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计算机操作
第一章3
1、根据操作系统的定义对本课程各章节的主要内容及其涉及的重要概念进行综述。
3
2、请阐述你对操作系统目标的理解。
4
3、根据操作系统结构方面的知识说明在开发大型复杂软件系统时一般采用什么方法来控制复杂性?
4
第二章5
1.从处理器中断角度理解操作系统并发的含义。
5
2.解释处理器的两种工作状态:
核心态和用户态。
5
3、说明操作系统与系统调用的关系。
5
4、解释进程的概念6
5、将操作系统原理中进程状态的划分、进程调度算法部分和Linux进程的实现结构部分中相应的内容进行比较。
6
6、根据Linux进程实现结构总结进程控制块一般包括哪些信息?
7
7、调度算法计算7
(1)先来先服务FCFS(FirstCome,FirstServed)7
三个作业先后到达系统并立即进入调度:
7
采用FCFS算法,三个作业的周转时间、平均作业周转时间、带权周转时间和平均带权周转时间分别为多少?
7
(2)如果对上述三个作业按照非抢占的最短作业优先算法进行调度,三个作业的周转时间、平均作业周转时间、带权周转时间和平均带权周转时间分别为多少?
8
(3)如果对上述三个作业按照抢占的最短作业优先算法进行调度,三个作业的周转时间、平均作业周转时间、带权周转时间和平均带权周转时间分别为多少?
9
8、请分析Linux调度时机的规律。
10
第三章11
1、比较共享内存通信机制、管道通信机制与消息队列通信机制的异同。
11
2、写出信号量的数据结构及P、V操作原语描述。
11
3、吸烟者问题:
三个吸烟者在一个房间内,还有一个香烟供应者。
为了制造并抽掉香烟,每个吸烟者需要三样东西:
烟草、纸和火柴,供应者有丰富货物提供。
三个吸烟者中,第一个有自己的烟草,第二个有自己的纸和第三个有自己的火柴。
供应者随机地将两样东西放在桌子上,允许一个吸烟者进行对健康不利的吸烟。
当吸烟者完成吸烟后唤醒供应者,供应者再把两样东西放在桌子上,唤醒另一个吸烟者。
试采用信号量和P、V操作编写他们同步工作的程序。
12
4、产生死锁的四个必要条件反映的是哪些事物之间的关系?
14
5、根据如下实例,分析银行家算法的局限性。
15
第四章15
1、请分析比较处理器与存储器分配管理上有哪些重要区别?
15
2、存储管理为什么涉及到地址变换?
15
3、若1页大小为4KB,计算机地址总线为32位,则页号共有多少位?
逻辑地址空间最多包含多少页?
逻辑地址60000在第几页?
页内偏移是多少?
若该页被装进物理块1280中,则物理地址是多少?
16
4、若1页大小为4KB,计算机地址总线为64位,采用两级页表机制,页目录号与页号占用相同位数,则页目录号或页号有多少位?
(虚拟地址空间或)逻辑地址空间最多包含多少页?
逻辑地址60000在第几页?
页内偏移是多少?
17
5、若1段最大为16KB,计算机地址总线为32位,则段号占用多少位?
逻辑地址空间最多包含多少段?
17
6、举例说明Linux伙伴算法的具体执行过程。
17
第五章18
1、设备管理为什么涉及到I/O控制的几种方式,处理器和存储管理为什么没有涉及到该内容?
18
2、Linux磁盘(驱动)调度算法相对于几种理论上的驱动调度算法,如“电梯调度”算法、“最短查找时间优先”算法、“扫描”算法、“循环扫描”算法等有哪些重要改进?
18
3、比较分析虚拟处理器、虚拟存储器和虚拟设备的本质。
19
第六章19
1、比较文件和进程的区别。
19
2、比较三种存取方法:
顺序存取、直接存取和索引存取的区别。
19
3、构造文件物理结构的方法有哪些?
