操作系統(tǒng) 習(xí)題及答案 第三章 進(jìn)程線程模型

第三章進(jìn)程線程模型習(xí)題操作系統(tǒng)中為什么要引入“進(jìn)程”？進(jìn)程和程序有什么區(qū)別？操作系統(tǒng)引入進(jìn)程作為資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位。區(qū)別是程序是靜態(tài)的，而進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的。進(jìn)程是程序的一個(gè)執(zhí)行過(guò)程。程序的存在是永久的。而進(jìn)程是為了程序的一次執(zhí)行而暫時(shí)存在的。進(jìn)程有生命周期，有誕生，亦有消亡。一個(gè)進(jìn)程可以包括若干程序的執(zhí)行，而一個(gè)程序亦可以產(chǎn)生多個(gè)進(jìn)程。進(jìn)程具有創(chuàng)建其他進(jìn)程的功能。被創(chuàng)建的進(jìn)程稱為子進(jìn)程，而創(chuàng)建者稱為父進(jìn)程，從而構(gòu)成了進(jìn)程家族。程序的并發(fā)執(zhí)行有什么特點(diǎn)？并發(fā)和并行有什么區(qū)別？并發(fā)執(zhí)行的特點(diǎn)是一個(gè)進(jìn)程可以同其他進(jìn)程一道向前推進(jìn)，即一個(gè)進(jìn)程的第一個(gè)動(dòng)作可以在另一個(gè)進(jìn)程的最后一個(gè)動(dòng)作結(jié)束之前就開始。并行是在不同實(shí)體上的多個(gè)事件；并發(fā)是在同一實(shí)體上的多個(gè)事件。并行是指在同一時(shí)刻，有多條指令在多個(gè)處理器上同時(shí)執(zhí)行；并發(fā)是指在同一時(shí)刻只能有一條指令執(zhí)行，但多個(gè)進(jìn)程指令被快速的輪換執(zhí)行，使得在宏觀上具有多個(gè)進(jìn)程同時(shí)執(zhí)行的效果，但在微觀上并不是同時(shí)執(zhí)行的，只是把時(shí)間分成若干段，使多個(gè)進(jìn)程快速交替的執(zhí)行?？稍偃氤绦蛴惺裁刺匦?？一個(gè)能夠被多個(gè)用戶同時(shí)調(diào)用的程序稱作是“可再入”的程序?？稍偃氤绦虮仨毷恰凹儭贝a的程序，程序在執(zhí)行中不會(huì)修改自身的代碼。換句話說(shuō)，可再入程序必須和有關(guān)的數(shù)據(jù)區(qū)分離。可再入程序的操作對(duì)象，即數(shù)據(jù)，是與程序相分離的，要求調(diào)用者提供專用工作區(qū)，以保證程序以同樣方式為各用戶服務(wù)。進(jìn)程有哪些基本狀態(tài)？它們的變化關(guān)系是怎樣的？運(yùn)行狀態(tài)，就緒狀態(tài)和阻塞狀態(tài)。就緒狀態(tài)的進(jìn)程被進(jìn)程調(diào)度程序分配給處理器時(shí)，該進(jìn)程轉(zhuǎn)換為運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程在時(shí)間片用完后被中斷處理程序切換為就緒狀態(tài)。云興狀態(tài)的進(jìn)程因等待文件輸入等因素不能繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，切換為阻塞狀態(tài)。阻塞狀態(tài)的進(jìn)程在其被阻塞的原因解除后切換為就緒狀態(tài)。一個(gè)單CPU的操作系統(tǒng)共有n個(gè)進(jìn)程，不考慮進(jìn)程狀態(tài)過(guò)渡時(shí)的情況，也不考慮空轉(zhuǎn)進(jìn)程：（1）給出運(yùn)行進(jìn)程的個(gè)數(shù)最少0個(gè)，最多1個(gè)（2）給出就緒進(jìn)程的個(gè)數(shù)最少0個(gè)，最多n-1個(gè)（3）給出等待進(jìn)程的個(gè)數(shù)最少0個(gè)，最多n個(gè)系統(tǒng)中有n（n>1）個(gè)進(jìn)程，在任一時(shí)刻，處于運(yùn)行、就緒和等待狀態(tài)的進(jìn)程最多、最少各有幾個(gè)？假設(shè)系統(tǒng)有m個(gè)CPU，則運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程最少0個(gè)，最多m個(gè)；就緒狀態(tài)的進(jìn)程最少0個(gè)，最多n-m個(gè)；等待狀態(tài)的進(jìn)程最少0個(gè)，最多n個(gè)。