操作系统自考复习重点

一、 操作系统概述习题及解答: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INTEL 80x86 CPU 中，内存空间0x000000x003ff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。7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？ 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(micro kernel)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。二、 进程管理习题及解答: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UNIX System V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(process context)，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，就绪队列可能有多个，用以对就绪进程分类，以方便某种调度策略的实施。(2) 等待队列：每个等待事件一个，当进程等待某一事件时，进入与该事件相关的等待队列中；当某事件发生时，与该事件相关的一个或多个进程离开相应的等待队列，进入就绪队列。(3) 运行队列：在单CPU系统中只有一个，在多CPU系统中每个CPU各有一个，每个队列中只有一个进程，指向运行队列头部的指针被称作运行指示字。7. 线程控制块TCB中一般应包含那些内容？答：一般TCB中的内容较少，因为有关资源分配等多数信息已经记录于所属进程的PCB中TCB中的主要信息包括线程标识、线程状态、调度参数、现场、链接指针，其中现场信息主要包括通用寄存器、指令计数器PC以及用户栈指针对于操作系统支持的线程，TCB中还应包含系统栈指针。8. 同一进程中的多个线程有哪些成分是共用的，哪些成分是私用的？答：同一进程中的多个线程共享进程获得的主存空间和资源，包括代码区、数据区、动态堆空间。线程的私有成分包括：线程控制块；一个执行栈；运行时动态分给线程的寄存器。 9. 比较用户级线程与系统级线程间在以下方面的差别和各自的优缺点。(1) 创建速度；(2)切换速度；(3)并行性；(4)TCB的存储位置答：用户级线程由系统库支持。线程的创建和撤销，以及线程状态的变化都由库函数控制并在目态完成，与线程相关的控制结构TCB保存在目态空间并由运行系统维护。由于线程对操作系统不可见，系统调度仍以进程为单位，核心栈的个数与进程个数相对应。用户级别线程的优点在于：(1)线程不依赖于操作系统，可以采用与问题相关的调度策略，灵活性好；(2)同一进程中的线程切换不需进入操作系统，因而实现效率较高。 缺点在于：(1)同一进程中的多个线程不能真正并行，即使在多处理机环境中；(2)由于线程对操作系统不可见，调度在进程级别，某进程中的一个线程通过系统调用进入操作系统受阻，该进程的其它线程也不能运行。 核心级别线程通过系统调用由操作系统创建，线程的控制结构TCB保存于操作系统空间，线程状态转换由操作系统完成，线程是CPU调度的基本单位。另外由于系统调度以线程为单位，操作系统还需要为每个线程保持一个核心栈。核心级线程的优点是并发性好，在多CPU环境中同一进程中的多个线程可以真正并行执行。核心级别线程的缺点是线程控制和状态转换需要进入操作系统完成，系统开销比较大。10. 何谓作业? 何谓作业步？作业何时转为进程? 答：作业是早期批处理系统引入的一个概念。用户要求计算机系统为其完成的计算任务的集合称为作业，分时用户在一次登录后所进行的交互过程也常被看作一个作业。一般来说，作业是比进程大的一个概念，一个作业通常包含多个计算步骤，作业中一个相对独立的处理步骤称为一个作业步。当作业被作业调度程序选中并调入内存时，将按作业步创建相应进程。作业步骤之间具有顺序或并发关系。一个作业步通常可以由一个进程来完成，这样一个作业在内存处理时通常与多个进程相对应，即作业与进程具有一对多的关系。11. 分析作业、进程、线程三者之间的关系。