操作系统讲解2011

2． 基本原理和技术

（1）操作系统的基本特征是什么？

操作系统的基本特征是：并发、共享和异步性。并发是指两个或多个活动在同一给定的时间间隔中进行。共享是指计算机系统中的资源被多个任务所共用。 （2）操作系统的主要功能是什么？

操作系统的主要功能包括：存储管理，进程和处理机管理，文件管理，设备管理以及用户接口管理。 （3）操作系统一般为用户提供了哪三种界面？各有什么特点？

操作系统一般为用户提供的三种界面是：图形用户接口、命令行接口和程序接口。

图形用户接口：用户利用鼠标、窗口、菜单、图标等图形界面工具，可以直观、方便、有效地使用系统服务和各种应用程序及实用工具。

命令行接口：在提示符之后用户从键盘上输入命令，命令解释程序接收并解释这些命令，然后把它们传递给操作系统内部的程序，执行相应的功能。

程序接口：也称系统调用接口。系统调用是操作系统内核与用户程序、应用程序之间的接口。 （4）操作系统主要有哪三种基本类型？各有什么特点？

操作系统主要有以下三种基本类型：多道批处理系统、分时系统和实时系统。 多道批处理系统的特点是多道和成批。

分时系统的特点是同时性、交互性、独立性和及时性。

实时系统一般为具有特殊用途的专用系统，其特点是交互能力较弱、响应时间更严格、对可靠性要求更高。

（5）操作系统主要有哪些类型的体系结构？UNIX、Linux系统各采用哪种结构？

操作系统有如下四种结构：整体结构，层次结构，虚拟机结构和客户机-服务器结构。UNIX系统采用的是层次结构，Linux系统采用的是整体结构。 （6）Linux系统有什么特点？ Linux系统的主要特点有： ①与UNIX兼容。 ②自由软件，源码公开。

③性能高，安全性强。 ④便于定制和再开发。 ⑤互操作性高。

⑥全面的多任务和真正的32位操作系统。

3． 思考题

（1）在计算机系统中操作系统处于什么地位？

操作系统是裸机之上的第一层软件，与硬件关系尤为密切。它不仅对硬件资源直接实施控制、管理，而且其很多功能的完成是与硬件动作配合实现的，如中断系统。操作系统的运行需要有良好的硬件环境。这种硬件配置环境往往称作硬件平台。

操作系统是整个计算机系统的控制管理中心，其他所有软件都建立在操作系统之上。操作系统对它们既具有支配权力，又为其运行建造必备环境。

（2）你熟悉哪些操作系统？想一想你在使用计算机过程中，操作系统如何提供服务？

我们最熟悉的一般为Windows操作系统，它是由微软（Microsoft）公司推出的一个功能强大的图形界面操作系统。常用的操作系统还有Linux，UNIX操作系统。

我们在使用计算机时，首先接触的是用户界面，我们可以通过键盘上输入命令，在桌面上点击鼠标完成操作，这时系统就知道执行相应的功能。 （3）使用虚拟机，有什么优势和不足？ 采用虚拟机的优点主要有：

①在一台机器上可同时运行多个操作系统，方便用户使用。 ②系统安全，有效地保护了系统资源。

③为软件的研制、开发和调试提供了良好的环境。 ④组建虚拟网络，可以创造出多个理想的工作环境。 缺点是：

①对硬件的要求比较高，主要是CPU、硬盘和内存。

②本身非常复杂，另外，执行任务时的速度会受到一些影响。

第二章

1.基本原理和技术

（1） 在操作系统中为什么要引入进程概念？它与程序的区别和联系是什么？

在操作系统中，由于多道程序并发执行时共享系统资源，共同决定这些资源的状态，因此系统中各程序在执行过程中就出现了相互制约的新关系，程序的执行出现“走走停停”的新状态。 进程与程序的主要区别是： ·进程是动态的；程序是静态的。

·进程有独立性，能并发执行；程序不能并发执行。 ·二者无一一对应关系。

·进程异步运行，会相互制约；程序不具备此特征。

但进程与程序又有密切的联系：进程不能脱离具体程序而虚设，程序规定了相应进程所要完成的动作。 （2） 进程的基本状态有哪几种？

通常在操作系统中，进程至少要有三种基本状态。这三种基本状态是：运行态、就绪态和阻塞态（或等待态）。

（3） 用如图3-23所示的进程状态转换图能够说明有关处理机管理的大量内容。试回答： ① 什么事件引起每次显著的状态变迁？ ② 下述状态变迁因果关系能否发生？为什么？

（A）2→1 （B）3→2 （C）4→1

① 就绪→运行：CPU空闲，就绪态进程被调度程序选中。 运行→就绪：正在运行的进程用完了本次分配给它的CPU时间片。 运行→阻塞：运行态进程因某种条件未满足而放弃对CPU的占用，如等待读文件。

阻塞→就绪：阻塞态进程所等待的事件发生了，例如读数据的操作完成。 ② 下述状态变迁：

（A）2→1：可以。运行进程用完了本次分配给它的时间片，让出CPU，从就绪队列中选一个进程投入运行。

（B）3→2：不可以。任何时候一个进程只能处于一种状态，它既然由运行态变为阻塞态，就不能再变为就绪态。

（C）4→1：可以。某一阻塞态进程等待的事件出现了，而且此时就绪队列为空，该进程进入就绪队列后马上又被调度运行。

（4） PCB的作用是什么？它是怎样描述进程的动态性质的？

进程控制块PCB是进程组成中最关键的部分。每个进程有唯一的进程控制块；操作系统根据PCB对进程实施控制和管理，进程的动态、并发等特征是利用PCB表现出来的；PCB是进程存在的唯一标志。

