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1第一章操作系统概述学习指导:本章主要介绍操作系统的基本概念、特性和分类，从操作系统的地位和作用两个方面给出了操作系统的描述性定义。读者应当注意操作系统程序的特殊性，以及操作系统与硬件和其它软件之间的关系，理解操作系统和计算机系统的运作机理。1.5节介绍了操作系统运行的硬件环境，这个介绍是基本的但不是完全的，读者应参考已经学过的计算机原理。1.6节是操作系统的上层界面，即用户和应用程序与操作系统打交道的途径。习题解答:1.硬件将处理机划分为两种状态，即管态和目态，这样做给操作系统设计带来什么好处?答：便于设计安全可靠的操作系统。管态和目态是计算机硬件为保护操作系统免受用户程序的干扰和破坏而引入的两种状态。通常操作系统在管态下运行，可以执行所有机器指令；而用户程序在目态下运行，只能执行非特权指令。如果用户程序企图在目态下执行特权指令，将会引起保护性中断，由操作系统终止该程序的执行，从而保护了操作系统。2.何谓特权指令?举例说明之。如果允许用户进程执行特权指令会带来什么后果?答：在现代计算机中，一般都提供一些专门供操作系统使用的特殊指令，这些指令只能在管态执行，称为特权指令。这些指令包括：停机指令、置PSW指令、中断操作指令（开中断、关中断、屏蔽中断）、输入输出指令等。用户程序不能执行这些特权指令。如果允许用户程序执行特权指令，有可能干扰操作系统的正常运行，甚至有可能使整个系统崩溃。3.中断向量在机器中的存储位置是由硬件确定的，还是由软件确定的?答：中断向量在机器中的存放位置是由硬件确定的。例如，在INTEL80x86CPU中，内存空间0x00000—0x003ff为中断向量空间。4.中断向量的内容是由操作系统程序确定的，还是由用户程序确定的?答：由操作系统程序确定的。向量的内容包括中断处理程序的入口地址和程序状态字（中断处理程序运行环境），中断处理程序是由操作系统装入内存的，操作系统将根据装入的实际地址和该中断处理程序的运行环境来填写中断向量。5.中断向量内的处理机状态位应当标明是管态还是目态?为什么?答：应当标明是管态。这样才能保证中断发生后进入操作系统规定的中断处理程序。6.中断与程序并发之间的关系是什么？答：中断是程序并发的前提条件。如果没有中断，操作系统不能获得系统控制权，无法按调度算法对处理机进行重新分配，一个程序将一直运行到结束而不会被打断。27.说明“栈”和“堆”的差别．答：栈是一块按后进先出规则访问的存储区域，用来实现中断嵌套和子程序调用的参数和返回断点。堆虽然是一块存储区域，但是对堆的访问是任意的，没有后进先出的要求，堆主要用来为动态变量分配存储空间。8.何谓系统栈?何谓用户栈?系统栈有何用途?用户栈有何用途?答：系统栈是内存中属于操作系统空间的一块固定区域，其主要用途为：(1)保存中断现场，对于嵌套中断，被中断程序的现场信息依次压入系统栈，中断返回时逆序弹出；(2)保存操作系统子程序间相互调用的参数、返回值、返回点、以及子程序的局部变量。用户栈是用户进程空间中的一块区域，用于保存用户进程的子程序间相互调用的参数、返回值、返回点、以及子程序的局部变量。9.用户堆栈段的长度为何无法确定?答：用户堆栈段的长度主要取决于两个因素：（1）用户进程（线程）中子程序（函数）之间的嵌套调用深度；（2）子程序参数和局部变量的数量及类型。这些在进程（线程）运行前无法确定，由此导致用户堆栈段的长度无法确定。10.堆栈段的动态扩充为何可能导致进程空间的搬迁?答：堆栈段的扩充需要在原来进程空间大小的基础上增添新的存储区域，而且通常要求与原来存储区域连续。由于原存放位置处可扩展的区域可能已经被其它进程占用，故可能需要将整个进程空间搬迁到另外一个区域，以实现地址空间扩展要求。11.何谓并行?何谓并发?在单处理机系统中，下述并行和并发现象哪些可能发生，哪些不会发生?