操作系統教程課后習題參考答案習題一習題二習題三習題四 習題五習題六習題一1設計操作系統的主要目的是什么？設計操作系統的目的是：（1）從系統管理人員的觀點來看，設計操作系統是為了合理地去組織計算機工作流程，管理和分配計算機系統硬件及軟件資源，使之能為多個用戶所共享。因此，操作系統是計算機資源的管理者。（2）從用戶的觀點來看，設計操作系統是為了給用戶使用計算機提供一個良好的界面，以使用戶無需了解許多有關硬件和系統軟件的細節，就能方便靈活地使用計算機。2操作系統的作用可表現在哪幾個方面？(1) 方便用戶使用：操作系統通過提供用戶與計算機之間的友好界面來方便用戶使用。(2) 擴展機器功能：操作系統通過擴充硬件功能和提供新的服務來擴展機器功能。(3) 管理系統資源：操作系統有效地管理系統中的所有硬件和軟件資源，使之得到充分利用。(4) 提高系統效率：操作系統合理組織計算機的工作流程，以改進系統性能和提高系統效率。(5)構筑開放環境：操作系統遵循國際標準來設計和構造一個開放環境。其含義主要是指：遵循有關國際工業標準和開放系統標準，支持體系結構的可伸縮性和可擴展性；支持應用程序在不同平臺上的可移植性和互操作性。3試敘述脫機批處理和聯機批處理工作過程（1）聯機批處理工作過程用戶上機前，需向機房的操作員提交程序、數據和一個作業說明書，后者提供了用戶標識、用戶想使用的編譯程序以及所需的系統資源等基本信息。這些資料必須變成穿孔信息， （例如穿成卡片的形式） ，操作員把各用戶提交的一批作業裝到輸入設備上（若輸入設備是讀卡機，則該批作業是一疊卡片） ，然后由監督程序控制送到磁帶上。之后，監督程序自動輸入第一個作業的說明記錄，若系統資源能滿足其要求，則將該作業的程序、數據調入主存，并從磁帶上調入所需要的編譯程序。編譯程序將用戶源程序翻譯成目標代碼，然后由連接裝配程序把編譯后的目標代碼及所需的子程序裝配成一個可執行的程序，接著啟動執行。計算完成后輸出該作業的計算結果。一個作業處理完畢后，監督程序又可以自動地調下一個作業處理。重復上述過程，直到該批作業全部處理完畢。（2）脫機批處理系統脫機批處理系統由主機和衛星機組成，如下圖所示。衛星機又稱外圍計算機，它不與主機直接連接，只與外部設備打交道。衛星機負責把輸入機上的作業逐個轉輸到輸入磁帶上，當主機需要輸入作業時，就把輸入帶與主機連上。主機從輸入帶上調入作業并運行，計算完成后，輸出結果到輸出磁帶上，再由衛星機負責把輸出帶上的信息進行輸出。在這樣的系統中，主機和衛星機可以并行操作，二者分工明確，可以充分發揮主機的高速計算能力。4分時系統的特征是什么？（1）同時性。允許在一臺主機上同時聯接多臺聯機終端，系統按分時原則為每個用戶服務。宏觀上，是多個用戶同時工作，共享系統資源；而微觀上，則是每個用戶作業輪流運行一個時間片。它提高了資源利用率，從而促進了計算機更廣泛的應用。（2）獨立性。每個用戶各占一個終端，彼此獨立操作，互不干擾。因此，用戶會感覺到就像他一人獨占主機。（3）及時性。用戶的請求能在很短時間內獲得響應，此時間隔是以人們所能接受的等待時間來確定的，通常為 2-3 秒鐘。（4）交互性。用戶可通過終端與系統進行廣泛的人機對話。其廣泛性表現在：用戶可以請求系統提供多方面的服務，如文件編輯、數據處理和資源共享等。5何謂多道程序設計？敘述它的主要特征和優點。多道程序設計是一種軟件技術，該技術使同時進入計算機主存的幾個相互獨立的程序在管理程序控制之下相互交替地運行。當某道程序因某種原因不能繼續運行下去時（如等待外部設備傳輸數據） ，管理程序便將另一道程序投入運行。這樣可以使中央處理器及各外部設備盡量處于忙碌狀態，從而大大提高計算機的使用效率。在單處理器系統中，多道程序運行的特征是：（1）多道：即計算機主存中同時存放幾道相互獨立的程序。