進(jìn)程控制塊的作用是什么？其主要內(nèi)容有哪些？操作系統(tǒng)利用進(jìn)程控制塊來(lái)描述進(jìn)程的基本情況以及進(jìn)程的運(yùn)行變化過(guò)程。進(jìn)程控制塊是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志，當(dāng)系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程時(shí)，為進(jìn)程設(shè)置一個(gè)進(jìn)程控制塊，再利用進(jìn)程控制塊對(duì)進(jìn)程進(jìn)行控制和管理。撤銷進(jìn)程時(shí)，系統(tǒng)收回它的進(jìn)程控制塊，進(jìn)程也隨之消亡。進(jìn)程控制塊的內(nèi)容可以分成調(diào)度信息和現(xiàn)場(chǎng)信息兩大部分。調(diào)度信息供進(jìn)程調(diào)度時(shí)使用，描述了進(jìn)程當(dāng)前所處的狀況，它包括進(jìn)程名、進(jìn)程號(hào)、存儲(chǔ)信息、優(yōu)先級(jí)、當(dāng)前狀態(tài)、資源清單、“家族”關(guān)系、消息隊(duì)列指針、進(jìn)程隊(duì)列指針和當(dāng)前打開文件等。現(xiàn)場(chǎng)信息刻畫了進(jìn)程的運(yùn)行情況，如程序狀態(tài)字、時(shí)鐘、界地址寄存器等等。進(jìn)程能否修改訪問(wèn)自己的進(jìn)程控制塊內(nèi)容？不能何謂與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤？舉例說(shuō)明之。并發(fā)進(jìn)程執(zhí)行時(shí)一定會(huì)產(chǎn)生與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤嗎？為什么？并發(fā)程序中共享了公共變量，使得程序的計(jì)算結(jié)果與程序執(zhí)行的順序有關(guān)。這種錯(cuò)誤由程序執(zhí)行的順序不同導(dǎo)致，與時(shí)間有關(guān)，所以把它稱作與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤。不一定會(huì)，一方面并發(fā)執(zhí)行的程序有可能是無(wú)關(guān)進(jìn)程，另一方面并發(fā)進(jìn)程即使有相關(guān)進(jìn)程，其執(zhí)行也有多種可能，會(huì)存在按預(yù)期執(zhí)行的情況發(fā)生。為什么要引入線程？線程和進(jìn)程之間的區(qū)別和聯(lián)系是什么？為了能使多個(gè)程序更好地并發(fā)執(zhí)行，同時(shí)又盡量減少任務(wù)切換時(shí)系統(tǒng)的開銷。進(jìn)程是調(diào)度的基本單位而且還是獨(dú)立分配資源的單位。如果能夠把這兩個(gè)基本單位的功能分開，那么就有可能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高并發(fā)程度，同時(shí)又避免消耗過(guò)多的系統(tǒng)資源的目標(biāo)。正是在這種思想的指導(dǎo)下，產(chǎn)生了線程的概念。聯(lián)系：一個(gè)程序可以由多個(gè)進(jìn)程共用，一個(gè)進(jìn)程可以執(zhí)行多個(gè)程序，進(jìn)程存在的意義就是執(zhí)行程序，進(jìn)程可以看成程序在并發(fā)過(guò)程中的執(zhí)行過(guò)程。區(qū)別：進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的概念，程序是靜態(tài)的概念；程序是指令代碼的有序組合，進(jìn)程是程序的執(zhí)行過(guò)程，由程序、數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊組成；進(jìn)程是暫時(shí)的，程序是永久的；進(jìn)程可以作為一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的單位，能與其他進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行；程序不能在多道程序環(huán)境下獨(dú)立運(yùn)行；一個(gè)程序可以由多個(gè)進(jìn)程共用，一個(gè)進(jìn)程可以執(zhí)行多個(gè)程序用進(jìn)程概念說(shuō)明操作系統(tǒng)的并發(fā)性和不確定性是怎樣體現(xiàn)出來(lái)的？