操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(上冊(cè))課后答

1、第一章引言1.操作系統(tǒng)的兩個(gè)主要功能是什么?答:底層硬件的擴(kuò)展機(jī)和硬件資源管理器2.內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的區(qū)別是什么?對(duì)于一個(gè)操作系統(tǒng)來說,這種區(qū)別為什么很重要?答:核心態(tài)下進(jìn)程可以執(zhí)行特權(quán)指令,而用戶態(tài)下不行。內(nèi)核態(tài)下運(yùn)行的程序,收到硬件保護(hù),用戶不能隨便去篡改它的內(nèi)容,一般是操作系統(tǒng)的組成部分。用戶態(tài)程序,因?yàn)椴皇遣僮飨到y(tǒng)的組成部分,是操作系統(tǒng)上獨(dú)立的程序,可以很容易被其它程序代替。因?yàn)檫@種區(qū)別可以很好的保護(hù)操作系統(tǒng),防止用戶修改,所以對(duì)操作系統(tǒng)很重要。3.什么是多道程序?答:多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中同時(shí)存放幾道相互獨(dú)立的程序,使它們?cè)诠芾沓绦蚩刂葡?相互穿插運(yùn)行。它將內(nèi)存劃分為幾個(gè)分區(qū)

2、,每個(gè)分區(qū)存放不同的作業(yè)。當(dāng)一個(gè)作業(yè)正在等待I/O操作完成時(shí),另一個(gè)作業(yè)就可以去使用CPU。按照這個(gè)思路,如果在內(nèi)存中存放足夠多的作業(yè),那么CPU的利用率就可以接近100%。多道程序運(yùn)行的特征是:1多道:即計(jì)算機(jī)內(nèi)存中同時(shí)存放幾道相互獨(dú)立的程序。2宏觀上并行:同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的幾道程序都處于運(yùn)行過程中,即它們先后開始了各自的運(yùn)行,但都未運(yùn)行完畢。3微觀上串行:從微觀上看,內(nèi)存中的多道程序輪流地或分時(shí)地占有處理機(jī)。4.什么是假脫機(jī)?你認(rèn)為將來的高檔個(gè)人計(jì)算機(jī)會(huì)將假脫機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)特性嗎?答:當(dāng)一張卡片被拿到機(jī)房后,能夠很快把其中的作業(yè)讀入磁盤。這樣,當(dāng)一個(gè)作業(yè)運(yùn)行結(jié)束后,操作系統(tǒng)就能將一個(gè)新作業(yè)從磁盤中

3、讀出,并裝入剛剛空出來的內(nèi)存分區(qū)去運(yùn)行。這種技術(shù)稱為假脫機(jī)技術(shù)。將來的高檔個(gè)人計(jì)算機(jī)中也需要這種特性,因?yàn)橛?jì)算機(jī)的CPU和內(nèi)存,內(nèi)存和硬盤,硬盤和數(shù)據(jù)錄入之間數(shù)據(jù)讀取速度都差幾個(gè)數(shù)量級(jí),如用戶錄入數(shù)據(jù)時(shí),可以通過掃描,將數(shù)據(jù)很快讀入磁盤?；蛘咄ㄟ^人工錄入數(shù)據(jù),這種方法是效率是很低的。這樣會(huì)嚴(yán)重浪費(fèi)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和CPU資源,如果利用假脫機(jī)技術(shù),能夠彌補(bǔ)這方面的缺陷。5.在早期的計(jì)算機(jī)中,每一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的讀寫都是由CPU直接進(jìn)行處理的(那時(shí)候沒有DMA,即直接存儲(chǔ)器訪問。這種組織結(jié)構(gòu)對(duì)多道程序技術(shù)有什么影響?答:多道程序計(jì)數(shù)目的在于當(dāng)一個(gè)作業(yè)在等待I/O操作時(shí),另一個(gè)作業(yè)能夠使用CPU。如果每個(gè)字

