操作系统复习之第一章

操作系统复习之第一章

第1章 操作系统引论

为什么要学习操作系统

• 教师观点

  1. 操作系统是最重要、最根本、最复杂的软件系统，学习它的原理有利于设计其他类型的软件。
  2. 操作系统蕴含极其丰富的提升效率的管理学技巧，对于以后从事管理等相关工作会提供很多思路。
  3. 操作系统是各类计算机相关考试（研究生考试、软考、等级考等）必考的内容之一。
  4. 国家对操作系统独立自主有着非常强烈的需求，如能参与开发一个通用的操作系统可为国贡献，也可实现自己的远大的人生价值。
  5. 如果对操作系统的使用熟练、并且能参与操作系统开发工作将可获得超高水平的收入。
  6. 参与操作系统的设计能提升团队合作能力。

• 操作系统课程的特点

  1. 内容庞杂、涉及面广
  2. 实践性强
  3. 技术发展快

操作系统目标与作用

• 操作系统目标

  1. 方便性
  2. 有效性
  3. 可扩充性
  4. 开放性

• 操作系统与作用

  1. 作为用户与计算机硬件系统之间的接口
  2. 作为计算机系统资源的管理者
  3. 实现了对计算机资源的抽象

• 推动操作系统发展的主要动力

  1. 不断提高计算机资源利用率
  2. 方便用户
  3. 器件的不断更新换代
  4. 计算机体系结构的不断发展
  5. 不断提出新的应用需求

操作系统的发展过程

• 手工操作(无操作系统)

  1. 用户独占全机。不会出现因资源已被其他用户占用而等待的现象，但资源的利用率低。
  2. CPU 等待手工操作。CPU的利用不充分。

• 批处理系统

  1. 加载在计算机上的一个 系统软件，在它的控制下，计算机能够自动地、成批地处理一个或多个用户的作业（这作业包括程序、数据和命令）。

• 联机批处理系统

  1. 作业的输入/输出由CPU来处理。

• 脱机批处理系统

  1. 其功能是：
     （1）从输入机上读取用户作业并放到输入磁带上。
     （2）从输出磁带上读取执行结果并传给输出机。

• 多道程序系统

  1. 多道程序设计技术
     • 单道程序的运行过程
     • 多道程序的运行过程
  2. 单处理机系统中多道程序运行时的特点：
     • 多道：计算机内存中同时存放几道相互独立的程序；
     • 宏观上并行：同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕；
     • 微观上串行：实际上，各道程序轮流地用CPU，并交替运行。

• 多道批处理系统

  1. 两个特点：
     • 多道
     • 成批

• 分时系统

  1. 特点：
     • 多路性。若干个用户同时使用一台计算机。微观上看是各用户轮流使用计算机；宏观上看是各用户并行工作。
     • 交互性。用户可根据系统对请求的响应结果，进一步向系统提出新的请求。这种能使用户与系统进行人机对话的工作方式，明显地有别于 批处理系统，因而， 分时系统又被称为交互式系统。
     • 独立性。用户之间可以相互独立操作，互不干扰。系统保证各用户程序运行的完整性，不会发生相互混淆或破坏现象。
     • 及时性。系统可对用户的输入及时作出响应。分时系统性能的主要指标之一是响应时间，它是指：从终端发出命令到系统予以应答所需的时间。

• 实时系统

  1. 分成两类：
     • 实时控制系统。
     • 实时信息处理系统。
  2. 主要特点：
     • 及时响应
     • 高可靠性

• 通用操作系统

  1. 基本类型：多道 批处理系统、 分时系统、 实时系统。

• 操作系统的进一步发展

  1. 个人计算机操作系统
  2. 网络操作系统
  3. 分布式操作系统
     • 分布式系统要求一个统一的操作系统，实现系统操作的统一性。
     • 分布式操作系统管理分布式系统中的所有资源，它负责全系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输和控制协调工作，并为用户提供一个统一的界面。
     • 用户通过这一界面，实现所需要的操作和使用系统资源，至于操作定在哪一台计算机上执行，或使用哪台计算机的资源，则是操作系统完成的，用户不必知道，此谓：系统的透明性。
     • 分布式系统更强调分布式计算和处理，因此对于多机合作和系统重构、坚强性和容错能力有更高的要求，希望系统有：更短的响应时间、高吞吐量和高可靠性。

操作系统的基本特征和主要功能

• 操作系统的基本特征
  1. 并行与并发——进程
  2. 共享——互斥
  3. 虚拟——时分与空分复用
  4. 异步——不确定
• 操作系统的主要功能——计算机软硬件资源的管理
• 处理机管理
  1. 进程控制
  2. 进程同步
  3. 进程通信
  4. 调度
• 存储器管理
  1. 内存分配回收
  2. 内存保护
  3. 地址映射
  4. 内存扩充
• 设备管理
  1. 设备分配回收
  2. 缓冲管理
  3. 设备处理
• 文件管理
  1. 文件存取、共享与保护
  2. 存储空间管理
  3. 目录管理
• 接口管理
  1. 用户接口
  2. 程序接口

