======第一章总结及习题======

Posted 2021-06-28 dearQiHao

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々计算机操作系统（第4版）学习指导与解题

1.1 基本内容

1.1.1 操作系统的目标和作用

操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源,合理对各类作业进行调度,以及方便用户使用计算机程序的集合。他是配置在计算机上的第一层软甲，是对硬件功能的首次扩充。操作系统在计算机系统中占据特别重要的地位，他是==计算机中最重要的系统软件，是其他系统软件和应用软件运行的基础。

操作系统的目标

（1）方便性。操作系统使计算机系统更易于使用
（2）有效性。操作系统使资源的利用率更高，系统的吞吐量更大。
（3）可扩充性。
（4）开放性

2.操作系统的作用

(1)操作系统是用户与计算机硬件系统之间的接口.用户并不直接与激素啊你硬件打交道.
(2)操作系统是计算机资源的管理者。处理机的分配和控制，内存的分配和回收，I/O设备的分配和操纵、文件的存取、共享和保护工作都是由操作系统完成的。
(3)操作系统实现了对计算机资源的抽象。

操作系统还是计算机工作流程的组织者.他负责在众多作业之间切换处理机,并协调他们的推进速度,从而进一步提高系统的性能.

1.1.2 操作系统的发展过程

无操作系统的计算机系统

(1)人工操作方式
(2)脱机输入/输出方式

单道批处理系统
多道批处理系统

(1)多道程序设计技术
(2)多道批处理系统’

分时系统

分时系统具有以下特征:
(1)多路性
(2)独立性
(3)及时性
(4)交互性

5.实时系统

(1)实时系统基类及类型:实时系统是指能及时响应外部时间的请求,在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致的运行。常见的实时系统类型有：工业（武器）控制系统、信息查询系统、多媒体系统和嵌入式系统等。
(2)实时任务的类型
硬实时任务
软实时任务
(3)实时系统与分时系统特征的比较
多路性
独立性
及时性
交互性
可靠性

6.微机操作系统

1.1.3操作系统的基本特征和功能

操作系统的基本特征

(1)并发性
(2)共享性
互斥共享
同时访问
虚拟性
异步性

2.操作系统的功能
操作系统的主要功能包括:处理及管理、存储器管理、设备管理、文件管理和提供有好的用户接口。五个方面。

(1)处理机管理
处理机管理主要是对处理机的分配和运行进行管理。
进程控制
进程同步
进程通信
进程协调
(2)存储器管理
存储器管理主要是为多道程序提供良好的环境。
内存分配
内存保护
地址映射
内存扩充
(3)设备管理
设备管理主要是完成用户的I/O请求
缓冲管理
谁被分配
设备处理
(4)文件管理
文件管理主要使用户能方便、安全地使用各种信息资源
文件存储空间的管理
目录管理
文件的读/写管理和保护
(5)又好的用户接口
为方便用户使用计算机,操作系统向用户提供了使用计算机的接口
用户接口
程序接口
(6)现代操作系统的新功能
系统安全
网络的功能和服务
支持多媒体

1.1.4操作系统的结构设计

无结构OS
模块化结构OS
分层式结构OS
4.微内核结构OS

1.2重点,难点学习提示

OS的引入和发展

(1)早期无OS的计算机系统中,存在着人机矛盾和CPU I/O设备速度不匹配的矛盾,他们对计算机资源的利用率有何严重的影响?
(2)单道批处理系统中引用了那些技术?他是如何解决上述两队矛盾的?
(3)单道批处理系统还存在那些不足之处?而多道批处理系统又是通过那些技术措施来解决这些不足的?
(4)多道批处理系统还有那些地方不能满足用户的需求?或者说,是在什么样的需求推动力的作用下,由批处理系统发展为分时系统的?实现分时系统的关键技术是什么?
(5)上述几种系统还有那些地方不能满足用那个化的需求,或者说,是在什么样的需求推动力的作用下,由分时系统又发展为实时系统的?在学习时,还应逐一分析和比较分时系统与实时系统的特征.

