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。

     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)     

 

                                                                          

 

（4） 设有一台计算机，有两条I/O通道，分别接一台卡片输入机和一台打印机。卡片机把一叠卡片逐一输入到缓冲区B1中，加工处理后再搬到缓冲区B2中，并在打印机上打印结果。问：

① 系统要设几个进程来完成这个任务？各自的工作是什么？

② 这些进程间有什么样的相互制约关系？

③用P、V操作写出这些进程的同步算法。

①系统可设三个进程来完成这个任务：R进程负责从卡片输入机上读入卡片信息，输入到缓冲区B1中；C进程负责从缓冲区B1中取出信息，进行加工处理，之后将结果送到缓冲区B2中；P进程负责从缓冲区B2中取出信息，并在打印机上印出。

②R进程受C进程影响，B1放满信息后R进程要等待——等C进程将其中信息全部取走，才能继续读入信息；C进程受R进程和P进程的约束：B1中信息放满后C进程才可从中取出它们，且B2被取空后，C进程才可将加工结果送入其中；P进程受C进程的约束：B2中信息放满后P进程才可从中取出它们,进行打印。

③信号量含义及初值：

B1full­—— 缓冲区B1满，初值为0；

B1empty——缓冲区B1空，初值为0；

B2full­—— 缓冲区B2满，初值为0；

B2empty——缓冲区B2空，初值为0；

 

          R进程                 C进程                 P进程

 

                                                               

   输入信息写入缓冲区B1          P(B1full)                 P(B2full) 

       V(B1full)               从B1中取出信息          从B2中取出信息进行打印  

      P(B1empty)                加工信息                  V(B2empty)  

                                 结果送入B2                          

                                 V(B1empty)                         

                                 V(B2full)                         

                                 P(B2empty)                        

                                                               

 

 

（5） 设有无穷多个信息，输入进程把信息逐个写入缓冲区，输出进程逐个从缓冲区中取出信息。针对下述两种情况：

① 缓冲区是环形的，最多可容纳n个信息；

② 缓冲区是无穷大的。

试分别回答下列问题：

① 输入、输出两组进程读/写缓冲区需要什么条件？

② 用P、V操作写出输入、输出两组进程的同步算法，并给出信号量含义及初值。

 

①   针对容量为n的环形缓冲区，输入、输出两组进程读/写缓冲区需要的条件为：

Ø  输入进程和输出进程需同步执行，即输入进程写缓冲区后，输出进程才可以读；

Ø  由于缓冲区容量有限，因此任一时刻所有输入进程存放信息的单元数不能超过缓冲区的总容量（n）；

Ø  同理，所有输出进程取出信息的总量不能超过所有输入进程当前写入信息的总数。

设缓冲区的编号为0～n-1，in和out分别是输入进程和输出进程使用的指针，指向下面可用的缓冲区，初值都是0。

为使两类进程实行同步操作，应设置三个信号量：两个计数信号量full和empty，一个互斥信号量mutex。

full：表示放有信息的缓冲区数，其初值为0。

empty：表示可供使用的缓冲区数，其初值为n。

mutex：互斥信号量，初值为1，表示各进程互斥进入临界区，保证任何时候只有一个进程使用缓冲区。

下面是解决这个问题的算法描述。

输入进程Input：

     while (TRUE) {

        P(empty); 

        P(mutex); 

        信息送往buffer(in);

        in=(in+1)mod N;    

        V(mutex);

        V(full);

      } 

输出进程Output：

while (TRUE){

      P(full);

          P(mutex);

从buffer(out)中取出信息;

out=(out+1)mod N;  

V(mutex);

V(empty);

  }

 

②   当缓冲区是无穷大时，输入进程存放信息的单元数不再受缓冲区总容量的限制，因此，可以不设信号量empty。另外，算法中的in=(in+1)mod N; 和out=(out+1)mod N; 修改为in=in+1；和out=out+1；即可，其余的算法不变。

输入进程Input：

     while (TRUE) {

        P(mutex); 

        信息送往buffer(in);

        in=in+1;   

        V(mutex);

        V(full);

      } 

输出进程Output：

while (TRUE){

      P(full);

          P(mutex);

从buffer(out)中取出信息;

out=out+1; 

V(mutex);

  }

 

第三章

1．基本原理和技术

（1） 处理机调度的主要目的是什么？

处理机调度的主要目的就是为了分配处理机。

 

（2） 高级调度与低级调度的主要功能是什么？为什么要引入中级调度？

高级调度的主要功能是根据一定的算法，从输入的一批作业中选出若干个作业，分配必要的资源，如内存、外设等，为它建立相应的用户作业进程和为其服务的系统进程，最后把它们的程序和数据调入内存，等待进程调度程序对其执行调度，并在作业完成后作善后处理工作。

低级调度的主要功能是根据一定的算法将CPU分派给就绪队列中的一个进程。

为了使内存中同时存放的进程数目不至于太多，有时就需要把某些进程从内存中移到外存上，以减少多道程序的数目，为此设立了中级调度。

 

（3） 作业在其存在过程中分为哪四种状态？

作业在其存在过程中分为提交、后备、执行和完成四种状态。

 

（4） 在操作系统中，引起进程调度的主要因素有哪些？

在操作系统中，引起进程调度的主要因素有：正在运行的进程完成任务，或等待资源，或运行到时；核心处理完中断或陷入事件后，发现系统中“重新调度”标志被置上。

 