答：一个作业被调入内存执行时可能要为其创建多个进程，进程是资源分配的基本单位，一个进程可能对应若干个线程，线程是处理器调度的基本单位。12.何谓系统开销? 试举三个例子说明之。答：运行操作系统程序，实现系统管理所花费的时间和空间称为系统开销。例如，操作系统的内核要占用内存空间，页面调度时需占用设备资源并消耗处理机时间，进程切换时也要占用处理器时间。三、 处理机调度习题及解答:1.试说明下述概念之间的联系与差别:(1) 系统调用命令(2) 访管指令(3) 广义指令答：访管指令由指令码和访管中断号两部分组成。即:SVC n 其中SVC(SuperVisor Call)为指令码，表明为访管指令; n为访管中断号，其值是一整数，具体表示何种访问要求。中断发生时，硬件中断装置将访管中断号n送入旧的程序状态字内的中断码字段，访管中断总控程序由系统堆栈中将其取出，并据此转入对应的服务程序。在实际使用时，用户程序与操作系统之间还需要相互传递参数和返回值。 如此，用户使用访管指令的一般形式为:准备参数SVC n取返回值 根据具体访管要求约定，参数及返回值可以通过寄存器传递，也可以通过内存传递。 对于后者，操作系统必须能够访问进程空间。通常将称为系统调用命令，它除访管指令外，还有准备参数和取返回值。为了使用方便，在高级语言中一般将其写为与过程调用相类似的形式，即:返回值系统调用名称(参数1,参数2,参数m); 当然，编译程序会将翻译成形如的形式。其中系统调用名称对应，不同的系统调用名称对应不同的整数n。在有的书中，也将称为代表的宏指令或广义指令。2.为什么说中断是进程切换的必要条件，但不是充分条件?答：假如在时刻T1与时刻T2之间发生了进程切换，则在时刻T1与时刻T2之间一定执行了处理机调度程序，而处理机调度程序是操作系统低层中的一个模块，运行于管态，说明在T1与T2时刻之间处理机状态曾由目态转换到管态。由于中断是系统由目态转换为管态的必要条件，所以在时刻T1与时刻T2之间一定发生过中断，也就是说，中断是进程切换的必要条件，然而中断不是进程切换的充分条件。例如: 一个进程执行一个系统调用命令将一个消息发给另外一个进程，该命令的执行将通过中断进入操作系统，操作系统处理完消息的发送工作后可能返回原调用进程，此时中断未导致进程切换；也可能选择一个新的进程，此时中断导致了进程切换。3.试分析中断与进程状态转换之间的关系。答：进程状态转换是由内核控制的，如果一个进程的状态发生了改变，则在新旧状态之间一定发生了处理机状态由目态到管态的转换，而中断是处理机状态由目态转换到管态的必要条件，所以中断也是进程状态转换的必要条件。4.中断发生时，旧的PSW和PC为何需要压入系统栈?答：因为通常中断处理程序的最后一条指令是中断返回指令，该指令从系统栈顶弹出断点信息，如果未将PSW和PC压入系统栈，则中断返回指令弹出的不是中断前的断点信息，而是不确定的信息，这将导致系统处于不确定的状态，严重的情况会使系统崩溃。采用栈结构的原因是中断可能发生嵌套，此时能保证以与中断相反的次序返回上层中断处理程序或返回目态。在某些硬件系统中，没有采用栈结构，中断发生时现场信息被送到系统空间指定单元，对每种中断硬件规定一个现场保存单元，这样处理的缺点是中断类型不能增加，相同类型中断不能嵌套发生。5.何谓中断向量? 用户能否修改中断向量的值?答：当中断事件发生时，中断装置根据中断类别自动地将中断处理程序所对应的PSW和PC送入程序状态字和指令计数器中，如此便转移到对应的中断处理程序。这个转移类似于向量转移，因而PSW和PC被称为中断向量。用户不能修改中断向量的值，因为修改中断向量是特权指令，普通用户程序不能执行特权指令。另外，如果允许用户修改中断向量的值，那么用户就可以破坏中断向量与处理程序之间的联系，并可能攻击系统。例如将中断向量与一段病毒程序联系起来，使中断发生时便执行病毒程序，从而破坏计算机系统。6.中断向量的存储位置是否可由程序改变? 为什么? 中断向量的值是如何确定的? 答：中断向量的存储位置是由硬件确定的，不能由程序改变。中断发生后，中断装置按照中断类型到内存指定位置取出中断向量。例如，在IBM PC系统中，地址00003FF是中断向量空间。操作系统的设计者根据各中断事件处理程序的存储位置及运行环境确定对应中断向量的值，系统启动时由初始化程序将该值填入指定位置。