1操作系统引论

1、什么是操作系统，它的主要功能是什么？

关于操作系统，至今沿无严格的统一的定义，对操作系统的定义有各种说法，不同的说法反映了人们从不同的角度所揭示的操作系统的本质特征。

（1）从资源管理的角度，操作系统是控制和管理计算的软、硬件资源，合理地组织计算机的工作流程以及方便用户的程序集合。

（2）从硬件扩充的角度，操作系统是控制和管理计算机裸机之上的第一层软件，是对计算机硬件功能的一次扩充。

操作系统的主要功能有处理机管理、内存管理、设备管理文件管理等功能，以及用户接口。 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？

多道程序设计技术就是把多个程序同时放入内存，它们共享系统中的各种资源，并发地在处理机上运行。 特点如下：

（1）多道，即计算机内存中同时存入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，内存中的多道程序轮流地占有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？

批处理系统是一种基本的操作系统类型。在该系统中，用户的作业（包括程序、数据及程序的处理步骤）被成批地输入到计算机中，然后在操作系统的控制下，用户的作业自动地执行。

批处理系统的特点是“成批”和“自动”。成批是指多个作业同时进入系统，其中一部分放在内存中，其余的入在外存的后备队列中，这样便于系统搭配合理的作业使之执行，从而充分发挥系统中各种资源的作用。自动是指作业一旦提交，用户就不能干预自己的作业。

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。

分时系统允许多个终端用户同时使用计算机，在这样的系统中，用户感觉不到其他用户的存在，好像独占计算机一样。

实时系统是指系统对特定输入做出的反应速度足以控制发出实时信号的对象。“实时”二字的含义是指在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做出快速反应。

分时系统具有的多路性、独立性、及时性和交互性这四大特征，实时系统也同样具备，另外，实时系统对可靠性的要求比较高。下面从以下几方面对他们进行比较。

（1）多路性。实时信息重系统与分时系统一样具有多路性。操作系统按分时原则为多个终端用户提供服务。而对于实时控制系统，其多路性主要表现在经常对多咱的现声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。不管是实时信息处理系统还是实时控制系统，与分时系统一样都具独立性。每个终端用户在向实时系统提出服务请求时，彼此独立地工作、互不干扰。

（3）及时性。实时信息处理系统对及时性要求与分时系统类似，都以人们能接受的等待时间来确定。而实时控制系统对及时性要求更高，是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定，一般为秒级、几百毫秒级、毫秒级，有时甚至要求低于几百微秒。

（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特定的专用服务程序。它不像分时系统那样向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的人机对话的能力，也就是说，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的能力。

（5）可靠性。分时系统虽然也要求具有可靠性，但相比之下，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，甚至产生无法预料的后果。因此，在实时系统中，都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、实时系统分为哪两种类型？

实时系统按使用方式的不同可分为两类：实时控制系统和实时信息处理系统。实时控制系统利用计算机对实时过程进行控制和提供监督环境。实时信息处理系统利用计算机对实时数据进行处理。

6、操作系统的主要特征是什么？

操作系统的主要特征是并发性、共享性、虚拟性和不确定性。并发性是指两个或两个以上的事物在同一时间间隔发生。共享性是指多道程序或任务对计算机资源的共同享用。虚拟性是指操作系统采用软件的手段将一个物理上的实体对应为多个逻辑上的对应物。不确定性是指操作系统是在一个不确定的环境中运行，人们不能对所运行程序的行为以及硬件设备的情况做出任何的假定，也无法确切地知道操作系统正处于什么样的状态。

7、操作系统与用户的接口有几种？它们各自用在什么场合？

操作系统与用户的接口分为命令接口和程序接口，命令接口提供一组命令供用户使用。命令接口用于用户操作级别。程序接口提供一组系统调用，供用户在程序中取得操作系统服务而设置。程序接口用于用户程序级别。