（5） 作业调度与进程调度二者间如何协调工作？

作业调度和进程调度是CPU主要的两级调度。作业调度是宏观调度，它所选择的作业只是具有获得处理机的资格，但尚未占有处理机，不能立即在其上实际运行。而进程调度是微观调度，它根据一定的算法，动态地把处理机实际地分配给所选择的进程，使之真正活动起来。

 

（6） 在确定调度方式和调度算法时，常用的评价准则有哪些？

在确定调度方式和调度算法时，常用的评价准则有：CPU利用率，吞吐量，周转时间，就绪等待时间和响应时间。

 

（7） 简述先来先服务法、时间片轮转法和优先级调度算法的实现思想。

先来先服务调度算法（FCFS）的实现思想：按作业（或进程）到来的先后次序进行调度，即先来的先得到执行。

时间片轮转法（RR）的实现思想：系统把所有就绪进程按先入先出的原则排成一个队列。新来的进程加到就绪队列末尾。每当执行进程调度时，进程调度程序总是选出就绪队列的队首进程，让它在CPU上运行一个时间片的时间。当进程用完分给它的时间片后，调度程序便停止该进程的运行，并把它放入就绪队列的末尾；然后，把CPU分给就绪队列的队首进程。

优先级调度算法的实现思想：是从就绪队列中选出优先级最高的进程，把CPU分给它使用。又分为非抢占式优先级法和抢占式优先级法。

 

（8） 中断响应主要做哪些工作？由谁来做？

中断响应主要做的工作是：

1．中止当前程序的执行；

2.保存原程序的断点信息（主要是程序计数器PC和程序状态寄存器PS的内容）；

3．到相应的处理程序。

4.中断响应由硬件实施。

 

（9） 一般中断处理的主要步骤是什么？

一般中断处理的主要步骤是：保存被中断程序的现场，分析中断原因，转入相应处理程序进行处理，恢复被中断程序现场（即中断返回）。

 

（10）  简述一条shell命令在Linux系统中的实现过程。

一条shell命令在Linux系统中的执行过程基本上按照如下步骤：

①   读取用户由键盘输入的命令行。

②   分析命令，以命令名作为文件名，其他参数改造为系统调用execve( )内部处理所要求的形式。

③   终端进程调用fork( )建立一个子进程。

④   终端进程本身用系统调用wait4( )来等待子进程完成。当子进程运行时调用execve( )，子进程根据文件名到目录中查找有关文件，调入内存，执行这个程序。

⑤   如果命令末尾有&号，则终端进程不用执行系统调用wait4( )，而是立即发提示符，让用户输入下一个命令，转步骤（1）。如果命令末尾没有&号，则终端进程要一直等待，当子进程完成工作后要终止，向父进程报告，此时终端进程醒来，在做必要的判别等工作后，终端进程发提示符，让用户输入新的命令，重复上述处理过程。

 

（11）  Linux系统中，进程调度的方式和策略是什么？对用户进程和核心进程如何调度？

Linux系统的调度方式基本上采用“抢占式优先级”方式。

Linux系统针对不同类别的进程提供了三种不同的调度策略，即适合于短实时进程的FIFO，适合于每次运行需要较长时间实时进程的时间片轮转法，适合于交互式的分时进程传统的UNIX调度策略。

 

Linux系统核心为每个进程计算出一个优先级，高优先级的进程优先得到运行。

Linux系统的调度方式基本上采用“抢占式优先级”方式，当进程在用户模式下运行时，不管它是否自愿，核心在一定条件下可以暂时中止其运行，而调度其他进程运行。

 

2．思考题

（1）      处理机调度一般可分为哪三级？其中哪一级调度必不可少？为什么？

处理机调度一般可分为高级调度、中级调度和低级调度。其中进程调度必不可少。

进程只有在得到CPU之后才能真正活动起来，所有就绪进程经由进程调度才能获得CPU的控制权；进程调度的实现策略往往决定了操作系统的类型，其算法优劣直接影响整个系统的性能。

 

（2）      作业提交后是否马上放在内存中？为什么？

在批处理系统中,作业提交后并不是马上放在内存中。其原因是：内存容量有限，而提交的作业数量可能很多，无法把它们都放入内存；即使都放入内存，当内存中可以同时运行的作业太多时，会影响系统的性能，如使周转时间太长。

 

（3）      假定在单CPU条件下有下列要执行的作业：

    作业到来的时间是按作业编号顺序进行的（即后面作业依次比前一个作业迟到一个时间单位）。

　　① 用一个执行时间图描述在下列算法时各自执行这些作业的情况：先来先服务法FCFS、时间片轮转法RR（时间片＝1）和非抢占式优先级。

　　② 对于上述每种算法，各个作业的周转时间是多少？平均周转时间是多少？

　　③ 对于上述每种算法，各个作业的带权周转时间是多少？平均带权周转时间是多少？

 

① 先来先服务法（FCFS）

                   作业1             作业2 作业3 作业4   作业5

       0                             10  11     13  14          19                    t

   

   时间片轮转法（RR）

      作业   1  2  1  3  4  1  5  3  1  5  1   5   1   5   1   5   1   1   1              

        0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19         t

    

   非抢占式优先级:

                    作业1             作业4 作业3     作业5    作业2

       0                             10  11    13             18  19                 t

 

②和 ③

先来先服务法（FCFS）     

    

时间片轮转法（RR）

    

    

非抢占式优先级