20
4、解释UNIX索引节点inode的原理。
20
5、说明文件静态共享与动态共享的含义及实现方法。
20
一、单项选择22
1.操作系统负责管理计算机的(C)。
22
2.工业过程控制系统中运行的操作系统最好是(B)22
3.对事件处理有严格时间限制的系统式(B)22
4.批处理系统的主要缺点是(A)23
5.操作系统的功能是进行处理机管理、(D)管理、存储管理、设备管理和文23
6.作业调度是(A)。
23
7.一个作业被调度成功后,系统创建相应的进程,该进程的初始状态是(D)23
8.一个作业的完成,要经过若干步骤,这些步骤称为(D)23
9.作业的4个状态中,(C)状态已经处于进程管理之下。
23
10.进程和程序的根本区别在于(D)23
1、进程24
2、管道24
3、接口24
4、信号量24
三、综述回答25
1、请阐述你对操作系统目标的理解。
25
2、说明操作系统与系统调用的关系。
25
3、存储管理为什么涉及到地址变换?
26
1.三个作业先后到达系统并立即进入调度:
26
采用FCFS算法,三个作业的周转时间、平均作业周转时间、带权周转时间和平均带权周转时间分别为多少?
26
2、若1页大小为4KB,计算机地址总线为32位,则页号共有多少位?
逻辑地址空间最多包含多少页?
逻辑地址60000在第几页?
页内偏移是多少?
若该页被装进物理块1280中,则物理地址是多少?
27
各章练习题答案
第一章
1、根据操作系统的定义对本课程各章节的主要内容及其涉及的重要概念进行综述。
答:
进程管理(或CPU管理)、存储管理、设备管理和文件管理等各章节体现了操作系统管理系统资源的事实。
进程管理体现了操作系统控制程序执行的事实。
操作系统向用户提供操作接口与程序接口属于一种人机界面,其中操作接口由字符接口发展为图形接口体现了操作系统改善人机界面的发展趋势。
操作系统是用来执行其它程序的,操作系统也允许其它程序执行操作系统以获得所需要的服务,这些服务是以系统调用形式提供的。
2、请阐述你对操作系统目标的理解。
答:
操作系统的目标之一是方便用户使用计算机系统。
操作系统是用户与计算机硬件之间的接口,用户通过操作系统使用计算机。
友好的界面(接口)使操作系统容易被用户所接受。
操作系统的目标之二是扩充机器功能。
硬件提供了最基本的一些功能,这些功能是实现复杂计算任务的基础,操作系统则对这些基本功能进行了有机组合,形成各种粒度更大的模块,能够完成复杂任务,而使用形式却更简单,机器功能由此变得更强大。
操作系统的目标之三是管理系统资源,系统资源包括硬件资源和软件资源,处理器、存储器、输入输出设备都属于硬件资源,程序和数据属于软件资源,进程调度、存储管理、设备管理等是从资源管理角度组织操作系统课程内容的,文件管理则主要体现了对软件资源及外存硬件资源的管理。
提高系统效率是前三个目标的结果,构筑开放环境使得信息在不同操作系统之间交换更容易。
3、根据操作系统结构方面的知识说明在开发大型复杂软件系统时一般采用什么方法来控制复杂性?
