操作系统教程第5版课后答案

操作系统教程第5版课后答案

费祥林、骆斌编著

第一章操作系统概论

习题一

一、思考题

1.简述现代计算机系统的组成及层次结构。

答：现代计算机系统由硬件和软件两个部分组成。是硬件和软件相互交织形成的集合体，构成一个解决计算问题的工具。硬件层提供基本可计算的资源，包括处理器、寄存器、内存、外存及I/O设备。软件层由包括系统软件、支撑软件和应用软件。其中系统软件是最靠近硬件的。

2、计算机系统的资源可分成哪几类？试举例说明。

答：包括两大类，硬件资源和信息资源。硬件资源分为处理器、I/O设备、存储器等；信息资源分为程序和数据等。

3.什么是操作系统？操作系统在计算机系统中的主要作用是什么？

答：操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。

操作系统在计算机系统中主要起4个方面的作用。

（1）服务用户观点——操作系统提供用户接口和公共服务程序

（2）进程交互观点——操作系统是进程执行的控制者和协调者

（3）系统实现观点——操作系统作为扩展机或虚拟机

（4）资源管理观点——操作系统作为资源的管理者和控制者

4.操作系统如何实现计算与操作过程的自动化？

答：大致可以把操作系统分为以下几类：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。其中批处理操作系统能按照用户预先规定好的步骤控制作业的执行，实现计算机操作的自动化。又可分为批处理单道系统和批处理多道系统。单道系统每次只有一个作业装入计算机系统的主存储器运行，多个作业可自动、顺序地被装入运行。批处理多道系统则允许多个作业同时装入主存储器，中央处理器轮流地执行各个作业，各个作业可以同时使用各自所需的外围设备，这样可以充分利用计算机系统的资源，缩短作业时间，提高系统的吞吐率

5．操作系统要为用户提供哪些基本的和共性的服务？

答：（1）创建程序和执行程序；（2）数据I/O和信息存取；（3）通信服务；（4）差错检测和处理。为了保证高效率、高质量的工作，使得多个应用程序能够有效的共享系统资源，提高系统效率，操作系统还具备一些其他的功能：资源分配，统计，保护等。

6.试述操作系统所提供的各种用户接口。

答：操作系统通过程序接口和操作接口将其服务和功能提供给用户。程序接口由一组系统调用组成，在应用程序中使用“系统调用”可获得操作系统的低层服务，访问或使用系统管理的各种软硬件资源，是操作系统对外提供服务和功能的手段；操作接口由一组命令和（或）作业控制语言组成，是操作系统为用户提

供的组织和控制作业执行的手段。

7.什么是系统调用？可分为哪些类型？

答：操作系统为了达到为应用程序的运行提供良好的环境，系统内核提供了一系列具备预定功能的内核函数，这一组特殊接口被称为系统调用。操作系统所提供的系统调用按功能可分为六类： 1) 进程管理；2）文件操作；3）设备管理；4）主存管理；5) 进程通信；6) 信息维护。

8.什么是实用程序，可分为哪些类型？

答：实用程序又称支撑程序，是为应用程序的开发、调试、执行和维护解决共性问题或执行公共操作提供的一组程序。按功能可分为：1）文件管理；2）语言支持；3) 状态修改；4）支持程序执行；5）通信等。

9.试述系统调用的实现原理。

操作系统实现系统调用功能的机制称为陷阱或异常处理机制。其实现原理是：首先编写系统调用函数并且设计系统调用入口地址表，每个入口地址都指向一个系统调用的内核函数，有些还包含系统调用自带参数的个数。然后开辟现场保护区，用以保存发生系统调用时的处理器现场。

10.试述系统调用与函数过程调用之间的主要区别。

答：在程序执行系统调用或过程调用中两者的主要区别是： 1）调用的形式和实现的方式不同；2）被调用的代码的位置不同；3）提供方式不同。

11.试述API(Application program interface)、库函数与系统调用之间的关系. 答：API是由同名的封装把系统调用封装成应用程序能够直接使用的应用接口。所以，一个库函数就是一种API，一个API 的实现可能会用到一个系统调用或多个系统调用，也可能若干API 封装相同的系统调用，即使完全不使用系统调用，也不存在任何问题。

