操作系統(tǒng) 習題及答案 第一章 操作系統(tǒng)概論

第一章操作系統(tǒng)概論習題什么是計算機系統(tǒng)？計算機系統(tǒng)是怎樣構成的？計算機系統(tǒng)是一種可以按用戶的要求接收和存儲信息、自動進行數(shù)據(jù)處理并輸出結(jié)果信息的系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構成的。硬件系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)賴以工作的實體。軟件系統(tǒng)保證計算機系統(tǒng)按用戶指定的要求協(xié)調(diào)地工作。什么是操作系統(tǒng)？請說明操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的作用和地位。操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，它能有效地組織和管理計算機系統(tǒng)中的硬件及軟件資源，合理地組織計算機工作流程，控制程序的執(zhí)行，并向用戶提供各種服務功能，使得用戶能夠靈活、方便、有效地使用計算機，并使整個計算機系統(tǒng)能高效地運行。操作系統(tǒng)管理計算機系統(tǒng)的哪些資源?操作系統(tǒng)組織和管理計算機系統(tǒng)中的硬件及軟件資源。在計算機系統(tǒng)中的硬件和軟件資源可以分成以下幾部分：中央處理器（CPU）、存儲器（內(nèi)存和外存）、外部設備和信息（文件）。為了掌握整個計算機系統(tǒng)的硬件和軟件資源，操作系統(tǒng)設計了各種不同類型的表格或數(shù)據(jù)結(jié)構，將所有的硬件和軟件資源一一加以登記，資源的名稱、類型、數(shù)量、用途、完好狀態(tài)以及目前使用狀態(tài)等所有信息，均在有關數(shù)據(jù)結(jié)構中保存，并動態(tài)地、實時地不斷更新著這些數(shù)據(jù)。從而讓操作系統(tǒng)根據(jù)用戶對各種資源的需求情況，資源的當前分配和使用情況以及有關的資源調(diào)度策略，對資源進行有效的組織和管理。請從資源管理的角度說明操作系統(tǒng)的主要功能?，F(xiàn)代計算機系統(tǒng)支持多個用戶、多道作業(yè)。面對眾多的用戶程序、作業(yè)爭奪處理器、存儲器、設備和共享軟件資源，操作系統(tǒng)需要登記誰在使用什么樣的資源，系統(tǒng)中還有哪些資源空閑，當前響應了誰對資源的要求，以及收回哪些不再使用的資源等。操作系統(tǒng)要提供一些機制去協(xié)調(diào)程序間的競爭與同步，提供機制對資源進行合理使用，施加保護，以及采取虛擬技術來“擴充”資源。操作系統(tǒng)有哪些基本特征？操作系統(tǒng)的基本特征有并發(fā)性、共享性、虛擬性、異步性。并發(fā)性：并發(fā)性是指計算機系統(tǒng)中同時存在多個運行的程序，從宏觀上看，這些程序似乎是在同時運行，盡管在單處理器系統(tǒng)中，從微觀上看，CPU是通過快速切換來交替執(zhí)行多個程序的。共享性：共享性是指系統(tǒng)中的資源可以被多個并發(fā)執(zhí)行的進程共同使用。這種共享分為互斥共享和同時共享兩種。互斥共享意味著資源一次只能被一個進程使用，而同時共享則表示一個資源可以同時被多個進程訪問。虛擬性：虛擬性是通過某種技術把一個物理實體轉(zhuǎn)換為若干個邏輯上的對應物。例如，虛擬存儲器可以將較小的物理內(nèi)存虛擬為更大的邏輯存儲器，使得用戶看到的內(nèi)存空間大于實際的物理內(nèi)存空間。異步性：異步性是指在多道程序環(huán)境下，允許多個程序并發(fā)執(zhí)行，但由于資源有限，進程的執(zhí)行不是一貫到底的，而是以不可預知的速度向前推進的。這要求操作系統(tǒng)具有調(diào)度和協(xié)調(diào)各個進程執(zhí)行的能力。請敘述各類操作系統(tǒng)的工作方式及特點。操作系統(tǒng)類型主要包括批處理操作系統(tǒng),分時操作系統(tǒng)，實時操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，分布式操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)。批處理操作系統(tǒng)：工作方式：用戶將作業(yè)提交給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)將多個作業(yè)組織成批量，并自動逐一執(zhí)行，無需用戶干預。