户级线程的切换通常发生在一个应用进程的诸多线程之间，同样无需内核支持。
（2）内核支持线程：
在内核支持下运行的线程。
无论是用户进程中的线程，还是系统线程中的线程，其创建、撤销和切换等都是依靠内核，在内核空间中实现的。
在内核空间里还为每个内核支持线程设置了线程控制块，内核根据该控制块感知某线程的存在并实施控制。
42．试说明用户级线程的实现方法。
答：
用户级线程是在用户空间中的实现的，运行在“运行时系统”与“内核控制线程”的中间系统上。
运行时系统用于管理和控制线程的函数的集合。
内核控制线程或轻型进程LWP可通过系统调用获得内核提供服务，利用LWP进程作为中间系统。
43．试说明内核支持线程的实现方法。
答：
系统在创建新进程时，分配一个任务数据区PTDA，其中包括若干个线程控制块TCB空间。
创建一个线程分配一个TCB，有关信息写入TCB，为之分配必要的资源。
当PTDA中的TCB用完，而进程又有新线程时，只要所创建的线程数目未超过系统允许值，系统可在为之分配新的TCB；在撤销一个线程时，也应回收线程的所有资源和TCB。
第三章处理机调度与死锁
1.高级调度与低级调度的主要任务是什么？
为什么要引入中级调度？
高级调度的主要任务：
用于决定把外存上处于后备队列中的哪些作业调入内存，并为它们创建进程，分配必要的资源，然后，再将新创建的进程插入就绪队列上，准备执行。
低级调度的主要任务：
用于决定就绪队列中的哪个进程应获得处理机，然后再由分派程序执行将处理机分配给该进程的具体操作。
引入中级调度的主要目的：
是为了提高系统资源的利用率和系统吞吐量。
10.试比较FCFS和SPF两种进程调度算法
相同点：
两种调度算法都是既可用于作业调度，也可用于进程调度；
不同点：
FCFS调度算法每次调度都是从后备队列中选择一个或是多个最先进入该队列的作业，将它们调入内存，为它们分配资源，创建进程，然后插入到就绪队列中。
该算法有利于长作业/进程，不利于短作业/进程。
SPF调度算法每次调度都是从后备队列中选择一个或若干个估计运行时间最短的作业，将它们调入内存中运行。
该算法有利于短作业/进程，不利于长作业/进程。
15.按调度方式可将实时调度算法分为哪几种？
按调度方式不同，可分为非抢占调度算法和抢占调度算法两种。
18.何谓死锁？
产生死锁的原因和必要条件是什么？
a.死锁是指多个进程因竞争资源而造成的一种僵局，若无外力作用，这些进程都将永远不能再向前推进；
b.产生死锁的原因有二，一是竞争资源，二是进程推进顺序非法；
c.必要条件是:
互斥条件，请求
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