7.有人说，中断发生后硬件中断装置保证处理机进入管态，这种说法准确吗? 说明理由。答：这种说法不准确。中断发生后，硬件中断装置负责引出中断处理程序，中断处理程序是否运行于管态取决于PSW中的处理机状态位，该位的值是操作系统初始化时设置的，只有在初试化程序正确设置该状态位的前提下，才能保证中断后系统进入管态。8.为什么在中断处理过程中通常允许高优先级别的中断事件中途插入，而不响应低优先级别的中断事件?答：根据引起中断事件的重要性和其紧迫程度，硬件将中断源分为若干个级别，称作中断优先级。如果有多个中断同时发生，硬件将首先响应优先级别最高的中断请求。对于相同优先级别的中断，硬件将按照事先规定好的次序依次响应。在中断事件的处理过程中可能会发生新的中断，这就是中断嵌套。中断嵌套是必要的。但是，如果不加以控制，低优先级别的中断源可能打扰高优先级别中断事件的处理过程，甚至可能会使中断嵌套层数无限增长，直至系统栈溢出。为此，硬件提供了中断屏蔽指令，利用中断屏蔽指令可以暂时禁止任意一个或多个中断源向处理机发中断请求。当然，在需要的时候还可以利用硬件指令解除对中断源的屏蔽。通常，在一个中断事件的处理过程中，程序屏蔽包括该级在内的所有低优先级别的中断，但允许更高优先级别的中断中途插入。这样，发生中断嵌套时，嵌套中断事件的优先级别是按照响应的顺序依次递增的。这样做处理主要有两个原因：(1)从逻辑上来说，高优先级别中断源所对应的事件比低优先级别中断源所对应的中断事件急迫；(2)由于硬件中断类型是有限的，这样做实际上也就限制了中断嵌套的深度。9.为什么说“关中断”会影响系统的并发性? 答：考虑单处理机系统。在单处理机系统中，并发是通过将处理机轮流分配给多个进程而实现的，这个分配是由操作系统中处理机调度程序完成的。中断是进程切换的必要条件，如果关了中断，则操作系统无法获得处理机的控制权，也就无法使多个进程分时共享处理机。在关中断期间，一个进程独占处理机。所以说“关中断”会影响系统的并发性10. 假如关中断后操作系统进入了死循环，会产生什么后果?答：系统不响应任何外部干预事件，系统表现为“死机”。11. 为什么不允许目态程序执行关中断指令及中断屏蔽指令?答：开关中断指令和中断屏蔽指令属于特权指令，一般用户无权访问。如果允许用户使用，用户关中断后可能影响系统对内部或外部事件的响应，也会使操作系统无法获得系统控制权。12. 如果没有中断，是否能够实现多道程序设计? 为什么?答：不能。因为一个程序一旦被调度执行，将一直执行下去，中间不可能被打断，不可能达到多个进程交替执行的并发目的。13. 下列中断源哪些通常是可以屏蔽的，哪些通常是不可屏蔽的?(1) I/O中断；(2) 访管中断；(3) 时钟中断；(4) 掉电中断。答：(1) I/O中断可以屏蔽；(2) 访管中断不可以屏蔽；(3) 时钟中断可以屏蔽；(4) 掉电中断不可以屏蔽。对于访管中断来说，若在管态屏蔽没有意义（不会发生访管中断）；若在目态屏蔽，则应用程序无法访问操作系统，不能正常运行。14. 下列中断事件哪些可由用户自行处理? 哪些只能由操作系统中断服务程序统一处理? 为什么?(1) 溢出；(2) 地址越界；(3) 除零；(4) 非法指令；(5) 掉电答：一般来说，只影响应用程序自身的中断，可以由用户自行处理，包括：(1) 溢出；(3) 除零。可能影响其它用户或操作系统的中断只能由操作系统中断服务程序统一处理，包括：(2) 地址越界；(4) 非法指令；(5) 掉电。15. 如果中断由用户程序自行处理，为何需要将被中断程序的断点由系统堆栈弹出并压入用户堆栈?答：中断发生时，被中断程序的现场信息已被压入系统栈中。而中断续元运行于目态，它执行完毕后将由用户栈区中恢复现场。为此，操作系统在转到中断续元之前应当将系统栈中的现场信息弹出并压入用户栈中，否则用户中断续元执行完毕后将无法恢复现场返回断点。16. 对于下面中断与进程状态转换之间的关系各举两个例子说明之:(1) 定会引起进程状态转换的中断事件;(2) 可能引起进程状态转换的中断事件。答：定会引起进程状态转换的中断事件：当前运行进程终止、应用程序启动I/O传输并等待I/O数据、运行程序申请当前被占用的某一资源。