4、節(jié)數(shù)據(jù)的讀寫都由CPU直接進(jìn)行處理,那么在作業(yè)進(jìn)行I/O操作時(shí),CPU不是空閑的,無(wú)法被另一個(gè)作業(yè)使用。因此達(dá)不到多道程序并行運(yùn)行的效果。6.為什么分時(shí)系統(tǒng)未被第二代計(jì)算機(jī)廣泛采用?答:第一代:真空管和插接板;第二代:晶體管和批處理系統(tǒng);第三代:集成電路和多道程序;第四代:個(gè)人計(jì)算機(jī)因?yàn)榈诙?jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)沒有采用所需要的硬件保護(hù)機(jī)制,不能很好的保護(hù)內(nèi)存中的各個(gè)作業(yè),使它們不會(huì)相互妨礙攻擊。7.下列哪種指令只能在內(nèi)核態(tài)下執(zhí)行?(1屏蔽所有中斷(2讀時(shí)鐘日期(3設(shè)置時(shí)鐘日期(4改變內(nèi)存映像圖答:(4因?yàn)閮?nèi)存映像圖用戶態(tài)程序是無(wú)法發(fā)出請(qǐng)求改變的,所以只會(huì)有內(nèi)核態(tài)程序自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。8. 請(qǐng)指出個(gè)人計(jì)算

5、機(jī)操作系統(tǒng)與大型主機(jī)操作系統(tǒng)的不同之處答:個(gè)人計(jì)算機(jī)是面對(duì)那些對(duì)計(jì)算機(jī)一無(wú)所知且不想學(xué)習(xí)的用戶。因此它必須要有友好的用戶接口,用戶接口在操作系統(tǒng)中占有很重要的地位,他們主要是圖形的用戶接口。而大型主機(jī)操作系統(tǒng)所面對(duì)的用戶是專業(yè)的計(jì)算機(jī)人員,對(duì)用戶接口要求不是很高,主要是通過命令行的方式進(jìn)行交互。9.給出一個(gè)理由,說明為什么源代碼不公開的商業(yè)操作系統(tǒng)(如Windows要比一個(gè)開放源代碼的操作系統(tǒng)(如Linux具有更好的品質(zhì)。然后再給出一個(gè)理由,說明為什么開放源代碼的操作系統(tǒng)(如Linux要比一個(gè)源代碼不公開的商業(yè)操作系統(tǒng)(如Windows具有更好的品質(zhì)。答:不開源的操作系統(tǒng),有利于保護(hù)公司的知識(shí)

6、產(chǎn)權(quán),公司能夠投入大量的資金和技術(shù)進(jìn)行研發(fā)和維護(hù),并且同時(shí)有利于標(biāo)準(zhǔn)化。開源的操作系統(tǒng),能夠吸收全世界優(yōu)秀的程序員為它進(jìn)行修改和維護(hù),它是免費(fèi)的。因?yàn)殚_源,所以操作系統(tǒng)的漏洞很容易被發(fā)現(xiàn),并能得到及時(shí)的修正,因此發(fā)展更快。10. 一個(gè)MINIX文件的所有者UID=12,GID=1,該文件的權(quán)限模式碼為rwxr-x-。另一個(gè)用戶的UID=6,GID=1,如果他試圖去執(zhí)行該文件,結(jié)果會(huì)如何?答:可以正常執(zhí)行,權(quán)限碼分為三部分,第一部分是UID的權(quán)限,第二部分是GID的權(quán)限,第三部分是所有用戶都有的權(quán)限,所以可以正常執(zhí)行。11.既然超級(jí)用戶的存在將導(dǎo)致許多安全問題,為什么還要使用這個(gè)概念?答:超級(jí)用