(1)进程与进程之间的并行；(2)进程与进程之间的并发；(3)处理机与设备之间的并行；(4)处理机与通道之间的并行；(5)通道与通道之间的并行；(6)设备与设备之间的并行。答：所谓并行是指同一时刻同时进行，进程并行需要多处理器的支持；所谓并发，是指在一段时间内，多个进程都在向前推进，而在同一时刻，可能只有一个进程在执行，多个进程轮流使用处理器。在单处理器系统中，可能发生的并行和并发现象如下：(2)进程与进程之间的并发。例如，在Windows操作系统中，mp3播放进程和Word字处理进程可以并发执行，这样用户就可以边听音乐边写文章了。(3)处理机与设备之间的并行。例如，当处理机进行科学运算时，打印机可以打印文档。(4)处理机与通道之间的并行。通道程序的执行可与处理机的操作并行。(5)通道与通道之间的并行。通常一个系统中有多个通道，这些通道可以并行地执行相应的通道程序。(6)设备与设备之间的并行。例如打印机打印文档时，磁带机在输入数据。12.何谓作业?它包括哪几个部分?各部分用途是什么?答：所谓作业是指用户要求计算机系统为其完成的计算任务的集合，一个作业通常包括3程序、程序所处理的数据以及作业说明书。程序用来完成特定的功能，数据是程序处理的对象，作业说明书用来说明作业处理的步骤。13.从透明性和资源共享两方面，说明网络操作系统与分布式操作系统之间的差别。答：从透明性上看，分布式操作系统优于网络操作系统。网络用户能够感觉到所访问的资源是在本地还是在远地；而在分布式系统中，用户感觉不到所访问的资源是否在本地。分布式操作系统掩盖了资源在地理位置上的差异。从资源共享上看，分布式操作系统比网络操作系统能共享更多的资源。在网络操作系统中，一个计算任务不能由一台主机任意迁移到另外一台主机上运行；而在分布式操作系统中，所有作业可以由一台主机任意迁移到另外一台主机上处理，即可实现处理机和存储资源的共享，从而达到整个系统的负载平衡。14.为什么构成分布式系统的主机一般都是相同的或兼容的?答：这样更有利于进程的动态迁移。如果主机不兼容，则在一台主机上能运行的进程，因所用指令系统不同，在另一台主机上可能无法运行，导致进程难于在不同主机间迁移，使得分布式系统难于实现负载平衡。15.为什么嵌入式操作系统通常采用微内核结构？（该题与11章的12、13题重复，但答案却有差别）答：嵌入式操作系统与一般操作系统相比具有比较明显的差别:(1)嵌入式操作系统规模一般较小，因为一般硬件配置较低，而且对操作系统提供的功能要求也不高。(2)应用领域差别大，对于不同的应用领域其硬件环境和设备配置情况有明显差别。所以，嵌入式操作系统一般采用微内核(microkernel)结构。微内核包括如下基本成分:(1)处理机调度；(2)基本内存管理；(3)通讯机制；(4)电源管理。4第二章进程、线程与作业学习指导：操作系统管理的对象包括被动体（资源）和活动体，本章在组织上将操作系统中的三种活动体（作业、进程与线程）集中介绍，目的是使读者更清楚地认识三者之间的关系。当然由于批处理系统越来越少，作业这个概念目前已经被淡化。进程是操作系统最重要的概念之一，读者应从“动态”与“并发”两个方面去理解进程。进程状态转换图刻画了进程的动态性与并发性，所有进程的状态转换图是同构的，每个进程在其生存期内状态要经过许多次转换，每次转换都伴随现场的保存与恢复，PCB是使多进程能够并发执行的重要数据结构。线程是近年来操作系统中的一个重要概念，本质上来说，线程就是具有公共存储区的进程。由于公共存储区的存在，同一进程中多个线程之间的通讯变得容易，线程切换速度得到提高。用户级线程与系统级线程各有其优点和不足，也正因为这个原因，在操作系统支持多线程后，用户级线程仍被保持。习题解答：1.为何引入多道程序设计?在多道程序系统中，内存中作业的道数是否越多越好?请说明原因。答：引入多道程序设计技术是为了提高计算机系统资源的利用率。在多道程序系统中，内存中作业的道数并非越多越好。一个计算机系统中的内存、外设等资源是有限的，只能容纳适当数量的作业，当作业道数增加时，将导致对资源的竞争激烈，系统开销增大，从而导致作业的执行缓慢，系统效率下降。