（2）宏觀上并行：同時進入系統的幾道程序都處于運行過程中，即它們先后開始了各自的運行，但都未運行完畢。（3）微觀上串行：從微觀上看，主存中的多道程序輪流地或分時地占用處理器，即多道程序交替執行。引入多道程序設計的優點是：（1）可提高 CPU 的利用率；（2）可提高主存和 I/O 設備利用率；（3）可增加系統吞吐量；6實現多道程序應解決哪些問題？為使系統中的多道程序能協調地運行，必須解決以下一些問題：（1）并行運行的程序要共享計算機系統的硬件和軟件資源，既有對資源的競爭，但又必須相互同步。因此同步與互斥機制成為系統設計中的重要問題。（2）多道程序的增加，出現了主存不夠用的問題，提高主存的使用效率也成為關鍵。因此出現了諸如覆蓋技術、對換技術和虛擬存儲技術等主存管理技術。（3）多道程序存在于主存，為了保證系統程序存儲區和各用戶程序存儲區的安全可靠，提出了主存保護的要求。7試比較單道與多道批處理系統的特點及優缺點。單道批處理系統的特征是：輸出帶 輸出帶讀卡機穿卡機衛星機輸入帶 輸入帶主機（1）自動性。在順利的情況下，在磁帶上的一批作業能自動地逐個作業依次運行，而無須人工干預。（2）順序性。磁帶上的各道作業是順序地進入主存，各道作業完成的順序與它們進入主存的順序之間，在正常情況下應當完全相同，亦即先調入主存的作業先完成。（3）單道性。主存中僅有一道程序并使之運行，即監督程序每次從磁帶上只調入一道程序進入主存運行，僅當該程序完成或發生異常情況時，才調入其后繼程序進入主存運行。其優點是：作業運行期間占有所有資源，運算速度較快。其缺點是：CPU、主存和 I/O 設備資源利用率低；系統吞吐量低；多道程批處理系統的特征是：（1）多道：即計算機主存中同時存放幾道相互獨立的程序。（2）宏觀上并行：同時進入系統的幾道程序都處于運行過程中，即它們先后開始了各自的運行，但都未運行完畢。（3）微觀上串行：從微觀上看，主存中的多道程序輪流地或分時地占用處理器，即多道程序交替執行。其優點是：可提高 CPU、主存和 I/O 設備利用率；可增加系統吞吐量；其缺點是：每個作業占用內存相對減少；作業交替運行需要時間切換；競爭資源會導致死鎖和安全問題，等。8為什么要引入實時操作系統？60 年代中期計算機進入第三代，計算機的性能和可靠性有了很大提高，造價亦大幅度下降，導致計算機越來越廣泛應用于工業過程控制、軍事實時控制、信息實時處理等領域，需要保證及時響應、快速處理、高可靠性和安全性，而不強求系統資源的利用率。一般操作系統不能達到這些要求。而針對實時處理的實時操作系統是以在允許的時間范圍之內做出響應為特征的并具有高可靠性和安全性。它要求計算機對于外來信息能以足夠快的速度進行處理，并在被控對象允許時間范圍內作出快速響應，其響應時間要求在秒級、毫秒級甚至微秒級或更小。實時系統是較少有人為干預的監督和控制系統，僅當計算機系統識別到了違反系統規定的限制或本身發生故障時，才需要人為干預。9操作系統具有哪幾大特征？雖然不同的操作系統各有自己的特征，但它們也都具有以下四個基本特征：（1）并發并發性是指兩個或多個事件在同一時間間隔內發生。在多道程序環境下，并發性是指宏觀上在一段時間內多道程序在同時運行。但在單處理器系統中，每一時刻僅能執行一道程序，故微觀上這些程序是在交替執行的。（2）共享所謂共享是指系統中的資源可供主存中多個并發執行的進程共同使用。由于資源的屬性不同，故多個進程對資源的共享方式也不同。并發和共享是操作系統的兩個最基本的特征，它們又是互為存在條件。一方面，資源共享是以程序（進程）的并發執行為條件；若系統不允許程序并發執行，自然不存在資源共享問題。另一方面，若系統不能對資源共享實施有效管理，則也必將影響到程序的并發執行，甚至根本無法并發執行。（3）虛擬操作系統中的所謂“虛擬”是指通過某種技術把一個物理實體變成若干個邏輯上的對應物。物理實體（前者）是實的，即實際存在的，而后者是虛的，是用戶感覺上的東西。