特點：自動性和順序性強，用戶無法與正在執(zhí)行的作業(yè)直接交互，適合大量獨立的作業(yè)處理，效率相對高，但響應時間長，不適合需要頻繁交互的任務。分時操作系統(tǒng)：工作方式：允許多個用戶通過終端同時使用計算機，操作系統(tǒng)分時處理各個用戶的請求，每個用戶輪流獲得處理器時間片。特點：交互性強，響應時間短，適合多用戶環(huán)境，用戶可以實時地輸入命令并得到響應，但單個任務的執(zhí)行時間可能會受到影響。實時操作系統(tǒng)：工作方式：要求在嚴格的時間限制內(nèi)響應外部事件或數(shù)據(jù)的輸入，確保關鍵任務優(yōu)先執(zhí)行，并在規(guī)定時間內(nèi)完成。特點：響應速度快，時間可預測性強，適用于對時間要求苛刻的場景，如嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)控制等，但系統(tǒng)資源管理相對復雜。網(wǎng)絡操作系統(tǒng)：工作方式：管理網(wǎng)絡資源，支持網(wǎng)絡中的計算機進行數(shù)據(jù)和資源共享，提供網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)管理等功能。特點：便于資源共享和通信，增強了計算機網(wǎng)絡的功能和效率，但對網(wǎng)絡安全和數(shù)據(jù)完整性提出了更高的要求。分布式操作系統(tǒng)：工作方式：將多臺計算機的資源整合，使用戶感覺像是在使用單一的、一致的系統(tǒng)資源，系統(tǒng)中的計算資源可以分布在不同地點。特點：資源利用率高，系統(tǒng)可擴展性強，計算能力強大，但系統(tǒng)設計和管理復雜，需要有效的通信和同步機制。嵌入式操作系統(tǒng)：工作方式：專門用于管理嵌入式系統(tǒng)中的硬件和應用程序，通常為特定的應用定制，運行在資源受限的環(huán)境中。特點：資源占用小，運行效率高，響應時間快，適合在資源受限的嵌入式設備上運行，如智能家居、移動設備等。請比較批處理系統(tǒng)、分時系統(tǒng)以及實時操作系統(tǒng)之間的相同點和不同點。相同點：資源管理：所有這三種類型的操作系統(tǒng)都負責管理計算機的資源，包括CPU、內(nèi)存、存儲、I/O設備等。任務調(diào)度：它們都具有任務調(diào)度功能，負責安排和管理任務或進程的執(zhí)行。接口提供：它們?yōu)橛脩艋虺绦騿T提供接口，使得用戶能夠與計算機系統(tǒng)交互。隔離性：它們提供一定程度的隔離性，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，防止程序間相互干擾。不同點：響應方式：批處理系統(tǒng)不需要實時響應用戶請求，作業(yè)按照批次順序執(zhí)行。分時系統(tǒng)需要較快地響應用戶的交互請求，確保用戶可以實時地與系統(tǒng)交互。實時操作系統(tǒng)需保證對實時事件的快速響應，并滿足嚴格的時間約束。交互性：批處理系統(tǒng)交互性較差，用戶提交作業(yè)后需等待結(jié)果輸出，不能即時干預。分時系統(tǒng)交互性強，多個用戶可以同時與系統(tǒng)交互，系統(tǒng)以時間片輪轉(zhuǎn)的方式服務于多個用戶。實時操作系統(tǒng)的交互性依賴于應用，關鍵在于能夠及時響應外部事件。任務管理：批處理系統(tǒng)中的任務按批次順序執(zhí)行，不需要頻繁切換上下文。分時系統(tǒng)需要頻繁切換上下文，以便在多個用戶或任務間共享計算機資源。實時操作系統(tǒng)中任務按照優(yōu)先級執(zhí)行，對任務的調(diào)度和管理要求能滿足實時性要求。適用場景：批處理系統(tǒng)適用于大量數(shù)據(jù)處理和批量作業(yè)處理的場景。分時系統(tǒng)適用于需要多用戶同時使用計算機資源的場景，如教育、研究等領域。實時操作系統(tǒng)適用于對時間要求嚴格的場景，如工業(yè)控制、航空航天、醫(yī)療設備等領域。請描述分時系統(tǒng)下響應時間的含義。用戶從終端發(fā)出命令到系統(tǒng)給予回答所經(jīng)歷的時間。在什么情況下應該采用批處理方式？在什么情況下應該考慮分時策略？對于需要批量處理大量數(shù)據(jù)任務而不需要用戶交互的應用，比如大數(shù)據(jù)分析，適合采用批處理方式。