可能引起进程状态转换的中断事件：时钟中断事件可能引起进程状态转换，例如对于时间片轮转进程调度算法，若时钟中断发生后，当前进程的时间片已用完，则将发生进程切换；否则不发生进程切换。17. 若在T1时刻进程P1运行，T2时刻进程P2运行，且P1P2,则在时刻T1和时刻T2期间之内一定发生过中断。 这种说法对吗? 为什么?答：这种说法对。如果在时刻T1进程P1在运行，在时刻T2进程P2在运行，且P1P2，则说在时刻T1和时刻T2之间发生了进程切换。这说明在时刻T1和时刻T2之间执行了处理机调度程序，而处理机调度程序是操作系统低层中的一个模块，在系统运行的过程中，除非显式地调用到该模块，否则系统不会由运行一个进程转去运行另外一个进程，就是说不会发生进程切换。 只有进入操作系统，即处于系统态,才有可能调用到处理机调度， 因为处于用户态运行的用户程序不可能直接调用操作系统中的任何模块。中断是系统由用户态转换为系统态的必要条件。据此，假如在时刻T1与时刻T2之间发生了进程切换，则在时刻T1与时刻T2之间一定发生过中断。18. 进程切换时，上升进程的PSW和PC为何必须由一条指令同时恢复?答：中断向量中程序状态字PSW与指令计数器PC的内容必须由一条指令同时恢复，这样才能保证系统状态由管态转到目态的同时，控制转到上升进程的断点处继续执行。如果不同时恢复，则只能（1）先恢复PSW再恢复PC，在恢复PSW后已经转到目态，操作系统恢复PC的使命无法完成；（2）先恢复PC再恢复PSW，PC改变后转到操作系统另外区域（因为PSW仍为系统状态），PSW无法恢复。19. 某系统采用可抢占处理机的静态优先数调度算法，请问何时会发生抢占处理机的现象?答：当一个新创建的进程或一个被唤醒进程的优先数比正在运行进程的优先数高时，可能发生抢占处理机现象。20. 在实时系统中，采用不可抢占处理机的优先数调度算法是否适宜? 为什么?答：不适宜。一旦一个低优先数、需要大量CPU时间的进程占用处理机，就会一直运行，直到运行结束，或者直到因某事件而阻塞。在此之前，即使高优先数的紧急任务到达，也得不到处理，因而可能延误对重要事件的响应和处理。21. 在分时系统中，进程调度是否只能采用时间片轮转算法? 为什么?答：分时系统的特点是要求响应速度及时，除RR算法之外，还可以采用可剥夺CPU的动态优先数调度算法。如经典UNIX的处理机调度算法，由于负反馈性质，算法也可以保证响应速度。22. 有人说，在采用等长时间片轮转处理机调度算法的分时操作系统中，各终端用户所占有处理机的时间总量是相同的。这种说法对吗? 为什么?答：这种说法不对。因为处理机是分配给进程（线程）的，而不同终端用户可能有不同数量的进程，一个拥有较多数量进程的终端显然比拥有较少数量进程的终端获得CPU的时间要多。23. 对于下述处理机调度算法分别画出进程状态转换图。(1) 时间片轮转算法;(2) 可抢占处理机的优先数调度算法;(3) 不可抢占处理机的优先数调度算法。答：(1) 时间片轮转算法(2) 可抢占处理机的优先数调度算法;(3) 不可抢占处理机的优先数调度算法24. 举出两个例子说明操作系统访问进程空间的必要性。答：例（1）：进程执行输出操作时，通过系统调用进入系统，由操作系统将待输出的数据由进程空间取出送给指定的外部设备，为此操作系统必须访问用户进程空间。例（2）：当发生可由用户自己处理的中断事件时，操作系统在转到中断续元之前应当将系统堆栈中的现场信息弹出并压入用户堆栈中，为此操作系统也必须访问进程空间。25根据进程和线程的组成说明进程调度和线程调度各需要完成哪些工作。答：进程调度：(1)地址映射寄存器；(2)用户栈指针；(3)通用寄存器；(4)PSW与PC。线程调度：(1)用户栈指针；(2)通用寄存器；(3)PC。26. 系统资源利用率与系统效率是否一定成正比? 如不是，举例说明之。答：系统效率高则资源利用率高，而反之却不尽然。例如，在虚拟页式存储管理系统中，当页面置换算法不合理或分给进程的页架数过少时，可能发生抖动(thrashing)，此时I/O设备很忙碌，但系统效率可能很低。27. 设有周期性实时任务集如下表所示，用EDF算法和RMS算法是否可以调度？画出相应的Gantt图。