：操作系统概论

Posted 2022-02-28 快乐江湖

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• 费翔林操作系统课后题
• • 一：思考题
  • 二：应用题
• 王道课后习题

费翔林操作系统课后题

一：思考题

1：简述现代计算机系统的组成及其层次结构 ★★★

【答案】

• 现代计算机系统由硬件和软件两个部分组成。硬件是软件运行的物质基础，软件能够充分发挥硬件潜能并扩充硬件功能
• 计算机系统的软硬件层次结构自下而上分为：硬件、系统软件（操作系统）、支撑软件（如编译程序）、应用软件
• 系统软件是最靠近硬件的一层软件，它一方面直接和硬件交互，封装了硬件的复杂性，主要做资源的调度与分配、信息的存取与保护，并发控制等工作；另一方面和上层软件进行交互，提供方便的接口，良好的运行环境等
• 支撑软件利用操作系统提供的扩展指令集，实现编译、汇编等程序，支撑应用软件的开发和运行
• 应用软件层解决用户的需求

2：计算机系统的资源可以分为哪几类，试举例说明★

【答案】
计算机系统资源分为硬件资源和软件资源两大类，

• 硬件资源包括中央处理器（CPU）、存储器（主存储器和各种辅助存储器）和各种输入、输出设备；
• 软件资源也称信息资源，它包括各种程序、数据、程序库和共享文件等

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★★★

【答案】

①操作系统是管理系统资源、控制程序执行、改善人机界面、提高各种服务，并合理组织计算机工作流程和为用户方便有效地使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件

②

• 服务用户：操作系统作为用户接口和公共服务程序
• 进程交互：操作系统作为进程执行的控制者和协调者
• 系统实现：操作系统作为扩展机和虚拟机
• 资源管理：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★

【答案】

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那些基本和共性的服务★★

【答案1】

• 创建程序和执行程序;
• 数据I/O和信息存取;
• 通信服务;
• 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

【答案2】

6：试述操作系统所提供的各种用户接口★★

【答案】

• 命令接口：用户利用这些操作码来组织和控制作业的执行
• 程序接口：编程人员可以使用它们来请求操作系统服务

7：什么是系统调用？可以分为哪几种类型?★★★

【答案】

• 进程管理：包括创建和撤销进程、终止或异常终止进程、阻塞和唤醒进程等
• 文件管理：包括建立文件、删除文件，打开文件，关闭文件，读写文件等
• 设备管理：包括申请设备、释放设备、设备I/O操作和陈独秀等
• 存储管理：包括申请和释放内存
• 进程通信：包括建立和断开通信连接、发送和接收消息等
• 信息维护

8：什么是实用程序？可以分为哪几种类型★★

【答案】

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:

• 文件管理
• 语言支持;
• 状态修改
• 支持程序执行
• 通信等

9：试述系统调用的实现原理★★★

【答案】

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

其中实现应用程序和系统调用之间传递参数所采用的的方法有

• 访管指令或自陷指令自带参数
• 通过CPU的通用寄存器传递参数
• 在内存中开辟专用堆栈区或传递参数

10：试述系统调用与函数调用之间的主要区别★★★

【答案】

• 调用形式不同：函数调用所转向的地址是固定不变的，但是系统调用中不包含内核服务程序入口地址，仅提供功能号，按功能号调用
• 实现方式不同：系统调用要通过陷阱机制从用户态转向内核态，服务程序在内核态执行
• 被调用代码的位置不同：函数调用是静态调用，调用程序和被调用代码处于同一程序内；系统调用是动态调用，其服务例程位于操作系统中，属于系统级程序
• 提供方式不同：函数调用常由编程语言提供；系统调用由操作系统提供

11：试述API、库函数和系统调用之间的关系★★★

【答案】

API（应用程序接口）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与假脱机I/O★

【答案】

• 脱机I/O是为了解决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
• 若这种输入输出操作在主机控制下进行，则称之为假脱机I/O

13：为什么对作业进行批处理可以提高系统效率★

【答案】

批处理操作系统是最先采用多道程序设计技术的系统，它根据预先设定的调度策略选择若干作业并发执行，操作系统会按照要求进行调度，大幅度减少了人工干预，形成了自动转接和连续处理的作业流，因此效率高

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★

【答案】

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, W i ndows2000, Wi ndowsXP, UNIX, LINIX和W i ndows2003等

15：什么是多道程序设计？有何特点？★★★

多道程序设计是指允许多个作业同时进入计算机系统的内存并启动交替计算的方法，其特点有

• CPU、主存和设备的利用率高
• 系统的吞吐率提高，，单位时间内完成的作业数增加
• 充分发挥了系统的并行性，设备与设备之间、CPU与设备之间均可以并行工作

16：简述多道程序设计必须要解决的基本问题★

【答案】

• 存储保护与程序浮动
• 处理器管理与分配
• 资源管理与调度

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？★

【答案】

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★★

【答案】实时操作系统是指当外界事件或数据产生时，能接受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。分类如下