8、“操作系统是控制硬件的软件。”这一说法确切吗？为什么？

这说法不确切。因为操作系统不仅控制和管理计算机的硬件资源，还要控制和管理计算机的软件资源，把操作系统定义为控制硬件的软件是片面的。

9、将下列左右两列词连接起来形成意义最恰当的对。

DOS 网络操作系统 OS/2 自由软件 UNIX 多任务 LINUX 单任务

WINDOWS NT 为开发操作系统而设计C语言

DOS 网络操作系统 OS/2 自由软件 UNIX 多任务 LINUX 单任务

WINDOWS NT 为开发操作系统而设计C语言

2 进程与线程

1、操作系统中为什么要引入进程的概念？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？

在多道程序的环境中，程序的并发执行代替了程序的顺序执行，并发执行的程序破坏了程序的封闭性和可再现性，使得程序和它的执行不再一一对应。此外，程序的并发执行导致了资源的竞争和共享，这就造成并发执行的程序之间可能存在相互制约关系。因此并发执行的程序不再处于封闭的系统中，而出现了许多新的特征，如动态性、并发性、独立性及并发程序之间相互制约性待。程序这个静态的概念已经无法真实地反映并发执行的程序的特征，所以需要一个能够描述并发程序执行的过程的实体——进程。进程是一个数据集合上的执行过程。

操作系统在进程管理方面要做的主要工作有以下几方面：

（1）进程控制：设置一套机制来完成进程的创建、撤销以及进程状态的转化。

（2）进程同步：实现对系统中运行的所有进程之间的协调，包括进程互斥和进程同步。

（3）进程通信：在多道程序环境中，进程之间需要合作以共同完成一项任务，这些进程之间需要交换信息来协调各自的工作进度。所以系统必须具有进程之间通信的能力。

（4）进程调度：当处理机空闲时，按一定算法挑选一个进程，使其占有处理，投入运行。 2、试描述当前正在运行的进程状态改变时，操作系统进行进程切换的步骤？

当正在执行的进程状态改变时，进程切换的步骤如下：

（1）保存处理的状态到该进程的PCB中，包括各种寄存器的内容，如通用寄存器、指令计数器、程序状态字（PSW）寄存器及栈指针。

（2）对当明运行进程的PCB进行更新，包括改变进程的状态和其他相关信息。

（3）根据情况将该进程的PCB移入相应的队列（可能是就绪队列、阻塞队列及就绪挂起等）。 （4）进行进程调度，挑选一个进程。

（5）更新被选中进程的PCB，包括将其状态改为运行状态。

（6）根据被选择进程的PCB内容，得到被选进程对应程序的地址。 （7）恢复被选中进程的处理机状态。

3、现代操作系统一般都提供多任务的环境，度回答以下问题：（1）为运行多进程的并发执行，系统必须建立哪些关于进程的数据结构？（2）为支持进程的状态变迁，系统至少应提供哪些进程控制原语？（3）当进程的状态变迁时，相应的数据结构发生变化吗？

多任务环境即多道程序环境或多进程环境。

（1）为支持多进程的并发执行，系统必须建立的数据结构是PCB，不同状态进程的PCB用链表组织起来，开成就绪队列、阻塞队列等。

（2）为运行进程的状态变迁，系统至少提供的进程控制原语包括创建原语、撤销原语、阻塞原语和唤醒原语，当内存紧张时还应提供挂起原语和激话原语。

（3）当进程的状态变迁时，相应的数据结构发生变化，具体如下： 创建原语：建立进程的PCB，并将进程投入就绪队列。 撤销原语：删除进程的PCB，并将进程在其队列中摘除。

阻塞原语：将进程PCB中进程的状态从运行状态改为阻塞状态，并将进程投入到阻塞队列。

唤醒原语：将进程PCB中进程的状态从阻塞状态改为就绪状态，并将进程从阻塞队列摘下，投入到就绪队列中。

4、什么是进程控制块，从进程管理、中断处理、进程通信、文件管理、设备管理及存储管理的角度设计进程控制块应包含的内容。

进程控制块（PCB）是为了描述进程的动态变化而设置的一个与进程相联系的数据结构，用于记录系统管理进程所需信息。PCB是进程存在的唯一标识，操作系统通过PCB得知进程的存在。