任务发生周期Ti处理时间CiA3010B4015C505答：由于，因而采用EDF算法一定可以调度，其Gantt图为：C1A1B1A2B2C25101510155051530405560A1B1C1A2B2C2A3B3A4C3101551015510151050102530405560708095105110120由于，因而采用RMS算法不可调度。28. 分析Linux进程调度算法的调度效果。答：Linux在调度级别上考虑三种特征进程：Real-time FIFO, Real-time Round Robin, Timesharing. 调度基于Goodness度量指标，涉及如下一些参量：Priority: 140(缺省值20)，可通过nice系统调用调整，nice(value)中value的取值范围为(-20,20)之间，以与经典UNIX保持兼容，但在内部对value值进行反向，取priority=20-value。Quantum: 进程尚可运行的剩余时间对于运行进程来说，每个时钟间隔(10ms，称为一个jiffy)，将quantum减1，当所有就绪进程的quantum配额下降到0时，重新计算所有进程(包括等待进程)的quantum值。Goodness值的计算方法如下：If(Real-time)Goodness=1000 + priority;If(Timesharing & quantum=0)Goodness=0;If(Timesharing & quantum0)Goodness=quantum + priority.调度发生在如下时刻：(1)运行进程的quantum减至0；(2)运行进程执行系统调用exit；(3)运行进程因等待I/O、信号灯而被封锁；(4)原来具有高goodness的进程被解除封锁。容易看出调度效果：实时优先于分时，交互和I/O进程优先于CPU进程。四、 同步与互斥习题及解答:1 何谓与时间有关的错误? 举例说明之。 答：并发进程的执行实际上是进程活动的某种交叉，某些交叉次序可能得到错误结果。由于具体交叉的形成与进程的推进速度有关，而速度是时间的函数，因而将这种错误称为与时间有关的错误。例如，两个并发进程的程序如下：int n=0;main( )创建进程A；创建进程B；A( )while(1)n+;B( )while(1)睡眠一段时间；printf(“%d”,n);n=0; ;假设进程A被部署在公园入口的终端上，用来记录一段时间内进入公园的人数，进程B被部署在公园的控制中心，用来输出一段时间内进入公园的总人数。进程A和进程B共享全局变量n，n表示记录下的人数。如果在进程B执行完打印语句后被进程A打断，进程A执行了若干次变量自增语句，之后进程B接着执行清0语句，那么进程A对n的累加丢失了，相当于进程B被打断的这段时间内进入公园的人没有被记录下来。发生与时间有关的错误。2 有人说，假设两个进程之间没有共享内存，则二者之间没有公共变量，这种说法准确吗? 说明原因。 答：如果只从用户空间考虑，这种说法是正确的。但从操作系统的角度来说并不准确。两个没有公共内存的用户进程可能同时（宏观）进入操作系统，并访问操作系统空间中的公共变量。3何谓忙式等待? 是否还有其它方式的等待? 比较它们之间的联系和差别。 答：不进入等待状态的等待称为忙式等待。另一种等待方式是阻塞式等待，进程得不到共享资源时将进入阻塞状态，让出CPU给其他进程使用。忙等待和阻塞式等待的相同之处在于进程都不具备继续向前推进的条件，不同之处在于处于忙等待的进程不主动放弃CPU，尽管CPU可能被剥夺，因而是低效的；而处于阻塞状态的进程主动放弃CPU，因而是高效的。4下列进程互斥方法哪些存在忙式等待问题? （1）软件: 面包店算法(2) 硬件: TS指令(3) 关中断指令答：（1）、（2）存在忙等待问题。5为何开关中断进程互斥方法仅在单CPU系统中是有效的？ 答：关中断方法不适用于多CPU系统，因为关中断只能保证CPU不由一个进程切换到另外一个进程，从而防止多个进程并发地进入公共临界区域。但即使关中断后，不同进程仍可以在不同CPU上并行执行关于同一组共享变量的临界区代码.6在多处理机系统中，软件互斥方法是否有效？为什么？ 答：依然有效。多处理机并行与单处理并发之间的差别在于程序交叉的粒度，单处理机机环境中进程交叉发生在指令之间，多处理机环境中进程交叉发生在指令周期之间。