7、戶是系統(tǒng)中的一個(gè)特殊的用戶,超級(jí)用戶擁有系統(tǒng)的最高權(quán)限,許多保護(hù)規(guī)則對(duì)它無(wú)效。可以管理系統(tǒng)所有的權(quán)限,管理系統(tǒng)非常方便。12.UNIX的所有版本都支持文件的兩種命名方式,即絕對(duì)路徑名(相對(duì)于根目錄和相對(duì)路徑名(相對(duì)于當(dāng)前工作目錄。能否去掉其中的一種,只使用一種統(tǒng)一的命名方式?如果要這樣做,你建議保留哪一種。答:可以去掉其中的一種,但是使用起來就沒有兩種方式混合用那么方便。如果要去掉一種,建議去掉第二種,因?yàn)榈谝环N可以進(jìn)行全局定位,不需要知道當(dāng)前目錄是哪里。13.在分時(shí)系統(tǒng)中為什么需要進(jìn)程表?假設(shè)在一個(gè)PC機(jī)系統(tǒng)中,只有一個(gè)進(jìn)程存在,該進(jìn)程占有整個(gè)的系統(tǒng)資源,直至它運(yùn)行結(jié)束。在這種情形下,是否還

8、需要進(jìn)程表?答:在分時(shí)系統(tǒng)中,每隔一定的周期,操作系統(tǒng)就會(huì)暫停當(dāng)前進(jìn)程的執(zhí)行,轉(zhuǎn)而啟動(dòng)另一個(gè)進(jìn)程。進(jìn)程被暫時(shí)掛起,那么后來當(dāng)它需要重新運(yùn)行的時(shí)候,就要求此刻的狀態(tài)與先前暫停時(shí)的狀態(tài)完全相同。這就意味著當(dāng)我們掛起一個(gè)進(jìn)程時(shí),必須把它所有信息都要保存在某個(gè)地方。因此,就需要進(jìn)程表來存放進(jìn)程的所有信息。如果系統(tǒng)只有一個(gè)進(jìn)程,占有整個(gè)系統(tǒng)資源,那么就不需要進(jìn)程表。14.塊設(shè)備文件和字符設(shè)備文件的本質(zhì)區(qū)別是什么?答:塊設(shè)備文件描述的是以隨機(jī)訪問的數(shù)據(jù)塊為單元的設(shè)備,如磁盤。在打開一個(gè)塊設(shè)備文件后,可以直接去訪問它的某一個(gè)數(shù)據(jù)塊,如第4個(gè)數(shù)據(jù)塊,而不用考慮其文件系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。類似地,字符設(shè)備文件指那些以

9、字符流方式進(jìn)行操作的設(shè)備,如打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器等。他們的本質(zhì)區(qū)別是操作的對(duì)象不一樣和訪問數(shù)據(jù)的方式不一樣,歸根到底是設(shè)備特性引起的。第二章.線程1.現(xiàn)代操作系統(tǒng)為何都是多進(jìn)程的?答:當(dāng)一個(gè)正在運(yùn)行的程序,需要等待輸入的數(shù)據(jù)時(shí),CPU是空閑的。而在這個(gè)時(shí)候有另外一個(gè)進(jìn)程需要使用CPU。為了提高CPU的資源利用率,操作系統(tǒng)就必須設(shè)計(jì)為多道程序的形式,即多進(jìn)程的形式。2.進(jìn)程的三種狀態(tài)各是什么?分別簡(jiǎn)要描述。答:運(yùn)行態(tài):在該時(shí)刻實(shí)際占用處理機(jī)就緒態(tài):可運(yùn)行,因?yàn)槠渌M(jìn)程正在運(yùn)行而暫時(shí)被掛起,這種狀態(tài)是沒有足夠的CPU,不能使每個(gè)進(jìn)程都有一臺(tái)私有的處理器阻塞態(tài):除非某種外部事件發(fā)生,否則不能運(yùn)行,外部