答:
操作系统一般采用层次结构来组织,所谓层次结构就是在设计软件系统时,将软件系统分成若干个层次,一个层次建立在另一个或几个层次之上,层次之间是单向调用关系。
被调用的层次称为内层,调用者层称为外层。
内层一般实现最核心的计算功能,这些功能也是公共操作模块,外层封装内层,提供简洁的调用接口或者提供不同的应用方式。
层次结构使得软件模块之间的关系变得简单,容易编写、容易维护。
第二章
1.从处理器中断角度理解操作系统并发的含义。
答:
中断是指程序执行过程中,当发生某个事件时,中止CPU上现行程序的运行,引出处理该事件的程序执行的过程。
中断发生时,CPU执行指令的动作并未停止,但是中断发生前后执行的指令序列在逻辑上属于不同的任务或进程,原来被中断的进程在以后可以恢复,这种交替穿插式地执行不同程序片段的现象即为并发。
2.解释处理器的两种工作状态:
核心态和用户态。
答:
运行操作系统的处理器状态称为核心态。
运行用户程序的处理器状态称为用户态。
开机以后,处理器始终处于运行程序状态,所运行的程序可能属于操作系统的一部分,也可能属于用户进程的一部分。
为用户提供服务是操作系统的重要和基本职能。
在用户进程执行期间,当用户需要操作系统服务时就会调用操作系统的系统功能调用,转入操作系统代码区域执行,这时处理器的状态称为核心态。
当用户不需要操作系统服务时,处理器就在用户代码区域执行,这时处理器的状态称为用户态。
3、说明操作系统与系统调用的关系。
答:
从资源管理角度看,操作系统是软硬件资源的管理者,包括处理器管理、存储管理、设备管理和文件管理,因此处理器管理、存储管理、设备管理和文件管理构成了操作系统的主要部分。
操作系统是为用户提供服务的,包括进程、存储器、设备和文件使用服务,这些服务都是以系统调用形式实现和向用户提供的。
为了管理每种资源,操作系统实现了大量的系统调用,系统调用几乎是操作系统实体的主要组成部分。
4、解释进程的概念
答:
进程是一个可并发执行的具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次执行过程,也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。
既然进程是一个执行过程,执行就需要相应的物质资源支持,包括处理器、存储器、输入/输出设备、外存等支持,构成进程的程序需要预先存储在内存中,然后由处理器执行,在程序执行过程中可能需要使用外部设备以及外存。
程序处理的数据也需要存放在内存中,加工处理的结果也暂存在内存中。
程序未执行时是不占有处理器、输入/输出设备等资源的。
5、将操作系统原理中进程状态的划分、进程调度算法部分和Linux进程的实现结构部分中相应的内容进行比较。
答:
在操作系统原理中,进程状态一般有就绪、执行、阻塞、新建、终止、挂起等状态。
Linux进程状态分为可运行状态、等待状态、暂停状态、僵死和换入/换出状态。
进程正在运行或者正准备运行的状态称为可运行状态。
因此Linux进程可运行状态相当于操作系统原理中的就绪和执行状态。
Linux进程等待状态指进程在等待某个事件或某个资源,它位于系统中的某个等待队列中。
因此Linux进程等待状态与操作系统原理中的阻塞状态含义是一致的。
Linux进程暂停状态是接受到信号的进程或者接受调试的进程所处的状态,操作系统原理中没有提及与该状态对应的进程状态名称。
Linux进程僵死状态是指进程已经终止,但仍占用task数组中的一项,等待释放资源,该状态与终止态含义一致。
换入/换出状态与挂起状态对应。
操作系统原理中进程调度算法主要有先来先服务、最短作业(进程)优先、最短剩余时间优先、响应比高者优先、优先级调度、时间片轮转调度、多级反馈队列调度等。
Linux进程调度策略主要涉及了两种调度算法:
先来先服务和时间片轮转调度。
6、根据Linux进程实现结构总结进程控制块一般包括哪些信息?
答:
进程状态、进程调度信息(如进程执行时间、优先级、调度策略等)、各种标识符(如进程标识符、用户标识符、组标识符等)、进程通信信息(如信号、信号量及其操作函数)、时间和定时器信息(如进程创建时间、执行时间、剩余时间等)、进程链接信息、文件系统信息(如目录信息、打开文件描述信息等)、虚拟内存信息、进程上下文信息等。
7、调度算法计算
(1)先来先服务FCFS(FirstCome,FirstServed)
三个作业先后到达系统并立即进入调度:
作业名
到达时间
所需CPU时间
作业1
1
28
作业2
2
9
作业3
3
3
采用FCFS算法,三个作业的周转时间、平均作业周转时间、带权周转时间和平均带权周转时间分别为多少?