而對于需要處理多用戶并發(fā)，響應時間重要性相對較高的應用，如在線游戲或在線事務處理，應該考慮使用分時策略?，F(xiàn)代的通用操作系統(tǒng)把批處理方式和分時方式二者結(jié)合起來，為什么要這樣做？這樣的結(jié)合有什么特點？現(xiàn)代通用操作系統(tǒng)結(jié)合批處理方式和分時方式，主要是為了兼顧不同類型應用的需求，提高系統(tǒng)的靈活性和資源利用效率。這種結(jié)合方式的特點和優(yōu)勢如下：靈活性和通用性：通過結(jié)合兩種方式，操作系統(tǒng)可以同時支持需要長時間運行而不需用戶交互的批處理任務，以及需要實時用戶交互的分時任務。這使得操作系統(tǒng)更加通用，能夠適應更廣泛的應用場景。資源利用效率提高：在分時系統(tǒng)中，當用戶交互式任務不多時，系統(tǒng)資源可能會出現(xiàn)閑置。結(jié)合批處理方式，可以在系統(tǒng)資源較空閑時執(zhí)行批處理任務，提高資源的利用率。增強系統(tǒng)性能：在一些情況下，批處理任務可以在系統(tǒng)負載較低時執(zhí)行，減少對實時交互性能的影響，從而在保證分時任務響應性的同時，也確保了批處理任務的高效執(zhí)行。優(yōu)化任務調(diào)度：結(jié)合兩種方式使得操作系統(tǒng)的任務調(diào)度更加靈活，能夠根據(jù)當前系統(tǒng)的負載情況和任務的優(yōu)先級動態(tài)調(diào)整資源分配，優(yōu)化任務執(zhí)行順序，從而提高整體的系統(tǒng)性能和響應速度。實時操作系統(tǒng)的有什么主要特征?實時操作系統(tǒng)具有實時時鐘管理、過載防護和高可靠性。實時時鐘管理：實時系統(tǒng)的主要設計目標是對實時任務能夠進行實時處理。而絕大多數(shù)實時任務均與時間相關，良好的實時時鐘管理能力就成為實時系統(tǒng)的一個關鍵能力。過載防護：實時系統(tǒng)在出現(xiàn)過載現(xiàn)象時，要有能力在大量突發(fā)的實時任務中，迅速分析判斷并找出最重要的實時任務，然后通過拋棄或者延后次要任務以保證最重要任務成功的執(zhí)行。高可靠性：實時系統(tǒng)需要在各種情況下都能穩(wěn)定運行，因為它們通常用于控制關鍵的工業(yè)過程、醫(yī)療設備或安全系統(tǒng)。因此，其具有很強的健壯性和堅固性。在如下的應用場合中，應該選用什么類型的操作系統(tǒng)呢，并請說明為什么？（1）導彈控制；實時操作系統(tǒng)，因為對于導彈控制來說實時性要求很高。（2）國家統(tǒng)計局軟件；批處理系統(tǒng)，因為可能要處理大量數(shù)據(jù)，且不需要用戶交互。（3）汽車發(fā)動機點火控制；實時操作系統(tǒng)，因為對于發(fā)動機控制來說，響應速度要求高。（4）火車訂票系統(tǒng)；分時系統(tǒng)，因為需要響應客戶要求，且可能有大量客戶同時操作。（5）互聯(lián)網(wǎng)電子游戲。分時系統(tǒng)，因為可能有大量用戶同時操作且對響應速度有要求。請說明什么是SPOOLing技術？在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中有沒有使用SPOOLing技術？SPOOLing技術全稱是“同時的外部設備聯(lián)機操作”，用于實現(xiàn)輸入輸出設備和計算機主處理器之間的緩沖操作。這種技術的基本思想是用磁盤設備作為主機的直接輸入輸出設備，主機直接從磁盤上選取作業(yè)運行，作業(yè)的執(zhí)行結(jié)果也存在磁盤上；相應地，通道則負責將用戶作業(yè)從卡片機上動態(tài)寫入磁盤，而這一操作與主機并行?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)中，打印任務就是使用SPOOLing技術進行管理的。當用戶提交打印任務時，任務首先被放入一個打印隊列中。操作系統(tǒng)或打印服務器管理這個隊列，并按順序?qū)⒋蛴∪蝿瞻l(fā)送到打印機。這樣，用戶不必等待一個打印任務完成后再提交另一個任務，提高了用戶和系統(tǒng)的效率。網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)都是配置在計算機網(wǎng)絡上的操作系統(tǒng)，它們之間有什么本質(zhì)上的不同?網(wǎng)絡操作系統(tǒng)主要強調(diào)資源共享和通信。在網(wǎng)絡操作系統(tǒng)中，每臺計算機都有自己的操作系統(tǒng)，它們通過網(wǎng)絡相互連接，共享資源如文件、打印機、應用程序等。