操作系統(tǒng)精髓與設(shè)計(jì)原理第3章進(jìn)程描述和控制

1、第3章進(jìn)程描述和控制復(fù)習(xí)題：什么是指令跟蹤？答：指令跟蹤是指為該進(jìn)程而執(zhí)行的指令序列。通常那些事件會(huì)導(dǎo)致創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程？答：新的批處理作業(yè)；交互登錄；操作系統(tǒng)因?yàn)樘峁┮豁?xiàng)服務(wù)而創(chuàng)建；由現(xiàn)有的進(jìn)程派生。（詳情請(qǐng)參考表3.1）對(duì)于圖3.6中的進(jìn)程模型，請(qǐng)簡(jiǎn)單定義每個(gè)狀態(tài)。答：運(yùn)行態(tài)：該進(jìn)程正在執(zhí)行。就緒態(tài)：進(jìn)程做好了準(zhǔn)備，只要有機(jī)會(huì)就開(kāi)始執(zhí)行。阻塞態(tài)：進(jìn)程在某些事件發(fā)生前不能執(zhí)行，如I/O操作完成。新建態(tài)：剛剛創(chuàng)建的進(jìn)程，操作系統(tǒng)還沒(méi)有把它加入到可執(zhí)行進(jìn)程組中。退出態(tài)：操作系統(tǒng)從可執(zhí)行進(jìn)程組中釋放出的進(jìn)程，或者是因?yàn)樗陨硗Ｖ沽?，或者是因?yàn)槟撤N原因被取消。搶占一個(gè)進(jìn)程是什么意思？答：處理器為了執(zhí)行另

2、外的進(jìn)程而終止當(dāng)前正在執(zhí)行的進(jìn)程，這就叫進(jìn)程搶占。什么是交換，其目的是什么？答：交換是指把主存中某個(gè)進(jìn)程的一部分或者全部?jī)?nèi)容轉(zhuǎn)移到磁盤(pán)。當(dāng)主存中沒(méi)有處于就緒態(tài)的進(jìn)程時(shí)，操作系統(tǒng)就把一個(gè)阻塞的進(jìn)程換出到磁盤(pán)中的掛起隊(duì)列，從而使另一個(gè)進(jìn)程可以進(jìn)入主存執(zhí)行。3.6為什么圖3.9（彷）中有兩個(gè)阻塞態(tài)？答：有兩個(gè)獨(dú)立的概念：進(jìn)程是否在等待一個(gè)事件（阻塞與否）以及進(jìn)程是否已經(jīng)被換出主存（掛起與否）。為適應(yīng)這種2*2的組合，需要兩個(gè)阻塞態(tài)和兩個(gè)掛起態(tài)。列出掛起態(tài)進(jìn)程的4個(gè)特點(diǎn)。答：1.進(jìn)程不能立即執(zhí)行。2.進(jìn)程可能是或不是正在等待一個(gè)事件。如果是，阻塞條件不依賴(lài)于掛起條件，阻塞事件的發(fā)生不會(huì)使進(jìn)程立即被執(zhí)行

3、。3.為了阻止進(jìn)程執(zhí)行，可以通過(guò)代理把這個(gè)進(jìn)程置于掛起態(tài)，代理可以是進(jìn)程自己，也可以是父進(jìn)程或操作系統(tǒng)。4.除非代理顯式地命令系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，否則進(jìn)程無(wú)法從這個(gè)狀態(tài)中轉(zhuǎn)移。對(duì)于哪類(lèi)實(shí)體，操作系統(tǒng)為了管理它而維護(hù)其信息表？答：內(nèi)存、I/O、文件和進(jìn)程。列出進(jìn)程控制塊中的三類(lèi)信息。答：進(jìn)程標(biāo)識(shí)，處理器狀態(tài)信息，進(jìn)程控制信息。為什么需要兩種模式（用戶模式和內(nèi)核模式）？答：用戶模式下可以執(zhí)行的指令和訪問(wèn)的內(nèi)存區(qū)域都受到限制。這是為了防止操作系統(tǒng)受到破壞或者修改。而在內(nèi)核模式下則沒(méi)有這些限制，從而使它能夠完成其功能。操作系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程所執(zhí)行的步驟是什么？答：1.給新進(jìn)程分配一個(gè)唯一的進(jìn)程標(biāo)識(shí)號(hào)。2

