操作系统 习题及答案 第一章 操作系统概论

第一章操作系统概论习题什么是计算机系统？计算机系统是怎样构成的？计算机系统是一种可以按用户的要求接收和存储信息、自动进行数据处理并输出结果信息的系统。计算机系统是由硬件系统和软件系统构成的。硬件系统是计算机系统赖以工作的实体。软件系统保证计算机系统按用户指定的要求协调地工作。什么是操作系统？请说明操作系统在计算机系统中的作用和地位。操作系统是计算机系统中的一个系统软件，它能有效地组织和管理计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机工作流程，控制程序的执行，并向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便、有效地使用计算机，并使整个计算机系统能高效地运行。操作系统管理计算机系统的哪些资源?操作系统组织和管理计算机系统中的硬件及软件资源。在计算机系统中的硬件和软件资源可以分成以下几部分：中央处理器（CPU）、存储器（内存和外存）、外部设备和信息（文件）。为了掌握整个计算机系统的硬件和软件资源，操作系统设计了各种不同类型的表格或数据结构，将所有的硬件和软件资源一一加以登记，资源的名称、类型、数量、用途、完好状态以及目前使用状态等所有信息，均在有关数据结构中保存，并动态地、实时地不断更新着这些数据。从而让操作系统根据用户对各种资源的需求情况，资源的当前分配和使用情况以及有关的资源调度策略，对资源进行有效的组织和管理。请从资源管理的角度说明操作系统的主要功能。现代计算机系统支持多个用户、多道作业。面对众多的用户程序、作业争夺处理器、存储器、设备和共享软件资源，操作系统需要登记谁在使用什么样的资源，系统中还有哪些资源空闲，当前响应了谁对资源的要求，以及收回哪些不再使用的资源等。操作系统要提供一些机制去协调程序间的竞争与同步，提供机制对资源进行合理使用，施加保护，以及采取虚拟技术来“扩充”资源。操作系统有哪些基本特征？操作系统的基本特征有并发性、共享性、虚拟性、异步性。并发性：并发性是指计算机系统中同时存在多个运行的程序，从宏观上看，这些程序似乎是在同时运行，尽管在单处理器系统中，从微观上看，CPU是通过快速切换来交替执行多个程序的。共享性：共享性是指系统中的资源可以被多个并发执行的进程共同使用。这种共享分为互斥共享和同时共享两种。互斥共享意味着资源一次只能被一个进程使用，而同时共享则表示一个资源可以同时被多个进程访问。虚拟性：虚拟性是通过某种技术把一个物理实体转换为若干个逻辑上的对应物。例如，虚拟存储器可以将较小的物理内存虚拟为更大的逻辑存储器，使得用户看到的内存空间大于实际的物理内存空间。异步性：异步性是指在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行不是一贯到底的，而是以不可预知的速度向前推进的。这要求操作系统具有调度和协调各个进程执行的能力。请叙述各类操作系统的工作方式及特点。操作系统类型主要包括批处理操作系统,分时操作系统，实时操作系统，网络操作系统，分布式操作系统和嵌入式操作系统。批处理操作系统：工作方式：用户将作业提交给操作系统，操作系统将多个作业组织成批量，并自动逐一执行，无需用户干预。特点：自动性和顺序性强，用户无法与正在执行的作业直接交互，适合大量独立的作业处理，效率相对高，但响应时间长，不适合需要频繁交互的任务。分时操作系统：工作方式：允许多个用户通过终端同时使用计算机，操作系统分时处理各个用户的请求，每个用户轮流获得处理器时间片。特点：交互性强，响应时间短，适合多用户环境，用户可以实时地输入命令并得到响应，但单个任务的执行时间可能会受到影响。实时操作系统：工作方式：要求在严格的时间限制内响应外部事件或数据的输入，确保关键任务优先执行，并在规定时间内完成。特点：响应速度快，时间可预测性强，适用于对时间要求苛刻的场景，如嵌入式系统、工业控制等，但系统资源管理相对复杂。网络操作系统：工作方式：管理网络资源，支持网络中的计算机进行数据和资源共享，提供网络通信、数据管理等功能。特点：便于资源共享和通信，增强了计算机网络的功能和效率，但对网络安全和数据完整性提出了更高的要求。分布式操作系统：工作方式：将多台计算机的资源整合，使用户感觉像是在使用单一的、一致的系统资源，系统中的计算资源可以分布在不同地点。