为了进程管理，进程控制块的内容应包括以下几方面：（1）进程的描述信息，包括进程标识符、进程名等；（2）进程的当前状态；（3）当前队列链接指针；（4）进程的家族关系。

为了中断处理，进程控制块的内容应包括处理机状态信息和各种寄存器的内容，如通用寄存器、指令计数器、程序状态字（PSW）寄存器及栈指针等。

为了内存管理的需要，进程控制块的内容应包括程序在内存的地址及外存地址。 为了进程通信，进程控制块的内容应包括进程使用的信号量、消息队列指针等。 为了设备管理，进程控制块的内容应包括进程占有资源情况。

5、假设系统就绪队列中有10上进程，这10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总时间是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？

就绪队列中有10个进程，这10个进程轮换执行，每个进程的运行时间是300ms，切换另一个进程所花费的总时间是10ms，因此系统化在进程切换上的时间开销占系统整个时间的比例是：10/（300+10）=3.2%

6、试述线程的特点及其与进程之间的关系。

线程是进程内的一个相对独立的运行单元，是操作系统调度和分派的单位。线程只拥有一点必不可少的资源（一组寄存器和栈），但可以和同属于一个进程的其他线程共享进程拥有的资源。

线程是进程的一部分，是进程内的一个实体；一个进程可以有多个线程，但至少必须有一个线程。

在多线程的操作系统中，线程是独立调度的分派的单位，进程是拥有资源的单位。

7、根据下图，回答以下问题。（1）进程发生状态变迁1、3、4、6、7的原因。（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，这种变迁称为因果变迁。下述变迁是否为因果变迁；3—>2、4—>5、7—>2、3—>6，试说明原因。（3）根据图说明该系统CPU调度的策略和效果。

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

（1）从图中可以看出，1表示新进程创建后，进入高优先级就绪队列；3表示进程因请求I/O或等待栽事件而阻塞；4表示进程运行的时间片到；6表示进程I/O完成或等待的事件到达；7表示进程运行完毕而退出。

（2）从图中可看出，3—>2是因果变迁，当一个进程从运行态变为阻塞态时，此时CPU空闲，系统首先到高优先级队列中选择一个进程投入运行。

4—>5是因果变迁，当一个进程时间片到，从运行态变为就绪状态时，此时CPU空闲，系统首先到高优先级队列中选择进程，但如果高优先级队列为空，则从低优先级队列中选择一个进程投入运行。

7—>2是因果变迁，当一个进程运行完毕时，CPU空闲，系统首先到高优先级队列中选择一个进程投入运行。

3—>6不是因果变迁。一个进程阻塞是由于自身的原因而发生的，和另一个进程等待的事件到达没有因果关系。

（3）从图可以看出，当进程调度时，首先从高优先级就绪队列选择一个进程，赋予它的时间片为100ms。如果高优先级就绪队列为空，则从低优先级就绪队列选择进程，但赋予该进程的时间片为500ms。

这种策略一方面照顾了短进程，一个进程如果在100ms运行完毕它将退出系统，更主要的是照顾了I/O量大的进程，进程因I/O进入阻塞队列，当I/O完成后它就进入了高优先级就绪队列，在高优先级就绪队列等待的进程总是优先级就绪队列的进程。而对于计算机量较大的进程，它的计算机如果在一个100ms的时间片内不能完成，它将进入低优先级就绪队列，在这个队列的进程被选中的机会要少，只有当高优先级就绪队列为空，才从低优先级就绪队列选择进程，但对于计算量大的进程，系统给予的适当照顾是时间片增大为500ms。

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？（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。（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。

（1）是。若系统中没有运行进程，系统会马上选择一个就绪进程队列中的进程投入运行。只有在就绪队列为空时，CPU才会空闲。

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