操作系统课后题参考答案.pdf

操作系统教程习题讲解 绪论 1.什么是计算机系统？计算机系统是怎么构成的？了解PC的 组成情况，说明：1）硬件 组织的基本结构，画出硬件配置图；2）主要系统软件和应用 软件（若有的话）他们的作 用。 答：计算机系统就是按照人的要求接收和存储信息，自动进 行数据处理和计算，并输出 结果信息的系统。 计算机系统由硬件子系统和软件子系统组成。 计算机系统的构成包括：如图 1.2 计算机硬件系统的构成：如图 1.4 2.从功能以及程序涉设计的角度说明计算机系统中软件系统是 如何构成的？ 答：分为系统软件，支撑软件和应用软件三层。 3.什么是操作系统？请举例说明操作系统在计算机系统中的重 要地位。 答：操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序 模块的集合。 它们能以尽量有效、合理的方式组织和管理计算机的软硬件 资源，合理的组织计算机的工 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、有效的 使用计算机，使整个计算机系统能安全高效地运行 4.请举一个实际的例子来说明操作系统的功能。 答：你能用用操作系统管理很多资源 5.为什么说“操作系统是控制硬件的软件”的说法不确切？ 答：操作系统不仅能够控制硬件，也可以控制各种软件资 源。 6.操作系统的基本特征是什么？说明他们之间的关系。 答：1.并发性 2.共享性 3.随机性 7.试从独立性，并发性和交互性和实时性四个方面来比较批处 理系统，分时系统以及实 时系统。 答： 分时系统：并发性是指同时有多个用户共同使用一个计算 机，宏观上看是多个人同时 使用一个CPU，微观上是多个人在不同时刻轮流使用CPU. 独占性，是指用户感觉不到计算机为他们服务，就好像整 个系统为他所独占。 交互性：是指用户根据系统响应结果进一步提出新要求， 用户直接干预每一步。 实时性：是指系统对用户提出的请求及时响应。 8.引入多道程序设计技术的起因和目的是什么？多道程序系统 的特征是什么？ 答：多道程序设计的基本思想在内存中保持多个作业，主机 可以交替的方式同时处理 多个作业，一般来说任何一道作业的运行总是要交替的使用 处理器和外设子案 9.多道程序设计的度是指在任一给定时刻，单个CPU所能支持 的进程数目最大值。讨论要 确定一个特定系统的多道程序设计的度必须考虑的因素。可 以假定批处理系统中进程数量 与作业数量相同。 答： 10.描述批处理系统响应一个执行请求需要的时间（称为响应 时间），描述分时系统下的 响应时间，什么样的系统可能有较短的响应时间？为什么？ 答： 1)就是将用户的作业组成一批作业，之后输入到计算机 中，计算机依次执行每个作 业 ，然后输出，即为响应时间。 2）定义这个响应时间就是：系统对一个输入的反应时间 实时系统的反应时间 11.什么情况下批处理是比较好的策略？什么情况下分时是比 较好的策略？现代的操作系 统往往要把两者结合，请举出这样的例子，并说明它们是怎 样被结合起来的，并通过这样 的结合获得了什么好处。 答：常见的通用操作系统是分时系统与批处理系统结合，其 原则是：分时优先，批处理再 后，前台响应需要频繁交互的作业，如终端的要求。“后 台”处理时间性要求不强的作 业 。 12.操作系统的技术发展是怎样的？从这一技术演化过程可以 得到什么启发？ 答：操作系统的发展是根据计算机硬件发展，计算机应用软 件的发展而发展的， 我们发展操作系统的目标就是：充分利用硬件，提供更好的 服务。 13.请作一个调查，看看各种计算机的应用领域都在使用什么 样的操作系统，他们分别是 什么类型的操作系统，调查的内容应该涵概现代操作系统的 主要类别. 14.现有一下应用计算机的场合，请为其选择适当的操作系 统。1）航天航空，核变研究； 2）国家统计局数据处理中心；3）学校学生上机学习编程 4） 高炉炉温控制；5）民航定 票系统，6）发送电子邮件（在两个地区之间） 答：1)航天航空，核变研究：嵌入式操作系统 2）分布式操作系统 3）个人计算机操作系统 4）实时操作系统 5）批处理操作系统 6）网络操作系统。 15.什么是Spooling技术？他有什么用？你认为未来先进的个人 计算机会把假脱机作为一 个关键特性吗？ 答：假脱机（SPOOLing.）技术的全称是同时得外部设备联机 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 16.外壳程序(shell)是不是操作系统的一部分，为什么？ 答：不是，它不属于操作系统内核的一部分，它是一个应用 程序。 17.如果你有一个可用得类UNIX系统，例如Linux,Minix或者 BSD等，而且你有足够的权限 重起或者使得系统崩溃，请编写一个shell程序作下面的实验， 用该shell程序不停的产生 新进程，观察发生的事情，在运行你的shell之前，请用sync命 令同步硬盘和内存中的磁 盘缓存，以免在程序运行过程中访问文件系统，注意，请不 要在任何共享的系统中做这件 事情？ 