2.OS的基本特征和功能

(1)OS的特征：并发性、资源共享性、虚拟性和异步性。
(2)OS四大特征之间的关系：最重要的是并发，其他三个特征都是以并发为前提的。
(3)OS的功能：处理及管理、存储器管理、设备管理、文件管理和提供有奥德用户接口这无法功能。
(4)OS五大功能的必要性：思考，如果确实了其中的某些功能将会对系统的运行产生什么样的影响？

3.分层式结构和微内核结构

(1)什么是分层式结构
(2)分层的原则
(3)什么是客户/服务器技术
(4)什么是面向对象技术
(5)什么是微内核结构

1.3典型问题分析和解答

1.3.1OS的引入和发展过程中的典型问题分析

【例1】试说明操作系统与硬件、其他系统软件以及用户之间的关系

操作系统是覆盖在硬件上的第一层软件,他管理计算机的硬件和软件资源，并向用户提供良好的界面。操作系统与硬件紧密相关，他直接管理着硬件资源，为用户完成所有硬件相关操作。从而极大地方便了用户对硬件资源的使用并提高了硬件资源的利用率。操作系统是一种特殊的系统软件，其他系统软件运行在操作系统的基础之上，可获得操作系统提供的大量服务，也就是说：操作系统是其他系统团建与硬件之间的接口。而一般用户使用计算机除了需要操作系统支持外，还需要用到大量的其他系统软件应用软件，使其工作更方便和高效。关系如下图示：

在这里插入图片描述

【例2】什么是多道程序技术？在OS中进入该技术,带来了哪些好处?

多道程序技术是指：在内存中同时存放若干个作业，并使他们共享系统的资源且同时运行的技术。
引入多道程序技术带来了以下好处：
（1）提高CPU的利用率
（2）可提高内存和I/O设备的利用率
（3）增加系统吞吐量

【例3】推动批处理系统和分时系统形成和发展的主要动力是什么?

(1)推动批处理系统形成和发展的主要动力是：“不断提高系统资源利用率”和“提高系统吞吐量”
(2)推动分时系统形成和发展的主要动力是：“为了更好地满足用户的需要”。如：人机交互能力的提供使用户能方便地直接控制自己的作业

【例4】

在这里插入图片描述

【例5】实现分时系统的关键问题是什么?应如何解决?

关键问题
使用户能与自己的作业进行焦虎，即用户在自己的终端上键入一条命令以请求系统服务后，系统能及时地接收并处理该命令，并在用户能够接受的时间内将结果返回给用户。
如何解决：
及时的接受命令和返回输出结构是比较容易做到的，一般只要在系统中配置一多路卡，并未每个终端配置一个缓冲区从来暂存用户键入命令和输出的结果便可以了。因IC关键要解决的问题是确保在以较短的时间内，系统中所有的用户程序都能执行一次，从而使用户键入的命令能够得到及时处理。
为此，一方面，用户作业提交后应立即进入内存；另一方面，系统应设置一个被称为时间片的很短的时间，并规定每个程序每次最长只能连续运行一个时间片，如果是剪片用完了，则不管他是否运行完毕，都必须将CPU让给下一个作业。通过作业分时共享CPU,可使所有的作业得到及时的处理,使用户的请求得到及时的响应。

【例6】试从交互性、及时性和可靠性三个方面，比较分时系统与实时系统

(1)交互性：交互性问题是分时系统的关键问题。在分时系统中，用户可以通过终端与系统进行广泛的人机交互，如文件编辑、数据处理和资源共享。实时系统也有交互性，但在实时系统中的交互性仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。
(2)及时性：分时系统的及时性是指用户能在很短的时间内获得系统的响应，此时间间隔是以人们能接受的的等待时间决定的，一般为2~3秒。对实时系统来说，及时性是它的关键问题之一，实时信息系统的及时性要求与分时系统相似，而实时控制系统的及时性要求则是：由被控制对象所要求的开始截止时间和完成截止时间所决定的，一般为秒级、百毫秒级、直到毫秒级，甚至更低。
(3)可靠性：可靠性是实时系统的另一个关键问题，实时系统中的任何差错都可能带来巨大的经济损失，甚至带来无法预料的灾难性后果，所以实时系统往往采取多级容错措施来保证系统的高度可靠。分时系统虽然也要求可靠，但比实时系统的要求要低。

1.3.2 OS的基本特征和功能中的典型问题分析

【例7】操作系统具有哪几大特征?他们之间有何关系?