進(jìn)程具有兩個(gè)基本屬性。首先，進(jìn)程是一個(gè)可擁有資源的獨(dú)立單位；其次，進(jìn)程同時(shí)又是一個(gè)可以獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位。正是由于進(jìn)程具有這兩個(gè)基本屬性，才使之成為一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位，從而也構(gòu)成了進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的基礎(chǔ)。并發(fā)性：一個(gè)進(jìn)程可以同其他進(jìn)程一道向前推進(jìn)，即一個(gè)進(jìn)程的第一個(gè)動(dòng)作可以在另一個(gè)進(jìn)程的最后一個(gè)動(dòng)作結(jié)束之前就開始。不確定性：每個(gè)進(jìn)程按照各自獨(dú)立的、不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。不同的執(zhí)行順序可能導(dǎo)致不同的結(jié)果，因此具有不確定性。PCB的作用是什么？它是怎樣描述進(jìn)程的動(dòng)態(tài)性質(zhì)的？概念及作用：PCB是進(jìn)程控制快，它是進(jìn)程組成中最關(guān)鍵的部分，包含進(jìn)程的描述信息和控制信息，如進(jìn)程名、進(jìn)程狀態(tài)信息、調(diào)度優(yōu)先級(jí)、通信信息、資源需求等。是操作系統(tǒng)感知進(jìn)程的存在，以及管理和控制進(jìn)程執(zhí)行的唯一依據(jù)。如何描述：PCB中有表明進(jìn)程狀態(tài)的信息：該進(jìn)程的狀態(tài)是運(yùn)行態(tài)、就緒態(tài)還是阻塞態(tài)，利用狀態(tài)信息來(lái)描述進(jìn)程的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。進(jìn)程的三個(gè)基本狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3-10所示。圖中1，2，3，4表示某種類型的狀態(tài)變遷，請(qǐng)分別回答下述問(wèn)題：圖3-10習(xí)題13（1）什么“事件”引起某一種類型的狀態(tài)變遷？1：調(diào)度程序從就緒隊(duì)列中選取一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行時(shí)；2：正在執(zhí)行的進(jìn)程時(shí)間片用完；3：正在執(zhí)行的進(jìn)程因等待發(fā)生某事件而無(wú)法執(zhí)行下去；4：當(dāng)進(jìn)程阻塞的原因解除。（2）系統(tǒng)中常常由于某一進(jìn)程的狀態(tài)變遷引起另一進(jìn)程也產(chǎn)生狀態(tài)變遷，試判斷在下述情況下，如果有的話，將發(fā)生什么因果變遷？3→1，2→1，3→2，4→1，3→43→1：如果就緒隊(duì)列非空，則當(dāng)一個(gè)進(jìn)程發(fā)生變遷3時(shí)，會(huì)立即引起另一個(gè)進(jìn)程發(fā)生變遷1。2→1：當(dāng)發(fā)生變遷2時(shí)，正在執(zhí)行的進(jìn)程從執(zhí)行狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)，進(jìn)程調(diào)度程序必然會(huì)從就緒隊(duì)列中選取，即發(fā)生變遷1。3→2：當(dāng)前執(zhí)行進(jìn)程從執(zhí)行狀態(tài)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)，不可能同時(shí)又從執(zhí)行狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài),，沒(méi)有因果變遷。4→1：一個(gè)進(jìn)程從等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)是因?yàn)榈却氖录l(fā)生，不會(huì)導(dǎo)致其他進(jìn)程狀態(tài)發(fā)生改變，沒(méi)有因果變遷。