10、事件,典型的例子是所等待的輸入的完成,3.假設(shè)你正在設(shè)計(jì)一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),它使用硬件而不是中斷來完成進(jìn)程切換,則CPU需要哪些信息?請(qǐng)描述用硬件完成進(jìn)程切換的工作過程。答:1.硬件壓棧程序計(jì)數(shù)器等。2.硬件按中斷向量下載新的程序計(jì)數(shù)器。3.硬件存儲(chǔ)寄存器值。4.硬件設(shè)置新的棧。5.c語(yǔ)言中斷服務(wù)例程運(yùn)行。6.消息傳遞代碼對(duì)等待的就緒任務(wù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。7.調(diào)度器決定哪個(gè)進(jìn)程是下一個(gè)將運(yùn)行的進(jìn)程。8.通過硬件啟動(dòng)當(dāng)前進(jìn)程。4.目前的計(jì)算機(jī)上,中斷處理程序至少有一小部分用匯編語(yǔ)言編寫,為什么?答:因?yàn)橛行┎僮?如保存寄存器值和設(shè)置棧指針等無(wú)法用C語(yǔ)言描述,所以要由匯編語(yǔ)言例程來完成。當(dāng)該例程結(jié)束

11、后,調(diào)用C過程來完成特定中斷類型剩下的工作。答:因?yàn)槊總€(gè)在進(jìn)程切換時(shí),所有的高速緩存會(huì)清空。不是每個(gè)進(jìn)程擁有自己的高速緩存,是所有進(jìn)程共享的,在進(jìn)程切換時(shí),即上下文切換,為了保護(hù)進(jìn)程的安全性,所以進(jìn)程的緩存會(huì)清空。圖2.6(a的模型,每個(gè)文件讀取都需要進(jìn)行鏈接和進(jìn)程切換,所以書中認(rèn)為圖2.6(a的模型不適用于在內(nèi)存中進(jìn)行高速緩存的文件服務(wù)器。7.進(jìn)程與線程的本質(zhì)區(qū)別是什么?答:進(jìn)程為一組相關(guān)資源的集合。進(jìn)程有一個(gè)存放程序正文和數(shù)據(jù)以及其他資源的地址空間。這些資源包括打開的文件、子進(jìn)程、未處理的定時(shí)器、信號(hào)處理器和審計(jì)信息。通過以進(jìn)程的形式把它們放在一起,方便進(jìn)行管理。線程,是進(jìn)程的一個(gè)執(zhí)行流。

12、線程有一個(gè)程序計(jì)數(shù)器,用來跟蹤下一條將要執(zhí)行的指令。它有寄存器,存儲(chǔ)當(dāng)前使用的變量。它有堆棧,它存儲(chǔ)著執(zhí)行的歷史,其中每一棧幀保存了沒有返回的過程調(diào)用。盡管線程必須在進(jìn)程中執(zhí)行,但線程和它的進(jìn)程是可以分別對(duì)待處理的兩個(gè)不同的概念。進(jìn)程用來集合資源,而線程是CPU中調(diào)度的實(shí)體。8.在使用線程的系統(tǒng)中,是每個(gè)線程有一個(gè)堆棧還是每個(gè)進(jìn)程有一個(gè)堆棧?說明原因。答:每個(gè)線程都有一個(gè)堆棧,需要存儲(chǔ)執(zhí)行流執(zhí)行的歷史。9.什么是競(jìng)爭(zhēng)條件?答:兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程讀寫某些共享數(shù)據(jù),而最后的結(jié)果取決于進(jìn)程運(yùn)行的精確時(shí)序,就稱為競(jìng)爭(zhēng)條件。10.舉一個(gè)一起出行的兩人買飛機(jī)票時(shí)可能發(fā)生的競(jìng)爭(zhēng)條件的例子。答:兩個(gè)人去售票處買飛

