操作系统-110440113-王力

第一章思考与练习题

1. 什么是操作系统？它的主要功能是什么？

答：操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的第一次扩充。

从资源管理的角度来看操作系统是用来管理计算机系统的，其任务是在相互竞争的程序之间有序的控制中央处理机、内存储器以及其他输入输出设备的分配。因此操作系统是控制和管理计算机的软、硬件资源的，合理地组织计算机的工作流程，以方便用户使用的程序集合。

从用户的角度来看操作系统是就是一台虚拟机，是帮助用户解决问题的设备，用户要求它性能稳定、可靠，使用起来简单、灵活。同时还要使用户便于控制自己的程序运行，其配置的各种子程序来增强用户的解题能力等作用。

2. 什么是多道程序设计技术？多道程序设计技术的主要特点是什么？

答：多道程序设计技术可同时把多道程序装入内存，并可使它们交替的执行，这样一来，当正在运行的程序

因I/O操作而暂停执行、CPU空闲时，系统可调度另一程序运行，使CPU一直处于忙碌状态，大幅提高程序的吞吐量，从而降低程序运行所需的费用。 特点：

（1）、多道，即计算机内存里同时存放多道相互独立的程序。

（2）、宏观上并行，是指同时进入系统的多道程序都处于运行过程中。

（3）、微观上串行，是指在单处理机环境下，内存中多道程序轮流占用CPU，交替执行。

3. 批处理系统是怎样的一种操作系统？它的特点是什么？

答：批处理系统是一种基本的操作系统。早该系统中，用户的作业（包括程序、数据及程序的处理步骤）被

成批的输入到计算机中，然后再操作系统的控制之下，用户的作业自动执行。批处理系统分为单道批处理系统和多道批处理系统。

系统对作业的处理是成批进行的，内存里始终只保持一个作业，故称为单道批处理系统。其特征是： （1）自动性。一批作业自动的逐一执行，无需人工干预。

（2）顺序性。作业进入内存中的顺序和其完成的顺序是完全相同的，即先调入内存的先完成。 （3）单道性。内存中始终只有一道作业。一个作业完成后退出内存后一道作业才可以进入内存执行。 多道批处理系统，用户提交的作业先存在外存上并排成一个队列。然后作业调度程序按一定的算法从队列中选择若干个作业调入内存，然后由系统建立进程，在进程调度程序的统一调度下，若干个程序交替进行。多道批处理系统有以下特征：

（1）多道性。内存中同时驻留多道作业，使它们并发执行，提高了资源利用率。

（2）无序性。作业进入内存中的顺序与作业完成的顺序无严格的对应关系，即先调入内存的程序也可能较后完成或最后完成。

（3）调度性。从作业提交到完成，需要经过两次调度，即作业调度和进程调度。

4. 什么是分时系统？什么是实时系统？试从交互性、及时性、独立性、多路性和可靠性几个方面比较分时系统和实时系统。

答：分时系统。在分时系统中，一个计算机与多个终端设备连接，每个用户可以通过终端向计算机发出命令，

请求完成某项工作，而操作系统要分析从终端发来的命令，完成用户提出的要求，重复上述交互会话过程，指导完成用户预计的全部工作为止。分时操作系统吧处理机时间划分成很短的时间片轮流分配给各个联机用户程序使用，如果某个作业在分配给它的时间片用完之前程序还没执行完，该作业就暂时中断，等待下轮继续执行，

此时将处理机让给另一个做作业使用。这样每个用户的要求都能得到快速的响应，给每一个用户的感受是他独占这台计算机。

实时系统。实时操作系统是操作系统的又一种类型.对外部输入的信息,实时能够在规定时间里处理完毕并作出反应。“实时”的含义是指计算机对于外来信息能够及时处理，并在被控对象允许的范围内作出快速反应。实时系统对响应时间要求比分时系统要求更高，一般要求秒级、毫秒级甚至微妙级的响应时间。