解:
事件
作业1到达并开始执行
作业2到达作业1正在执行
作业3到达作业1正在执行
作业1结束作业2开始执行
作业2结束作业3开始执行
作业3结束
发生时刻
1
2
3
29
38
41
作业1的周转时间=29-1=28
作业2的周转时间=38-2=36
作业3的周转时间=41-3=38
平均作业周转时间=(28+36+38)/3=34
作业1的带权周转时间=28/28=1
作业2的带权周转时间=36/9=4
作业3的带权周转时间=38/3=12.67
平均带权周转时间=(1+4+12.67)/3=5.89
(2)如果对上述三个作业按照非抢占的最短作业优先算法进行调度,三个作业的周转时间、平均作业周转时间、带权周转时间和平均带权周转时间分别为多少?
解:
事件
作业1到达并开始执行
作业2到达作业1正在执行
作业3到达作业1正在执行
作业1结束作业3开始执行
作业3结束作业2开始执行
作业2结束
发生时刻
1
2
3
29
32
41
作业1的周转时间=29-1=28
作业2的周转时间=41-2=39
作业3的周转时间=32-3=29
平均作业周转时间=(28+39+29)/3=32
作业1的带权周转时间=28/28=1
作业2的带权周转时间=39/9=4.33
作业3的带权周转时间=29/3=9.67
平均带权周转时间=(1+4.33+9.67)/3=5
(3)如果对上述三个作业按照抢占的最短作业优先算法进行调度,三个作业的周转时间、平均作业周转时间、带权周转时间和平均带权周转时间分别为多少?
解:
事件
作业1到达并开始执行
作业2到达并开始执行,作业1暂停执行
作业3到达并开始执行,作业2暂停执行
作业3结束作业2恢复执行
作业2结束作业1恢复执行
作业1结束
发生时刻
1
2
3
6
14
41
作业1的周转时间=41-1=40
作业2的周转时间=14-2=12
作业3的周转时间=6-3=3
平均作业周转时间=(40+12+3)/3=18.33
作业1的带权周转时间=41/28=1.46
作业2的带权周转时间=12/9=1.33
作业3的带权周转时间=3/3=1
平均带权周转时间=(1.46+1.33+1)/3=1.26
8、请分析Linux调度时机的规律。
答:
Linux调度时机有:
(1)进程状态转换的时刻:
进程终止、进程睡眠;
(2)可运行队列中新增加一个进程时;
(3)当前进程的时间片用完时;
(4)进程从系统调用返回到用户态时;
(5)内核处理完中断后,进程返回到用户态时。
第1个时机分析:
进程终止或进程睡眠时,如果不调度其它进程执行,处理器将无事可做。
第2个时机分析:
可运行队列中新增加一个进程时,这是一个进程到达事件,操作系统需要处理该事件,这是可抢占调度的时机。
第3个时机分析:
当前进程的时间片用完时会产生中断,操作系统接管处理器后决定调度哪个进程执行。
第4个时机分析:
进程从系统调用返回到用户态时,操作系统既可继续执行调用系统调用的进程,也可以选择另外一个进程执行。
第5个时机分析:
内核处理完中断后,进程返回到用户态时同第4个时机是类似的,两者都属于中断返回处理,只是系统调用是人为安排的中断,即可预知的中断,第5个时机中的中断是异步中断,即不可预知的中断。
第三章
1、比较共享内存通信机制、管道通信机制与消息队列通信机制的异同。
答:
在共享内存通信机制中,进程之间直接读写一个共享内存区域。
共享内存区域属于临界资源,需要处理对分区段的访问同步与互斥问题。
使用系统调用sys_shmdt()把共享页放在需要通信的用户进程的虚拟地址空间即可实现通信功能,通信结束后可使用该调用删除共享页。