答：进程数不断增多，最后导致系统崩溃了！ 重要： 18.现代操作系统的设计很讲求机制与策略的分离，已经使操 作系统的结构和实现能够在 一定范围内适应不同的需要。例如Solaris的调度器实现了进程 调度的基本机制，同时它 允许通过动态调整核心参数实现不同负载下的系统性能平衡, 这就是一种机制和策略的分 离，请给出一个例子，说明怎样根据调度将机制和策略分 开。请构造一种机制，允许父 进程控制子进程的调度策略。 19. 有兴趣，可以去写一篇，记得写完了，发给我，我把你的文章贴上 来！ 硬件环境 1. 请简述处理器的组成和工作原理。你认为那些部分和操作 系统的密切关系，为什么？ 答： 一般的处理器由运算器，控制器，一系列的寄存器以及 高速缓存构成。运算器实现 任何指令中的算术和逻辑运算，是计算机计算的核心；控制 器负责控制程序运行的流程， 包括取指令，维护CPU状态，CPU与内存之间的交互等等。寄 存器是指令在CPU内部做处理 的过程中占存数据，地址一级指令信息的存储设备，在计算 机的存储系统中它具有最快的 访问速度。加上高速缓存以及内存管理单元(MMU) 2. 为了支持操作系统，现代处理器一般都提供哪两种工作状 态，用来隔离操作系统和 普通程序？两种状态各有什么特点？ 答； 多数系统将处理器工作状态划分为管态和目态 管态：操作系统管理程序运行的状态，较高的特权级别，又 称为特权态（特态）、系统态 目态：用户程序运行时的状态，较低的特权级别，又称为普 通态（普态）、用户态 3.什么是分级的存储体系结构？它主要解决什么问题？ 答： 容量、速度和成本 三个目标不可能同时达到最优，要作权衡 存取速度快，每比特价格高 容量大，每比特价格越低，同时存取速度也越慢 解决方案：采用层次化的存储体系结构 当沿着层次下降时 每比特的价格将下降，容量将增大 速度将变慢，处理器的访问频率也将下降 4.主存储器通常有哪两种类型？它们各自的特点是什么？用在 哪里？ 答：硬盘存储器，和内存存储器. 硬盘存储器：容量大，存储速率慢，断电后，数据信息不丢 失 内存存储器：容量小，存储速率快，断电后，数据信息丢 失。 5.请简述程序局部性原理。这个原理在分级的存储体系结构中 是怎么样起作用的？ 答：时间局部性，空间局部性。起的作用是：提高存储系统 效能这个目的。 6.什么是存储保护？有哪些方法实现存储保护？ 答：对主存中的信息加以严格的保护，使操作系统及其它程 序不被破坏，是其正确运行的 基 本条件之一 多用户,多任务操作系统：OS给每个运行进程分配一个存储 区域 操作系统提供了：1.界限地址寄存器，存储健两个存储保护 机构！ 7暂缺资料 8.缓冲技术在计算机系统中起着什么样的作用？它是如何工作 的？ 答：缓冲技术一般有三个用途，一种是用在处理器和主存储 器之间的；另一种是用在处理 器和其他外部设备之间的；还有一种是用在设备与设备之间 的通信上。 9.什么是中断？为什么说中断对现代计算机很重要？ 答： 中断概念：指CPU对系统中或系统外发生异步事件的响应 异步事件是指无一定时序关系的随机发生事件 如外部设备完成数据传输，实时设备出现异常等 中断机制是操作系统得以正常工作的最重要的手段 它使得OS可以捕获普通程序发出的系统功能调用 及时处理设备的中断请求 防止用户程序中破坏性的活动等等 10.中断的一般处理过程是怎么样的？多个中断同时发生呢？ 答：1）如书图2.9(简单的中断处理过程) 2）如书图2.12(一个多优先级中断系统中多个中断的处理示 例) 11.请简述中断和操作体统的关系，操作系统是如何利用中断 机制的？ 答： 中断机制是操作系统得以正常工作的最重要的手段 它使得OS可以捕获普通程序发出的系统功能调用 及时处理设备的中断请求 防止用户程序中破坏性的活动等等 12. 常用的I/O控制技术有那些？各有什么特点？ 答：常用的I/O控制技术有以下几种：程序控制，中断驱动以 及直接存储器存取（DMA） 以及通道。 程序控制I/O技术：由处理器提供I/O相关指令来实现 I/O处理单元处理请求并设置I/O状态寄存器相关位 不中断处理器，也不给处理器警告信息 处理器定期轮询I/O单元的状态，直到处理完毕 I/O软件包含直接操纵I/O的指令 控制指令: 用于激活外设，并告诉它做什么 状态指令: 用于测试I/O控制中的各种状态和条件 数据传送指令: 用于在设备和主存之间来回传送数据 主要缺陷：处理器必须关注I/O处理单元的状态，因而耗费大 量时间轮询信息，严重地降 低了系统性能 中断驱动I/O技术：为了解决程序控制I/O方法的主要问题 应该让处理器从轮询任务中解放出来 使I/O操作和指令执行并行起来 具体作法： 当I/O处理单元准备好与设备交互的时候 通过物理信号通知处理器，即中断处理器 DMA技术：中断的引入大大地提高了处理器处理I/O的效率 当处理器和I/O间传送数据时，效率仍旧不高 解决方法： 直接存储器访问（DMA：Direct Memory Access） 通过系统总线中一独立控制单元DMA控制器 自动控制成块数据在内存和I/O单元间的传送 大大提高处理I/O的效能 通道：独立于中央处理器，专门负责数据I/O传输的处理机 它对外设实现统一管理 代替CPU对I/O操作进行控制 使CPU和外设可以并行工作 通道又称为I/O处理机 引入通道的目的: 为了使CPU从I/O事务中解脱出来 同时为了提高CPU与设备、设备与设备之间的并行度 13.