（4）異步性在多道程序環境下，允許多個進程并發執行，但由于資源等因素的限制，通常進程的執行并非“一氣呵成” ，而是以“走走停停”的方式運行，即進程是以異步方式運行的。盡管如此，但只要運行環境相同，作業經多次運行，都會獲得完全相同的結果，因此，異步運行方式是允許的。10主存管理的主要任務是什么？有哪些主要功能？ 存儲管理的主要任務是為多道程序的運行提供良好的環境，方便用戶使用存儲器，提高存儲器的利用率，以及能從邏輯上來擴充主存。為此，存儲管理應具有以下功能：（1）主存分配與回收；（2）地址轉換和存儲保護；（2）主存的共享與保護；（3）主存擴充。11處理器管理的主要任務是什么？有哪些主要功能？處理器管理的主要任務是對處理器進行分配，并對其運行進行有效的控制和管理。對處理器的管理和調度可歸結為對進程和線程的管理和調度。它包括以下幾方面功能：（1）進程控制和管理；（2）進程同步和互斥；（3）進程通信；（4）進程死鎖；（5）線程控制和管理；（6）處理器調度。12設備管理的主要任務是什么？有哪些主要功能？設備管理的主要任務是管理各種外部設備，完成用戶提出的 I/O 請求，為用戶分配 I/O設備；提高 CPU 和 I/O 設備的利用率；提高 I/O 速度；方便用戶使用 I/O 設備。為實現上述任務，設備管理應具有以下主要功能：（1）提供設備控制處理；（2）提供緩沖區管理；（3）提供設備獨立性；（4）實現設備的分配與回收；（5）實現共享設備的驅動調度；（6）實現虛擬設備。13文件管理的主要任務是什么？有哪些主要功能？文件管理的主要任務是對用戶文件和系統文件進行有效管理，以方便用戶使用，并保證文件的安全性。為此，文件管理應具有以下主要功能：（1）提供文件的邏輯組織方法；（2）提供文件的物理組織方法；（3）提供文件的存取和使用方法；（4）提供文件的目錄管理；（5）實現文件的共享和保護；（6）實現文件的存儲空間管理。14試在交互性、及時性和可靠性方面，將分時系統與實時系統進行比較。在交互性方面，分時系統的交互性強，實時系統的交互性弱，因為交互性強很能滿足實時系統響應速度快和高可靠性的要求。在及時性方面，實時系統要求快速響應而及時性強，分時系統相比較及時性較差。在可靠性方面，實時系統要求高可靠性而可靠性強，分時系統相比較可靠性較差。15是什么原因使操作系統具有異步性特征？在多道程序環境下，允許多個進程并發執行，但由于資源數量有限而每個進程在運行中需要競爭資源，導致進程的執行并非“一氣呵成” ，而是以“走走停停”的方式運行，即進程是以異步方式運行的。主存中的每個進程在何時執行，何時暫停，以怎樣的速度向前推進，每道程序總共需多少時間才能完成，都是不可預知的。很可能是先進入主存的作業后完成，而后進入主存的作業先完成。16試說明網絡操作系統的主要功能。網絡環境下的操作系統既要為本機用戶提供簡便、有效地使用網絡資源的手段，又要為網絡用戶使用本機資源提供服務。為此，網絡操作系統除了具備一般操作系統應具有的處理器管理、存儲區管理、設備管理，文件管理等功能模塊之外，還要增加網絡功能模塊，主要應具有下述五方面的功能：（1）網絡通信這是網絡最基本的功能，其任務是在源主機和目標主機之間實現無差錯的數據傳輸。（2）網絡資源管理對網絡中的共享資源（硬件與軟件）實施有效的管理，協調各用戶對共享資源的使用，保證數據的安全性和一致性。（3）網絡服務這是在前兩個功能的基礎上，為了方便用戶而直接向用戶提供的多種有效服務。例如：電子郵件服務、共享打印服務、共享硬盤服務等。（4）網絡管理網絡管理最基本的任務是安全管理。比如，通過“存取控制”來確保存取數據的安全性；通過“容錯技術”來保證系統故障時數據的安全性。此外，還應能對網絡性能進行監視，對使用情況進行統計，以便為提高網絡性能、進行網絡維護和記帳等提供必要的信息。