两系统的比较：

（1）多路性。实时信息处理系统和分时系统一样具有多路性。对于实时控制系统，其多路性主要表现在经常对多路的现场信息进行采集以及对多个对象或多个执行机构进行控制。

（2）独立性。无论实时信息处理系统还是实时控制系统，与分时系统一样具有独立性。每个终端用户在向是实时系统提出服务请求时，是彼此独立的工作，互不干涉。

（3）及时性。实时信息处理系统对及时性的要求分时系统类似，都是以人们能接受的等待时间来确定的。而实时控制系统对及时性的要求更高。一般为秒级，几百毫秒级，甚至有的要求低于几百微秒。

（4）交互性。实时信息处理系统具有交互性，但人与系统的交互，仅限于访问系统中某些专用服务程序。它不像分时系统那样想终端用户提供数据处理、资源共享等服务。实时控制系统的交互性要求系统具有连续人机对话的功能，即在交互的过程中要对用户的输入有一定的记忆和进一步推断能力。

（5）可靠性。分时系统虽然也要求具有可靠性，但实时系统则要求系统高度可靠。因为任何的差错都可能造成巨大的经济损失，甚至产生无法预计的后果。因此在实时系统中要采取多级容错措施，来保证系统的安全性及数据的安全性。

5. 实时系统分为那俩种类型？

答：实时系统分为 实时控制系统 、 实时信息处理系统。

6. 操作系统主要特征是什么？

答：1、并发性。并发是指两个或两个以上的事物在同一时间间隔发生。其并发性主要体现在以下两方面，用

户程序与用户程序之间的并发执行。用户程序与操作系统程序之间的并发执行。

2、共享性。共享是指计算机上的各种资源供在其上运行的程序共同享用。这种共享是在操作系统的统一控制下进行的，共享分为互斥共享方式和共同访问方式。

3、虚拟性。虚拟是指通过某种技术手段把一个物理实体变成多个逻辑上对应物。物理实体是实际存在的，而逻辑实体是虚的。是用户的一种感觉。

4、不确定性。操作系统在一个不确定的环境中进行，即人们不能对目前正在运行的程序的行为作出判断。因为在多道程序环境下，进程的执行是“走走停停”的，在内存的多个程序，何时运行，何时暂停、以怎样的速度向前推进，每个程序需要多长时间完成都是不可预知的。

7. 操作系统与用户的接口有几种？它们各自用在什么场合？

答：接口有两种：命令接口和程序接口。

命令接口是为了方便用户控制自己的作业，其分为联机命令接口、脱机命令接口和图形用户界面接口。 程序接口又称系统调用，是为用户在程序一级访问操作系统功能而设置的。是用户取得操作系统功能的唯一途径。

8. “操作系统是控制硬件的软件”这一说法确切吗？为什么？

答：不确切。操作系统是配置在硬件上的第一层软件，是对硬件的第一次扩充。但并不是控制硬件的软件，操

作系统的主要作用是管理计算机系统中的各种软、硬件资源，使其能被高效的利用来方便用户。

9. 设内存中有三道程序，A、B、C，它们按A→B→C的先后次序执行，

它们进行“计算”和“I/O操作”的时间如表1-2所示，假设三道程序使用相同的I/O设备。

操作 程序 A B C 20 30 10 30 50 20 10 20 10 计算 I/O操作 计算 （1） 试画出单道运行时三道程序的时间关系图，并计算完成三道程序

需要花多少时间。

A运行I/O操作A运行B运行I/O操作B运行C运行I/O操作C运行020506090140160170190200

完成三道程序需要200秒。

（2） 试画出多道运行时三道程序的时间关系图，并计算完成三道程序

需要花多少时间。

A运行B程序C程序A的I/O操作B运行C运行A运行完B的I/O操作C的I/O操作C执行完0205060708090100120

完成三道程序需要120秒

10. 将下列左右俩列词连接起来形成意义最恰当的五对。

网络操作系统 自由软件 多任务 单任务

为开发操作系统而设计c语言

DOS OS/2 UNIX Linux Windows NT 11.选择一个现代操作系统，查找和阅读相关的技术资料，写一篇关于该操作系统如何进行内存管理、存储管理、设备管理和文件管理的文章。 批处理系统是怎样的