由于纯软件互斥算法并不依赖特殊的硬件指令(如test_and_set)，指令之间的交叉与指令周期之间的交叉结果相同。7试分析临界区域的大小与系统并发性之间的关系。 答：关于同一组变量的临界区域是不能并发执行的代码，临界区越大，并发性越差，因而编写并发程序应尽量缩小临界区域范围。8设CR1是关于一组共享变量SV1的临界区域，CR2是关于另外一组共享变量SV2的临界区域，当进程P1进入CR1时，进程P2是否可以进入CR2? 为什么? 答：可以。因为互斥是在变量级别上的，多个进程同时进入关于不同变量的临界区不会引起与时间有关的错误。9Lamport面包店互斥算法是否会出现饿死情况? 不会，该算法是公平的。假定系统中共有n个进程，每个想要进入临界区域的进程(线程)在最坏的情况下需要等待其它n-1个进程进入并离开临界区域之后即可获得进入临界区域的机会，因而存在(忙式)等待的上界。10试用信号灯和PV操作实现临界区语句: region do 变量类型答：semaphore s=1;P(s);V(s);11. 由V操作唤醒的进程是否一定能够直接进入运行状态? 举例说明之。答：否。一般来说，唤醒是将进程状态由等待状态变成就绪状态，而就绪进程何时获得处理机则是由系统的处理机调度策略确定的。如果采用抢占式优先级调度算法，并且被唤醒的进程是当前系统中优先级最高的进程，那么该进程将被调度执行，其状态变成运行态。如果该进程不是系统中优先级最高的进程或系统采用其它调度算法，那么该进程不会被调度执行，其状态将维持在就绪态。12. 设S1和S2为两个信号灯变量，下列八组P、V操作哪些可以同时进行? 哪些不能同时进行? 为什么?(1)P(S1)，P(S2) (2)P(S1)，V(S2)(3)V(S1)，P(S2) (4)V(S1)，V(S2)(5)P(S1)，P(S1) (6)P(S2)，V(S2)(7)V(S1)，P(S1) (8)V(S2)，V(S2)答：能同时进行的包括：(1)、(2)、(3)、(4)。这些操作涉及不同信号灯变量，属于关于不同组共享变量的临界区。不能同时进行的包括：(5)、(6)、(7)、(8)。这些操作涉及相同的信号灯变量，属于关于同一组共享变量的临界区。13. 对于生产者消费者问题，假设缓冲区是无界的，试用信号灯与PV操作给出解法。答：由于是无界缓冲区，所以生产者不会因得不到缓冲区而被阻塞，不需要对空缓冲区进行管理，可以去掉在有界缓冲区中用来管理空缓冲区的信号量及其PV操作。semaphore mutex_in=1;semaphore mutex_out=1;semaphore empty=0;int in=0，out=0;生产者活动：while(1)produce next product;P(mutex_in);add the product to bufferin;in+;v(mutex_in);V(empty); 消费者活动：while(1)P(empty);P(mutex_out);take the product from bufferout;out+;V(mutex_out);14. 设有一个可以装A、B两种物品的仓库，其容量无限大，但要求仓库中A、B两种物品的数量满足下述不等式:-MA物品数量B物品数量N其中M和N为正整数。 试用信号灯和PV操作描述A、B两种物品的入库过程。答：已知条件 -MA物品数量B物品数量N 可以拆成两个不等式，即A物品数量B物品数量N，B物品数量A物品数量M。这两个不等式的含义是：仓库中A物品可以比B物品多，但不能超过N个；物品可以比A物品多，但不能超过M个。semaphore a=n;semaphore b=m;void main()createprocess(A,);createprocess(B,);A物品入库：void A()while(1)P(a);A物品入库;V(b);B物品入库：void B()while(1)P(b);B物品入库;V(a);15. 试用信号灯与PV操作实现司机与售票员之间的同步问题。设公共汽车上有一个司机和一个售票员，其活动如下图所示。 为了安全起见，显然要求: (1)关车门后方能启动车辆；(2)到站停车后方能开车门。亦即“启动车辆”这一活动应当在“关车门”这一活动之后，“开车门”这一活动应当在“到站停车”这一活动之后。