2.什么是进程?进程具有哪些主要特性?比较进程与程序之间相同点与不同点．答：进程是具有一定独立功能的程序关于一个数据集合的一次运行活动。进程具有以下主要特性：（1）并发性：可以与其它进程一道在宏观上同时向前推进。（2）动态性：进程是执行中的程序。此外进程的动态性还体现在如下两个方面：首先，进程是动态产生、动态消亡的；其次，在进程的生存期内，其状态处于经常性的动态变化之中。（3）独立性：进程是调度的基本单位，它可以获得处理机并参与并发执行。（4）交往性：进程在运行过程中可能会与其它进程发生直接或间接的相互作用。（5）异步性：每个进程都以其相对独立、不可预知的速度向前推进。（6）结构性：每个进程有一个控制块PCB。进程和程序的相同点：程序是构成进程的组成部分之一，一个进程存在的目的就是执行其所对应的程序，如果没有程序，进程就失去了其存在的意义。进程与程序的差别：（1）程序是静态的，而进程是动态的；（2）程序可以写在纸上或在某一存储介质上长期保存，而进程具有生存期，创建后存在，撤销后消亡；(3)一个程序可以对应多个进程，但一个进程只能对应一个程序；例如，一组学生在一个分时系统中做C语言实习，他们都需要使用C语言的编译程序对其源程序进行编译，为此每个学生都需要有一个进程，这些进程都运行C语言的编译程序。另外，一个程序的多次执行也分别对应不同的进程。3.有人说，用户进程所执行的程序一定是用户自己编写的。这种说法对吗？如不对举5例说明之。答：这种说法不对。例如，C编译程序以用户进程身份运行，但C编译程序一般并不是用户自己编写的。此外还有调试程序、字处理程序等工具软件。4.什么是进程上下文？进程上下文包括哪些成分？哪些成分对目态程序是可见的？答：进程是在操作系统支持下运行的，进程运行时操作系统需要为其设置相应的运行环境，如系统堆栈、地址映射寄存器、打开文件表、PSW与PC、通用寄存器等。在UNIXSystemV中，将进程的物理实体与支持进程运行的物理环境合称为进程上下文(processcontext)，进程上下文包括三个组成部分：·用户级上下文。是由用户进程的程序块、用户数据块（含共享数据块）和用户堆栈组成的进程地址空间。·系统级上下文。包括进程控制块、内存管理信息、进程环境块，以及系统堆栈等组成的进程地址空间。·寄存器上下文。由程序状态字寄存器、各类控制寄存器、地址寄存器、通用寄存器、用户堆栈指针等组成。其中用户级上下文和部分寄存器上下文对目态程序是可见的。5.进程一般具有哪三个主要状态？举例说明状态转换的原因。答：进程在其生存期内可能处于如下三种基本状态之一:(1)运行态(Run):进程占有处理机资源，正在运行。显然，在单处理机系统中任一时刻只能有一个进程处于此种状态;(2)就绪态(Ready):进程本身具备运行条件，但由于处理机的个数少于可运行进程的个数，暂未投入运行。即相当于等待处理机资源;(3)等待态(Wait):也称挂起态(Suspended)、封锁态(Blocked)、睡眠态(Sleep)。进程本身不具备运行条件，即使分给它处理机也不能运行。进程正等待某一个事件的发生，如等待某一资源被释放，等待与该进程相关的I/O传输的完成信号等。进程的三个基本状态之间是可以相互转换的。具体地说，当一个就绪进程获得处理机时，其状态由就绪变为运行；当一个运行进程被剥夺处理机时，如用完系统分给它的时间片、出现更高优先级别的其它进程，其状态由运行变为就绪；当一个运行进程因某事件受阻时，如所申请资源被占用、启动I/O传输未完成，其状态由运行变为等待；当所等待事件发生时，如得到申请资源、I/O传输完成，其状态由等待变为就绪。6.有几种类型进程队列？每类各应设置几个队列？答：通常，系统中的进程队列分为如下三类：(1)就绪队列：整个系统一个。所有处于就绪状态的进程按照某种组织方式排在这一队列中，进程入队列和出队列的次序与处理机调度算法有关。在某些系统中，就绪队列可