操作系统课后部分习题及答案.docx
《操作系统课后部分习题及答案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《操作系统课后部分习题及答案.docx（71页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
操作系统课后部分习题及答案
第2章操作系统的运行环境
2.2现代计算机为什么设置目态/管态这两种不同的机器状态？
现在的lntel80386设置了四级不同的机器状态（把管态又分为三个特权级），你能说出自己的理解吗？
答：
现在的Intel80386把执行全部指令的管态分为三个特权级，再加之只能执行非特权指令的目态，这四级不同的机器状态，按照系统处理器工作状态这四级不同的机器状态也被划分管态和目态，这也完全符合处理器的工作状态。
2.6什么是程序状态字？
主要包括什么内容？
答：
如何知道处理器当前处于什么工作状态，它能否执行特权指令，以及处理器何以知道它下次要执行哪条指令呢？
为了解决这些问题，所有的计算机都有若干的特殊寄存器，如用一个专门的寄存器来指示一条要执行的指令称程序计数器PC，同时还有一个专门的寄存器用来指示处理器状态的，称为程序状态字PSW。
主要内容包括所谓处理器的状态通常包括条件码--反映指令执行后的结果特征；中断屏蔽码--指出是否允许中断，有些机器如PDP-11使用中断优先级；CPU的工作状态--管态还是目态，用来说明当前在CPU上执行的是操作系统还是一般用户，从而决定其是否可以使用特权指令或拥有其它的特殊权力。
2.11CPU如何发现中断事件？
发现中断事件后应做什么工作？
答：
处理器的控制部件中增设一个能检测中断的机构，称为中断扫描机构。
通常在每条指令执行周期内的最后时刻中扫描中断寄存器，询为是否有中断信号到来。
若无中断信号，就继续执行下一条指令。
若有中断到来，则中断硬件将该中断触发器内容按规定的编码送入程序状态字PSW的相应位（IBM-PC中是第16~31位），称为中断码。
发现中断事件后应执行相中断处理程序，先由硬件进行如下操作：
1、将处理器的程序状态字PSW压入堆栈2、将指令指针IP（相当于程序代码段落的段内相对地址）和程序代码段基地址寄存器CS的内容压入堆栈，以保存被子中断程序的返回地址。
3、取来被接受的中断请求的中断向量地址（其中包含有中断处理程序的IP，CS的内容），以便转入中断处理程序。
4、按中断向量地址把中断处理程序的程序状态字取来，放入处理器的程序状态字寄存器中。
2.16有四个作业A，B，C，D，要求定时唤醒运行，其要求如下：
A20秒后运行，经过40秒后再次运行。
B30秒后运行。
C30秒后运行，经过25秒后再次运行。
D65秒后运行。
答：
请建立相应原时钟队列。
ABCCAD201002555
2.18什么叫重定位？
有哪几种重定位技术？
有何区别？
答：
故重定位是把程序中相对地址变换为绝对地址。
对程序进行重定位的技术目前按重定位的时机区分为两种：
静态重定位和动态重定位。
静态重定位是要把程序中所胡与地址有关的项在程序运行前（确切地说是在程序装入主存时）修改好，它是在程序装入主存时由连接装入程序进行重定位动态重定位不是在程序装入过程中进行。
在处理器每次访问主存时，由动态地址变换机构（硬件）自动进行把相对地址转换为绝对地址。
2.20对比绝对装入程序和连接装入程序。
答：
在个人计算机中用户能使用的主存起始地址是可以知道的。
这种机器上的编译和汇编程序往往把源程序翻译成绝对地址形式的目标程序（以该机器的用户可用的起始地址作为基准地址）。
因此当需要再次装入目标程序时，就十分简单，没有什么重定位问题。
只要按其给出的起始地址依次地将程序读入即可。
在对多数多道程序系统使用相对装程序（连接装入程序）。
其主要功能是把主程序同被其调用的的各子程序连接装配成一个大的完整的程序，并装入主存运行。