3→4：一個(gè)進(jìn)程阻塞是因?yàn)檫M(jìn)程自身原因，和其他進(jìn)程無(wú)關(guān)，沒(méi)有因果變遷。（3）在什么情況下，如果有的話，下述變遷中哪些將不立即引起其他變遷？1，2，3，44（4）引起進(jìn)程狀態(tài)發(fā)生變遷的根本原因是什么？進(jìn)程具有動(dòng)態(tài)性，在從創(chuàng)建到終止的全過(guò)程中一直處于一個(gè)不斷變化的過(guò)程。試列舉出進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的典型原因和引起進(jìn)程調(diào)度的因素。就緒→運(yùn)行：進(jìn)程被調(diào)度程序選中運(yùn)行→就緒：時(shí)間片用完運(yùn)行→阻塞：等待某事件發(fā)生阻塞→就緒：等待的時(shí)間已經(jīng)發(fā)生運(yùn)行的進(jìn)程用完了時(shí)間片；運(yùn)行的進(jìn)程等待某一事件開始阻塞在一個(gè)進(jìn)程中使用多個(gè)線程有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）在一個(gè)已有進(jìn)程中創(chuàng)建一個(gè)新線程比創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程所需的工作量少；（2）在同一個(gè)進(jìn)程中的線程間的通信比較簡(jiǎn)單。請(qǐng)問(wèn)，同一個(gè)進(jìn)程中的兩個(gè)線程間的模式切換與不同進(jìn)程中的兩個(gè)線程間的模式切換相比，所需的工作量是否要少？是，因?yàn)檫M(jìn)程切換時(shí)需要保存更多狀態(tài)信息。在比較用戶級(jí)線程和內(nèi)核級(jí)線程時(shí)曾指出用戶級(jí)線程的一個(gè)缺點(diǎn)是，當(dāng)一個(gè)用戶級(jí)線程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，不僅這個(gè)線程被阻塞，進(jìn)程中的所有線程都被阻塞。請(qǐng)問(wèn)這是為什么？當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，要由用戶態(tài)管態(tài)轉(zhuǎn)入第二章中主要用“管態(tài)”及“目態(tài)”的描述，也解釋了“用戶態(tài)“及”內(nèi)核態(tài)”，沒(méi)有“核心態(tài)”的描述，建議全部采用“管態(tài)”及“目態(tài)”。核心態(tài)目態(tài)，用戶進(jìn)程將被封鎖。當(dāng)內(nèi)核完成系統(tǒng)調(diào)用而返回時(shí)，才將該進(jìn)程喚醒，繼續(xù)執(zhí)行。而在用戶級(jí)線程調(diào)用一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，由于內(nèi)核并不知道有該用戶級(jí)線程的存在，因而把系統(tǒng)調(diào)用看作是整個(gè)進(jìn)程的行為，于是使該進(jìn)程等待，而調(diào)度另一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行。同樣是在內(nèi)核完成系統(tǒng)調(diào)用而返回的，進(jìn)程才能繼續(xù)執(zhí)行。如果系統(tǒng)中設(shè)置的是內(nèi)核支持線程，則調(diào)度是以線程為單位。當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，內(nèi)核把系統(tǒng)調(diào)用只看作是該線程的行為，因而封鎖該線程，于是可以再調(diào)度該進(jìn)程中的其他線程執(zhí)行。第二章中主要用“管態(tài)”及“目態(tài)”的描述，也解釋了“用戶態(tài)“及”內(nèi)核態(tài)”，沒(méi)有“核心態(tài)”的描述，建議全部采用“管態(tài)”及“目態(tài)”?？紤]這樣一個(gè)環(huán)境，用戶級(jí)線程和內(nèi)核級(jí)線程呈一對(duì)一的映射關(guān)系，并且允許進(jìn)程中的一個(gè)或多個(gè)線程產(chǎn)生會(huì)引發(fā)阻塞的系