4、.給進(jìn)程分配空間。3.初始化進(jìn)程控制塊。4.設(shè)置正確的連接。5.創(chuàng)建或擴(kuò)充其他的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。中斷和陷阱有什么區(qū)別？答：中斷與當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程無(wú)關(guān)的某些類(lèi)型的外部事件相關(guān)，如完成一次I/O操作。陷阱與當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程所產(chǎn)生的錯(cuò)誤或異常條件相關(guān)，如非法的文件訪問(wèn)。舉出中斷的三個(gè)例子。答：時(shí)鐘終端，I/O終端，內(nèi)存失效。模式切換和進(jìn)程切換有什么區(qū)別？答：發(fā)生模式切換可以不改變當(dāng)前正處于運(yùn)行態(tài)的進(jìn)程的狀態(tài)。發(fā)生進(jìn)程切換時(shí)，一個(gè)正在執(zhí)行的進(jìn)程被中斷，操作系統(tǒng)指定另一個(gè)進(jìn)程為運(yùn)行態(tài)。進(jìn)程切換需要保存更多的狀態(tài)信息。習(xí)題：給出操作系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)程管理時(shí)的五種主要活動(dòng)，并簡(jiǎn)單描述為什么需要它們。答：用戶進(jìn)程和系

5、統(tǒng)進(jìn)程創(chuàng)建及刪除。系統(tǒng)中的進(jìn)程可以為信息共享、運(yùn)算加速、模塊化和方便并發(fā)地執(zhí)行。而并發(fā)執(zhí)行需要進(jìn)程的創(chuàng)建和刪除機(jī)制。當(dāng)進(jìn)程創(chuàng)建或者運(yùn)行時(shí)分配給它需要的資源。當(dāng)進(jìn)程終止時(shí)，操作系統(tǒng)需要收回任何可以重新利用的資源。進(jìn)程的暫停和繼續(xù)執(zhí)行。在進(jìn)程調(diào)度中，當(dāng)進(jìn)程在等待某些資源時(shí)，操作系統(tǒng)需要將它的狀態(tài)改變?yōu)榈却蚓途w狀態(tài)。當(dāng)所需要的資源可用時(shí)，操作系統(tǒng)需要將它的狀態(tài)變?yōu)檫\(yùn)行態(tài)以使其繼續(xù)執(zhí)行。提供進(jìn)程的同步機(jī)制。合作的進(jìn)程可能需要共享數(shù)據(jù)。對(duì)共享數(shù)據(jù)的并行訪問(wèn)可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突。操作系統(tǒng)必須提供進(jìn)程的同步機(jī)制以使合作進(jìn)程有序地執(zhí)行，從而保證數(shù)據(jù)的一致性。提供進(jìn)程的通信機(jī)制。操作系統(tǒng)下執(zhí)行的進(jìn)程既可以是獨(dú)立

6、進(jìn)程也可以是合作進(jìn)程。合作進(jìn)程之間必須具有一定的方式進(jìn)行通信。提供進(jìn)程的死鎖解決機(jī)制。在多道程序環(huán)境中，多個(gè)進(jìn)程可能會(huì)競(jìng)爭(zhēng)有限的資源。如果發(fā)生死鎖，所有的等待進(jìn)程都將永遠(yuǎn)不能由等待狀態(tài)再變?yōu)檫\(yùn)行態(tài)，資源將被浪費(fèi)，工作永遠(yuǎn)不能完成。在PINK89中為進(jìn)程定義了以下?tīng)顟B(tài)：執(zhí)行（運(yùn)行）態(tài)、活躍（就緒）態(tài)、阻塞態(tài)和掛起態(tài)。當(dāng)進(jìn)程正在等待允許使用某一資源時(shí)，它處于阻塞態(tài)；當(dāng)進(jìn)程正在等待它已經(jīng)獲得的某種資源上的操作完成時(shí)，它處于掛起態(tài)。在許多操作系統(tǒng)中，這兩種狀態(tài)常常放在一起作為阻塞態(tài)，掛起態(tài)使用本章中給出的定義請(qǐng)。比較這兩組定義的優(yōu)點(diǎn)。答：PINK89中引用了以下例子來(lái)闡述其中阻塞和掛起的定義：假設(shè)一個(gè)

7、進(jìn)程已經(jīng)執(zhí)行了一段時(shí)間，它需要一個(gè)額外的磁帶設(shè)備來(lái)寫(xiě)出一個(gè)臨時(shí)文件。在它開(kāi)始寫(xiě)磁帶之前，進(jìn)程必須得到使用某一設(shè)備的許可。當(dāng)它做出請(qǐng)求時(shí)，磁帶設(shè)備可能并不可用，這種情況下，該進(jìn)程就處于阻塞態(tài)。假設(shè)操作系統(tǒng)在某一時(shí)刻將磁帶設(shè)備分配給了該進(jìn)程，這時(shí)進(jìn)程就重新變?yōu)榛钴S態(tài)。當(dāng)進(jìn)程重新變?yōu)閳?zhí)行態(tài)時(shí)要對(duì)新獲得的磁帶設(shè)備進(jìn)行寫(xiě)操作。這時(shí)進(jìn)程變?yōu)閽炱饝B(tài)，等待該磁帶上當(dāng)前所進(jìn)行的寫(xiě)操作完成。這種對(duì)等待某一設(shè)備的兩種不同原因的區(qū)別，在操作系統(tǒng)組織其工作時(shí)是非常有用的。然而這并不能表明那些進(jìn)程是換入的，那些進(jìn)程是換出的。后一種區(qū)別是必需的，而且應(yīng)該在進(jìn)程狀態(tài)中以某種形式表現(xiàn)出來(lái)。對(duì)于圖3.9中給岀的7狀態(tài)進(jìn)程模型，請(qǐng)