第3章进程管理P.57页3.1为什么要引入进程概念？
进程的基本特征是什么？
它与程序有何区别。
答：
进程的概念是操作系统中最基本、最重要的概念。
为了核画系统内部出现的情况，描述系统内部各作业的活动规律而引进的一个新的概念，由于处在这样一个多道程序系统所带来的更为复杂的环境中，程序具有了并行、制约、动态的特征，使得原来的程序概念已难以刻画和反映系统中的情况了。
进程的基本特征是动态性，并行性；进程与程序的区别：
1、进程是程序的执行，故进程属于动态概念，而程序是一组指令的有序集合，是静态的概念。
2、进程既然是程序的执行，或者说是“一次运行活动”，因而它是有生命过程的。
从投入运行到运行完成，或者说是进程存在诞生（建立进程）和死亡（撤消进程）。
换言之，进程的存在是暂时，而程序的存在是永久的。
3、进程是程序的执行，因此进程的组成应包括程序和数据。
除此之外，进程还由记录进程状态信息的“进程控制块”组成。
4、一个程序可能对应多个进程。
5、一个进程可以包含多个程序。
3.2定义以下术语：
程序、过程、处理器、进程、用户、任务和作业。
答：
程序--是完成某个功能的指令的集合；过程--计算机处理一次事件的整个流程处理器--计算机的核心硬件部份，负责处理用户要求的各种运算任务。
进程--是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。
用户--是指计算机为他工作的人；任务--是用户要求计算机处理的事情。
作业--是用户要求计算机给予计算（或处理）的一个相对独立的任务。
3.3为什么为什么说PCB是进程存在的惟一标志？
答：
操作系统用一个称为进程控制块PCB的数据结构来记录本进程的属性。
进程控制块PCB是操作系统中最重要的数据结构。
PCB的作用不但是记录进程的属性信息，以便操作系统对进程进行控制和管理。
而且PCB标志进程的存在，操作系统根据系统中是否有该进程的进程控制块PCB而知道该进程的存在与否。
系统在建立进程的同时就建立该进程的PCB，在撤消一个进程时也就撤消其PCB。
所以说进程的PCB对进程来说是它存在的具体的物理标志和体现。
PCB对操作系统来说，也是调度进程的主要原因的数据基。
3.10试列举出进程状态转换的典型原因,详细列出引起进程调度的因素。
答：
（1）系统有时可能出故障或某些功能受到破坏。
这时就需要暂时将系统中的进程挂起，以便系统把故障消除后，再把这些进程恢复到原来状态。
（2）用户检查自己作业的中间执行情况和中间结果时，因同预期想法不符而产生怀疑。
这时用户要求挂起他的进程，以便进行某些检查和改正。
（3）系统中有时负荷过重（进程数过多），资源数相对不足，从而造成系统效率下降。
此时需要挂起一部分进程以调整系统负荷，等系统中负荷减轻后再将被挂起进程恢复运行。
如果一个进程原来处于运行状态或活动就绪状态，此时可因挂起命令而由原来状态变为挂起就绪状态，此时它不能参与争夺处理器，即进程调度程序不会把处于挂起就绪状态的进程挑选来运行。
当处于挂起就绪状态的进程接到解除挂起命令后，它就由原状态变为活动就绪状态。
如果一个进程原来处于活动阻塞状态，它可因挂起命令而变为挂起等待状态，直到解除挂起命令才能把它重新变为活动等待状态。
处于挂起等待状态的进程，其所等待的事件（如正在等待输入输出工作完成，等待别的进程发给它一个消息）在该进程挂起期间并不停止这些事件的进行。
因而当这些事件发生后（输入输出完成，消息已发送来了），该进程就由原来挂起阻塞状态变为挂起就绪状态。
第4章多线程
P78
4.3进程和线程的关系是什么？
线程是由进程建立的，是吗？
线程对实现并行性比进程机制有何好处？
答：
线程是进程中相对独立的一个控制流序列；线程也称为轻质进程。
不是，好处有：
（1）用于创建和撤消线程的开销比创建和撤消进程的系统开销（CPU时间）要少得多。
（2）CPU在线程之间开关时的开销也远比进程之间开关的开销小。
