第一章 操作系统概论
1.1 批处理系统的目标是什么?
计算机进入第二代----晶体管时代后,计算机速度有了很大提高,这使得人机矛盾突出,严重制约计算机工作效率.当时,计算机非常少而贵,人们迫切希望提高效率地使用计算机. 为了解决这种矛盾,就要设法减少手工操作时间,因此研制出了实现作业自动过度的批处理系统.
1.2 为什么要引入多道程序并发执行技术?
单道批处理系统中任何时刻只有一道作业在内存中,输入输出都是串行的,导致I/O设备和CPU串行工作,从而总有空闲资源,I/O工作CPU闲,反之CPU忙.
为了进一步提高资源利用率,最终提高系统吞吐(系统单位时间完成总工作量),在20世纪60年代引入多道程序并发执行技术,从而形成了多道批处理系统.
1.3 分析单道与多道批处理系统的优缺点
多道批处理系统优点是:1.在内存中同事存放多道程序,在操作系统控制下交替执行.
2.用户提交作业先存放在外存中,排成一个队列,然后有作业调度程序按一定策略从队列选择若干作业调入内存,使它们并发运行,从而共享系统各种资源,提高系统吞吐.
3.宏观并行,微观串行.让用户感觉在同时并行.
缺点:1.单处理机系统中,每个时刻只能运行一道程序指令,所以同时在内存中的多道程序不能同时在一个CPU上运行,必须进行合理调度.
2.操作系统调度下,多道程序以不可预知时间开始运行,以不可预知速度运行,也以不可预知的时间结束.
反之是单道批处理系统优缺点.
1.4 为什么引入分时操作系统?
多道批处理系统虽然提高计算机资源利用和系统吞吐,但是缺少人机交互能力,即用户把作业交给计算机系统后就完全脱离自己作业,不能干预,只有当运行结束后才能修正可能在运行中的错误.
因此希望能够进行人机交互以便能即使干预运行中可能出现的错误.由此引入分时操作系统.
1.5 分时系统怎样实现?
虽然若干用户通过各自终端共享一台主机,但在操作系统管理下,每个用户感觉自己短占这台主机.其策略是:基于主机高速运行,分时为终端用户服务,即主机按一定次序轮流为各终端用户服务,每个用户一次仅使用主机很短一段时间(时间很短,其他用户感觉不出来在等待)
1.6 实时操作系统应用在哪些场合?
1.实时控制:要求能实时采集现场数据,并对所采集数据进行及时处理,进而自动控制相应的执行机构,使某些参数能按预定规律变化.用于武器控制(飞机自动,导弹制导系统等)
2.实时信息处理:此系统有一台或多台主机通过通信线路连接成百上千个远程终端,系统接受远程发来的服务请求对数据进行检索和处理并及时将结果反馈给用户.(典型:订票系统,情报检索系统)用分时效果就很差了.
1.7 实时系统有哪些特点?
1.及时性
2.可靠性.软硬件性能要求高,瘫痪后后果严重,因此必须保证可靠性.常用措施:双机机制,即准备2台相同功能计算机,一台为主机,另一台后备,2台同时工作,后备不产生输出.若主机故障了,后备立即能够代替主机继续工作.人机交互性差.
第二章 进程管理
2.1 操作系统为什么要引入进程的概念?
引入进程前,由于程序并发运行的特性:顺序性,间断性和不可再现性,用程序段作为描述其执行过程和共享资源的基本单位,既增加了OS设计和实现的复杂性,又无法反应OS应具有的程序执行的并发,用户随机性,以及资源共享等特征.这就需要一个既能描述程序的执行过程,又能用来共享资源的基本单位.
2.2 什么是进程并发性.
指多个进程实体,共存于内存中,能在一段时间内同时执行.并发性是进程和OS的重要特征.提高并发性,可以提高系统的效率.
2.3 基本进程,引入挂起态的进程,linux进程的状态转换图.