解：如果进程P2尚未推进到处时，进程P1已经推进到处，则P1应等待直到P2推进到处为止；同样，如果进程P1尚未推进到处时，进程P2已经推进到处，则P2应等待直到P1推进到处为止。如果进程P1在处发生了等待，则当进程P2执行到处时应将P1唤醒；同样，如果进程P2在处发生了等待，则当进程P2执行到处时应将P1唤醒。用信号量和P、V操作解决这一问题，需要定义两个信号量，一个信号量start表示是否允许司机启动车辆，另一个信号量open表示是否允许售票员开车门。初始状态是车停在始发站，车门开着，等待乘客上车。因此，两个信号量的初值都是0。semaphore start=0;semaphore open=0;司机的活动:P1: doP(start); 启动车辆;正常行车;到站停车;V(open);while (1);售票员的活动:P2: do关车门;V(start); 售票;P(open);开车门;while (1);16. 设有A、B、C三组进程，它们互斥地使用某一独占型资源R，使用前申请，使用后释放。资源分配原则如下:(1) 当只有一组申请进程时，该组申请进程依次获得R；(2) 当有两组申请进程时，各组申请进程交替获得R，组内申请进程依次获得R；(3) 当有三组申请进程时，各组申请进程轮流获得R，组内申请进程依次获得R。试用信号灯和PV操作分别给出各组进程的申请活动程序段和释放活动程序段。解：int free=1;/设备状态标志semaphore mutex=1;semaphore qa=qb=qc=0; /各组等待队列int counta=countb=countc=0;/等待队列长度A组申请：P(mutex);if(free=1)free=0;V(mutex);elsecounta+;V(mutex);P(qa);A组释放：P(mutex);if(countb0)countb-;V(qb);elseif(countc0)countc-;V(qc);elseif(counta0)counta-V(qa);else free=1;A组进程活动可以给出B组和C组进程活动。17. 设自行车生产线上有一只箱子，其中有N个位置(N3)，每个位置可存放一个车架或一个车轮; 又设有三个工人，其活动分别为:工人1活动：do 加工一个车架;车架放入箱中;while(1)工人2活动：do 加工一个车轮;车轮放入箱中;while(1)工人3活动：do 箱中取一车架;箱中取二车轮;组装为一台车;while(1)试分别用信号灯与PV操作、管程、会合实现三个工人的合作，要求解中不含死锁。解：用信号灯与PV操作实现三个工人的合作，管程与会合解法可仿照给出。首先不考虑死锁问题，工人1与工人3、工人2与工人3构成生产者与消费者关系，这两对生产/消费关系通过共同的缓冲区相联系。从资源的角度来看，箱子中的空位置相当于工人1和工人2的资源，而车架和车轮相当于工人3的资源。定义三个信号灯如下：semaphore empty=N;/空位置semaphore wheel=0;/车轮semaphore frame=0;/车架三位工人的活动分别为：工人1活动：do 加工一个车架;P(empty);车架放入箱中;V(frame);while(1)工人2活动：do 加工一个车轮;P(empty);车轮放入箱中;V(wheel);while(1)工人3活动：do P(frame);箱中取一车架;V(empty);P(wheel);P(wheel);箱中取二车轮;V(empty);V(empty);组装为一台车;while(1)分析上述解法易见，当工人1推进速度较快时，箱中空位置可能完全被车架占满或只留有一个存放车轮的位置，而当此时工人3同时取2个车轮时将无法得到，而工人2又无法将新加工的车轮放入箱中；当工人2推进速度较快时，箱中空位置可能完全被车轮占满，而当此时工人3取车架时将无法得到，而工人1又无法将新加工的车架放入箱中。上述两种情况都意味着死锁。为防止死锁的发生，箱中车架的数量不可超过N-2，车轮的数量不可超过N-1，这些限制可以用两个信号灯来表达。