（3）线程机制也增加了通讯的有效性。
（4）方便作简化了用户的程序结构工作。
4.4什么是线程，它有哪些性质？
答：
线程是进程内一个相对独立的、可调度的执行单位。
它有以下性质：
（1）线程是进程内的一个相对独立的可执行单元。
因此不妨把线程看作是应用中的一个子任务的执行。
（2）线程是操作系统中基本高度单元，因此线程中应包含有调度所需的必要信息。
（3）由于线程是被调度的基本单位，而进程不是调度的单元。
所以每个进程在创建时，至少需要同时为该进程创建一个线程。
也就是说进程中至少要有一个或一个以上线程，否则该进程无法被调度执行。
（4）需要时，线程可以创建其他线程。
（5）进程是被分给并拥有资源的基本单元，同一进程内的多个线程共享该进程的资源。
但线程并不拥有资源，只是使用它们。
（6）由于共享资源（包括数据和文件），所以线程间需要通信和同步机制。
（7）线程有生命期，有诞生和死亡。
在生命期中有状态的变化。
第3章操作系统
3．1概述
3．1．1本章的特点及学习建议
操作系统是计算机系统中最基本的系统软件，目的是为了方便用户和管理、控制计算机硬、软件资源，因此有人把它形容为计算机系统的“管家”。
我们学习操作系统，并不是为了去开发、编制操作系统软件，主要是了解它的各部分构成及工作原理，以便能更合理、有效地使用它。
操作系统是计算机技术与管理技术的结合，因此它是一个独立完整的管理软件，在其中应用了数据结构中的栈、队、表、树等结构形式，我们在学习过程中应与前面学过的数据结构知识联系起来，以加深对它的理解。
当今操作系统的种类很多，建议大家能多上机操作，体会操作系统的作用。
如有可能，希望能在多种不同的操作系统上进行操作，比较其异同，这样可以大大增加对操作系统的感知认识，更进一步体会操作系统在计算机中所发挥的作用。
3．1．2重点和难点
操作系统的出现及发展过程是随着计算机技术的发展以及用户对计算机使用的要求而不断改进的。
为了充分利用计算机系统的资源，多道程序设计是当前操作系统的重要核心技术之一，也就是允许在一台计算机上同时运行多道程序，因而出现了很多与多道程序有关的概念，如并发性、共享性、不确定性、虚拟性等。
为使多道程序能协调有序地工作，一定要有多种技术措施来保证，从而提出为解决多道程序并发运行同步、互斥、死锁等问题的方法。
这些都是操作系统中比较重要但又是比较难理解的部分。
3．1．3有关的概念及特性
1．操作系统发展的几个阶段
（1）手工操作阶段：
没有操作系统
（2）早期批处理阶段：
分为早期联机批处理与早期脱机批处理阶段。
它们节省了用户操作时间并发挥了主机的高速计算能力。
（3）执行系统阶段：
借助通道和中断技术，可以使CPU和各种外设并行操作。
（4）多道程序系统阶段：
实现多道程序在一台机器上同时运行，可以实现资源的最佳利用。
2．操作系统的分类
（1）多道批处理操作系统
成批处理作业，提高了作业的吞吐量，也提高了系统资源的利用率。
缺点是用户以脱机方式使用计算机，在计算过程中无法与机器交互。
（2）分时系统
一台计算机与多台终端相连接，终端上的用户可以同时使用计算机。
具有同时性与交互性特点。
（3）实时系统
对于外来信息具有瞬时响应的能力，多用于实时控制和实时信息处理领域。
具有及时性和高可靠性特点。
以上是三种最基本的操作系统类型。
自20世纪80年代开始，微型机的普及以及计算机网络的发展，出现了网络操作系统及分布式操作系统，这里不再详述。
3．操作系统的功能及特性
（1）操作系统的功能
操作系统的功能概括起来就是方便用户和充分利用计算机资源。
具体的就是存储管理、处理器管理、设备管理、文件管理及用户接口几部分。
（2）操作系统的特性
·并发性
系统内部具有并发机制，能协调多个终端用户同时使用计算机资源，能控制多道程序同时运行。
·共享性
由于操作系统具有并发性，整个系统的软、硬件资源可以由多个程序共同使用。
并发性与共享性相辅相成，是操作系统的两个基本特性。