管道是连接读写进程的一个特殊文件,按照FCFS方式在进程之间传送数据,也能使进程同步执行。
发送进程向管道文件写入数据,接收进程从管道文件读出数据。
消息队列是一个线性链表,在向消息队列写入消息之要确保进程具有写权限并且队列未满,写时将消息复制到队列末尾。
一个或多个进程都可对消息队列进行消息写入或消息读出操作。
消息传递通信方式一般采用间接通信(信箱)方式,便于实现异步通信。
进程间发送或接收消息通过信箱进行,消息可被理解成信件,每个信箱都有唯一标识符。
信箱是存放信件的存储区域。
管道的特征是先进先出访问信息,共享内存和消息队列则通常不具备此特征。
共享内存主要用于计算,通常是进程空间的一部分,管道和消息队列通常不用于计算,且一般不是进程空间的一部分。
2、写出信号量的数据结构及P、V操作原语描述。
答:
信号量的数据结构:
typestructsemaphore{
intvalue;//可用资源数
structpcb*list;//阻塞进程队列
}
P、V操作原语描述:
voidP(semaphore&s){
s.value--;
if(s.value<0)
W(s.list);//进程阻塞自己,移入s信号量队列,转进程调度
}
voidV(semaphore&s){
s.value++;
if(s.value≤0)
R(s.list);//从s信号量队列释放一个等待进程并转为就绪状态,自己则继续执行
}
3、吸烟者问题:
三个吸烟者在一个房间内,还有一个香烟供应者。
为了制造并抽掉香烟,每个吸烟者需要三样东西:
烟草、纸和火柴,供应者有丰富货物提供。
三个吸烟者中,第一个有自己的烟草,第二个有自己的纸和第三个有自己的火柴。
供应者随机地将两样东西放在桌子上,允许一个吸烟者进行对健康不利的吸烟。
当吸烟者完成吸烟后唤醒供应者,供应者再把两样东西放在桌子上,唤醒另一个吸烟者。
试采用信号量和P、V操作编写他们同步工作的程序。
解:
semaphore烟草=0,纸=0,火柴=0,one=0,two=0,three=0,prov=1;
供应者:
{
P(prov);
desk<-(a,b);
switch((a,b))
{
case(烟草,纸):
V(烟草);
V(纸);
V(one);
break;
case(烟草,火柴):
V(烟草);
V(火柴);
V(two);
break;
case(纸,火柴):
V(纸);
V(火柴);
V(three);
break;
}
}
吸烟者1:
{
P(one);
P(烟草);
P(纸);
取(烟草,纸)<-desk;
V(prov);
卷烟,吸烟;
}
吸烟者2:
{
P(two);
P(烟草);
P(火柴);
取(烟草,火柴)<-desk;
V(prov);
卷烟,吸烟;
}
吸烟者3:
{
P(three);
P(纸);
P(火柴);
取(纸,火柴)<-desk;
V(prov);
卷烟,吸烟;
}
4、产生死锁的四个必要条件反映的是哪些事物之间的关系?
答:
产生死锁的四个必要条件反映的是进程与资源之间的关系。
5、根据如下实例,分析银行家算法的局限性。
客户
最大需求
已分配
可用
P1
10
5
3
P2
4
2
P3
9
2
答:
进程一般不是同时到达系统的,例如P1、P2、P3三个进程先后间隔一定时间到达系统,当P1到达时,系统虽然有12个单位资源,大于P1的最大需求10,但是系统很难确定分配给P1多少单位资源不容易导致未来可能发生的死锁,因为P2、P3尚未到达系统,它们的最大需求信息尚未产生,更无从获知。
第四章
1、请分析比较处理器与存储器分配管理上有哪些重要区别?