并发性、虚拟性、资源共享性、异步性，他们的关系如下：
（1）并发性和资源共享性是操作系统最基本的特征。为了提高计算机资源的利用率。OS必然要采用多道程序设计技术，使多个程序共享系统的资源，并发地执行。
（2）并发性和资源共享性互为存在的条件。一方面资源的共享是亿进程的并发执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享的问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，协调好诸多进程对共享资源的访问，也必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。
（3）虚拟性以并发性和资源共享性为前提。为了使并发进程呢个更方便、更有效的共享资源。操作系统常采用多种虚拟技术在逻辑上增加CPU和设备的数量以及存储器的容量，从而解决众多并发进程对有限的系统资源的争用问题。
（4）异步性是并发性和资源共享性的必然结果。操作系统允许多个并发进程共享资源、相互合作，使得每个进程的运行过程收到其他进程的制约，不在“一气呵成”，这必然导致异步性特征的产生。

1.3.3 分层式和微内核结构中的典型问题分析

【例8】试比较分层式结构与模块式结构的异同

分层式结构与模块式结构一样具有模块化的特征。分层式结构也要将复杂的操作系统按其功能分成若干个比较简单、相对独立的模块；为了使模块之间能够交互，他也必须规定模块之间的接口，因此，分层结构具有模块结构式的优点
分层式与模块式结构的主要区别在于,分层式结构中各模块之间是有序的.分层式结构将各功能模块按他们的功能流图的调用次序安排成若干层,各层之间的模块不能像模块式结构那样通过接口毫无规则的相互依赖、互相调用，而只能是单项依赖或者是但向调用，即每层中的模块只能使用较底层模块提供的服务和功能将。因此，分层式结构中，模块之间的组织结构和毅力来关系更加清晰，这不仅增加了系统的可读性和可适应性，同时还可以使每一层建立在可靠地基础上，从而提高系统的可靠性。

【例9】微内核结构具有那些优点？为什么？

（1）提高了系统的可拓展性。在微内核中，OS的大部分功能，都是由相对独立的服务器来实现的，用户可以根据需要，选配其中的部分或全部’服务器；还可以随着计算机硬件和OS技术的发展，相应地更新若干服务器或增加一些新的服务器。
（2）增强了OS的可靠性。由于所有的服务器都是运行在用户态，他们不能直接访问硬件，因此，当某个服务器出现错误时，通常只会影响到自己，而不会引起内核和其他服务器的损坏和崩溃。
（3）可移植性更好。在为内核OS中，所有与特定CPU 和I/O设备硬件相关的代码，均放在内核和内核下面的硬件隐藏层中，而操作系统其他绝大部分均与硬件平台无关，因而，把操作系统移植到另一硬件平台上的改动比较小。
（4）适用于分布式系统。对用户进程（即客户）而言，如果他通过系统消息传递与服务器通信，那么他只需要发送一个请求，然后等待服务器发来的响应，而根本无需知道这条消息是在本地机就地处理还是通过网络送给远地机上的服务器处理。

