计算机操作系统 第三版课后答案 汤子赢.docx
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计算机操作系统第三版课后答案汤子赢
第1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.
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。
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）
第二章进程管理
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;
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。
8.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，当进程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。
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
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。
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，请求和保持条件，不剥夺条件和环路等待条件。
19．在解决死锁问题的几个方法中，哪种方法最易于实现？
哪种方法是资源利用率最高？
解决/处理死锁的方法有预防死锁、避免死锁、检测和解除死锁，其中预防死锁方法最容易实现，但由于所施加的限制条件过于严格，会导致系统资源利用率和系统吞吐量降低；而检测和解除死锁方法可是系统获得较好的资源利用率和系统吞吐量。
20.请详细说明可通过哪些途径预防死锁?
a.摒弃"请求和保持"条件：
系统规定所有进程开始运行之前，都必须一次性地申请其在整个运行过程所需的全部资源，但在分配资源时，只要有一种资源不能满足某进程的要求，即使其它所需的各资源都空闲，也不分配给该进程，而让该进程等待；
b.摒弃"不剥夺"条件：
系统规定，进程是逐个地提出对资源的要求的。
当一个已经保持了某些资源的进程，再提出新的资源请求而不能立即得到满足时，必须释放它已经保持了的所有资源，待以后需要时再重新申请；
c.摒弃"环路等待"条件：
系统将所有资源按类型进行线性排序，并赋予不同的序号，且所有进程对资源的请求必须严格按序号递增的次序提出，这样，在所形成的资源分配图中，不可能再出现环路，因而摒弃了"环路等待"条件。
22.在银行家算法中，若出现下述资源分配情：
Process
Allocation
Need
Available
P0
0032
0012
1622
P1
1000
1750
P2
1354
2356
P3
0332
0652
P4
0014
0656
试问：
⑴该状态是否安全？
⑵若进程P2提出请求Request（1，2，2，2）后，系统能否将资源分配给它？
⑴该状态是安全的，因为存在一个安全序列。
下表为该时刻的安全序列表。
资源情况
进程
Work
Need
Allocation
Work+Allocation
Finish
P0
P3
P4
P1
P2
1622
1654
1987
19911
29911
0012
0652
0656
1750
2356
0032
0333
0014
1000
1354
1654
1987
19911
29911
3121417
true
true
true
true
true
⑵若进程P2提出请求Request（1，2，2，2）后，系统不能将资源分配给它，若分配给进程P2，系统还剩的资源情况为（0，4，0，0），此时系统中的资源将无法满足任何一个进程的资源请求，从而导致系统进入不安全状态，容易引起死锁的发生。
第四章存储器管理
1.为什么要配置层次式存储器？
这是因为：
a.设置多个存储器可以使存储器两端的硬件能并行工作。
b.采用多级存储系统，特别是Cache技术，这是一种减轻存储器带宽对系统性能影响的最佳结构方案。
c.在微处理机内部设置各种缓冲存储器，以减轻对存储器存取的压力。
增加CPU中寄存器的数量，也可大大缓解对存储器的压力。
2.可采用哪几种方式将程序装入内存？
它们分别适用于何种场合？
将程序装入内存可采用的方式有：
绝对装入方式、重定位装入方式、动态运行时装入方式；绝对装入方式适用于单道程序环境中，重定位装入方式和动态运行时装入方式适用于多道程序环境中。
3.何为静态链接？
何谓装入时动态链接和运行时动态链接？
a.静态链接是指在程序运行之前，先将各自目标模块及它们所需的库函数，链接成一个完整的装配模块，以后不再拆开的链接方式。
b.装入时动态链接是指将用户源程序编译后所得到的一组目标模块，在装入内存时，采用边装入边链接的一种链接方式，即在装入一个目标模块时，若发生一个外部模块调用事件，将引起装入程序去找相应的外部目标模块，把它装入内存中，并修改目标模块中的相对地址。
c.运行时动态链接是将对某些模块的链接推迟到程序执行时才进行链接，也就是，在执行过程中，当发现一个被调用模块尚未装入内存时，立即由OS去找到该模块并将之装入内存，把它链接到调用者模块上。
4.在进行程序链接时，应完成哪些工作?
a.对相对地址进行修改
b.变换外部调用符号
6.为什么要引入动态重定位?