13、機(jī)票,他們所需要的票是一樣,現(xiàn)在售票處只剩下一張票,按照售票處的規(guī)則,先到的人將買到票,后到得人將買不到票。這就產(chǎn)生一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)條件,誰(shuí)先到誰(shuí)將買到這僅剩的一張飛機(jī)票。第三章.輸入輸出系統(tǒng)2.0連接,保證不丟失數(shù)據(jù)的前提下,DVD驅(qū)動(dòng)器的最高傳輸速度為多少?答:因?yàn)閁SB2.0的最高傳輸速率可以達(dá)到60MB/s,所以DVD最高傳輸速度和DVD讀取器的數(shù)據(jù)傳送速度是一樣的,即為1.32MB/s。2.許多磁盤在每個(gè)扇區(qū)結(jié)束時(shí)有一個(gè)ECC,如果ECC錯(cuò)誤,將會(huì)發(fā)生什么動(dòng)作?這個(gè)動(dòng)作是由什么硬件或者軟件來完成的?答:如果校驗(yàn)和是錯(cuò)誤的,將發(fā)出一個(gè)錯(cuò)誤的信號(hào)并且不傳送到內(nèi)存。這個(gè)動(dòng)作磁盤控制器來完成。3.什

14、么是存儲(chǔ)器映射I/O?為什么在一些情況下要使用它?答:I/O寄存器是內(nèi)存地址空間的一部分,這種稱為存儲(chǔ)器映射I/O。減少硬件電路的復(fù)雜性,把空出來的面積用來去實(shí)現(xiàn)其它功能。4.嘗試解釋什么是DMA。為什么要使用它?答:Direct Memory Access(存儲(chǔ)器直接訪問。這是指一種高速的數(shù)據(jù)傳輸操作,允許在外部設(shè)備和存儲(chǔ)器之間直接讀寫數(shù)據(jù),既不通過CPU,也不需要CPU干預(yù)。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸操作在一個(gè)稱為"DMA控制器"的控制下進(jìn)行的。CPU除了在數(shù)據(jù)傳輸開始和結(jié)束時(shí)做一點(diǎn)處理外,在傳輸過程中CPU可以進(jìn)行其他的工作。這樣,在大部分時(shí)間里,CPU和輸入輸出都處于并行操作。因

15、此,使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率大大提高。5.雖然DMA不使用CPU,但是最大傳輸速率仍然受限。考慮從磁盤讀取數(shù)據(jù)塊,舉出三個(gè)終會(huì)限制傳輸速率的扇區(qū)。答:(1磁盤的讀取速度(2總線繁忙程度(3控制器需要緩存數(shù)據(jù)6.CD質(zhì)量的音樂要求每秒對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行44100次采樣。假如存在一個(gè)定時(shí)器以這樣的速度產(chǎn)生中斷,在主頻為1GHz的CPU上要耗費(fèi)1us的時(shí)間來處理一個(gè)中斷。在保證不丟失數(shù)據(jù)的前提下,最低需要多快的時(shí)鐘頻率?在此假定對(duì)于一個(gè)中斷需要執(zhí)行的指令數(shù)目是恒定的,即如果始終頻率降低一半,則中斷處理時(shí)間會(huì)增加一倍。答:44.1MHz7.中斷的一種替代方法是輪詢。是否存在一種情況,輪詢比中斷更加有效?如果

16、有,嘗試舉出一個(gè)例子。答:存在,如在不是針對(duì)多進(jìn)程的很小的專用系統(tǒng)中。8.為什么磁盤控制器都有內(nèi)部緩存且型號(hào)越新緩存的容量越大?答:如果控制器內(nèi)部有緩存,在執(zhí)行讀取操作時(shí),只要磁頭臂到達(dá)了正確的柱面,控制器就開始讀取并存儲(chǔ)數(shù)據(jù),即使磁頭臂還未達(dá)到正確的扇區(qū)。這種緩存的數(shù)據(jù)對(duì)于滿足后續(xù)請(qǐng)求時(shí)相當(dāng)便利的。此外,即使獲得了請(qǐng)求的數(shù)據(jù),控制器也可以繼續(xù)緩存來自后續(xù)扇區(qū)的數(shù)據(jù),因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)以后可能需要。因此,磁盤控制器都有內(nèi)部緩存。型號(hào)越新,磁盤容量越大,單位面積的存儲(chǔ)密度也越大,因此所需要的緩存的容量也就越大。9.每一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與操作系統(tǒng)之間都有兩個(gè)不同的接口。一個(gè)接口是供操作系統(tǒng)調(diào)用的驅(qū)動(dòng)程序的