1.4习题（不再分选项）

1.4.1 选择题

在计算机系统中配置操作系统的主要目的是提高系统资源的利用率，操作系统的主要功能是管理计算机系统中的资源，其中包括存储器、处理机以及文件和设备。这里的处理机管理主要是对进程进行管理。
操作系统有多种类型：允许多个用户以交互方式使用计算机的操作系统，称为分时系统；允许多个用户将若干个作业提交给计算机系统集中处理的操作系统称为批处理操作系统；在实时操作系统的控制下，计算机系统能及时处理由过程控制反馈的数据，并做出响应；在IBM-PC机上的操作称为微机操作系统.
操作系统是一种系统软件，它负责为用户和用户程序完成所有与硬件相关并与应用无关的工作，高级程序设计语言的编译不是操作系统关系的主要问题。
用户在程序设计过程中，可通过系统调用来获得的操作系统的服务。
在OS中采用多道程序设计技术，能够有效地提高CPU，内存好I/O设备的利用率为实现多道程序设计需要有更大的内存
推动批处理系统形成和发展的主要动力是提高系统资源的利用率，推动分时系统形成和发展的动力是方便用户，推动微机OS发展的主要动力室计算机硬件的不断更新换代
在设计分时操作系统时，首先要考虑的是交互性和响应时间；在批处理操作系统首先要考虑的是周转时间和系统吞吐量，在设计实时操作系统时，首先要考虑的是实时性和可靠性
在多道批处理系统中，为了充分利用各种资源，系统总是优先选择计算型和I/O型均衡的多个作业投入运行；为了提高吞吐量，系统总是想方设法缩短用户作业的周转时间
略(1)
分时系统的响应时间(及时性)主要是根据用户所能接受的等待时间确定的，而实时系统的响应时间则是由控制对象所能接受的时延确定的
在分时系统中，为使多个用户能够同时与系统交互，最关键的问题是能在一较短时间内,使所有用户程序都得到运行;当用户数目为100时,为保证响应时间不超过2秒,此时时间片最大应为20ms==
分时系统和实时系统都具有交互性,实时系统的交互性允许用户访问专用服务程序分时系统的交互性允许用户请求系统提高的多方面的服务
实时操作系统必须在规定时间内处理完来自外部的事件,资源利用率不是设计师是系统主要追求的目标
在下列系统中民航售票系统是实时信息系统,火箭飞行控制系统是实施控制系统
略
略
在单处理器系统中,可以并发但不可以并行工作的事进程与进程
略
采用微内核结构时，将OS分成用于实现OS最基本功能的内核和提供何种服务的服务器两个部分；通常，下列模块中必须包含在操作系统内核中行的模块式中断处理
与早期的OS相比，采用微内核结构的OS具有很多优点，但这些优点不包括提高了OS的运行效率
在8位微机上占据统治地位的操作系统是CP/M，16位微机事实上的操作系统标准是MS-DOS
在3.X版本以前的MS-DOS是单用户单任务操作系统,Windows95是单用户多任务操作系统，windowsX、window7及windows8是多用户多任务，他们都是有Microsoft开发的
UNIX操作系统最初是由BELL实验室推出的，它属于多用户多任务类操作系统
linux是一个多用户多任务类型的操作系统，其内核创始人是linux torcalds;所谓linux是一个"Free software",这意味着linux可以自由修改和发布

1.4.2 填空题

设计现代OS的主要目标是提高资源利用率和方便用户
单道批处理系统实在解决人机矛盾和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾中发展起来的
在单处理机环境下的多道程序设计具有多道、宏观上同时运行和微观上交替运行的特点
现代操作系统的两个最基本特征是并发和资源共享，除此之外，它还具有虚拟性和异步性的特征
从资源管理的角度来看，操作系统你那个具有四大功能：处理及管理、存储器管理、设备管理、文件管理；而为了方便用户，操作系统还必须提供有好的用户接口
处理传统操作系统中的进程管理、存储器管理、设备管理、文件管理等基本功能外，现代操作系统中还增加了系统安全、网路、和多媒体等功能
操作系统的基本类型主要有批处理系统、分时系统、实时系统
批处理系统的主要优点是资源利用率高和系统吞吐量大；主要缺点是无交互作用能力和作业平均周转时间长
实现分时系统的关键问题：人机交互，为此必须引入时间片的概念，并采用时间片轮转调度算法
分时系统的基本特征是：多路性、独立性、交互性、和及时性
若干时间在同一时间间隔内发生称为并发；若干事件在同一时刻发生称为并行
实时系统可分为实时信息处理系统、实施控制系统、多媒体系统和嵌入式系统等类型；民航售票系统属于实时信息处理系统，而导弹飞行控制属于实施控制系统
为了使实时系统高度可靠与安全，通常不强求资源利用率
当前比较流行的微内核操作系统结构，是建立在层次化结构的基础上的，而且还采用了客户机/服务器模式和面向对象程序设计技术。

々计算机操作系统（第四版——汤子瀛）

习题

设计现代OS的主要目标是什么？

（1）有效性
（2）方便性
（3）可扩充性
（4）开放性

OS的作用可表现在哪几个方面？

（1）OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口
（2）OS作为计算机系统资源的管理者
（3）IS实现来对计算机资源的抽象

seismic说操作系统实现了对计算机资源的抽象？

OS首先在裸机上覆盖一层I/O设备管理软件，实现了对计算机硬件操作的第一层次抽象；
在第一层软件上再覆盖文件管理软件，实现了对硬件资源操作的第二层次抽象。
OS 通过在计算机硬件上安装多层系统软件，增强了系统功能，隐藏了对硬件操作的细节，由它们共同实现了对计算机资源的抽象。