操作系统的结构设计

1. 无结构操作系统
2. 模块化结构操作系统
3. 分层次结构操作系统（C/S模式）
4. 面向对象技术
5. 微内核OS结构

课上习题

• 1-1与计算机硬件关系最密切的软件是 OS
• 1-2下面什么功能不是操作系统直接完成的功能？删除文件
• 1-3早期的OS主要追求的是？B有效性
• 1-4单处理机计算机系统中，下面什么操作是可以并行的？A处理机操作和IO操作
• 1-5要求在规定的时间内对外界的请求必须给予及时相应的OS是？**B实时系统 **
• 1-6对多用户分时系统最重要的是？交互性
• 1-7在下面关于并发性的叙述正确的是？并发性是指若干事件在同一时间间隔发生
• 1-8操作系统的资源共享有什么方式？** 互斥访问共享;同时访问共享**
• 1-9下面对OS不正确的描述是？D.OS是系统态程序的集合
• 1-10下面哪个不是微内核的基本功能 **C文件管理 **

客观题

• 单选题
  1. 用户在程序设计过程中，可通过 系统调用 获得操作系统的服务
  2. 在设计分时操作系统时,首先要考虑的是 交互性和响应时间
  3. 在设计批处理操作系统时,首先要考虑的是 周转时间和系统吞吐量
  4. 在设计实时操作系统时,首先要考虑的是 实时性和可靠性
  5. 在多道批处理系统中,为了充分利用各种资源,系统总是优先选择 计算型和IO型均衡的 多个作业投入运行
  6. 在多道批处理系统中,为了提高吞吐量,系统总是想方设法缩短用户作业的 周转时间
  7. 分时系统的响应时间（及时性）主要是根据 用户所能接受的等待时间 确定的。
  8. 实时系统的响应时间主要是根据 控制对象所能接受的时延 确定的。
  9. 在分时系统中，为使多个用户能够同时与系统交互，最关键的问题是 能在较短的时间内，使所有用户程序都得到运行
  10. 在分时系统中，当用户数目为100时，为保证响应时间不超过2s，此时的时间片最大应为20ms。
  11. 分时系统和实时系统都具有交互性，实时系统的交互性允许用户访问专用服务程序
  12. 分时系统和实时系统都具有交互性，分时系统的交互性允许用户请求系统提供多方面的服务。
  13. 实时操作系统必须在规定时间内处理完来自外部的事件。
  14. 资源利用率不是设计实时系统主要追求的目标。
  15. 在下列系统中，民航售票系统是实时信息系统。
  16. 在下列系统中，火箭飞行控制系统是实时控制系统。
  17. 在单处理机系统中，可以并发但不可以并行工作的是进程与进程
  18. 采用微内核结构时，将OS分成用于实现OS最基本功能的内核和提供各种服务的服务器两个部分。
  19. 通常，下列模块中必须包含在操作系统内核中的是中断处理模块。
  20. 在3.X版本以前的MS-DOS是单用户单任务操作系统
  21. Windows95是单用户多任务操作系统
  22. Windows XP是多用户多任务操作系统
  23. UNIX操作系统最初是由Bell实验室推出的
  24. UNIX操作系统属于多用户多任务类操作系统。
  25. Linux操作系统属于多用户多任务类操作系统。
  26. 所谓linux是一个“free software”，这意味着 Linux可以自由修改和发布
• 填空题
  27. 设计现代OS的主要目标是提高资源利用率和方便用户。
  28. 单道批处理系统是在解决人机矛盾和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾中发展起来的。
  29. 当前比较流行的微内核的操作系统结构，是建立在层次化结构的基础上的，而且还采用了客户机/服务器模式和面向对象程序设计技术。
  30. 在单处理机环境下的多道程序设计具有多道、宏观上同时运行和微观上交替运行的特点。