时钟对操作系统有什么重要作用？ 时钟为计算机完成以下必不可少的工作： 在多道程序运行环境中，为系统发现陷入死循环（编程错 误）的作业，防止机时的浪费 在分时系统中，间隔时钟实现作业间按时间片轮转 在实时系统中，按要求的间隔输出正确时间信号给实时的控 制设备（如AD、D/A转换设 备） 定时唤醒要求延迟执行的各外部事件（如定时为各进程计算 优先数，银行中定时运行某类 结账程序等） 记录用户使用设备时间和记录某外部事件发生时间 记录用户和系统所需要的绝对时间，即年、月、日 进程 1.一个单CPU的操作系统共有n个进程，不考虑进程状态过渡 时的情况，也不考虑空转进 程 1。给出运行进程的个数； 2。给出就绪进程的个数； 3。给出等待进程的个数。 解：1.运行进程的个数可能是 0，也可能是 1; 2,就绪的进程的个数可能是0，也可能是n-1 3等待进程的个数可能是0,也可能是n 3多道程序在单CPU上并发运行和多道程序在多CPU上并行执 行，这两者在本质是否相同 为什么？请给出以上两者在实现时应考虑什么问题？ 答： 1)本质上不同，前者是宏观上并发同时运行，微观上是交替顺 序执行，后者则是宏观上并 行，微观上也并行。 2)在实现多道程序设计时，必须协调好资源使用者和被使用者 之间的关系，即对处理机资 源 加以管理，以实现处理机在各个可运行程序之间的分配与调 度，对内存资源加以管理，将 内存分配给各个运行程序，还要解决程序在内存中的定位问 题，并防止内存中各个程序之 间互相干扰或对操作系统的干扰，对设备资源进行管理，使 各个程序在使用设备时，不发 生冲突。 4.用进程概念说明操作系统的并发性和不确定性是怎样体现出 来的？ 答：进程的并发特性和异步特性体现了操作系统的并发性和 不确定性。 进程的并发特性：可以同其他进程一道向前推进，即一个进 程的第一个动作可以在另一 个进程的最后一个动作结束之前开始 进程的异步性：每个进程按照各自独立的，不可预知的速度 向前推进。 5PCB的作用是什么？他是怎么样描述进程的动态本质的？ 答：PCB称为进程控制块(Process Control Block)，为了便于系 统控制和描述进程的活动 过程，在操作系统核心中为进程定义一个专门的数据结构， 就是PCB。 系统利用PCB来描述进程的基本情况以及进程的运行变化过 程。PCB是进程存在的唯一标 志。当系统创建一个进程时，为进程设置一个PCB，再利用 PCB对进程进行控制和管理；撤 销进程时，-系统收回它的PCB,进程也随之消亡。 6.进程的三个基本状态转换如图，图中1，2，3，4表示某种类 型的状态变迁，请 分别回答下列问题： 1）什么“事件”引起某一种类型的状态变迁 答：运行中的进程因为中断的发生，或者需要等待某种事件 的发生，变迁到等待状态 等待状态的进程，应为所等待的事件发生了，变迁到就绪态 CPU为空的时候，就绪态的进程就变迁到运行状态 运行的进程因为调度程序，变迁到就绪状态 2）系统中常常由于某一进程的状态变迁引起另一进程也产生 状态变迁，试判断在下述情 况下，如果有的话，将发生什么因果变迁？ 3 -1 2. -1 4-1 3-4 如果有处于就绪态的进程 （3-1） 如果有处于就绪态的进程 (2-1) CPU为空(4-1) 等待事件发生(3-4) 3)在什么情况下，下述变迁中哪些将不立即引起其他变迁？ 1 2 3 4 当1发生，并不引起其他变迁 当2发生,如果有进程处于就绪态，引起1发生 当3发生, 如果有进程处于就绪态，引起1发生 当4发生，如果CPU为空，那么引起1发生 4）引起进程状态变迁的根本原因是什么？ 答： 原因：自身的进展情况和外界环境条件的变化。自身的 逻辑，中断和进程调度程序 等！ 根据进程的动态性，进程在其生命周期内，需要经历一系列 离散状态。 6.内核通常完成哪些功能？经过内核扩充后形成的虚拟机有哪 些属性？ 答：内核一般提供如下功能 1）中断处理 2)进程调度 3)进程控制 4）进程同步与互斥；5) 进程通信；6)存储管理的 基本操作 7)设备管理的基本操作 8)文件信息管理的基本操作 9)时钟管理 虚拟机的属性有：1)没有中断 2)为每个进程提供了一台虚拟处 理机，每个进程好像在各 自的处理机上顺序的运行 3)为进程提供了强大的指令系统， 即非特权的指令和原语一起 组成的指令系统 7.