• 过程控制系统
• 信息查询系统
• 事务处理系统

19：在分时系统中，什么是响应时间？它与哪些因素有关★★

【答案】

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：试述批处理操作系统和分时操作系统的不同点★★★

• 追求目标不同：前者目标是高系统资源利用率和作业吞吐率；强调公平性，对于联机用户的立即型命令要快速响应
• 适应作业不同：前者适应已调试好的大型作业；后者适应正在调试的小型作业
• 资源利用率不同：前者可以使作业利用率达到最佳；后者让多个终端作业同时使用相同类型的编译系统、运行系统时，系统调度开销较小，能公平调配CPU和内存资源

21：试比较实时操作系统和分时操作系统不同点★★★

【答案】

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。区别1如下

• 分时操作系统是一种通用性很强的系统，有较强的交互能力；实时操作系统大都是具有特殊用途的专用系统，交互能力略差
• 分时系统对响应时间虽有要求，但一般来说，由人所能承受的等待时间确定；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决定

22：试比较单道和多道批处理系统★★★

【答案】

单道批处理系统

多道批处理系统

23：现代操作系统具有哪些基本功能★

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要解决的主要问题★★

【答案】

四个基本特征

• 并发
• 共享
• 虚拟
• 异步

需要解决的主要问题

• 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：为什么操作系统会具有随机性特性★

【答案】

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★

【答案】

①单体式结构

②：层次式结构

③：虚拟机结构

④：微内核结构

27：什么是操作系统内核★★★

【答案】
内核是一组程序模块，作为可信软件来提供支持进程并发执行的基本功能和操作，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。有了内核支撑，及其功能得到扩展、运行环境的得到改善，安全性得到保证、系统效率得到提高

28：列举内核的分类、属性和特点★★★

【答案】

①：分类

• 微内核：内核会做得尽量小，仅具有极少必要功能，其他功能在核外实现
• 单内核：希望内核具有较多功能以提高效率，将操作系统大部分功能都并入内核中

②：属性

• 内核是由中断驱动的
• 内核是不可抢占的
• 内核可以在屏蔽中断下执行
• 内核可以使用特权指令

③：功能

• 中断处理
• 时钟管理
• 短程调度
• 原语管理

29：简述单内核操作系统及其优缺点★★

【答案】

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★★

【答案】

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一服务器方式执行的进程层

• 优点：对进程请求提供一致性的接口；具有较好的可扩充性和易修改性；可移植性好；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★★

【答案】

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：把整体问题局部化，层次清晰；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

32：什么是模块式结构操作系统★★

33：什么是虚拟机操作系统★★

【答案】

通过用一类物理设备来模拟另一类物理设备，或通过分时地使用一类物理设备，把一个物理实体变成若干逻辑上的对应物。物理实体实际存在，而逻辑上的对应物是虚幻的。每台虚拟机赋值与实体计算机相同的硬件设备，每台虚拟机功能等同于逻辑，同样能运行各种操作系统

• 优点：独立于主机运行，对主机无影响
• 缺点：不能进行大量信息处理

34：从执行方式上来看，试述操作系统的各种运行模型★★

【答案】

• 操作系统服务例程嵌入应用进程中运行模型
  
• 操作系统服务例程作为独立进程运行模型
  

35：简述资源复用、资源虚拟和资源抽象★★

【答案】

• 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 ，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

36：解释空分复用和时分复用

• 空分复用：资源可以从空间上分割为更小的单位供进程使用
• 时分复用：资源可以从时间上分割成更小的单位供进程使用，也就是轮流使用

二：应用题

★
【答案】

假设每个进程的等待时间为$P$，那么$n$个进程的等待时间就是$P^n$，CPU的利用率就是1-$P^n$

题中，操作系统占用200KB，因此剩余内存可容纳4个进程，所以CPU利用率就是1-(0.8)${}^4$=59%；当再增加1MB内存时，可多容纳5个进程，此时CPU利用率变为1-(0.8)${}^9$=87%。所以利用率提高了0.87/0.59 - 1 =47%

★★★

【答案】

并发执行图如下

（1）CPU在100ms-150ms之间等待。因为此时A正在打印、B正在输入
（2）程序B存在等待CPU的情况，是在180-220ms之间

如果单道运行，时间为260ms

如果忽略处理器调度。那么抢占式和非抢占式运行时间如下（不忽略处理器调度也是一个道理，所以就不画了）

【答案】画图分析即可

【答案】

【答案】

• 空分复用
• 时分复用
• 空分复用
• 时分复用
• 时分复用
• 时分复用
• 时分复用

王道课后习题