  31. 现代操作系统的两个最基本的特征是并发和资源共享，除此之外，它还具有虚拟性和异步性的特征。
  32. 从资源管理的角度看，操作系统具有四大功能：处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理；而为了方便用户，操作系统还必须提供友好的用户接口。
  33. 除了传统操作系统中的进程管理、存储器管理、设备管理、文件管理等基本功能外，现代操作系统中还增加了系统安全、网络和多媒体等功能。
  34. 操作系统的基本类型主要有批处理系统、分时系统和实时系统。
  35. 批处理系统的主要优点是资源利用率高和系统吞吐量大；主要缺点是无交互作用能力和作业平均周转时间长。
  36. 实现分时系统的关键问题是人机交互，为此必须引入时间片的概念，并采用时间片轮转调度算法。
  37. 分时系统的基本特征是：多路性、独立性、交互性和及时性。
  38. 若干事件在同一时间间隔内发生称为并发；若干事件在同一时刻发生称为并行。
  39. 实时系统可分为实时信息处理系统、实时控制系统、多媒体系统和嵌入式系统等类型；民航售票系统属于实时信息处理系统，而导弹飞行控制系统则属于实时控制系统。
  40. 为了使实时系统高度可靠和安全，通常不强求资源利用率。
• 判断题
  41.对批处理作业,必须提供相应的作业控制信息。（√）
  42.对于分时系统,不一定全部提供人机交互功能。（×）
  43.从响应角度看,分时系统与实时系统的要求相似。（×）
  44.采用分时操作系统的计算机系统中,用户可以独占计算机操作系统中的文件系统。（×）
  45.从交互角度看,分时系统与实时系统相似。（×）
  46.并发性是指若干事件在同一时刻发生。（×）
  47.并发性是指若干事件在不同时刻发生。（×）
  48.并发性是指若干事件在同一时间间隔内发生。（√）
  49.并发性是指若干事件在不同时间间隔内发生。（×）
  50.模块化程序使程序设计更为方便，但比较难维护。（×）
  51.模块化程序便于由多人分工编制大型程序。（√）
  52.模块化程序便于软件功能扩充。（√）
  53.模块化程序设计在内存能够容纳的前提下，应使模块尽可能大，以减少模块的个数。（×）
  54.模块之间的接口叫数据文件。（×）
  55.只要模块接口不变，各模块内部实现细节的修改，不会影响别的模块。（√）
  56.模块化程序使程序易于理解，也利于排错。（√）
  57.模块间的单向调用关系，形成了模块的层次式结构。（√）
  58.模块愈小，模块化的优点愈明显。一般来说，一个模块的大小在10行以下。（×）
  59.一个模块实际上是一个进程。（×）
• 完型填空
  60.在计算机系统中配置操作系统的主要目的是提高系统资源的利用率。操作系统的主要功能是管理计算机系统中的资源。其中包括处理机、存储器，以及文件和设备。这里的处理机管理主要是对进程进行管理。
  61.操作系统有多种类型:允许多个用户以交互方式使用计算机的操作系统称为分时操作系统;允许多个用户将若干个作业提交给计算机系统集中处理的操作系统称为批处理操作系统;在实时操作系统的控制下,计算机系统能及时处理由过程控制反馈的数据,并做出响应;在IBM-PC机上的操作系统称为微机操作系统。
  62.操作系统是一种系统软件,它负责为用户和用户程序完成所有与硬件相关并与应用相关的工作,高级程序设计语言的编译不是操作系统关心的主要问题。
  63.在OS中采用多道程序设计技术,能有效地提高CPU、内存和1/O设备的利用率:为实现多道程序设计需要有更大的内存
  64.推动批处理系统形成和发展的主要动力是提高系统资源利用率,推动分时系统形成和发展的动力是方便用户,推动微机OS发展的主要动力是计算机硬件的不断更新换代