特点：资源利用率高，系统可扩展性强，计算能力强大，但系统设计和管理复杂，需要有效的通信和同步机制。嵌入式操作系统：工作方式：专门用于管理嵌入式系统中的硬件和应用程序，通常为特定的应用定制，运行在资源受限的环境中。特点：资源占用小，运行效率高，响应时间快，适合在资源受限的嵌入式设备上运行，如智能家居、移动设备等。请比较批处理系统、分时系统以及实时操作系统之间的相同点和不同点。相同点：资源管理：所有这三种类型的操作系统都负责管理计算机的资源，包括CPU、内存、存储、I/O设备等。任务调度：它们都具有任务调度功能，负责安排和管理任务或进程的执行。接口提供：它们为用户或程序员提供接口，使得用户能够与计算机系统交互。隔离性：它们提供一定程度的隔离性，确保系统的稳定运行，防止程序间相互干扰。不同点：响应方式：批处理系统不需要实时响应用户请求，作业按照批次顺序执行。分时系统需要较快地响应用户的交互请求，确保用户可以实时地与系统交互。实时操作系统需保证对实时事件的快速响应，并满足严格的时间约束。交互性：批处理系统交互性较差，用户提交作业后需等待结果输出，不能即时干预。分时系统交互性强，多个用户可以同时与系统交互，系统以时间片轮转的方式服务于多个用户。实时操作系统的交互性依赖于应用，关键在于能够及时响应外部事件。任务管理：批处理系统中的任务按批次顺序执行，不需要频繁切换上下文。分时系统需要频繁切换上下文，以便在多个用户或任务间共享计算机资源。实时操作系统中任务按照优先级执行，对任务的调度和管理要求能满足实时性要求。适用场景：批处理系统适用于大量数据处理和批量作业处理的场景。分时系统适用于需要多用户同时使用计算机资源的场景，如教育、研究等领域。实时操作系统适用于对时间要求严格的场景，如工业控制、航空航天、医疗设备等领域。请描述分时系统下响应时间的含义。用户从终端发出命令到系统给予回答所经历的时间。在什么情况下应该采用批处理方式？在什么情况下应该考虑分时策略？对于需要批量处理大量数据任务而不需要用户交互的应用，比如大数据分析，适合采用批处理方式。而对于需要处理多用户并发，响应时间重要性相对较高的应用，如在线游戏或在线事务处理，应该考虑使用分时策略。现代的通用操作系统把批处理方式和分时方式二者结合起来，为什么要这样做？这样的结合有什么特点？现代通用操作系统结合批处理方式和分时方式，主要是为了兼顾不同类型应用的需求，提高系统的灵活性和资源利用效率。这种结合方式的特点和优势如下：灵活性和通用性：通过结合两种方式，操作系统可以同时支持需要长时间运行而不需用户交互的批处理任务，以及需要实时用户交互的分时任务。这使得操作系统更加通用，能够适应更广泛的应用场景。资源利用效率提高：在分时系统中，当用户交互式任务不多时，系统资源可能会出现闲置。结合批处理方式，可以在系统资源较空闲时执行批处理任务，提高资源的利用率。增强系统性能：在一些情况下，批处理任务可以在系统负载较低时执行，减少对实时交互性能的影响，从而在保证分时任务响应性的同时，也确保了批处理任务的高效执行。优化任务调度：结合两种方式使得操作系统的任务调度更加灵活，能够根据当前系统的负载情况和任务的优先级动态调整资源分配，优化任务执行顺序，从而提高整体的系统性能和响应速度。实时操作系统的有什么主要特征?实时操作系统具有实时时钟管理、过载防护和高可靠性。实时时钟管理：实时系统的主要设计目标是对实时任务能够进行实时处理。而绝大多数实时任务均与时间相关，良好的实时时钟管理能力就成为实时系统的一个关键能力。过载防护：实时系统在出现过载现象时，要有能力在大量突发的实时任务中，迅速分析判断并找出最重要的实时任务，然后通过抛弃或者延后次要任务以保证最重要任务成功的执行。高可靠性：实时系统需要在各种情况下都能稳定运行，因为它们通常用于控制关键的工业过程、医疗设备或安全系统。因此，其具有很强的健壮性和坚固性。在如下的应用场合中，应该选用什么类型的操作系统呢，并请说明为什么？（1）导弹控制；实时操作系统，因为对于导弹控制来说实时性要求很高。（2）国家统计局软件；批处理系统，因为可能要处理大量数据，且不需要用户交互。（3）汽车发动机点火控制；实时操作系统，因为对于发动机控制来说，响应速度要求高。（4）火车订票系统；分时系统，因为需要响应客户要求，且可能有大量客户同时操作。（5）互联网电子游戏。分时系统，因为可能有大量用户同时操作且对响应速度有要求。