如何实现?
a.程序在运行过程中经常要在内存中移动位置，为了保证这些被移动了的程序还能正常执行，必须对程序和数据的地址加以修改，即重定位。
引入重定位的目的就是为了满足程序的这种需要。
b.要在不影响指令执行速度的同时实现地址变换，必须有硬件地址变换机构的支持，即须在系统中增设一个重定位寄存器，用它来存放程序在内存中的起始地址。
程序在执行时，真正访问的内存地址是相对地址与重定位寄存器中的地址相加而形成的。
9.分区存储管理中常采用哪些分配策略？
比较它们的优缺点。
分区存储管理中常采用的分配策略有：
首次适应算法、循环首次适应算法、最佳适应算法、最坏适应算法。
a.首次适应算法的优缺点：
保留了高址部分的大空闲区，有利于后到来的大型作业的分配；低址部分不断被划分，留下许多难以利用的、小的空闲区，且每次分区分配查找时都是从低址部分开始，会增加查找时的系统开销。
b.循环首次适应算法的优缺点：
使内存中的空闲分区分布得更为均匀，减少了查找时的系统开销；缺乏大的空闲分区，从而导致不能装入大型作业。
c.最佳适应算法的优缺点：
每次分配给文件的都是最适合该文件大小的分区；内存中留下许多难以利用的小的空闲区。
d.最坏适应算法的优缺点：
给文件分配分区后剩下的的空闲区不至于太小，产生碎片的几率最小，对中小型文件分配分区操作有利；使存储器中缺乏大的空闲区，对大型文件的分区分配不利。
10.在系统中引入对换后可带来哪些好处？
能将内存中暂时不运行的进程或暂时不用的程序和数据，换到外存上，以腾出足够的内存空间，把已具备运行条件的进程或进程所需的程序和数据换入内存，从而大大地提高了内存的利用率。
12.在以进程为单位进行对换时，每次是否将整个进程换出？
为什么？
在以进程为单位进行对换时，并非每次将整个进程换出。
这是因为：
a.从结构上讲，进程是由程序段、数据段和进程控制块组成的，其中进程控制块总有部分或全部常驻内存，不被换出。
b.程序段和数据段可能正被若干进程共享，此时它们也不能被换出。
13.为实现分页存储管理，需要哪些硬件支持？
需要有页表机制、地址变换机构的硬件支持。
16.为什么说分段系统较之分页系统更易于实现信息共享和保护?
a.对于分页系统，每个页面是分散存储的，为了实现信息共享和保护，则页面之间需要一一对应起来，为此需要建立大量的页表项；
b.而对于分段系统，每个段都从0开始编址，并采用一段连续的地址空间，这样在实现共享和保护时，只需为所要共享和保护的程序设置一个段表项，将其中的基址与内存地址一一对应起来即可。
17.分页和分段有何区别?
a.分页和分段都采用离散分配的方式，且都要通过地址映射机构来实现地址变换，这是它们的共同点；
b.对于它们的不同点有三，第一，从功能上看，页是信息的物理单位，分页是为实现离散分配方式，以消减内存的外零头，提高内存的利用率，即满足系统管理的需要，而不是用户的需要；而段是信息的逻辑单位，它含有一组其意义相对完整的信息，目的是为了能更好地满足用户的需要；第二页的大小固定且由系统确定，而段的长度却不固定，决定于用户所编写的程序；第三分页的作业地址空间是一维的，而分段的作业地址空间是二维的。
18.试全面比较连续分配和离散分配方式。
a.连续分配是指为一个用户程序分配一个连续的地址空间，包括单一连续分配方式和分区式分配方式，前者将内存分为系统区和用户区，系统区供操作系统使用，用户区供用户使用，是最简单的一种存储方式，但只能用于单用户单任务的操作系统中；分区式分配方式分为固定分区和动态分区，固定分区是最简单的多道程序的存储管理方式，由于每个分区的大小固定，必然会造成存储空间的浪费；动态分区是根据进程的实际需要，动态地为之分配连续的内存空间，常用三种分配算法:
首次适应算法，该法容易留下许多难以利用的小空闲分区，加大查找开销；循环首次适应算法，该算法能使内存中的空闲分区分布均匀，但会致使缺少大的空闲分区；最佳适应算法，该算法也易留下许多难以利用的小空闲区；
b.离散分配方式基于将一个进程直接分散地分配到许多不相邻的分区中的思想，分为分页式存储管理，分段存储管理和段页式存储管理.分页式存储管理旨在提高内存利用率，满足系统管理的需要，分段式存储管理则旨在满足用户（程序员）的需要，在实现共享和保护方面优于分页式存储管理，而段页式存储管理则是将两者结合起来，取长补短，即具有分段系统便于实现，可共享，易于保护，可动态链接等优点，又能像分页系统那样很好的解决外部碎片的问题，以及为各个分段可离散分配内存等问题，显然是一种比较有效的存储管理方式；
c.综上可见，连续分配方式和离散分配方式各有各自的特点，应根据实际情况加以改进和利用.