试说明推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是什么？

主要动力来源于四个方面的社会需求与技术发展：
（1）不断提高计算机资源的利用率；
（2）方便用户；
（3）器件的不断更新换代；
（4）计算机体系结构的不断发展。

何谓脱机I/O和联机I/O？

脱机I/O 是指事先将装有用户程序和数据的纸带或卡片装入纸带输入机或卡片机，在外围机的控制下，把纸带或卡片上的数据或程序输入到磁带上。该方式下的输入输出由外围机控制完成，是在脱离主机的情况下进行的。
联机I/O方式是指程序和数据的输入输出都是在主机的直接控制下进行的。

试说明推动分时系统形成和发展的主要动力是什么？

推动分时系统形成和发展的主要动力是更好地满足用户的需要。主要表现在：
CPU 的分时使用缩短了作业的平均周转时间；
人机交互能力使用户能直接控制自己的作业；
主机的共享使多用户能同时使用同一台计算机，独立地处理自己的作业。

实现分时系统的关键问题是什么？应该如何解决？

关键问题是当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，在用户能接受的时延内将结果返回给用户。
解决方法：针对及时接收问题，可以在系统中设一多路卡，使主机能同时接收用户从各个终端上输入的数据；为每个终端配臵缓冲区，暂存用户键入的命令或数据。针对及时处理问题，应使所有的用户作业都直接进入内存，并且为每个作业分配一个时间片，允许作业只在自己的时间片内运行，这样在不长的时间内，能使每个作业都运行一次。

为什么要引入实时操作系统？

实时操作系统是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。
引入实时OS 是为了满足应用的需求，更好地满足实时控制领域和实时信息处理领域的需要。

什么是硬实时任务和软实时任务？试举例说明

硬实时任务是指系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。举例来说，运载火箭的控制等。
软实时任务是指它的截止时间并不严格，偶尔错过了任务的截止时间，对系统产生的影响不大。举例：网页内容的更新、火车售票系统。

试从交互性、及时性以及可靠性方面讲分时系统与实时系统进行比较

（1）及时性：实时信息处理系统对实时性的要求与分时系统类似，都是以人所能接受的等待时间来确定；而实时控制系统的及时性，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的，一般为秒级到毫秒级，甚至有的要低于100微妙。
（2）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。不像分时系统那样能向终端用户提供数据和资源共享等服务。
（3）可靠性：分时系统也要求系统可靠，但相比之下，实时系统则要求系统具有高度的可靠性。因为任何差错都可能带来巨大的经济损失，甚至是灾难性后果，所以在实时系统中，往往都采取了多级容错措施保障系统的安全性及数据的安全性。

OS有哪极大特征？其最基本的特征是什么？

并发性、共享性、虚拟性和异步性四个基本特征；最基本的特征是并发性。

在多道程序技术的OS环境下的资源共享与一般情况下的资源共享有何不同？对独占资源应采取何种共享方式？

资源共享率高。多道批处理能使多道程序交替运行，以保持CPU处于忙碌状态，在内存中装入多道程序可以提高内存的利用率，此外还可以提高I/O设备的利用率
独占资源应采取：互斥共享方式

什么是时分复用技术？举例说明它能提高资源利用率的根本原因是什么？

时分复用技术:将资源在不同的时间片内分配给各进程以使该资源被重复利用,从而提高资源的利用率。
如采用时分复用技术的虚拟处理机,能够在不同的时间片内处理多个用户的请求, 从而使得用户感觉自己独占主机,而处理机在这期间也被充分的利用

什么原因使操作系统具有异步性特征？

操作系统的异步性体现在三个方面：
一是进程的异步性，进程以人们不可预知的速度向前推进，
二是程序的不可再现性，即程序执行的结果有时是不确定的，
三是程序执行时间的不可预知性，即每个程序何时执行，执行顺序以及完成时间是不确定的。

处理机管理有哪些主要功能？其主要任务是什么？

处理机管理的主要功能是：进程管理、进程同步、进程通信和处理机调度
（1）进程管理：为作业创建进程，撤销已结束进程，控制进程在运行过程中的状态转换
（2）进程同步：为多个进程（含线程）的运行进行协调
（3）进程通信：用来实现在相互合作的进程之间的信息交换
（4）处理机调度：
①作业调度：从后备队里按照一定的算法，选出若干个作业，为他们分配运行所需的资源，首选是分配内存
②进程调度：从进程的就绪队列中，按照一定算法选出一个进程把处理机分配给它，并设置运行现场，使进程投入执行。