2.4 PCB作用，为什么说PCB是进程存在唯一标志？
PCB作用：a.集中反映一个进程的动态特征（当前状态，本身特性）;
b.反映进程并发执行时，资源共享的关系和各进程之间相互制约的关系。
a.当创建一个进程时，首先创建PCB，然后根据PCB中的信息对进程实施有效的管理和控制，当进程完成其功能后，系统必须释放PCB，进程才随之消亡;
b.PCB中的进程标识符，用于唯一地标识一个进程。
2.5 进程由哪几部分构成？
基本PCB：进程标识符
处理机状态
进程调度信息
进程控制信息。
Linux PCB:1.进程描述信息：（1）进程标识号（2）用户和组标识（3）连接信息
2.进程控制信息：（1）进程当前状态（2）调度信息（3）记时信息（4）通信信息
3.进程资源信息
4.CPU现场信息
2.6 进程基本状态转换及原因？
就绪－>执行 调度
执行－>就绪 时间片到
执行－>等待 等待某个事件发生而睡眠
等待－>就绪 因等待事情发生而唤醒
2.7 创建一个进程时所需要做的工作？
（1）申请空白PCB
（2）为新进程分配资源。
包括程序、数据及用户栈所需要的内存空间。对于批处理作业，其大小可在用户提出创建进程要求时提供。对于交互型作业，用户可以不给出内存要求而由系统分配一定的空间。
（3）初始化PCB。包括：
a.标识信息：进程标识符、父进程标识符；
b.处理机状态信息，使程序计数器指向程序入口地址，使栈指针指向栈顶；
c.处理机控制信息，将新建进程状态设置为就绪；
d.进程优先级。
（4）将新建进程插入就绪队列。
2.8 进程初级和高级通信有哪些？
进程间通信分为控制信息的传送与大量信息的传送。
进程控制信息交换称为低级通信（效率低，信息量少）：同步与互斥的PV操作
大批量数据交换称为高级通信：share memory，message，pipe and signal。
2.9 比较信号与中断的相似点和区别。
信号是对中断的一种模仿又叫软中断。
信号与中断的相似点：
（1）采用的异步通信方式是相同的。
（2）当有中断请求或检测出有信号时，都暂停正在执行的程序而转去执行相应处理程序。
（3）都在处理完毕后返回到原来的断电。
（4）对信号或中断都可以进行屏蔽。
信号与中断的区别如下：
（1）中断有优先级，而信号没有优先级，所有信号都是平等的。
（2）信号处理程序是在用户态下运行的，而中断处理程序是在核心态下运行的。
（3）中断响应是及时的，而信号响应通常都有较大的时间延迟。
2.9 什么是多线程机制？有什么好处？区别ULT、KLT、ULT＋KLT。
多线程机制是指操作系统支持在一个进程内执行多个线程的能力。好处：提高系统效率，通过线程方便有效地实现并发性。
ULT：
优点：（1）应用程序中线程开关的时空开销远小于内核线程的开销。
（2）线程的调度算法与操作系统的调度算法无关
（3）ULT方法适用于任何操作系统，因为它与内核无关。
缺点：（1）在一个典型OS中，有许多系统请求正被阻塞着，So，当线程执行一个系统请求时，不仅本线程阻塞，而且该进程中所有线程都被阻塞。
（2）在该方法系统中，因为每个进程每次只能由一个线程在CPU上运行，So，一个多线程应用无法利用多处理器的优点。
KLT：
优点：（1）内核可调度一个进程中的多个线程，使其同时在多个处理机上并行运行，提高系统效率。
（2）当进程中的一个线程被阻塞时，进程中的其他线程仍可运行。
（3）内核本身可以以线程方式实现。
缺点：线程调度程序运行在内核态，而应用程序运行在用户态，因此同一进程中的线程切换要经过从用户态到核心态，再从核心态到用户态的两次模式转换。
ULT+KLT：内核支持多线程建立、调度和管理；同时系统中又提供使用线程库，允许用户应用程序建立、调度和管理用户级线程。
第三章 处理机调度
3.1 处理机调度的主要目的是什么？
处理机调度的主要目的是：为批处理系统了分配处理机。
3.2 高级调度、中级调度、低级调度的功能是什么？
高级调度：如作业调度，用于选择把外存上处于后备队列中的哪些作业调入内存，并为它们创建进程、分配必
要的资源。然后再将新创建的进程排在就绪队列上，准备执行。
中级调度：如对换，按照给定策略，将处于外存交换区中的就绪状态或等待状态的进程调入内存，或把处于内
存就绪状态或内存等待状态的进程交换到外存交换区。
低级调度：如进程调度，按照某种策略和算法，将处理机分配给一个处于就绪状态的进程。确认了占用处理机
的进程后，系统必须进行进程上下文切换以建立与占用处理机进程相适应的执行环境。
3.3 处理机调度可分为哪3级？哪一级必不可少？
作业调度、对换（交换调度）、进程调度
处理机调度一般可分为高级调度（作业调度）、中级调度和低级调度（进程调度）。其中进程调度必不可少。