第二章思考与练习题

1. 操作系统中为何要引入进程的概念？为了实现并发进程之间的合作和协调，以及保证系统的安全，操作系统在进程管理方面要做哪些工作

答 ：早期的计算机系统只允许以此执行一个程序,该程序对系统有完全的控制，能访问系统中的所有资源。现代操作系统允许将多道程序同时调入内存并发执行，这就要求对各种程序提供更严格的控制和功能划分。这样的要求就产生了进程的概念。

进程管理所要做的工作： （1）、为防止操作系统及其关键数据结构，如PCB等，受到用户程序的有意或无意的破坏。通常将处理机的执行状态分为核心态和用户态。

（2）、内核和原语。内核是在计算机硬件上扩充的第一层软件。操作系统要对这部分软件进行保护。内核是利用原语来实现的。原语是由原子操作构成。即所有操作要么全做，要么全不做，不可分割。内核包含时钟管理、中断处理、原语操作。

（3）、进程家族树。进程控制的职责是对系统中的所有进程实行有效的管理，其主要表现为对一个进程的创建、撤销，以及进程状态的转换控制。通常允许一个进程创建和控制另一个进程。前者称为父进程，后者称为子进程。创建父进程的进程称为祖父进程。子进程又可以创建孙进程。从而形成一个树结构的进程家族。

2. 试描述当前正在进行的进程状态改变时，操作系统进行进程切换的步骤。

答 ：就绪状态-->运行状态 进程根据优先级插入到就绪队列的适当位置。系统进程调度程序进行程序调度。

运行状态-->阻塞状态 系统收回其占有的资源并能够调度程序进行新程序调度运行。

3. 现代操作系统一般都提供多任务的环境，试回答以下问题。 （1） 为支持多进程的并发执行，系统必须建立哪些关于进程的数据结构？

答 ：建立进程控制块PCB，不同PCB用链表连接起来够就绪队列、阻塞队列。

（2） （3）

为支持进程状态的变迁，系统至少应提供哪些进程原语？ 当进程的状态变迁时，相应的数据结构发生变化吗？

答 ：阻塞原语、唤醒原语、挂起原语、激活原语

答 ：创建原语。建立进程PCB，并将进程加入就绪队列。

撤销原语。删除进程PCB，并将进程从其队列中删除。

阻塞原语。将PCB中进程状态从运行状态变为阻塞状态，并将进程加入阻塞队列。 唤醒原语。将PCB中进程状态从阻塞状态变为就绪状态，并将进程加入就绪队列。

4. 什么是控制进程块？从进程管理、中断处理、进程通信、文件管理及存储管 理角度设计进程控制块应包含的内容。

答 ：进程控制块是进程实体的一部分，它是操作系统中最重要的数据结构。进程控制块记录了，操作所需的用于描述进程情况及控制进程运行的全部信息。 进程控制块包含：

（1）进程描述信息。包括进程名，进程标识符，进程所属用户名等。

（2）处理机状态信息。处理机状态主要有通用寄存器，指令计数器，程序状态字寄存器，栈指针等内容信息构成。

(3)进程调度信息。包括进程的状态、进程的优先级、运行的统计信息、进程阻塞的原因。 (4)进程控制和资源占有信息。 包括程序入口地址，程序外存地址，进程同步及通信机制，资源占有信息、连接指针。

5. 假设系统就绪队列中有10个进程，这十个进程轮换执行每隔300ms轮换一次，

CPU在进程切换时所花费的时间是10ms，试问系统化在进程切换上的开销占系统整个时间的比例是多少？

答 ：10 %（10+300）=3.2%

6. 试述线程的特点及其与进程之间的关系

答 ：线程是进程的一个实体，线程表示进程的一个控制点，执行一系列指令。由于一个进程中有多个线程可同时访问进程的所有资源。因此线程之间的通信要比进程之间的通信要方便的多。同一进程中线程的切换也因现成的轻装而方便的多。一个进程至少有一个线程。