在網(wǎng)絡操作系統(tǒng)中，資源管理主要是各個獨立計算機自行負責，網(wǎng)絡僅用于資源共享和通信。分布式操作系統(tǒng)則將整個網(wǎng)絡系統(tǒng)視為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，資源和服務是分布在多臺計算機上的，但對用戶來說，這些資源看起來就像是單個系統(tǒng)中的資源一樣。分布式操作系統(tǒng)需要在多臺計算機間協(xié)調(diào)資源管理，實現(xiàn)負載均衡、任務調(diào)度等，確保系統(tǒng)作為一個整體高效運行。操作系統(tǒng)設計的過程包括哪些方面，在每個方面都要考慮什么問題？設計過程包括功能設計、算法設計、結(jié)構設計：功能設計：指的是根據(jù)系統(tǒng)的設計目標和使用要求，確定所設計的操作系統(tǒng)應具備哪些功能，以及操作系統(tǒng)的類型。算法設計：是根據(jù)計算機的性能和操作系統(tǒng)的功能，來選擇和設計滿足系統(tǒng)功能的算法和策略，并分析和估算其效能。結(jié)構設計：是按照系統(tǒng)的功能和特性要求，選擇合適的結(jié)構，使用相應結(jié)構設計方法將系統(tǒng)逐步地分解、抽象和綜合，使操作系統(tǒng)結(jié)構清晰、簡明、可靠、易讀、易修改，而且使用方便，適應性強。操作系統(tǒng)開發(fā)過程中面臨的主要問題是什么？操作系統(tǒng)開發(fā)過程中可能遇到的問題包括設計復雜程度高、正確性難以保證和研制周期長等問題等：程序復雜程度高：第一，操作系統(tǒng)要提供用戶之間共享信息和資源的機制，同時還要保證共享的安全；第二，操作系統(tǒng)的設計者必須考慮到將來硬件等情況的變化，并為這些變化做好準備，同時還要解決可能出現(xiàn)的硬件沖突問題；第三，操作系統(tǒng)必須有一定的通用性和對以前版本的兼容性；第四，操作系統(tǒng)要具有一定的適應性，來保證每個用戶的需要；第五，操作系統(tǒng)需要采取措施防止來自外部的入侵。正確性難以保證：操作系統(tǒng)包含的功能成分很多，各種外部設備的接口復雜。導致操作系統(tǒng)源代碼的正確性較難以保證。研制周期長：一般的軟件研制開發(fā)周期包括：需求分析，由用戶提供軟件的需求，并根據(jù)需求制作軟件規(guī)格說明書；設計者根據(jù)軟件規(guī)格說明書進行軟件設計；實現(xiàn)者編寫程序，調(diào)試、測試并整理各種開發(fā)文檔，然后提交給用戶使用，在應用的過程中不斷改進和提高軟件的品質(zhì)。操作系統(tǒng)的研發(fā)也基本遵從這樣的過程范式，但是因為上述兩個原因，操作系統(tǒng)的研制周期比較長。操作系統(tǒng)的設計目標是什么？一個高質(zhì)量的操作系統(tǒng)應具有可靠性、高效性、易維護性、易移植性、安全性和簡明性等特征?？煽啃裕翰僮飨到y(tǒng)應能穩(wěn)定運行，即便是發(fā)生硬件故障或某種意外的環(huán)境下，操作系統(tǒng)應該仍能做出適當?shù)奶幚?，避免造成嚴重損失。高效性：操作系統(tǒng)需要有效管理各類資源，以確保資源的最優(yōu)利用。它應該提高系統(tǒng)中各種資源的利用率，即提高系統(tǒng)的運行效率。易維護性：操作系統(tǒng)的設計應當考慮到可能的升級和維護。代碼應該具有良好的結(jié)構和文檔，使得維護人員可以容易地理解系統(tǒng)的工作原理和代碼結(jié)構，進行修復和升級。易移植性：操作系統(tǒng)的設計應盡可能獨立于硬件，這樣當系統(tǒng)需要在新的硬件平臺上運行時，僅需修改操作系統(tǒng)與硬件有關的底層。安全性：操作系統(tǒng)應提供機制來保護用戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)資源不受未經(jīng)授權的訪問和修改。簡明性：操作系統(tǒng)的設計應該追求簡潔，避免不必要的復雜性。這有助于減少錯誤，提高系統(tǒng)的可靠性和易維護性。影響操作系統(tǒng)正確性的因素有哪些？操作系統(tǒng)包含的功能成分很多，各種外部設備的接口復雜，因此影響操作系統(tǒng)正確性的因素有硬件穩(wěn)定性，軟件的錯誤處理能力，以及系統(tǒng)對于不同工況的應對能力等。另外，由于操作系統(tǒng)是一個大型軟件，參與開發(fā)的人員的基數(shù)也較大，也加大了保證整個軟件的正確性的難度。在進行操作系