操作系统精髓与设计原理课后答案

1操作系统精髓与设计原理课后答案第1章计算机系统概述1.1列出并简要地定义计算机的四个主要组成部分。主存储器，存储数据和程序；算术逻辑单元，能处理二进制数据；控制单元，解读存储器中的指令并且使他们得到执行；输入/输出设备，由控制单元管理。1.2定义处理器寄存器的两种主要类别。用户可见寄存器：优先使用这些寄存器，可以使机器语言或者汇编语言的程序员减少对主存储器的访问次数。对高级语言而言，由优化编译器负责决定把哪些变量应该分配给主存储器。一些高级语言，如C语言，允许程序言建议编译器把哪些变量保存在寄存器中。控制和状态寄存器：用以控制处理器的操作，且主要被具有特权的操作系统例程使用，以控制程序的执行。1.3一般而言，一条机器指令能指定的四种不同操作是什么？处理器－寄存器：数据可以从处理器传送到存储器，或者从存储器传送到处理器。处理器－I/O：通过处理器和I/O模块间的数据传送，数据可以输出到外部设备，或者从外部设备输入数据。数据处理：处理器可以执行很多关于数据的算术操作或逻辑操作。控制：某些指令可以改变执行顺序。1.4什么是中断？中断：其他模块（I/O，存储器）中断处理器正常处理过程的机制。1.5多中断的处理方式是什么？处理多中断有两种方法。第一种方法是当正在处理一个中断时，禁止再发生中断。第二种方法是定义中断优先级，允许高优先级的中断打断低优先级的中断处理器的运行。1.6内存层次的各个元素间的特征是什么？存储器的三个重要特性是：价格，容量和访问时间。1.7什么是高速缓冲存储器？高速缓冲存储器是比主存小而快的存储器，用以协调主存跟处理器，作为最近储存地址的缓冲区。1.8列出并简要地定义I/O操作的三种技术。可编程I/O：当处理器正在执行程序并遇到与I/O相关的指令时，它给相应的I/O模块发布命令（用以执行这个指令）；在进一步的动作之前，处理器处于繁忙的等待中，直到该操作已经完成。中断驱动I/O：当处理器正在执行程序并遇到与I/O相关的指令时，它给相应的I/O模块发布命令，并继续执行后续指令，直到后者完成，它将被I/O模块中断。如果它对于进程等待I/O的完成来说是不必要的，可能是由于后续指令处于相同的进程中。否则，此进程在中断之前将被挂起，其他工作将被执行。直接存储访问：DMA模块控制主存与I/O模块间的数据交换。处理器向DMA模块发送一个传送数据块的请求，（处理器）只有当整个数据块传送完毕后才会被中断。1.9空间局部性和临时局部性间的区别是什么？空间局部性是指最近被访问的元素的周围的元素在不久的将来可能会被访问。临时局部性（即时间局部性）是指最近被访问的元素在不久的将来可能会被再次访问。1.10开发空间局部性和时间局部性的策略是什么？空间局部性的开发是利用更大的缓冲块并且在存储器控制逻辑中加入预处理机制。时间局部性的开发是利用在高速缓冲存储器中保留最近使用的指令及数据，并且定义缓冲存储的优先级。第2章操作系统概述22.1操作系统设计的三个目标是什么？方便：操作系统使计算机更易于使用。有效：操作系统允许以更有效的方式使用计算机系统资源。扩展的能力：在构造操作系统时，应该允许在不妨碍服务的前提下有效地开发、测试和引进新的系统功能。2.2什么是操作系统的内核？内核是操作系统最常使用的部分，它存在于主存中并在特权模式下运行，响应进程调度和设备中断。2.3什么是多道程序设计？多道程序设计是一种处理操作，它在两个或多个程序间交错处理每个进程。2.4什么是进程？进程是一个正在执行的程序，它被操作系统控制和选择。2.5操作系统是怎么使用进程上下文的？执行上下文又称为进程状态，是操作系统用来管理和控制所需的内部数据。这种内部信息和进程是分开的，因为操作系统信息不允许被进程直接访问。上下文包括操作系统管理进程以及处理器正确执行进程所需要的所有信息，包括各种处理器寄存器的内容，如程序计数器和数据寄存器。它还包括操作系统使用的信息，如进程优先级以及进程是否在等待特定I/O事件的完成。