19.虚拟存储器有哪些特征?
其中最本质的特征是什么？
特征：
离散性、多次性、对换性、虚拟性；
最本质的特征：
离散性；最重要的特征：
虚拟性。
20.实现虚拟存储器需要哪些硬件支持？
a.对于为实现请求分页存储管理方式的系统，除了需要一台具有一定容量的内存及外存的计算机外，还需要有页表机制，缺页中断机构以及地址变换机构；
b.对于为实现请求分段存储管理方式的系统，除了需要一台具有一定容量的内存及外存的计算机外，还需要有段表机制，缺段中断机构以及地址变换机构；
21.实现虚拟存储器需要哪几个关键技术？
a.分页和分段都采用离散分配的方式，且都要通过地址映射机构来实现地址变换，这是它们的共同点；
25.在请求分页系统中，通常采用哪种页面分配方式——物理块分配策略？
三种分配方式：
固定分配局部置换、可变分配全局置换、可变分配局部置换。
26.在一个请求分页系统中，采用FIFO页面置换算法时，假如一个作业的页面走向为4、3、2、1、4、3、5、4、3、2、1、5，当分配给该作业的物理块数M分别为3和4时，试计算在访问过程中所发生的缺页次数和缺页率，并比较所得结果。
432143543215
M=3
M=4
4
4
4
1
1
1
5
5
5
3
3
3
4
4
4
2
2
2
2
2
3
3
3
1
4
4
4
4
5
5
5
5
1
1
3
3
3
3
4
4
4
4
5
2
2
2
2
3
3
3
3
1
1
1
1
2
2
2
M=3时，采用FIFO页面置换算法的缺页次数为9次，缺页率为75%；
M=4时，采用FIFO页面置换算法的缺页次数为10次，缺页率为83%。
由此可见，增加分配给作业的内存块数，反而增加了缺页次数，提高了缺页率，这种现象被称为是Belady现象。
28.试说明改进型Clock置换算法的基本原理。
基本原理：
在将一个页面换出时，如果该页已被修改过，便须将该页重新写回到磁盘上；但如果该页未被修改过，则不必将它写回磁盘上。
在改进型算法中，除需考虑页面的使用情况外，还须再增加一个因素，即置换代价，这样，选择页面换出时，既要是未使用过的页面，又要是未被修改过的页面。
15什么是抖动?
产生抖动的原因是什么?
a.抖动（Thrashing）就是指当内存中已无空闲空间而又发生缺页中断时，需要从内存中调出一页程序或数据送磁盘的对换区中，如果算法不适当，刚被换出的页很快被访问，需重新调入，因此需再选一页调出，而此时被换出的页很快又要被访问，因而又需将它调入，如此频繁更换页面，使得系统把大部分时间用在了页面的调进换出上，而几乎不能完成任何有效的工作，我们称这种现象为"抖动"。
b.产生抖动的原因是由于CPU的利用率和多道程序度的对立统一矛盾关系引起的，为了提高CPU利用率，可提高多道程序度，但单纯提高多道程序度又会造成缺页率的急剧上升，导致CPU的利用率下降，而系统
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