8、仿照?qǐng)D?8（b）畫(huà)岀它的排隊(duì)圖。答：圖9.3給出了單個(gè)阻塞隊(duì)列的結(jié)果。該圖可以很容易的推廣到多個(gè)阻塞隊(duì)列的情形?？紤]圖3.9（b）中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。假設(shè)操作系統(tǒng)正在分派進(jìn)程，有進(jìn)程處于就緒態(tài)和就緒/掛起態(tài)，并且至少有一個(gè)處于就緒/掛起態(tài)的進(jìn)程比處于就緒態(tài)的所有進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)都高。有兩種極端的策略（：1）總是分派一個(gè)處于就緒態(tài)的進(jìn)程，以減少交換；（2）總是把機(jī)會(huì)給具有最高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程，即使會(huì)導(dǎo)致在不需要交換時(shí)進(jìn)行交換。請(qǐng)給岀一種能均衡考慮優(yōu)先級(jí)和性能的中間策略。答：對(duì)于一個(gè)就緒/掛起態(tài)的進(jìn)程，降低一定數(shù)量（如一或兩個(gè)）優(yōu)先級(jí)，從而保證只有當(dāng)一個(gè)就緒/掛起態(tài)的進(jìn)程比就緒態(tài)的進(jìn)程的最高優(yōu)先級(jí)還高岀幾個(gè)優(yōu)

9、先級(jí)時(shí)，它才會(huì)被選做下一個(gè)執(zhí)行。表3.13給岀了VAX/VMS操作系統(tǒng)的進(jìn)程狀態(tài)。請(qǐng)給出這么多種等待狀態(tài)的理由。為什么以下?tīng)顟B(tài)沒(méi)有駐留和換岀方案：頁(yè)錯(cuò)誤等待、也沖突等待、公共事件等待自由頁(yè)等待和資源等待。請(qǐng)畫(huà)岀狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，并指岀引發(fā)狀態(tài)裝換的原因。每一種等待狀態(tài)都有一個(gè)單獨(dú)的隊(duì)列與其相關(guān)聯(lián)。當(dāng)影響某一等待進(jìn)程的事件發(fā)生時(shí)，把等待進(jìn)程分成不同的隊(duì)列就減少了定位這一等待進(jìn)程所需的工作量。例如，當(dāng)一個(gè)頁(yè)錯(cuò)誤完成時(shí)，調(diào)度程序就可以在頁(yè)錯(cuò)誤等待隊(duì)列中找到等待的進(jìn)程。在這些狀態(tài)下，允許進(jìn)程被換岀只會(huì)使效率更低。例如，當(dāng)發(fā)生頁(yè)錯(cuò)誤等待時(shí)，進(jìn)程正在等待換入一個(gè)頁(yè)從而使其可以執(zhí)行，這是將進(jìn)程換岀是毫無(wú)意義的?？?/p>

10、以由下面的進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換表得到狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。當(dāng)前狀態(tài)下一狀態(tài)當(dāng)前正在執(zhí)行可計(jì)算（駐留）可計(jì)算（換出）各種等待狀態(tài)（駐留）各種等待狀態(tài)（換出）當(dāng)前正在執(zhí)行重調(diào)度等待可計(jì)算（駐留）調(diào)度換出可計(jì)算（換出）換入各種等待狀態(tài)（駐留）事件發(fā)生換出各種等待狀態(tài)（換出）事件發(fā)生VAM/VMS操作系統(tǒng)采用了四種處理器訪問(wèn)模式，以促進(jìn)系統(tǒng)資源在進(jìn)程間的保護(hù)和共享。訪問(wèn)模式確定：指令執(zhí)行特權(quán)：處理器將執(zhí)行什么指令。內(nèi)存訪問(wèn)特權(quán)：當(dāng)前指令可能訪問(wèn)虛擬內(nèi)存中的哪個(gè)單元。四種模式如下：內(nèi)核模式：執(zhí)行VMS操作系統(tǒng)的內(nèi)核，包括內(nèi)存管理、中斷處理和0操作。執(zhí)行模式:執(zhí)行許多操作系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用包括文件（磁盤(pán)和磁帶）和記錄管理例程。管