2.6列出并简要介绍操作系统的五种典型存储管理职责。进程隔离：操作系统必须保护独立的进程，防止互相干涉数据和存储空间。自动分配和管理：程序应该根据需要在存储层次间动态的分配，分配对程序员是透明的。因此，程序员无需关心与存储限制有关的问题，操作系统有效的实现分配问题，可以仅在需要时才给作业分配存储空间。2.7解释实地址和虚地址的区别。虚地址指的是存在于虚拟内存中的地址，它有时候在磁盘中有时候在主存中。实地址指的是主存中的地址。2.8描述轮循调度技术。轮循调度是一种调度算法，所有的进程存放在一个环形队列中并按固定循序依次激活。因为等待一些事件（例如：等待一个子进程或一个I/O操作）的发生而不能被处理的进程将控制权交给调度器。2.9解释单体内核和微内核的区别。单体内核是一个提供操作系统应该提供的功能的大内核，包括调度、文件系统、网络、设备驱动程序、存储管理等。内核的所有功能成分都能够访问它的内部数据结构和程序。典型情况下，这个大内核是作为一个进程实现的，所有元素都共享相同的地址空间。微内核是一个小的有特权的操作系统内核，只提供包括进程调度、内存管理、和进程间通信等基本功能，要依靠其他进程担当起和操作系统内核联系作用。2.10什么是多线程？多线程技术是指把执行一个应用程序的进程划分成可以同时运行的多个线程。第3章进程描述和控制3.1什么是指令跟踪？指令跟踪是指为该进程而执行的指令序列。3.2通常那些事件会导致创建一个进程？新的批处理作业；交互登录；操作系统因为提供一项服务而创建；由现有的进程派生。（表3.1）3.3对于图3.6中的进程模型，请简单定义每个状态。运行态：该进程正在执行。就绪态：进程做好了准备，只要有机会就开始执行。阻塞态：进程在某些事件发生前不能执行，如I/O操作完成。新建态：刚刚创建的进程，操作系统还没有把它加入到可执行进程组中。3退出态：操作系统从可执行进程组中释放出的进程，或者是因为它自身停止了，或者是因为某种原因被取消。3.4抢占一个进程是什么意思？处理器为了执行另外的进程而终止当前正在执行的进程，这就叫进程抢占。3.5什么是交换，其目的是什么？交换是指把主存中某个进程的一部分或者全部内容转移到磁盘。当主存中没有处于就绪态的进程时，操作系统就把一个阻塞的进程换出到磁盘中的挂起队列，从而使另一个进程可以进入主存执行。3.6为什么图3.9（b）中有两个阻塞态？有两个独立的概念：进程是否在等待一个事件（阻塞与否）以及进程是否已经被换出主存（挂起与否）。为适应这种2*2的组合，需要两个阻塞态和两个挂起态。3.7列出挂起态进程的4个特点。1.进程不能立即执行。2.进程可能是或不是正在等待一个事件。如果是，阻塞条件不依赖于挂起条件，阻塞事件的发生不会使进程立即被执行。3.为了阻止进程执行，可以通过代理把这个进程置于挂起态，代理可以是进程自己，也可以是父进程或操作系统。4.除非代理显式地命令系统进行状态转换，否则进程无法从这个状态中转移。3.8对于哪类实体，操作系统为了管理它而维护其信息表？内存、I/O、文件和进程。3.9列出进程控制块中的三类信息。进程标识，处理器状态信息，进程控制信息。3.10为什么需要两种模式（用户模式和内核模式）？用户模式下可以执行的指令和访问的内存区域都受到限制。这是为了防止操作系统受到破坏或者修改。而在内核模式下则没有这些限制，从而使它能够完成其功能。3.11操作系统创建一个新进程所执行的步骤是什么？1.给新进程分配一个唯一的进程标识号。2.给进程分配空间。3.初始化进程控制块。4.设置正确的连接。5.创建或扩充其他的数据结构。3.12中断和陷阱有什么区别？中断与当前正在运行的进程无关的某些类型的外部事件相关，如完成一次I/O操作。陷阱与当前正在运行的进程所产生的错误或异常条件相关，如非法的文件访问。3.13举出中断的三个例子。时钟终端，I/O终端，内存失效。3.14模式切换和进程切换有什么区别？发生模式切换可以不改变当前正处于运行态的进程的状态。