（5）互操作能力在 90 年代后推出的網絡操作系統，提供了一定范圍的互操作能力。所謂互操作，在客戶/服務器模式的局域網環境下，是指連接在服務器上的多種客戶機和主機，不僅能與服務器通信，而且還能以透明的方式訪問服務器上的文件系統；而在互連網絡環境下的互操作，是指不同網絡間的客戶機不僅能通信，而且也能以透明的方式，訪問其它網絡中的文件服務器。17試比較網絡操作系統與分布式操作系統。計算機網絡是通過通信設施將物理上分散的、具有自治功能的多個計算機系統互連起來的，實現信息交換、資源共享、可互操作和協作處理的系統。在計算機網絡中，每個主機都有操作系統，它為用戶程序運行提供服務。當某一主機聯網使用時，該系統就要同網絡中更多的系統和用戶交往，這個操作系統的功能就要擴充，以適應網絡環境的需要。網絡操作系統既要為本機用戶提供簡便、有效地使用網絡資源的手段，又要為網絡用戶使用本機資源提供服務。為此，網絡操作系統除了具備一般操作系統應具有的功能模塊之外，還要增加網絡功能模塊，主要應具有網絡通信、網絡資源管理、網絡服務、.網絡管理、互操作能力等。一個分布式系統就是通過網絡連接的若干計算機的集合。這些計算機都有自己的局部存貯器和外部設備。它們既可以獨立工作（自治性） ，亦可合作工作。在這個系統中各計算機可以并行操作且有多個控制中心，即具有并行處理和分布控制的功能。分布式系統是一個一體化的系統，在整個系統中有一個全局的操作系統稱為分布式操作系統，它負責全系統的資源分配和調度、任務劃分、信息傳輸、控制協調等工作，并為用戶提供一個統一的界面、標準的接口。用戶通過這一界面實現所需的操作和使用系統資源。至于操作定在哪一臺計算機上執行或使用哪臺計算機的資源則是系統的事，用戶是不用知道的，也就是說系統對用戶是透明的。習題二1 解釋程序的順序執行和并發執行。程序是指令的有序集合，是一個在時間上按嚴格次序前后相繼的操作序列，僅當前一操作執行完后，才能執行后繼操作。程序體現了編程人員要求計算機完成的功能所應該采取的順序步驟。程序的順序執行具有順序性、封閉性、可再現性特點，其執行結果與它的執行速度無關（即與時間無關） ，而只與初始條件有關。只要給定相同的輸入條件，程序重復執行一定會得到相同的結果。并發執行是為了增強計算機系統的處理能力和提高資源利用率所采取的一種同時操作技術。程序的并發執行是一組在邏輯上互相獨立的程序或程序段在執行過程中其執行時間在客觀上互相重疊，即一個程序段的執行尚未結束，另一個程序段的執行已經開始的執行方式。2程序并發執行為什么會產生間斷性？程序并發執行為何會失去封閉性和可再現性？程序在并發執行時，由于它們共享資源或為完成同一項任務而相互合作，致使在并發程序之間形成了相互制約的關系。一旦使某程序暫停的因素消失，則程序便可恢復執行。簡言之，相互制約將導致并發程序具有“執行暫停執行”這種間斷性的活動規律。程序在并發執行時，多個程序共享系統中的各種資源，因此這些資源的狀態將由多個程序來改變，致使程序的運行已失去了封閉性。這樣，某程序在執行時，必然會受到其它程序的影響。例如，當處理器資源被其它程序占有時，某程序必須等待。程序在并發執行時，由于失去了封閉性，其執行結果已與并發程序的執行速度有關，從而使程序失去了可再現性，亦即，程序經過多次執行后，雖然其執行時的環境和初始條件都相同，但得到的結果卻可能各不相同。3何謂進程？它有哪些基本狀態？列舉使進程狀態發生變化的事件。進程是可并發執行的程序在一個數據集上的一次執行過程，它是系統進行資源分配的基本單位。進程有就緒、執行、等待三個基本狀態。例如，處于就緒狀態的進程，當進程調度程序為之分配了處理器后，該進程便由就緒狀態轉換為執行狀態。正在執行的進程因訪問 I/O 設備而無法繼續執行時，就釋放處理器轉換為等待狀態。因訪問 I/O 設備正在等待的進程在訪問 I/O 設備結束后，就由等待狀態轉換為就緒狀態。