semaphore s1=N-2;semaphore s2=N-1;如此，可以给出不含死锁的完整解法如下：工人1活动：do 加工一个车架;P(s1);P(empty);车架放入箱中;V(frame);while(1)工人2活动：do 加工一个车轮;P(s2);P(empty);车轮放入箱中;V(wheel);while(1)工人3活动：do P(frame);箱中取一车架;V(empty);V(s1);P(wheel);P(wheel);箱中取二车轮;V(empty);V(empty);V(s2);V(s2);组装为一台车;while(1)详细描述还应考虑对箱子单元的描述以及访问互斥问题。建议车架放在箱子的一端，车轮放在箱子的另一端，车架与车轮都采用后进先出的管理方式。18. 一座小桥(最多只能承重两个人)横跨南北两岸，任意时刻同一方向只允许一人过桥，南侧桥段和北侧桥段较窄只能通过一人，桥中央一处宽敞，允许两个人通过或歇息。试用信号灯和PV操作写出南、北两岸过桥的同步算法。解：桥上可能没有人，也可能有一人，也可能有两人。(a) 两人同时过桥(b) 两人都到中间(c) 南(北)来者到北(南)段共需要三个信号量，load用来控制桥上人数，初值为2，表示桥上最多有2人；north用来控制北段桥的使用，初值为1，用于对北段桥互斥；south用来控制南段桥的使用，初值为1，用于对南段桥互斥。semaphore load=2;semaphore north=1;semaphore south=1;tosouth()P(load);P(north);过北段桥;到桥中间;V(north);P(south);过南段桥;到达南岸V(south);V(load);tonorth()P(load);P(south);过南段桥;到桥中间V(south);P(north);过北段桥;到达北岸V(north);V(load);19.某寺庙，有小和尚、老和尚若干庙内有一水缸，由小和尚提水入缸，供老和尚饮用。水缸可容纳 30 桶水，每次入水、取水仅为1桶，不可同时进行。水取自同一井中，水井径窄，每次只能容纳一个水桶取水。设水桶个数为5个，试用信号灯和PV操作给出老和尚和小和尚的活动。semaphore empty=30;/ 表示缸中目前还能装多少桶水，初始时能装30桶水semaphore full=0;/ 表示缸中有多少桶水，初始时缸中没有水semaphore buckets=5;/ 表示有多少只空桶可用，初始时有5只桶可用semaphore mutex_well=1;/ 用于实现对井的互斥操作semaphore mutex_bigjar=1; / 用于实现对缸的互斥操作young_monk()while(1)P(empty);P(buckets);go to the well;P(mutex_well);get water;V(mutex_well);go to the temple;P(mutex_bigjar);pure the water into the big jar;V(mutex_bigjar);V(buckets);V(full);old_monk()while()P(full);P(buckets);P(mutex_bigjar);get water;V(mutex_bigjar);drink water;V(buckets);V(empty);20. 设系统中有5台类型相同的打印机，依次编号为15。 又设系统中有n个使用打印机的进程，使用前申请，使用后释放。 每个进程有一个进程标识，用于区别不同的进程。 每个进程还有一个优先数，不同进程的优先数各异。当有多个进程同时申请时，按照进程优先数由高到低的次序实施分配。 试用信号灯和PV操作实现对于打印机资源的管理，即要求编写如下函数和过程:(1) 函数 require(pid，pri): 申请一台打印机。参数pid为进程标识，其值为1到n的整数; pri为进程优先数，其值为正整数; 函数返回值为所申请到打印机的编号，其值为1到5的整数;(2) 过程 return(prnt): 释放一台打印机。参数prnt为所释放打印机的编号，其值为1到5的整数。解：#define N 5bool flagN+1;/flag0表示可用打印机数,/flagi表示第i号打印机的状态（1=i=N），0表示占用，1表示空闲PCB *queue=NULL;/进程阻塞队列semaphore mutex_flag=1;/用于对flag数组的互斥操作semaphore