12.试解释脱机I/O和假脱机I/O。

答：1）脱机输入输出方式（ Off-Line I/O ）是为了解决人机矛盾CPU和I/O 设备之间速度不匹配而提出的。它减少了CPU的空闲等待时间，提高了I/O 速度。具体内容是将用户程序和数据在一台外围机的控制下，预先从低速输入设备到磁带上，当CPU需要这些程序和数据时，在直接从磁带机高速输入到内存，从而大大加快了程序的输入过程，减少了CPU等待输入的时间，这就是脱机输入技术；当程序运行完毕或告一段落， CPU需要时，无需直接把计算结果送至低速输出设备，而是高速把结果输出到磁带上，然后在外围机的控制下，把磁带上的计算结果由相应的输出设备输出，这就是脱机输出技术。2）若这种输入输出操作在主机控制下进行，则称之为联机输入输出方式。

13.为什么对作业进行批处理可以提高系统效率？

答：多道程序系统可以利用CPU的等待时间来运行其它程序。

14.举例说明计算机体系结构的不断改进是操作系统发展的主要动力之一。

答：计算机体系的基本结构遵循冯诺依曼体系结构，主要由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。随着CPU不断升级，存储器的容量不断增大，计算机体系结构不断的改进，从而，要求计算机的操作系统不断的更新，由原来的DOS到后来的Windows98,Windows 2000,Windows XP,UNIX,LINIX 和Windows 2003 等。

15.什么是多道程序设计？多道程序设计技术有什么特点？

答;多道程序设计是指允许多个作业同时进入计算机系统的主存并启动交替计算的方法。其特点是： 1）CPU、主存和设备的利用率高;2）系统的吞吐率提高,

单位时间内完成的作业数增加;3）充分发挥了系统的并行性，设备与设备之间、CPU与设备之间均可并行工作。

16.简述实现多道程序设计所必须解决的基本问题。

答：实现多道程序设计所必须解决的三个问题： 1）存储保护和地址重定位； 2）处理机管理和调度； 3）资源的管理和分配。

17.计算机系统采用通道部件后，已实现处理器与外部设备的并行工作，为什么还要引入多道程序设计技术？

答：引入多道程序设计技术的根本目的是提高CPU的利用率，充分发挥计算机系统部件的并行性，一些应用问题也只有靠多道程序设计技术才能有效解决。18．什么是实时操作系统？试述实时操作系统的分类。

答：实时操作系统（ Real Time Operating System）指当外界事件或数据产生时，能接收并足够快的速度予以处理，处理的结果又能在规定时间内来控制监控的生产过程或对任务协调

一致运行的操作系统。分类：

1）过程控制系统：如生产过程控制系统、导弹制导系统、飞机自动驾驶系统、火炮自动控制系统。

2）信息查询系统：计算机同时从成百上千的终端接受服务请求和提问，并在短时间内作出回答和响应。如情报检索系统。

3）事务处理系统：计算机不仅要对终端用户及时作出响应，还要频繁更新系统中的文件或数据库。如银行业务系统。

19.在分时系统中，什么是响应时间？它与哪些因素有关？

答：分时系统的响应时间是指用户从终端发出一个命令到系统处理完这个命令并做出回答所需要的时间。这个时间受时间片长度、终端用户个数、命令本身功能、硬件特性、主存与辅存的交换速度等影响。

20.试比较批处理操作系统与分时操作系统的不同点。

答：分时操作系统与批处理操作系统的区别： 1）追求目标不同：批处理操作系统以提高系统资源利用率和作业吞吐能力为目标，分时操作系统强调公平性对于联机用户的立即执行命令需要快速响应。2）适应作业不同：批处理操作系统适应已调试好的大型作业，分时操作系统适应正在调试的小型作业。3）资源利用率不同：批处理操作系统可合理安排不同负载的作业，使资源利用率达到最佳；在分时操作系统中，多个终端的作业使用同类型的系统运行系统和共同子程序使系统的高度开销小，能公平的调配CPU和存储资源。4）作业控制方式不同：批处理操作系统由用户通过（ JCL）书写作业控制流，预先提交脱机作业；分时操作系统交互作业由用户从键盘输入控制命令以交互方式联机工作。