并发进程执行时一定会产生与时间有关的错误吗？为什么？ 答：不一定，如果并发进程都占有一些受到保护的私有资源 (包括内存，设备等资源)，那 么执行的结果和进程调度的算法以及中断等外界环境没有关 系，所以不一定会产生与时间 有关的错误. 8.试举出进程状态转换的典型原因和引起进程调度的因素。 答：进程状态转换的典型原因：1中断或者等待某事件发生,2. 所等待事件发生了3,CPU为 空 引起进程调度的因素为： 1)正在执行的进程运行完毕 2)正在执行的进程调用阻塞原语将自己阻塞起来并进入等待状 态 3）正在执行的进程调用了P原语操作，从而因为资源不足而 被阻塞，或调用了V原语操作 激活了等待资源的进程队列 4） 执行中的进程提出了I/O请求后被阻塞 5） 在分时系统中时间片已经用完 以上都是CPU为不可抢占方式下引起进程调用的原因，当CPU 为可抢占时，就绪队列中的进 程比当前运行的进程的优先级高，也引起进程调度 9.说明下列活动是属于哪些制约关系？ 1）若干同学去图书馆借书 进程互斥 2）两队进行篮球比赛 进程互斥 3）流水线生产中的各道工序 进程同步 4）商品生产和社会消费 进程同步 10,是否所有的共享资源都是临界资源，为什么？ 答：不是，根据定义，一次只允许一个进程使用得进程才叫 临界资源,能同时被多个进程 使用得资源不是临界资源 11设一台计算机，有两条I/O通道，分别接一台卡片输入机 和一台打印机。卡片机把一 叠卡片逐一输入到缓冲区B1中，加工处理后再搬到缓冲区B2 中，并在打印机上印出，问： 1）系统要设几个进程来完成这个任务？各自的工作是什么？ 2）这些进程间有什么样的相互制约关系 3）用P,V操作写出这些进程的同步算法 4）设系统中只有上述几个进程，用图表示出各自状态变迁情 况及原因？ 答：这是一个典型的生产者，消费者问题 1）系统要设三个进程完成任务，第一个进程P1,从卡片输入机 中读入数据，并且把数据放 入缓冲区B1中，第二个进程从B1缓冲区中取数据，加工处理 后放入缓冲区B2中。第三个进 程将缓冲区的内容输入到打印机中打印出来 2）这三个进程之间是同步和互斥的关系 3)三个进程之间必须协调工作，需设置四个信号量， S1,S2,S3,S4并令S1的初值为1,S2的 处置为0，S4的初值为1,则程序为： 进程 p1 进程p2 进程p3 P(S1) P(S2) P(S3) 从卡片机中读入数据 P(S4) 将缓冲区B2 内容 V(S2) 将Buffer B1中的数据 在打印机中 输出 拷贝道Buffer B2中 V(S4) V(S1) V(S3) 4)当缓冲区B1为空时，当有输入时，进程p1进入就绪态，如 果CPU为空，则为运行态，输 入完成后，进入等待态 如果存在进程p2，则为等待态，当S2+1后，处于等待态进程 进入就绪态，如果CPU为空 进入运行态，拷贝完成后，进入等待态 如果存在进程p3，则为等待态，当S3+1后，处于等待态进程 进入就绪态，如果CPU为空 进入运行态，输出完成后，进入等待态 12.设有无穷多个信息，输入进程把信息逐个写入缓冲区，输 入进程逐个地从缓冲区中取 出信息。在下述情况下：1)缓冲区是环形的，最多可以容纳n 个信息；2）缓冲区是无穷大 的。 试分别回答下列问题？ 1)输入，输出两进程读，写缓冲区需要什么条件？ 2)用P,V操作写出输入，输出两进程的同步算法，并给出信号 量含义以及初值 3)指出信号量的值的变化范围和其值的含义 答： 一：当缓冲区的大小为n时 1）当缓冲区信息为空的时候，输出进程无法读，处于等待状 态，当缓冲区信息为满的时 候无法写，都某个缓冲区单位进行读写的时候，要互斥 2） 1.空的信号量empty 初值为n, 满的信号量为full 初值为0, 对缓 冲区单元的互斥信号 量为mutex,j,k为缓冲区单位地址，初值为 0 写进程 读进程 P(empty) P(full) P(mutex) P(mutex) 向Bufferi写入信息 从Bufferk中读信息 V(mutex) V(mutex) V(full) V(empty) j:=(j+1)mod n k:=(k+1)mod n 4)empty表示还有多少缓冲区单元为空，如果empty=0,表示缓 冲区满，系统调用写进程时 ，写进程处于等待态 full 表示缓冲区都多少有信心的单元，如果full=0, 表示缓冲区 空，系统调用写进程时 ，读进程处于等待态 mutex 表示对于缓冲区单元的互斥信号量,当mutex=1时，开 锁，mutex=0时，闭锁 二当缓冲区大小为无穷大时 1）同上 2） 1空的信号量empty 不用设, 满的信号量为full 初值为0, 对缓 冲区单元的互斥信号量 为mutex,j,k为缓冲区单位地址，初值为 0 写进程 读进程 P(full) P(mutex) P(mutex) 向Bufferi写入信息 从Bufferk中读信息 V(mutex) V(mutex) V(full) j:=(j+1)mod n k:=(k+1)mod n 4)full 表示缓冲区都多少有信心的单元，如果full=0, 表示缓冲 区空，系统调用写进程 时，读进程处于等待态 mutex 表示对于缓冲区单元的互斥信号量,当mutex=1时，开 锁，mutex=0时，闭锁 13.