发生进程切换时，一个正在执行的进程被中断，操作系统指定另一个进程为运行态。进程切换需要保存更多的状态信息。第4章线程、对称多处理和微内核4.1表3.5列出了在一个没有线程的操作系统中进程控制块的基本元素。对于多线程系统，这些元素中那些可能属于线程控制块，那些可能属于进程控制块？这对于不同的系统来说通常是不同的，但一般来说，进程是资源的所有者，而每个线程都有它自己的执行状态。关于表3.5中的每一项的一些结论如下：进程标识：进程必须被标识，而进程中的每一个线程也必须有自己的ID。处理器状态信息：这些信息通常只与进程有关。进程控制信息：调度和状态信息主要处于线程级；数据结构在两级都可出现；进程间通信和线程间通信都可以得到支持；特权在两级都可以存在；存储管理通常在进程级；资源信息通常也在进程级。4.2请列出线程间的模式切换比进程间的模式切换开销更低的原因。4包含的状态信息更少。4.3在进程概念中体现出的两个独立且无关的特点是什么？资源所有权和调度/执行。4.4给出在单用户多处理系统中使用线程的四个例子。前台和后台操作，异步处理，加速执行和模块化程序结构。4.5哪些资源通常被一个进程中的所有线程共享？例如地址空间，文件资源，执行特权等。4.6列出用户级线程优于内核级线程的三个优点。1.由于所有线程管理数据结构都在一个进程的用户地址空间中，线程切换不需要内核模式的特权，因此，进程不需要为了线程管理而切换到内核模式，这节省了在两种模式间进行切换（从用户模式到内核模式；从内核模式返回用户模式）的开销。2.调用可以是应用程序专用的。一个应用程序可能倾向于简单的轮询调度算法，而另一个应用程序可能倾向于基于优先级的调度算法。调度算法可以去适应应用程序，而不会扰乱底层的操作系统调度器。3.用户级线程可以在任何操作系统中运行，不需要对底层内核进行修改以支持用户级线程。线程库是一组供所有应用程序共享的应用级软件包。4.7列出用户级线程相对于内核级线程的两个缺点。1.在典型的操作系统中，许多系统调用都会引起阻塞。因此，当用户级线程执行一个系统调用时，不仅这个线程会被阻塞，进程中的所有线程都会被阻塞。2.在纯粹的用户级进程策略中，一个多线程应用程序不能利用多处理技术。内核一次只把一个进程分配给一个处理器，因此一次进程中只能有一个线程可以执行。4.8定义jacketing。Jacketing通过调用一个应用级的I/O例程来检查I/O设备的状态，从而将一个产生阻塞的系统调用转化为一个不产生阻塞的系统调用。4.9简单定义图4.8中列出的各种结构。SIMD：一个机器指令控制许多处理部件步伐一致地同时执行。每个处理部件都有一个相关的数据存储空间，因此，每条指令由不同的处理器在不同的数据集合上执行。MIMD：一组处理器同时在不同的数据集上执行不同的指令序列。主/从：操作系统内核总是在某个特定的处理器上运行，其他处理器只用于执行用户程序，还可能执行一些操作系统实用程序。SMP：内核可以在任何处理器上执行，并且通常是每个处理器从可用的进程或线程池中进行各自的调度工作。集群：每个处理器都有一个专用存储器，而且每个处理部件都是一个独立的计算机。4.10列出SMP操作系统的主要设计问题。同时的并发进程或线程，调度，同步，存储器管理，可靠性和容错。4.11给出在典型的单体结构操作系统中可以找到且可能是微内核操作系统外部子系统中的服务和功能。设备驱动程序，文件系统，虚存管理程序，窗口系统和安全服务。4.12列出并简单解释微内核设计相对于整体式设计的七个优点。一致接口：进程不需要区分是内核级服务还是用户级服务，因为所有服务都是通过消息传递提供的。可扩展性：允许增加新的服务以及在同一个功能区域中提供多个服务。灵活性：不仅可以在操作系统中增加新功能，还可以删减现有的功能，以产生一个更小、更有效的实现。可移植性：所有或者至少大部分处理器专用代码都在微内核中。因此，当把系统移植到一个处理器上时只需要很少的变化，而且易于进行逻辑上的归类。可靠性：小的微内核可