21.试比较实时操作系统与分时操作系统的不同点。

答：分时操作系统是指在一个系统中多个用户分时地使用同一台计算机；实时操作系统是指计算机及时响应外部事件地请求并在规定时限内完成对该事件的处理，控制所有实时高备和实时任务协调一致地运行。

实时操作系统和分时操作系统的主要区别有两点：

1）分时操作系统的目标是提供一种通用性很强的系统，有较强的交互能力; 而实时操作系统则大都是具有特殊用途的专用系统，交互能力略差。

2）分时操作系统对响应时间虽有要求，但一般来说，响应时间由人所能承受的等待时间来确定；而实时操作系统对响应时间要求很高，一般由控制系统或信息处理磁头所能接受的延迟时间来决定。

22.试比较单道和多道批处理系统。

答：1）单道批处理系统是最早出现的一种OS，它具有自动性，顺序性和单道性的特点；多道批处理系统则具有调度性，无序性和多道性的特点。2）单道批处理系统是在解决要人机矛盾及CPU和I/O 设备之间速度不匹配的矛盾中形成的，旨在提高系统资源利用率和系统吞吐量，但是仍然不能很好的利用系统资源；多道批处理系统是对单道批处理系统的改进，其主要优点是资源利用率高，系统吞吐量大；缺点是平均周转时间长，无交互能力。

23.现代操作系统具有哪些基本的功能，请简单叙述之。

答：现代操作系统的功能：管理计算机的软硬件资源（包括：处理机管理，作业管理，存储管理，设备管理，文件管理）、提高资源的利用率、方便用户。

24.试述现代操作系统的基本特性及所要解决的主要问题。

答：操作系统的四个基本特征： 1）并发性（ concurrence ）， 2）共享性（ sharing ）， 3）虚拟性（ virtual ）， 4）异步性（ asynchronism ）。

所要解决的主要问题是：提高计算机系统的效率；增强系统的处理能力；方便用户使用。

25.为什么操作系统会有随机性特性？

答：在多道程序环境中允许多个程序并发执行，并发活动会导致随机事件的发生。操作系统中的随机事件处处可见，不可预见。所以操作系统必须能够及时捕捉并正确处理。

26.组成操作系统的构件有哪些？请简单叙述之。

答：操作系统的结构设计有：单体式、层次式、虚拟机和微内核结构。Linux采用单体式的结构设计，主要构件有内核、shell、应用程序。

27.什么是操作系统内核？

答：内核是一组程序模块，作为可信软件来支持进程并发执行的基本功能和基本操作。通常驻留在内核空间，运行于内核态，具有直接访问硬件设备和所有内存空间的权限，是仅有的能够执行特权指令的程序。

28.列举内核的分类、属性及特点。

答：内核按大小分为仅有极少必须功能的微内核，和大部分功能都并入内核的单内核。内核的属性：1）内核是由中断程序引出的；2）内核可以在屏蔽中段状态下执行；3）内核是不可抢占的；4）内核可使用特权命令。内核的功能：1）中断处理；2）时钟管理；3）短程调度；4）原语管理。

29.简述单内核操作系统及其优缺点。

答：单内核操作系统是将系统的大部分功能都并入到内核中。采用模块组合法，是基于结构化设计的一种软件结构设计方法。优点：结构紧密、组合方便、对不同的环境和用户的不同需求可以组合不同的模块来满足，灵活性强。缺点：模块的独立性差，系统的功能增、删、改困难，可靠性低。

30.简述微内核及客户——服务器结构操作系统及其优缺点。

答：将操作系统分为两个部分,一是运行在内核态的内核，提供系统基本功能。二是运行于用户态以客户——服务器方式执行的进程层。优点：1）对进程请求提供一致性的接口；2）具有较好的可扩充性和易修改性；3）可移植性好；4）对分布式系统提供良好的支撑。缺点：运行效率较低。