·不确定性
在多道程序设计中，由于运行环境的影响，程序的运行时间、运行顺序等均具有不确定性。
·虚拟性
“虚拟”是指把一个物理客体变为若干个逻辑上的对应物，从而扩展了它的功能。
它体现在操作系统的方方面面。
如多道程序在单CPU的计算机上同时运行，使得多个程序好像独占了一个CPU；若干终端用户分时使用一台主机，好像每人独占了一台计算机；虚拟存储器使得比存储器容量大得多的程序能在其上运行；虚拟设备可以把一台独占的输入、输出设备变成多道程序共享的设备等。
这些都体现了操作系统的虚拟性，希望大家能在后面几节中加以体会。
3．2存储管理
3．2．1基本功能和相关的概念
1．存储管理的基本功能
（1）内存空间的分配和去分配
（2）地址转换
（3）存储空间保护
（4）内存空间的扩充
2．有关存储管理的概念
（1）绝对地址与相对地址
绝对地址又称物理地址或实地址，是指程序在主存储器中的地址编码。
相对地址又称逻辑地址或虚地址，是指程序本身的地址编码，一般从零地址开始。
（2）存储空间与地址空间
存储空间又称物理地址空间，由绝对地址对应的主存空间组成。
地址空间又称逻辑地址空间，由逻辑地址的集合组成。
（3）重定位
可执行程序装入内存时，逻辑地址与绝对地址一般是不相符的，必须通过地址转换机构将逻辑地址转换成绝对地址，称为重地位。
重定位的方式有静态重定位和动态重定位两种。
静态重定位是在程序装入时完成的，而动态定位是在程序运行时完成的。
存储管理的形式很多，致使很多同学感到内容很多又很零碎，因此建议大家在学习这部分内容时，不要把各种方式孤立起来，而应用连贯、发展的眼光来看待，因为各种形式之间是有联系的，一般来说，后者是前者的改进与补充。
3．2．2实存储管理
失存储管理方式要求把每一个作业放在主存的一片连续区域中，为了满足多道程序的要求，必须把主存的用户区分成若干个连续分区。
根据不同的分区划分方式，可以有以下几种管理形式：
固定分区分配
把主存用户区划分成若干大小不等的分区，按作业的大小选择合适的分区。
问题：
作业地址空间不可能与分区大小绝对相等，因而出现了“碎片”，浪费了存储空间。
2．可变分区分配
根据作业实际需求量对用户区进行动态分割，系统设置一张链表或数组，用来登记当时用户区的空闲块，作为动态分配和回收主存空间的依据。
可变分区常用的存储空间分配策略有三种。
（1）首次适应算法：
选择所碰到的第一个满足作业存储量要求的块分配给用户。
（2）最佳适应算法：
选择满足作业需求块中最小的一块分配给用户。
（3）最差适应算法：
在空闲块中选出满足作业要求的最大块分配给用户。
问题：
经过多次分配和回收以后，用户区中可能会出现很多零碎的空间，不足以放入一个作业，也称为“碎片”，使新作业无法进入内存。
3．可重定位分区分配
为解决可变分区分配的碎片问题，在适当时候对内存进行“紧缩”，即将内存中的作业移向存储区一端，而将空闲块集中到另一端，构成较大的空闲块以便新的作业进入。
由于紧缩工作是在程序执行过程中进行的，因此要对内存中的程序重新定位，称为动态重定位，它需要借助一些硬件设备来完成。
问题：
紧缩过程需要耗费时间，不宜频繁进行。
4．内存“扩充”技术
在上述分区分配方式下，当内存空间小于作业所需的空间时，作业就无法进入内存运行。
在不增加物理内存容量时，一般采用“覆盖”和“交换”技术来“扩充”内存。
（1）覆盖
系统提供用户覆盖机构，它将整个作业分为常驻内存和覆盖两部分，用户只要将最大的子程序作为覆盖区告诉系统，即可运行。
问题：
要求用户把作业如何分段和作业的可覆盖情况写成覆盖描述文件，同作业一起交给操作系统。
（2）交换
当内存不够时，系统按一定的策略设法腾空一些内存空间，也即采用强制方法把内存中部分内容暂时放到外存中去。
问题：
以整个作业进行内外存交换，代价较大。
3．2．3虚拟存储管理
虚拟存储管理是通过把内、外存统一起来管理，给用户造成一种仿佛系统内具有巨大内存供用户使用的假象。