11、理模式：執(zhí)行其他操作系統(tǒng)服務(wù)，如響應(yīng)用戶命令。用戶模式：執(zhí)行用戶程序和諸如編譯器、編輯器、鏈接程序、調(diào)試器之類(lèi)的實(shí)用程序。在較少特權(quán)模式執(zhí)行的進(jìn)程通常需要調(diào)用在較多特權(quán)模式下執(zhí)行的過(guò)程，例如，一個(gè)用戶程序需要一個(gè)操作系統(tǒng)服務(wù)這個(gè)調(diào)用通過(guò)使用一個(gè)改變模式簡(jiǎn)稱(chēng)CHM）指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，該指令將引發(fā)一個(gè)中斷，把控制轉(zhuǎn)交給處于新的訪問(wèn)模式下的例程，并通過(guò)執(zhí)行REI（ReturnfromExceptionorInterrupt，從異常或中斷返回）指令返回。很多操作系統(tǒng)有兩種模式，內(nèi)核和用戶，那么提供四種模式有什么優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？你可以舉岀一種有四種以上模式的情況嗎？答：a.四種模式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)主存的訪問(wèn)控制更加靈活

12、，能夠?yàn)橹鞔嫣峁└玫谋Ｗo(hù)。缺點(diǎn)是復(fù)雜和處理的開(kāi)銷(xiāo)過(guò)大。例如，程序在每一種執(zhí)行模式下都要有一個(gè)獨(dú)立的堆棧。b.原則上，模式越多越靈活，但是四種以上的模式似乎很難實(shí)現(xiàn)。在前面習(xí)題中討論的VMS方案常常稱(chēng)為環(huán)狀保護(hù)結(jié)構(gòu)，如33.18所示。3.3節(jié)所描述的簡(jiǎn)單的內(nèi)核/用戶方案是一種兩環(huán)結(jié)構(gòu)，LB04指岀了這種方法的問(wèn)題：環(huán)狀（層次）結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是它不允許我們實(shí)施須知原理，特別地，如果一個(gè)對(duì)象必須在域中可訪問(wèn)，但在域0；.中不可訪問(wèn)，貝泌須有就vj。這意味著在D.中可訪問(wèn)的每個(gè)段在中都可以訪問(wèn)。請(qǐng)清楚地解釋上面引文中提岀的問(wèn)題。請(qǐng)給岀環(huán)狀結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法。答：當(dāng)ji時(shí)，運(yùn)行在Dj中

13、的進(jìn)程被禁止訪問(wèn)D.中的對(duì)象。因此，如果D.中包含的信息比Di中的更具有特權(quán)或者要求的安全性更高，那么這種限制就是合理的。然而，通過(guò)以下方法卻可以繞過(guò)這種安全策略。一個(gè)運(yùn)行在Dj中的進(jìn)程可以讀取Dj中的數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)復(fù)制到Di中。隨后，Di中的進(jìn)程就可以訪問(wèn)這些信息了。有一種解決這一問(wèn)題的方法叫做可信系統(tǒng)，我們將在16章中進(jìn)行討論。圖3.7（b）表明一個(gè)進(jìn)程每次只能在一個(gè)事件隊(duì)列中。是否能夠允許進(jìn)程同時(shí)等待一個(gè)或多個(gè)事件？請(qǐng)舉例說(shuō)明。在這種情況下，如何修改圖中的排隊(duì)結(jié)構(gòu)以支持這個(gè)新特點(diǎn)？一個(gè)進(jìn)程可能正在處理從另一個(gè)進(jìn)程收到的數(shù)據(jù)并將結(jié)果保存到磁盤(pán)上。如果當(dāng)前在另一個(gè)進(jìn)程中正有數(shù)據(jù)在等待被取走，進(jìn)程就可以繼續(xù)獲得數(shù)據(jù)并處理它。如果前一個(gè)寫(xiě)磁盤(pán)操作已經(jīng)完成，并且有處理好的數(shù)據(jù)在等待寫(xiě)岀，那么進(jìn)程就可以繼續(xù)寫(xiě)磁盤(pán)。這樣就可能存在某一時(shí)刻，進(jìn)程即在等待從輸入進(jìn)程獲得數(shù)據(jù)，又在等待磁盤(pán)可用。有很多種方法解決這一問(wèn)題?？梢允褂靡环N特殊的隊(duì)列，或者將進(jìn)程放入兩個(gè)獨(dú)立的隊(duì)列中。不論采用哪種方法，操作系統(tǒng)都必須處理好細(xì)節(jié)工作，使進(jìn)程相繼地關(guān)注兩個(gè)事件的發(fā)生。在很多早期計(jì)算機(jī)中，中斷導(dǎo)致寄存器值被保存在與給定的中斷信息相關(guān)聯(lián)的固定單元。在什么情況下這是一種實(shí)用的技術(shù)？請(qǐng)解釋為什么它通常是不方便的。答：這種技術(shù)是基于被中斷