17、一組函數(shù),另一個(gè)接口是驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用操作系統(tǒng)的函數(shù)集合。針對(duì)每一種接口舉出一個(gè)合適的例子。答:供操作系統(tǒng)調(diào)用:read磁盤操作驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用:塊設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口10.為什么操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者都盡可能地提供設(shè)備無(wú)關(guān)的輸入/輸出。答:所謂設(shè)備無(wú)關(guān)性,其含義就是應(yīng)該能夠?qū)懗隹梢栽L問任意I/O而不需要事先指定設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備有很多種,而且都是各種各樣,如果用戶編程涉及到硬件特性,調(diào)用設(shè)備控制器提供的接口,編程將會(huì)變得異常復(fù)雜。所以操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者都盡可能地提供設(shè)備無(wú)關(guān)性的輸入/輸出。11. 以下的工作各在4個(gè)I/O軟件層的哪一層完成?(a為一個(gè)磁盤讀操作計(jì)算磁道、扇區(qū)、磁頭。(b維護(hù)一個(gè)最近使用的塊的緩沖。（

18、c） （d） （e） 向設(shè)備寄存器寫命令。 檢查用戶是否有權(quán)使用設(shè)備。 將二進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換成 ASCII 碼以便打印。 答：設(shè)備無(wú)關(guān)操作系統(tǒng)軟件：（b）（d） 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：（a） 中斷處理器：（c） 硬件：（e） 12. 為什么打印機(jī)的輸出文件在打印前通常都假脫機(jī)輸出在磁盤上？ 答：假脫機(jī)是多道程序系統(tǒng)中處理專用 I/O 設(shè)備的一種方法。它創(chuàng)建一個(gè)特殊的進(jìn)程，稱為守護(hù)進(jìn)程，以 及一個(gè)特殊目錄，稱為假脫機(jī)目錄。為了打印一個(gè)文件，一個(gè)進(jìn)程首先要生成需要打印的整個(gè)文件并把它 放在假脫機(jī)目錄里。由守護(hù)進(jìn)程打印該目錄下的文件，該進(jìn)程是允許使用打印機(jī)設(shè)備文件的唯一進(jìn)程。通 過保護(hù)設(shè)備文件來防止用戶直接使用，可以解決某些進(jìn)程不必要地長(zhǎng)期空占打印機(jī)的問題。 13. 舉出一個(gè)現(xiàn)實(shí)生活中死鎖的例子。 答：兩個(gè)人從相反的方向通過同一個(gè)獨(dú)木橋，假設(shè)不能在橋上改變方向回退，獨(dú)木橋如果有一個(gè)人在橋上， 對(duì)岸方向的人就不能上橋，否則出現(xiàn)死鎖。 14. R 呢？ 考慮圖 3.10。假設(shè)在步驟（o）中 C 需要 S 而不是 R 這將會(huì)導(dǎo)致死鎖嗎？如果既需要 S 又需要 答：不會(huì)導(dǎo)致死鎖，進(jìn)程 A 得到了進(jìn)程運(yùn)行所需要的所有資源，進(jìn)程 A 運(yùn)行結(jié)束后將會(huì)釋放資源。A 結(jié)束 后 C 就可以獲得足夠的資源。 15. 仔細(xì)觀察圖 3.13（b）。如果 D 再多請(qǐng)求一個(gè)單位，將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)安全的狀態(tài)還是不安全的狀 態(tài)？如