虚拟存储管理与实存储管理在理念上的差别是：
虚拟存储管理认为作业在内存空间中不一定要求连续存放，其次作业在运行时不必全部都同时放在内存中，可以允许有一部分放在外存中，只要保证当时被执行的那部分在内存即可。
虚拟存储管理把作业的相对地址称为“虚拟地址”，作业的地址空间为“虚拟地址空间”；把分配给该作业的物理地址称为“实在地址”，该存储空间为“实在地址空间”。
作业在运行时，只要时时保证作业的实在地址与虚拟地址的对应关系，而并不在乎虚拟地址空间与实在地址空间大小是否相等，实际上实在地址空间远比虚拟地址地址空间小。
虚拟存储器的容量取决于内存与外存的容量。
一个虚拟存储器的最大容量由计算机的地址结构确定。
1．分页存储管理
（1）基本思路
·页把作业的逻辑地址空间分成若干个长度相等的区域，称为页。
·页架（块）把内存空间划分成若干个与页面长度相等的区域，称为页架。
程序装入内存时，每页对应一个页架，这些页架可以是不连接的，也不要求所有页面同时装入内存中。
·页表系统为每道作业建立一张页面映射表，简称页表，记录相应页在内存中对应的页架号。
（2）地址转换
采用动态重定位。
·地址变换机构自动将逻辑地址分解为页号p和页内位移d。
·以页号为索引去检索页表，得到该页对应的页架号p’。
·将页内位移d拼接在页架号后，得到相应的物理地址。
·检索页表时，若对应该页的状态为“0”，说明该页当时不在内存中，则发出缺页中断，把该页面调入内存后再进行地址转换工作。
（3）页面更换
当系统将缺页从外存调入内存时，发现已无可用的物理空间时，则须从内存中淘汰一个页面以腾出空间装入缺页。
若被淘汰的页面选择不当，可能会出现刚被淘汰的页面马上又要被访问，使系统花费大量的时间忙于进行频繁的页面交换，降低系统效率，甚至导致系统瘫痪，这种现象称为抖动现象。
常用的淘汰算法有：
·先进先出法（FIFO）
选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。
·最近最久未使用法（LRU）
选择离当前时间最久未使用过的页面淘汰。
（4）优缺点
·优点虚存量大，用户不必担心内存不够；不要求作业连续存放，有效地解决了“碎片”问题。
·缺点要求硬件支持，增加了成本；要处理页面中断，系统开销较大，处理不当还可能产生“抖动”。
2．分段存储管理
（1）基本思路
·段作业中每一个模块称为段，每段占有连续的地址空间，其逻辑地址是二维的，由段号和段内地址组成。
·段表系统为每个作业建立一张段表，记录该段在内存中的起始地址和段长。
各段可存放在内存不同的分区中，也不要求所有的段同时调入内存中。
（2）地址转换
采用动态重定位
·地址转换机构取出逻辑地址的段号和段内地址。
·根据段号检索段表，找到该段的对应表目。
·将该段的起始地址与段内地址想加得到绝对地址。
·若对应该段状态为“0”，说明该段不在内存，需要通过中断调入。
（3）段的共享
由于段是有完整的逻辑意义，可以提供给多个作业共享。
若多个作业段表中的某一项指向内存的同一地址，则内存中以该地址为起始地址的那一段便被共享了。
（4）优缺点
·优点方便用户编程，便于共享与保护，便于动态链接和增长。
·缺点增加硬件成本，由于段的长度不等，会出现与分区管理相同的“碎片”问题。
3．段页式存储管理
（1）基本思路
将段式与页式管理结合起来，克服各自存在的一些问题。
它把作业分成若干段，每个段分成若干页。
为了实现地址转换，必须为每个作业配置一张段表和若干张页表。
（2）地址转换
作业的逻辑地址是二维的，包括段号和段内地址，其中段内地址又包含页号和页内地址。
·地址转换机构取出逻辑地址，再将段内地址细分为页号和页内地址。
·根据段号检索段表，取出相应的页架号。
·把页架号与页内地址合并得到物理地址。
（3）优缺点
·优点具有分段分页的优点。
·缺点更增加硬件成本与软件复杂性。
3．3处理器管理
中央处理器（CPU）是计算机系统中负责运算与控制的部件，调入内存中的作业只有占有了CPU才能运行。