假定一个阅览室最多可以容纳100人，读者进入和离开阅览 室都必须在阅览室门口的一 个登记表上标志（进入时登记，离开时去掉登记项）而且每 次只允许一人登记或者去掉登 记，问： 1) 应编写几个进程完成这项工作，程序的主要动作是些什 么？应该设置几个进程？进程 和程序间的关系如何？ 2) 用P,V操作写出这些进程的同步通信关系 答：编写两个进程，一个处理读者进入，一个处理读者离 开，进程是程序的动态执行 设置信号量 full 为初值为 0， 空的信号量 empty 初值为100, 互 斥信号量 mutex 初值 为1 进入 离开 P(empty) P(full) P(mutex) P(mutex) 登记 取消登记 V(mutex) V(mutex) V(full) V(empty) 进入 离开 14在生产者和消费者问题中，如果对调生产者（或消费 者）进程中的两个P操作和两个 V操作的次序，会发生什么情况？请说明！ 答：对调P操作, 会发生死锁 因为P(empty)在 p(mutex)和 v(mutex)内部，也就是临界 区中，当 empty0,时，P(empty)在临界区中进入到了休眠状 态。那么就别的进程都进入 不到临界区中，进入死锁状态。 而两个V操作无关紧要 15.为什么引入高级通信机构？他有什么优点？说明消息缓冲 通信机构的基本工作过程？ 答： 1）为了解决大量的消息交换， 2）优点：不仅能够保证相互制约的进程之间的相互关系，还 同时实现了进程之间的信息 交换 3）消息缓冲通信技术的工作过程： 其基本思想是：根据“生产者-消费者”原理，利用内存中公用 消息缓冲区实现进程之间 的信息交换。 内存中开辟了若干消息缓存区，用以存放消息，每当一个进 程（发送进程）向另一个进程 （接收进程）发送消息时，便申请一个消息缓冲区，并把已 准备好的消息发送到缓冲区中 ，然后把该消息缓冲区插入到接受进程的消息队列中，最后 通知接受进程，接收进程收到 发送进程发送到的通知后，从本进程的消息队列中摘下一消 息缓冲区，取出所需的消息， 然后把消息缓冲区还给系统。 16.进程间为什么要进行通信？在编写自己的程序时，是否考 虑到要和别的用户程序进行 通信？各个用户进程间是否存在制约关系? 答；1)各个进程在运行的时候，共享内存，或者共同完成一个 特定的功能，都需要进行通 信， 2)需要， 3）促在同步和互斥的关系，比如聊天程序 17.假定一个系统的磁盘块大小为2KB，一个块的平均访问时 间是20毫秒。一个有40KB进程 由于资源请求从运行态变为阻塞态，它必须保持阻塞多长时 间？ 答： 40/2 * 20=400毫秒 保持阻塞态 400毫秒 18.假设A,B两个火车站之间是单轨线，许多列车同时到达A 站，然后经过A站到达B站；又 列车从A到B的行驶时间是t,列车在B战后的停留时间是t/2,试问 在该问题模型中，什么是 临界资源，什么是临界区? 答：临界资源： A到B之间的单轨线，以及B站是临界资源 临界区： 在A到B之间行驶，以及在B上停留是临界区 19.同步机制应该遵循哪些原则？为什么？ 答：1.它的描述能力应该足够强，既能解决各种进程间的同步 互斥问题； 2其次，应该容易实现并效率高 3第三，使用方便 20.我们为某临界资源设置一把锁W。当W=1时，表示关锁， W=0时，表示开锁，试写出开锁 和关锁原语，并利用它去实现互斥。 答： while(1=w); enter 临界区 21.进程A1,A2,An通过m个缓冲区向进程B1,B2,Bn不断发 送消息，发送和接收工作遵 循如下规则： 1)每个发送进程每次发送一个消息，写入一个缓冲区，缓冲区 大小与消息长度一样 2)对每一个消息，B1,B2,.Bn都需要各接收一次，读到各自的 数据区中； 3)m个缓冲区都满时，发送进程等待，没有可读消息时，接受 进程等待 试用P,V操作组织正确的发送和接收操作。 