7. 根据图2-8回答以下问题。

时间片500ms 5低优先级就绪4运行7退出3时间片100ms 2创建1高优先级就绪6阻塞

（1）

进程发生状态变迁1、3、4、6、7的原因。

答 ：1表示进程创建后，进程进入高优先级就绪队列

3表示进程因I/O操作等待某件事而阻塞。 4表示进程运行时间片用完。

6表示进程I/O操作完成或时间片到了。 7表示进程运行完成而退出。

（2）

系统中常常由于某一进程的状态变迁引起另一进程也产生状态变迁，这种变迁成为因果变迁。下属是否是因果变迁：3-2、4-5、7-2、3-6，试说明原因。

答 ：3-->2是因果关系，当一个程序从运行状态变到阻塞状态时，CPU空闲时，高优先级队列中的一个进程运行。

4-->5是因果关系，一个程序运行完成，如果高优先级就绪队列为空，则从低优先级中调入一个程序运行

7-->2是因果关系，一个程序运行完成，系统从高优先级就绪队列中调入一个进程运行。 3-->6不是因果关系，一个程序阻塞是由于自身原因，和另一个程序的等待无关。

（3） 根据此进程状态转化图，说明该系统CPU调度的策略与效果。

答 ：进程调度使一个进程因I/O操作进入阻塞状态时，造成CPU空闲时，进程调度程序调另一个程序进入CPU运行。提高CPU 的运行效率，加大系统的吞吐量。

8. 回答以下问题。 （1） 若系统中没有运行进程，是否一定没有就绪进程？为什么？

答 ：是，当CPU空闲时，系统从就绪队列中调一个就绪的进程进入CPU运行，只有当就绪队列为空时，CPU才空闲。

（2） 若系统中既没有运行进程，也没有就绪进程，系统中是否就没有阻塞进程？

请解释。

答 ：不一定，没有就绪程序时，CPU空闲，也许有进程因I/O操作被阻塞而不能进入CPU执行。

（3）

如果系统采用优先级调度策略，运行的进程是否一定是系统中优先级最高

的进程？为什么？

答 ：不一定，高优先级队列中的进程也可能在进行其他操作，而无法进入就绪状态，此时系统只有从低优先级队列中调已进入就绪状态的进程进入CPU运行。

9. 假设有以下程序段，回答下面问题。 S1: a=3-x; S2: b=2*a; S3: c=5+a;

(1) 并发程序执行的Bernstein条件是什么？

答：R(S1)∩W(S2)∪R(S2)∩W(S1)∪W(S1)∩W(S2)={ }

(2) 试画图表示他们执行的先后次序。

B=2*AA=3-x(3)

利用Bernstein条件证明，s1,s2,s3那两个可以并发执行，那两个不能。

C=5+A答：R(S1)={X} R(S2)={A} R(S3)={A}

W(S1)={A} W(S2)={B} W(S3)={C}

因为 R(S1)∩W(S2)∪R(S2)∩W(S1)∪W(S1)∩W(S2)={ A} S1和S2不可以并发执行

R(S1)∩W(S3)∪R(S3)∩W(S1)∪W(S1)∩W(S3)={ } S1和S3可以并发执行 R(S2)∩W(S3)∪R(S3)∩W(S2)∪W(S2)∩W(S3)={ } S2和S3可以并发执行

第三章思考与练习题

1． 一下进程之间存在相互制约关系吗？若存在，是什么制约关系？为什么？ （1） 几个同学去图书馆借同一本书。 答 ：互斥制约，几个同学不能同时借一本书。 （2） 篮球比赛中两队同学争抢篮板球。 答 : 互斥制约，两个队不能同时抢到篮板球。