正在執行的進程，如因時間片用完而被暫停執行，該進程便由執行狀態轉變為就緒狀態。4試比較進程和程序的區別。程序是指令的有序集合，是一個在時間上按嚴格次序前后相繼的操作序列，僅當前一操作執行完后，才能執行后繼操作，它是一個靜態的概念進程是可并發執行的程序在一個數據集上的一次執行過程，它是系統進行資源分配的基本單位。進程和程序是兩個截然不同的概念。進程具有以下五個基本特征：（1）動態性進程既然是進程實體的執行過程，因此，動態性是進程最基本的特性。其表現為：“它由創建而產生，由調度而執行，因得不到資源而暫停執行，以及由撤銷而消亡” 。可見，進程有一定的生命期。而程序只是一組有序指令的集合，并存放在某種介質上，本身并無運動的含義，因此，程序是個靜態實體。（2）并發性并發性是指多個進程實體，同存于主存中，能在一段時間內同時運行。并發性是進程的重要特征，同時也成為操作系統的重要特征。引入進程的目的也正是為了使其程序能和其它進程的程序并發執行，而程序是不能并發執行的。（3）獨立性獨立性是指進程實體是一個能獨立運行的基本單位，同時也是系統中獨立獲得資源和獨立調度的基本單位。凡未建立進程的程序，都不能作為一個獨立的單位參加運行。進程與程序并非是一一對應的，一個程序運行在不同的數據集上就構成不同的進程。（4）異步性這是指進程按各自獨立的、不可預知的速度向前推進；或者說，進程按異步方式運行。正是這一特征，將導致程序執行的不可再現性。因此，在操作系統中必須采取某種措施來保證各程序之間能協調運行。（5）結構特征從結構上看，進程實體是由程序段、數據段及進程控制塊三部分組成，有人把這三部分統稱為“進程映像” 。5試說明 PCB 的作用？為什么說 PCB 是進程存在的唯一標志？每一個進程都有一個也只有一個進程控制塊（Process Control Block,簡稱 PCB） ，進程控制塊是操作系統用于記錄和刻畫進程狀態及有關信息的數據結構，也是操作系統控制和管理進程的主要依據，它包括了進程執行時的情況，以及進程讓出處理器后所處的狀態、斷點等信息。進程控制塊的作用，是使一個在多道程序環境下不能獨立運行的程序（含數據） ，成為一個能獨立運行的基本單位，一個能與其它進程并發執行的進程。在進程的整個生命周期中，系統總是通過其 PCB 對進程進行控制和管理的，亦即，系統是根據進程的 PCB 而不是任何別的什么而感知到該進程的存在的，所以說，PCB 是進程存在的唯一標志。6在進行進程切換時，所要保存的處理器狀態信息主要有哪些？當進程由于某種原因讓出處理器時，把與處理器有關的各種現場信息保留下來，以便該進程在重新獲得處理器后能把保留的現場信息重新置入處理器的相關寄存器中繼續執行。通常被保留的現場信息有通用寄存器內容、控制寄存器內容以及程序狀態字寄存器內容等。7試說明引起進程創建的主要事件。進程控制的基本功能之一是能創建各種新的進程，這些新進程是一個與現有進程不同的實體。例如，在系統生成時，要創建一些必需的、承擔系統資源分配和管理工作的系統進程；對于用戶作業，每當調入系統時，由操作系統的作業調度程序為它創建相應的進程；在層次結構的系統中，允許一個進程創建一些新進程，以完成一些可以并行的工作。8試說明引起進程撤銷的主要事件。進程控制的基本功能之一是能撤銷進程。一個進程可能因為它完成了所指派的工作而正常終止需撤銷，或由于一個錯誤而非正常終止需撤銷；一個進程也可能由于其祖先進程的要求被終止需撤銷。當一個進程要撤銷其它進程時可采用不同的方式，既可撤銷具有指定標識符的進程，又可撤銷一個優先級中的所有進程。當一個進程被撤銷時，它必須從系統隊列中移出，釋放并歸還所有系統資源，同時還要審查該進程是否有子孫進程，若有的話一起予以撤銷。9試說明引起進程阻塞或喚醒的主要事件是什么？有了創建原語和撤銷原語，雖然進程可以從無到有、從存在到消亡而變化，但還不