答： VAR mutex： Semaphore：初值为1，实现对缓冲区的互斥 empty： Semaphore：初值为n,有多少缓冲 Full： Array1.n OF Semaphore：初值为0,每个接收进程 当前可接收的缓冲区 Count：Array1.n OF INTEGER;初值为0,n个缓冲区被访问 的次数 ReceivePointer:Array1n OF INTEGER初值为0，该接收 进程要取哪个 SendPointer：INTEGER;初值为0,发送进程下次要放到哪个 缓冲区 发送进程 (num：INTEGER) num为进程号 Repeat P(empty) P(mutex) 向buffsendPointer放消息 sendPointer：=（sendPointer+1）mod k countsendPointer：=0 V(mutex) For i:=1 To n Do V(Fulli) Until FALSE 接收进程 （num:INTEGER）:num为接收进程号 Repeat P(Fullnum) P(mutex) 从buffReceivePoinernum中取消息 V(mutex) CountReceivePoinernum：= CountReceivePoinernum+1 IF(CountReceivePoinernum=n) THEN V(empty) CountReceivePoinernum=0 ReceivePoinernum：=(ReceivePoinernum)+1)mod n Until FALSE 17有K个进程共享一个临界区，对于下述情况，请说明信号 量值的初值，含义，并用P, V 操作写出相关的互斥算法。 1） 一次只允许一个进程进入临界区 2） 一次只允许m个进程进入临界区 答：1)设置互斥信号量mutex，初值为1 P(mutex) Enter_region V(mutex) 2)设置同步信号量mutex,初值为m; P(mutex) Enter_region V(mutex) 23爱睡觉的理发师问题，一个理发店有两间相连的屋子， 一间是私室，里面有一把理发 椅，另一个是等候室，有一个滑动门和N把椅子。理发师忙的 时候，通向私室的门被关闭 ，新来的顾客找一把空椅子坐下，如果椅子都被占用了，则 顾客只好离去，如果没有顾客 ，则理发师在理发椅上睡觉。并打开通向私室的门。理发师 睡觉时，顾客可以叫醒他理发 ，请编写 理发师和顾客的程序，正确实现同步和互斥问题！ 答： 解：VAR: S1,S2 ：Semaphore;初值为0,实现理发师与顾客的同步 Mutex：Semaphore：初值为1,实现对waiting的互斥 waiting：INTEGER:初值为0,等待的顾客数 理发师进程 REPEAT P(S1) 若无顾客，则睡觉 P(mutex) Waiting:=waiting-1 V(S2); (唤醒一个等待的客户) V(mutex) 理发 Until FALSE 顾客进程 P(mutex) IF(waitingT , 3)SQT时, CPU的利用率=T/(T+S)*100%(当进程运行完 后，就切换，也就相当于时间 片=T ) 3)当SQT时， =Q/Q+S 4）当Q=S时 =S/S+S 5)当Q趋于0,CPU的利用率=T/T+nS=0 （n趋于无穷） 30大多数时间片轮转调度程序使用一个固定大小的时间片， 请给出选择小时间片的理由， 然后再给出选择大时间片的理由 答：选择小时间片：I/O密集型,可以缩短响应时间，满足短的 交互需求 选择大时间片：CPU密集型，可以防止过多的进程切换， 提高CPU效率 31.有5个批处理作业A到E几乎同时到达一计算中心。他们估 计运行时间分别为10,6,2,4和 8分钟，其优先数(由外部设定)分别为3，5，2，1，4其中5级 为最高优先级，对于下列每 种调度算法，计算其平均周转时间，可忽略进程切换的开 销。 1） 时间片轮转法 2） 优先级调度法 3） 先来先服务法（按照次序10,6,2,4,8运行） 4） 最短作业优先 对1），假设系统具有多道处理能力，每个作业均获得公平的 CPU时间，对(2) 和(4)假设 任一时刻只有一个作业运行，直到结束，所有作业都是CPU 密集型作业! 答：1) 和时间片的长短有关，比较繁琐！ 2)运行顺序是(6,8,10,2,4) (6+14+24+26+30)/4=100/4=25 3)(10+16+18+22+30)/4=96/4=24 4) (2+(2+4)+(2+4+6)+(2+4+6+8)+( 2+4+6+8+10)/4=17.5 32：有5个待运行的作业，他们的估计运行时间分别是 9,6,3,5，采用哪中次序运行各个 作业将得到最短的平均响应时间？答案依赖于X 答：由于5个作业同时到达，所以按最短作业优先调度会得到 最短的响应时间： 9x 3 5 6 9 x 6x9 3 5 6 x 9 5x6 3 5 x 8 9 3x5 3 x 5 8 9 x3 x 3 5 8 9 33,在一间酒吧里有三个音乐爱好者队列，第一列音乐爱好者 只有随身听，第二列只 有音乐 磁带，第三列只有电池，而要听音乐就必须有随身听，音乐 磁带和电池这三中物品 。酒吧老板一次出售这三种物品中的任意两种，当一名音乐 爱好者得到这三种物品 并听完乐曲后，酒吧老板才能再一次出售这三种物品中任意 两种，于是第二名音乐 爱好者得到这三种物品。并开始听乐曲，全部买卖九这样进 行下去。 