答:
处理器与存储器在硬件上有很大的区别,两者在分配管理算法也因此有很大的区别。
处理器是一种可分时复用的快速共享资源,经常因中断而在不同进程之间进行切换,在分配算法上主要有先来先服务、最短作业优先、响应比高者优先、优先级调度、时间片轮转调度、多级反馈队列调度等。
这些算法的主要内容涉及到为作业/进程服务时的排序问题。
存储器是一种可空分复用的共享资源,通常被分割成若干存储块来使用,在分配方法上主要有分页式、分段式、段页式等存储管理。
这些算法的主要内容涉及到如何分割内存、分配哪些内存块给作业/进程。
2、存储管理为什么涉及到地址变换?
答:
存储器是由很多存储单元构成的,每个存储单元都有物理地址。
程序员编制程序时如何使用物理地址,就需要对存储空间的分配情况进行了解,这在多任务环境下是一件复杂耗时却并无太大必要的事情,使程序员不能集中精力进行算法设计。
而操作系统是资源管理者,分配存储空间并登记存储空间利用情况是操作系统的职能。
程序员只需了解跟自己程序空间有关的存储空间使用信息。
目前较好的解决办法是规定程序员使用逻辑地址、符号地址或相对地址进行程序编写,在运行程序时,根据程序所占用的物理存储区域,由专门的硬件或软件负责将逻辑地址、符号地址或相对地址转换为物理地址,这样一个过程就是地址变换,是使程序相对独立于硬件的一种措施。
3、若1页大小为4KB,计算机地址总线为32位,则页号共有多少位?
逻辑地址空间最多包含多少页?
逻辑地址60000在第几页?
页内偏移是多少?
若该页被装进物理块1280中,则物理地址是多少?
解:
4KB=4*1024=22*210=212
所以页内偏移即页内地址占12位
页号占32-12=20位
逻辑地址空间最大页数为220页
60000=(EA60)16=(1110101001100000)2
其中低12二进制位为页内偏移,即(A60)16=2656。
高4二进制位为页号,即(E)16=14。
物理块号1280=(500)16
物理地址=(500A60)16=5245536
4、若1页大小为4KB,计算机地址总线为64位,采用两级页表机制,页目录号与页号占用相同位数,则页目录号或页号有多少位?
(虚拟地址空间或)逻辑地址空间最多包含多少页?
逻辑地址60000在第几页?
页内偏移是多少?
解:
4KB=4*1024=22*210=212
所以页内偏移占12位
页号占(64-12)/2=26位
逻辑地址空间最大页数为226*226=252
60000=(EA60)16=(1110101001100000)2
其中低12二进制位为页内偏移,即(A60)16=2656。
高4二进制位为页号,即(E)16=14。
目录号为0。
5、若1段最大为16KB,计算机地址总线为32位,则段号占用多少位?
逻辑地址空间最多包含多少段?
答:
16KB=16*1024=24*210=214
段内偏移占14位
段号占32-14=18位
逻辑地址空间最大段数为218。
6、举例说明Linux伙伴算法的具体执行过程。
答:
Linux中存在10种大小不同的页面,并且将这些空闲页面分为10个块组,每组中块的大小为2i个页面。
第0组中块的大小为20(=1)个页面,第1组中块的大小为21(=2)个页面,第9组中块的大小为29(=512)个页面。
属于同一组的空闲页面链接在一起。
假设进程请求分配128个页面的内存,则伙伴算法先在第7组(27=128)中寻找空闲块。
如果有则分配,否则查找比128大一倍的页面组,即第8组(28=256)。
如果有,则把256个页面等分为两半,一半分配给进程,一半插入到第7组(27=128)。
如果在第8组(28=256)也没有找到空闲块,则在第9组(29=512)中查找,如果有则将其一分为二,256个页面块插入第8组(28=256),再将余下的256个页面一分为二,128个页面块插入第7组(27=128),余下的128个页面块分配给进程。
如果在第9组(29=512)没有找到空闲块则放弃分配并报错。
第五章
1、设备管理为什么涉及到I/O控制的几种方式,处理器和存储管理为什么没有涉及到该内容?
答:
I/O控制方式是快速的处理器与慢速的外部设备之间通信的形式,常见
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