（3） 果汁流水线生产中捣碎、消毒、灌装、装箱等各道工序。 答 : 同步制约，各道工序必须按一定的时序 （4） 商品的入库出库。

答 : 通信制约，出库和入库必须互换信息，出库必须要库中有货物，入库必须要库中有空

位。

（5） 工人做工与农民种粮。 答 : 无制约关系。

2． 在操作系统中引入管程的目的是什么？条件变量的作用是什么？

答 :把所有的进程对某一临界资源的同步操作集中起来，构成一个所谓的“秘书”进程，凡是要访问临界资源的进程，都必须先向秘书报告，并由“秘书”实现诸进程的同步，既管程式：一个共享资源的数据结构以及一组能为并发进程在其上执行的针对该资源的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中数据。

3． 说明P、V操作为什么要设计成原语

答 :所谓原语操作就是操作不能被分割,要么不做,要么全做,P、V操作作为对资源的申请和释放，不能被分割，故要设计成原语操作。

有一个售票大厅，可容纳200人购票。如果厅内不足200人则允许进入，超过则在厅外等候；售票员某时只能给一个购票者服务，购票者买完票后就离开。试问： （1） 购票者之间是同步关系还是互斥关系？

答 : 购票者之间是互斥关系，他们不能同时使用售票员这一资源。

（2） 用P、V操作描述购票者的工作过程。

P（售票员）V（售票员）购票者

{ p(售票员)，s(购票者)，v(售票员) }

4． 程之间的关系如图3-16所示，试用P、V操作描述它们之间的同步。

s21s1s1243s4s356s67s5

进程s1:) ：{ s1,v(1),v(2)} 进程s2:) ：{p(1),s2,p(3)}

进程s3:) ：{p(2)},s3,v(4),v5)} 进程s4:) ：{p(4),s4,v(6)} 进程s5:) ：{p(5),s5,v(7)}

进程s6:) ：{p(3),p(6),p(7),s6}

5． 有4个进程P1、P2、P3、P4共享一个缓冲区，进程P1向缓冲区存入消息，进程P2、P3、P4从缓冲区中读消息，要求发送者必须等三个进程都读过本消息后才能发送下条消息。缓冲区内每次只能容纳一个消息，用P、V操作描述四个进程存取消息的情况。 答：

semaphore mutex=1

void p1-writer: void p2_reader: void p3_reader: void p4_ reader:

While(true) while(true) while(true ) while(true)

{ { { {

p(mutex) p(mutex) p(mutex) p(mutex)

If(reader>=3) reading; reading; reading;

Writing; reader++; reader++; reader++;

reader=0; v(mutex) v(mutex) v(mutex) V(mutex) } } } }

6． 分析生产者——消费者问题中多个P操作颠倒引起的后果。

答 : 如果把p（empty）和p（mutex）顺序颠倒，先检查p(mutex)再检查p(empty)，有可能检查p（mutex）是通过了，但检查p(empty)时没有用过。这时候进程将占用临界资源mutex，但empty没有通过进程被挂起。进程不能执行，临界资源不能被其他进程所用而产生死锁。

7． 读者——写者问题中写者优先的实现。

semaphore Wmutex,Rmutex=1; Int Rcount=0;

semaphore mutex=1;

void reader() //读者进程 {

While (true) {

P(mutex);

P(Rmutex);

If (Rcount==0) P(Wmutex); Rcount=Rcount+1; V(Rmutex);

V(mutex); ?; Read;

P(Rmutex);

Rcount=Rcount-1;

If(Rmutex==0) V(Wmutex); V(Rmutex); } }

void writer() //写者进程 {

While (true) {

P(mutex); P(Wmutex); ?; writer; ?;

V(Wmutex); V(mutex);

} }

8． 写一个用信号量解决哲学家进餐问题不产生锁死的算法。

答 :

Semaphore mutex=1 , chopstick[5]={1,1,1,1,1}; Void philosopher() {

While(true) {

P(mutex); //先让一个进程占住临界资源mutex;再申请其他资源 P(chopstick[i]);

P(chopstick[(i+1)%5]); ??.; Eat; ??.; P(mutex);

P(chopstick[i]);

P(chopstick[(i+1)%5]); ??.;

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