使用P,V操作正确解决这一买卖。 解：买方有三个进程，卖方有1个进程 卖方，和买方的同步信号量 S1,S2 ,初值为0,1. 听音乐时的互斥信号量;mutex 卖方进程 P(S1) (没有音乐爱好者，等待) 卖物品 P(mutex) 放音乐 V(mutex) V(S2) 买方进程 P(S2) 买物品 V(S1) 老板可以卖东西 34.巴拿马运河建在太平洋和大西洋之间，由于太平洋和大西 洋水面高度不同，有巨大落 差，所以运河中建有T(T2)级船闸，并且只能允许单向通 行，船闸依次编号为1,2,T ，由大西洋来的船需要经过船闸T,T-1.,2,1通过运河到达太平 洋，由太平洋来的船需要 经由船闸1,2,T-1,T通过运河到达大西洋。 使用P,V操作正确解决大西洋和太平洋的船只通航问题。 答：答：Array: S1T of Semaphore 为每个船闸设置的信号 量初值都为1 Array: count1T of INTEGER 为每个船闸设置通往大西洋 的船的计数值,初值都为 0 Array: count2T of INTEGER 为每个船闸设置通往太平洋 的船的计数值,初值都为 0 对count设置互斥信号量 mutex 去大西洋的进程: int j for(j=0;jT,j+) P(mutex) if(count1j=0) P(Sj) countj+ 过第j+1个船闸 P(mutex) countj- if(countj=0) V(Sj) V(mutex) 去太平洋的进程： int k for(k=T-1;kT,k+) P(mutex) if(count2k=0) P(Sk) countk+ 过第k+1个船闸 P(mutex) countk- if(countk=0) V(Sk) V(mutex) 35.某银行有人民币储蓄业务，由n个柜员负责，每个顾客进入 银行后，先取一个号，并且 等着叫号，当一个柜员人员空闲下来，就叫上一个号，使用 P,V操作正确编写柜台人员和 顾客进程的程序！ 解; 取号的互斥信号量 mutex,叫号的互斥信号量mutex1 柜台人员和顾客进程的同步信号量为 S1,S2, 初值分别为n,0 柜台人员进程： P(S2) (无顾客则等待) P(mutex1) 叫号 V(mutex1) 服务 V(S1) 顾客进程 P(mutex) 取号 V(mutex) P(S1) 享受服务 V(S2) 36,设A,B,C三个进程共享一个存储资源F,A对F只读不写，B对 F只写不读，C对F先读后写。 （当一个进程写F时，其他进程既不能读F，也不能写F,但多个 进程同时读F是允许的）试 利用管程的方法或者P,V操作，写出A,B,C三个进程的框架， 要求：（1）执行正确 （2）正常运行时不产生死锁；(3)使用F的并发度高 37,某系统如此定义P,V操作 P(S) S=S-1 若S1本进程进入等待队列末尾，否则继续进行 V(S) S=S+1 若S0,释放等待队列中末尾的进程，否则继续运行。 现有四个进程P1,P2,P3,P4竞争使用某一需要互斥使用的资源 （每个进程可能反复使用多 次），使用这样的P,V操作来正确的实现互斥。 解: S:ARRAY0,3 OF Semaphore初值为si=i,i=0,1,2,3 访问进程 for i:=3 downto 1 do P(si) 临界区操作 for i:=1 To N-1 Do V(Si) 38,请用进程通信的办法解决生产者，消费者问题 39,请用管程实现哲学家就餐问题 进程管理 1).多道程序设计和并发 内存允许多个程序进入，操作系统能够同时执行这些程序 CPU在多个进程之间调度，切换 系统有时有进程，有线程 对CPU的管理： 每个实体都有一个环境，多个实体间存在一个切换 从顺序执行开始，到并发执行，会产生许多特征 顺序执行-并发执行(不可再现性)-与时间有关的错误 并发执行的结果，不可再现，由于每个程序执行的速度不 同，会带来不一致性。 与时间有关的错误，即包括互斥（飞机订票系统，一张票卖 给两个顾客，竞争条件）， 这是由于并发执行，且资源共享引起的。 2).进程模型 进程：正在执行的程序，系统中同时会有许多程序在执行 进程有创建，有撤销 从以下几个方面考虑进程模型： 2.1 进程的组成，进程有动态，有静态，从动态的角度讲叫 做进程映像。 一个系统中与进程有关的实体和空间 1.程序的地址 2.进程所需的数据 3.进程运行过程中所遗留的 痕迹（栈） 栈是进程运行过程中临时性的信息存放的地方。 栈分为系统栈和用户栈 用户空间和系统空间时分开的。 用户地址空间包括：程序，数据和栈 PCB(进程控制块)是由系统来管理的，进程所需的信息都放 在此数据结构中。 上下文环境，PCB,数据结构是进程存在的痕迹。 地址越界：用户只能在用户的地址空间活动，不能进入其他 用户地址空间和系统空间 2.2进程状态以及状态转换 2.2.1进程控制块PCB,系统管理进程时，修改PCB 进程在运行时，通用寄存器要保存现场信息，不运行的时 候，这些信息都要保存下 来 比如，指针等，现场要保存在自己的空间中，文件系统中。 