主观题

• 简答题
  1. 设计现代OS的主要目标是什么？
     • 其主要目标是有效性、方便性、可扩充性、开放性。
  2. OS的作用可表现在哪几个方面？
     • OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口；
     • OS作为计算机资源的管理者；
     • OS实现了对计算机资源的抽象。
  3. 试说明推动操作系统系统发展的主要动力是什么？
     • 不断提高计算机资源利用率
     • 方便用户
     • 器件不断更新换代
     • 计算机体系结构的不断发展
  4. 何谓脱机I/O和联机I/O？
     • 脱机I/O是指事先将装有用户程序和数据的纸带或卡片转入纸带输入机或卡片机，在外围机的控制下，把纸带或卡片上的数据或程序输入到磁带上。该方式下的输入输出由外围机控制完成，是在脱离主机的情况下进行的。
     • 而联机I/O方式是指程序和数据的输入输出都是在主机的直接控制下进行的。
  5. 试从交互性、及时性以及可靠性方面，将分时系统与实时系统进行比较。
     • 交互性，实时信息处理系统虽然也具有交互性，但这里人与系统的交互仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。
     • 及时性，实时信息处理系统对实时性的要求与分时系统类似，都是以人所能接受的等待时间来确定的；而实时控制系统的及时性，则是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定的，一般为秒级到毫秒级，甚至有的要低于100微秒。
     • 可靠性，分时系统虽然也要求系统可靠，但相比之下，实时系统则要求系统具体高度的可靠性。
  6. OS有哪几大特征？其最基本的特征是什么？
     • OS有并发、共享、虚拟和异步这四个基本特征。并发和共享特征是操作系统最基本的特征。
  7. 处理机管理有哪些主要功能？它们的主要任务是什么？
     • 主要功能：创建和撤销进程（线程），对诸进程（线程）的运行进行协调，实现进程（线程）之间的信息交换，以及按照一定的算法把处理机分配给进程（线程）。
     • 进程控制：进程控制的主要功能是为作业创建进程，撤消已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。
     • 进程同步：进程同步的主要任务是为多个进程（含线程）的运行进行协调。
     • 进程通信：在多道程序环境下，为了加速应用程序的运行，应系统中建立多个进程，并且再为一个进程建立若干个线程，由这些进程（线程）相互合作去完成一个共同的任务。而在这些进程（线程）之间，又往往需要交换信息。当相互合作的进程（线程）处于同一计算机系统时，通常在它们之间是采用直接通信方式，即由源进程利用发送命令直接将信息（Message）挂到目标进程的消息队列上，以后由目标进程利用接受命令从其消息队列中取出消息。
     • 调度：在后备队列上等待的每个作业都需经过调度才能执行
     • a. 作业调度：作业调度的基本任务是从后备队列中按照一定算法，选择出若干个作业，为它们分配运行所需的资源（首行是分配内存）。
     • b. 进度调度：进程调度的任务是从进程的就绪队列中，按照一定是算法选出一个进程，把处理机分配给它，并为它设置运行现场，使进程投入执行。
  8. 内存管理有哪些主要功能?他们的主要任务是什么？
     • 主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率以及能从逻辑上扩充内存。有内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充等功能。
     • 内存分配：内存分配的主要任务是为每道程序分配内存空间，使它们“各得其所”；提高存储器的利用率，以减少不可用的内存空间；允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。
     • 内存保护：内存保护的主要任务是确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行批此互不干扰；绝不允许用户程序访问操作系统和数据；也不允许用户程序转移到非共享的其它用户程序中去执行。
     • 地址映射：存储器管理必须提供地址映射功能，以将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。该功能应在硬件的支持下完成。
     • 内存扩充：存储器管理中的内存扩充任务并非是去扩大物理内存的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到内存容量比实际内存容量大得多，以便让更多用户程序并发运行。
  9. 设备管理有哪些主要功能？其主要任务是什么？
     • 主要任务是：完成用户进程提出的I/O请求；为用户进程分配器所需的I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备。有缓冲管理、设备分配和设备处理以及虚拟设备等功能。
     • 缓冲管理：在I/O设备和CPU之间引入缓冲，提高CPU利用率，进而提高系统的吞吐量。在现代计算机系统中，都无例外地在内存设置了缓冲区，而且还可通过增加缓冲区容量的方法来改善系统的性能。对于不同的系统，可以采用不同的缓冲区机制。
     • 设备分配：设备分配的基本任务是根据用户进程的I/O请求、系统的现有资源情况以及按照某种设备的分配策略，为之分配其所需的设备。如果在I/O设备和CPU之间还存在着设备控制器和I/O通道时，还须为分配出去的设备分配相应的控制器和通道。
     • 设备处理：设备处理程序又称为设备驱动程序。其基本任务是用于实现CPU和设备控制器之间的通信，即由CPU向设备控制器出I/O命令，要求它完成指定的I/O操作；反之，由CPU接收从控制器发来的中断请求，并给予迅速的响应和相应的处理。
  10. 文件管理有哪些主要功能？其主要任务是什么？
      • 文件管理的主要任务是对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。为此，文件存储空间的管理、目录管理、文件的读写管理，以及文件的共享与保护等功能。
      • 文件存储空间的管理：其主要人去是为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的存/取速度、
      • 目录管理：目录管理的主要任务是为每个文件建立其目标项，并对众多的目录项加以有效是组织、以实现方便的按名存取，即用户只须提供文件名便可对该文件进行存取。
      • 文件的读/写管理和保护：文件的读/写管理其功能是根据用户的请求，从外存中读取数据，或将数据写入外存。文件保护其为了防止系统中文件被非法窃取和破坏，在文件系统中必须提供有效的存取控制功能。
  11. 试描述什么是微内核OS。
      • 足够小的内核
      • 基于客户/服务器模式
      • 应用机制与策略分离原理
      • 采用面向对象技术
  12. 微内核操作系统具有哪些优点？
      • 提高了系统的可扩展性
      • 增加了系统的可靠性
      • 可移植性
      • 提高了对分布式系统的支持
      • 融入了面向对象技术
  13. 何谓微内核技术？在微内核中通常提供了哪些功能？
      • 内核是指精心设计的、能实现现代操作系统最基本的核心功能的部分。微内核并非是一个完整的操作系统，而只是操作系统中最基本的部分。通常用于：
      • 实现硬件紧密相关的处理。
      • 实现一些较基本功能。
      • 负责客户和服务器之间的通信。