在单CPU的系统中，要实现多道程序并发运行，一定要合理地分配CPU，使得从宏观上看各个程序都在随着时间向前推进。
在这一部分将讨论三个问题：
（1）当多个用户把各自的作业提交给计算机后，操作系统如何对它们进行调度管理。
（2）已进入内存中的作业，如何对它们合理地分配CPU。
（3）如何解决多道程序并发运行时出现的同步、互斥与死锁问题。
3．3．1基本概念与术语
1．作业
作业是用户交给计算机运行的程序、数据及说明。
一个作业可以分解成若干个作业步。
2．进程
当系统将某一个用户程序调入内存运行时，称为进程。
这是由于多道程序环境下实现资源共享和程序并发运行的需要，它具有以下的基本特性：
（1）动态特性进程是程序的一次执行过程，具有“创建—执行—撤消”的生存周期。
（2）并发特性内存中众多进程不仅可随机地并发产生和消亡，同时可以并行地活动。
（3）独立性进程在逻辑上是独立的，在获得必须的资源后，可以按照各自目的，以不可预知的速度向前推行。
（4）相互制约性由于共享资源和进程之间某些协同动作，有些进程间会有相互制约的关系。
因此程序是一种静态的观点，进程则反映了操作系统动态活动的内在本质。
3．管态、目态
（1）管态此时系统只执行造作系统的特权指令，不允许执行用户指令。
（2）目态系统处于用户执行状态。
3．3．2作业调度
作业调度主要是实现对作业的组织、输入/输出、调度和运行控制。
不同的操作系统对作业有不同的处理方式，主要分为批处理作业和交互方式处理作业两类。
1．批处理作业的管理
在批处理系统中，由于用户不能直接与计算机交互，因此在进入计算机系统之前，除了要准备好源程序和初始数据外，还必须用该操作系统提供的作业控制语言来书写作业控制说明书，规定如何控制作业运行。
（1）作业状态及转换
一个作业在它的生命周期内要经过提交、收容、执行、完成四个阶段，每一个阶段称为作业的一种状态。
为了描述和管理系统内的作业，还必须为每道作业建立一个专门的数据结构，称为作业控制块（JCB）它包含了系统对作业进行管理所必需的信息，作业管理就是对作业各个阶段进行宏观控制。
（2）作业调度
在批处理系统中，作业调度程序按照某种调度策略从收容状态队列中选择某些作业进入内存。
调度的关键是在于确定调度算法，以获得一个较好的作业搭配，使得系统资源得到高效的利用。
衡量算法的性能指标有：
·周转时间作业从进入系统直到完成所经历的时间。
·平均周转时间被测定作业数（n）的周转时间平均值。
·系统吞吐量系统在单位时间内平均完成的作业数。
（3）调度算法
作业调度算法很多，这里介绍几种常用的算法：
·先来先服务（FCFS）
按作业到达系统的先后次序调度它们运行。
·短作业优先（SJF）
选择运行时间较短的作业先运行。
这样可使作业流的平均周转时间取值最小，但对长作业不公平。
·最高响应比优先（HRF）
响应比＝等待时间/运行时间
优先选择响应比最大的作业，他兼顾了短作业与等待时间长的作业。
·优先数法
按操作员或用户指定的作业优先级高的作业首先运行。
实际系统中往往采用几种算法的组合形式，以提高系统的整体效率。
2．交互式作业管理
在分时系统中，用户通过终端和系统提供的终端命令语言向系统提供作业。
作业的提交方式是由用户动态地提交，即每完成一个作业步动作后，系统给出相应的回答信息，用户继续提交下一个作业步，知道作业全部完成。
由于系统对终端用户提交的每一作业步必须加以识别并立即解释执行，因此系统不再设置作业的收容状态，也不存在作业调度等问题。
有些系统同时支持批处理和分时功能，则用户可以提供任意一种类型的作业，其中交互式作业称为“前台”作业，批处理作业称为“后台”作业。
3．3．3进程调度
进程调度的任务是控制、协调进程对CPU的竞争，按照一定的调度算法，使某一个就绪的进程得到CPU，转成运行状态。
1．进程的状态及转换
一个进程在它的生命期内有三种基本状态：
就绪进程具备
升级会员 