请说明什么是SPOOLing技术？在现代操作系统中有没有使用SPOOLing技术？SPOOLing技术全称是“同时的外部设备联机操作”，用于实现输入输出设备和计算机主处理器之间的缓冲操作。这种技术的基本思想是用磁盘设备作为主机的直接输入输出设备，主机直接从磁盘上选取作业运行，作业的执行结果也存在磁盘上；相应地，通道则负责将用户作业从卡片机上动态写入磁盘，而这一操作与主机并行。现代操作系统中，打印任务就是使用SPOOLing技术进行管理的。当用户提交打印任务时，任务首先被放入一个打印队列中。操作系统或打印服务器管理这个队列，并按顺序将打印任务发送到打印机。这样，用户不必等待一个打印任务完成后再提交另一个任务，提高了用户和系统的效率。网络操作系统和分布式操作系统都是配置在计算机网络上的操作系统，它们之间有什么本质上的不同?网络操作系统主要强调资源共享和通信。在网络操作系统中，每台计算机都有自己的操作系统，它们通过网络相互连接，共享资源如文件、打印机、应用程序等。在网络操作系统中，资源管理主要是各个独立计算机自行负责，网络仅用于资源共享和通信。分布式操作系统则将整个网络系统视为一个统一的系统。在这种系统中，资源和服务是分布在多台计算机上的，但对用户来说，这些资源看起来就像是单个系统中的资源一样。分布式操作系统需要在多台计算机间协调资源管理，实现负载均衡、任务调度等，确保系统作为一个整体高效运行。操作系统设计的过程包括哪些方面，在每个方面都要考虑什么问题？设计过程包括功能设计、算法设计、结构设计：功能设计：指的是根据系统的设计目标和使用要求，确定所设计的操作系统应具备哪些功能，以及操作系统的类型。算法设计：是根据计算机的性能和操作系统的功能，来选择和设计满足系统功能的算法和策略，并分析和估算其效能。结构设计：是按照系统的功能和特性要求，选择合适的结构，使用相应结构设计方法将系统逐步地分解、抽象和综合，使操作系统结构清晰、简明、可靠、易读、易修改，而且使用方便，适应性强。操作系统开发过程中面临的主要问题是什么？操作系统开发过程中可能遇到的问题包括设计复杂程度高、正确性难以保证和研制周期长等问题等：程序复杂程度高：第一，操作系统要提供用户之间共享信息和资源的机制，同时还要保证共享的安全；第二，操作系统的设计者必须考虑到将来硬件等情况的变化，并为这些变化做好准备，同时还要解决可能出现的硬件冲突问题；第三，操作系统必须有一定的通用性和对以前版本的兼容性；第四，操作系统要具有一定的适应性，来保证每个用户的需要；第五，操作系统需要采取措施防止来自外部的入侵。正确性难以保证：操作系统包含的功能成分很多，各种外部设备的接口复杂。导致操作系统源代码的正确性较难以保证。研制周期长：一般的软件研制开发周期包括：需求分析，由用户提供软件的需求，并根据需求制作软件规格说明书；设计者根据软件规格说明书进行软件设计；实现者编写程序，调试、测试并整理各种开发文档，然后提交给用户使用，在应用的过程中不断改进和提高软件的品质。操作系统的研发也基本遵从这样的过程范式，但是因为上述两个原因，操作系统的研制周期比较长。操作系统的设计目标是什么？一个高质量的操作系统应具有可靠性、高效性、易维护性、易移植性、安全性和简明性等特征。可靠性：操作系统应能稳定运行，即便是发生硬件故障或某种意外的环境下，操作系统应该仍能做出适当的处理，避免造成严重损失。高效性：操作系统需要有效管理各类资源，以确保资源的最优利用。它应该提高系统中各种资源的利用率，即提高系统的运行效率。易维护性：操作系统的设计应当考虑到可能的升级和维护。代码应该具有良好的结构和文档，使得维护人员可以容易地理解系统的工作原理和代码结构，进行修复和升级。易移植性：操作系统的设计应尽可能独立于硬件，这样当系统需要在新的硬件平台上运行时，仅需修改操作系统与硬件有关的底层。安全性：操作系统应提供机制来保护用户数据和系统资源不受未经授权的访问和修改。简明性：操作系统的设计应该追求简洁，避免不必要的复杂性。这有助于减少错误，提高系统的可靠性和易维护性。影响操作系统正确性的因素有哪些？操作系统包含的功能成分很多，各种外部设备的接口复杂，因此影响操作系统正确性的因素有硬件稳定性，软件的错误处理能力，以及系统对于不同工况的应对能力等。另外，由于操作系统是一个大型软件，参与开发的人员的基数也较大，也加大了保证整个软件的正确性的难度。在进行操作系