31.什么是层次式操作系统？试说明其优缺点。

答：层次式结构把操作系统划分为内核和若干模块，这些模块按功能的调用次序排列成若干层次，各层之间只能存在单向依赖或单向调用关系。优点：1）把整

体问题局部化，层次清晰；2）增加、修改或替换层次不影响其他层次，有利于系统的维护和扩充。缺点：建立模块通信的开销大，系统效率较低。

32.什么是虚拟机操作系统？试说明其优缺点。

答;将一个物理实体改变成若干个逻辑上的对应物，虚拟机复制物理实体硬件给每台虚拟机复制与实体计算机相同的硬件设备。每台虚拟机功能等同于裸机，同样能运行各种操作系统。优点：独立于主机运行，对主机毫无影响。缺点：不能进行大量信息处理。

33.从执行方式来看，试述操作系统的各种运行模型。

答：1）操作系统服务例程嵌入应用进程中运行；2）操作系统服务例程作为独立进程运行。

34.简述操作系统资源管理的主要技术：资源复用、资源虚拟和资源抽象。答：资源复用：操作系统让众多进程共享物理资源，通过适当的创建虚拟资源和虚拟机，以解决资源不足的问题。主要分为空分复用和时分复用。

资源虚拟：虚拟是对资源进行转化、模拟或整合，把一个物理资源转换对应多个逻辑上的对应物。能为应用程序提供易于使用的虚拟资源并创建更好的运行环境。

资源抽象：通过创建软件来屏蔽硬件资源的物理特性和实现细节，简化对硬件资源的操作、控制和使用。在硬件的基础上，按照特定的方式将底层指令序列和数据结构打包成函数，以便可以作为单一的高级操作被调用。

35.何谓POSIX?试述POSIX3.1的内容。

答：POSIX是IEEE拟定的一个Unix系统的标准，它定义相互兼容的Unix系统所必须支持的最少系统调用接口和工具。

36.服务用户观点，操作系统作为用户接口和公共服务程序；进程交互观点，操作系统作为进程的执行者和协调者；系统实现观点，操作系统作为扩展机或虚拟机；资源管理观点，操作系统作为资源的管理者和控制者。

二、应用题

1．有一台计算机具有1MB内存，操作系统占用200KB，各个用户进程分别占用200KB。如果用户进程等待I/O操作的时间为80%，若增加1MB内存空间，则CPU 的利用率能够提高多少？

解：设每个进程的等待时间为P,则n个进程的等待时间就为P N，则CPU利用率为1-p n.

如题操作系统占用200kb,则有4个进程，cpu利用率为1-(80%)4=59%，若再增加1MB内存，则此时内存可容纳9个进程，cpu利用率就为1-（80%）9=87%. （87%）/(59%)=147% 147%-100%=47%,

增加1MBcpu利用率能够提高47%。

2.在某个计算机系统中有一台输入机和一台打印机，现有两道程序投入运行，且程序A先开始运行，程序B后开始运行。程序A的运行轨迹为:计算50ms、打印100Ms，再计算50Ms，打印100Ms，结束。程序B 的运行轨迹为：计算50Ms、输入80ms,再计算100Ms，结束。试说明：

（1）两道程序运行时，cpu是否空闲等待？若是，在哪段时间内等待。

（2）程序A、B是否有等待cpu的情况？若有，指出发生的时刻。

解：A、B程序并发执行图：

（1）cpu空闲时发生在100ms到150ms之间。

（2）B程序有等待cpu的情况，在180-220ms时。

3.设有三道程序，按照A、B、C的优先次序运行，其内部计算和I/O操作时间如下图所示。

试画出多道运行的时间关系图（忽略调度执行时间）。完成三道程序共花费多少时间，比单

道运行节省多少时间？若处理器调度程序每次进行程序转换费时1ms，试画出各程序状态

转换的时间图。

解：

第二章处理器管理

一、思考题

1.什么是PSW?它有何作用？

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