现场信息包括很多内容。 进程控制块PCB时贯穿始终的 2.2.2状态的设置与进程的控制有关系，什么时候创建进程， 什么时候中止进程，完全 由 原语来将进程从一个状态转变为另一个状态 最主要的就是了解进程的控制 3.进程的同步和互斥 这部分与 与时间有关的错误有关 同步是开发人员有意识安排的：在完成一个特定功能的软 件中，由多个进程协作，这 些进程间有时序关系，互相配合完成，而这些时序是事先安 排好的，OS不知道这些关系， 用 户通过OS提供的原语来维持这种时序。 同步：第一个进程执行道某一点后能否继续执行取决于另 一个进程能够给它发消息。 进程的互斥：各个进程间要求共享资源，竞争使用资源。 书上讲解了“竞争条件”这一概念。 4.临界区：只允许一个进程使用的资源叫临界资源 竞争使用同一个资源的 不是一个进程的，而是以上进程 对于临界区的要求 1)任何两个进程不能同时处于临界区，即两段程序是不能 交叉的 临界区的程序是可以中断执行的 2）如果想进入临界区，又进不去，则阻塞“有空让进，无 空等待，有限等待” 3）不应对进程的速度和进程的数目作假设 解决互斥的问题： *1 用户关闭中断会出现问题（忘了开中断，怎么办？） *2 锁变量在解决互斥问题时，也可以引入新得互斥 *3 严格轮换法 以上三种方法都不能解决互斥。 以下两个都不考： #1 Peterson Delker 知道算法，但不考 #2 用硬件法解决互斥也不考 重点：5. 掌握信号量以及PV操作 5.1 信号量和PV操作 down -up (首选) P-V (也对) wait-signal（错误) 原理：在执行过程中，不可分割. down操作:对信号量：-1,若小于1，则阻塞，送到等待队列 up 操作：+1,若小于等于0，相应的信号量等于等待队列上 的进程。 重点中重点：必有P V操作的题： 解题的要素：1)设置好每个信号量（每道题的分数由若干部 分组成） 列出所有的信号量及其初值就给分 2）写PV，操作时，PV操作部分不能用自然语言， 其余的部分 可用伪码，自然语言均可 begin -end , repeat -until(搞清楚 2分) 读者-写者(循环) 生产-消费（不循环） 6.几个典型模型（考试不会超过此类模型） 6.1 生产者-消费者类型 思想：由一些 buffer,一些进程向Buffer 中写，另一些向Buffer 中读 回家总结： *1 一个生产者，一个消费者，一个buffer *2 一个生产者，一个消费者，一些buffer *3 一个生产者，多个消费者，一个或者多个buffer *4 多个生产者，多个消费者，一个或者多个buffer(最复 杂，不考！0) 6.2 哲学家进餐问题(认真读书上的每句话) 对于多个竞争进程互斥访问资源是非常有用的！ 6.3 读者-写者问题(P42) 对共享资源的操作 读有许多读者，但写时只有一个写。 若是两组读者问题，第二个读者将第一个得拷贝过来，变 量改变一下 2003年的考研题，运河问题均是读者-写者问题 2003年考研题思路： 如何限制只有3个过，第四个不能过。 关键在于问题如何分解 树上这种读者，写者会出现饥饿，但本题要求不出现饥饿 大船方向：写者，小船方向：写者 把原来程序的框架写出，将细节只允许3个船过（不允许出 现饥饿）补充进去 6.4 理发师问题(P43) 6.5 吸烟者模型 小的问题：eg:银行叫号, 阅览室问题，（来一个申请一个 资源，若干个进程对资 源的使用问题），考场问题（同步关系，比较简单） 做题套路：1）先写出程序 2)找出进程间的关系(分解开找， 先找互斥，再找同步，一 个关系设置一个信号量) 3）P,V嵌入到相应的位置，信号量是 在找关系的时候定好的！一 个一个关系找，不要嫌麻烦 4）赋好初值 5）注意细节（是否 需要循环） PV匹配，但存在 if-else 语局时会有问题，信号量的操作，只 能出现在P V中，而不会 出现在P,V语句之外，且不要写出有死锁的程序。 五. 进程通信 进程通信包括同步，互斥，本部分是高级的进程通信，P,V 是简单进程通信！ linux中，信号量，共享内存，消息队列，Socket，管道均是 通信机制 Windows中，互斥队列，信号量对象等均是通信机制。 分为如下几类： 1. 共享内存 与读-写者问题是同一模型，若P个进程互相通信（重 点），要了解实现和设计细节 1.1 设置共享内存存取方式 读者如何互斥，写者如何互斥 1.2消息传递方式(OS 中用的多) 设计要点： 1)两个进程间收发消息模型 send-receive的操作来完成 消息的传递会产生如下问题：发送的消息会不会丢失， 解决方案：作一个回答 ； 应答会不会丢！ 重发一条消息，接受道两个同一信息所带来的问题！ 消息本身会不会有差错！ 2） 给