PCB中有表明进程状态的信息：该进程的状态是运行态、就绪态还是阻塞态，利用状态信息来描述进程的动态性质。

（5） PCB表的组织方式主要有哪几种？分别简要说明。 PCB表的组织方式主要有：线性方式、链接方式和索引方式。 线性方式是把所有进程的PCB都放在一个表中。

链接方式按照进程的不同状态把它们分别放在不同的队列中。 索引方式是利用索引表记载相应状态进程的PCB地址。

（6） 进程进入临界区的调度原则是什么？

①如果有若干进程要求进入空闲的临界区，一次仅允许一个进程进入。

图3-23 进程状态转换图

②任何时候，处于临界区内的进程不可多于一个。如已有进程进入自己的临界区，则其它所有试图进

入临界区的进程必须等待。

③进入临界区的进程要在有限时间内退出，以便其它进程能及时进入自己的临界区。 ④如果进程不能进入自己的临界区，则应让出CPU，避免进程出现“忙等”现象。

（7） 简述信号量的定义和作用。P、V操作原语是如何定义的？

信号量一般是由两个成员组成的数据结构，其中一个成员是整型变量，表示该信号量的值，它是与相应资源的使用情况有关的；另一个是指向PCB的指针。当多个进程都等待同一信号量时，它们就排成一个队列，由信号量的指针项指出该队列的头。

信号量通常可以简单反映出相应资源的使用情况，它与P、V操作原语一起使用可实现进程的同步和互斥。

P、V操作原语的定义： P(S)：顺序执行下述两个动作： ①信号量的值减1，即S=S-1； ②如果S≥0，则该进程继续执行；

如果S＜0，则把该进程的状态置为阻塞态，把相应的PCB连入该信号量队列的末尾，并放弃处理机，进行等待（直至其它进程在S上执行V操作，把它释放出来为止）。 V(S)：顺序执行下述两个动作： ①S值加1，即S=S+1；

②如果S＞0，则该进程继续运行；

如果S≤0，则释放信号量队列上的第一个PCB（即信号量指针项所指向的PCB）所对应的进程（把阻塞态改为就绪态），执行V操作的进程继续运行。

（8） 计算机系统中产生死锁的根本原因是什么？

计算机系统中产生死锁的根本原因是：资源有限且操作不当。此外，进程推进顺序不合适也可以引发的死锁。

（9） 发生死锁的四个必要条件是什么？

发生死锁的四个必要条件是：互斥条件，不可抢占条件，占有且申请条件，循环等待条件。

（10）一般解决死锁的方法有哪三种？

一般解决死锁的方法有：死锁的预防、死锁的避免、死锁的检测与恢复。

2.思考题

（1） 是否所有的共享资源都是临界资源？为什么？

不是所有的共享资源都是临界资源。因为临界资源是一次仅允许一个进程使用的资源，而系统中有很多资源可以让多个进程同时使用，例如硬盘、正文段等。

（2） 系统中只有一台打印机，有三个用户的程序在执行过程中都要使用打印机输出计算结果。设每个用户程序对应一个进程。问：这三个进程间有什么样的制约关系？试用P、V操作写出这些进程使用打印机的算法。

因为打印机是一种临界资源，所以这三个进程只能互斥使用这台打印机，即一个用户的计算结果打印完之后，另一个用户再打印。 设三个进程分别为A、B和C。

设一个互斥信号量mutex，其初值为1。

进程A 进程B 进程C

P(mutex) P(mutex) P(mutex) 使用打印机 使用打印机 使用打印机 V(mutex) V(mutex) V(mutex)

（3） 判断下列同步问题的算法是否正确？若有错，请指出错误原因并予以改正。

① 设A，B两个进程共用一个缓冲区Q，A向Q写入信息，B从Q读出信息，算法框图如图3-24所示。 ② 设A，B为两个并发进程，它们共享一个临界资源。其运行临界区的算法框图如图3-25所示。

图3-24 进程A, B的算法框图 图3-25 两个并发进程临界区的算法框图

① 这个算法不对。因为A、B两个进程共用一个缓冲区Q，如果A先运行，且信息数量足够多， B就不能从Q中读出完整的信息。

改正：

A、B两进程要同步使用缓冲区Q。为此，设立两个信号量： empty表示缓冲区Q为空，初值为1； full表示缓冲区Q为满，初值为0。 算法框图如图1所示。

② 这个算法不对。因为A、B两个进程是并发的，它们共享一个临界资源，所以二者应互斥地使用该临界资源。

改正：

A、B两个进程应互斥地进入临界区。为此，设立一个信号量：互斥信号量mutex，其初值为1。 算法框图如图2所示。

A进程 B进程 A进程 B进程 P(empty) P(full) P(mutex) P(mutex) 向Q写入信息 从Q中读出信息 临界区代码CSa 临界区代码CSb V(full) V(empty) V(mutex) V(mutex)

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