进程只有在得到CPU之后才能真正活动起来，所有就绪进程经由进程调度才能获得CPU的控制权；实际上，进程调度完成一台物理的CPU转变成多台虚拟（或逻辑）的CPU的工作；进程调度的实现策略往往决定了操作系统的类型，其算法优劣直接影响整个系统的性能。
3.4 作业在其存在的过程中分为哪4种状态？
提交状态：一个作业在处于从输入设备进入外部存储设备的过程。处于提交状态的作业，其信息未全部进入系
统，不能被调度程序选中。
后备状态：若一个作业全部信息已全被输入到输入井，则在它还未被调度执行之前，该作业处于后备状态。
执行状态：作业调度程序从后备作业中选取若干个作业到内存中运行，及为被选中作业建立进程并分配必要的
资源，这时，这些被选中的作业处于执行状态（宏观一直执行，微观被处理机调度执行）。
完成状态：作业运行完毕，但资源尚未全部被系统回收。
3.5 作业提交后是否马上放在内存中？为什么？
在批处理系统中，作业提交后并不是马上都放在内存中。其原因是：内存容量有限，而提交的作业数量可能很多，无法把他们都放入内存，当内存中可以同时运行的作业太多时，会影响系统的性能，如使周转时间太长；另外，大量的作业被收容在输入井（磁盘）中，可以选择对资源需求不同的作业进行合理搭配，再放再内存中，从而似的系统的个部分都得到均衡利用。
3.6 在确定调度方式和调度算法时，常用的评价准则有哪些？
面向用户的准则：a周转时间短；b响应时间快；c截止时间的保证；d优先权准则。
面向系统的准则：a系统吞吐量；b处理机的利用率；c各类资源的平衡利用。
3.7 什么是实时调度？与非实时调度相比，有何区别？
3.8 在批处理系统中、分时系统和实时系统中，各采用哪几种进程（作业）调度算法？
1.单道批:a.FCFS b.SJF c.高响应比优先
2.多道批:a.FCFS b.基于优先级 c.分时和优先级相结合 d.综合考虑资源要求
3.分时系统:a.轮转调度算法 b.时间片轮转算法
4.实时系统:a.优先级算法 b.多级队列调度算法 c.多级反馈队列调度算法
3.9 在操作系统中，引起进程调度的主要因素有哪些？
1.一般并发执行情况下：
a.完成任务
b.等待资源
c.时间片到
d.进入睡眠
e.发现标志(系统调用执行完,返回用户进程)
f.优先级变化(只有CPU执行方式为可剥夺时)
2.Linux系统,没有专门调度进程,需要调度时,调用一个调度函数完成:
a.用户创建进程时,调度函数开始执行
b.进程资源得不到满足,处于等待状态;进程退出转入僵死状态.这2种状态转换完成后,调用调度函数,选择新的进程分配给CPU
c.分时系统中,时间片到,释放CPU.
e.用户进程可以在用户态和核心态之间切换,用户态可通过中断或者系统调用转入核心态(中断来源于外部,系统调用是内部).从核心态转入用户态时,调用调度函数,发生调度.
第四章 存储器管理
4.1存储管理的功能是什么?
希望提高存储器的利用率,提高系统性能.
存储管理系统分内存和外存，都是用来存储资料的。内存是暂时存储资料，存取速度快，断电后存储器会释放空间所以资料会不见。而外存（也是常说硬盘）是氷久性存储资料，断电后资料还在只要你不把资料删除就一直存在。不过存取速度比内存慢。
4.2存储分配的方式有几种?
1连续分配存储管理方式:a单道程序连续分配;b固定分区分配方式;c动态分区分配;d可叠定位分区
2分页存储管理方式
3分段存储管理方式
4段页式存储管理方式
4.3什么叫虚拟存储器?
虚拟存储器是作业运行时,仅把部分运行到的程序和数据装入内存便可以运行的虚拟存储系统.
具体地讲,是指具有请求调入功能和置换功能,并能从逻辑上对内存空间进行扩充的一种存储器系统.
4.4简述目前常用的几种分区分配方法.
1.固定分区分配:OS启动时就划分好分区的大小和个数,程序运行期间,整个系统中的分区不在变化.
2.动态分区分配:根据需要动态分配内存.
3.可重定位分区:程序执行时,真正访问的内存地址是由程序逻辑地址与重定位寄存器中程序加载内存的起始地址相加而成.地址变换过程是在程序执行期间随着对每条指令和数据访问而进行的,故称为动态重定位.
4.5简述请求页式存储管理的实现思想.
主存被分成一些大小相等的物理块,程序的地址空间被分成一些逻辑页面,逻辑页与物理块大小相同.为程序分配内存空间时,程序和数据以页为单位分配内存块,将一个逻辑页存放在一个物理块中.为了便于实现动态地址变换,一般物理块大小为2的n次方个扇区,如1K,2K,4K等.
4.6缺页中断和一般中断的主要区别.
a.在指令的执行期间产生和处理缺页信号。通常的CPU外部中断，是在每条指令执行完毕后检查是否有中断请求到达。而缺页中断，是在一条指令的执行期间，发现要访问的指令和数据不在内存时产生和处理的。
b.一条指令可以产生多个缺页中断。例如，一条双操作数的指令，每个操作数都不在内存中，这条指令执行时，将产生两个中断。CPU提供的硬件支持，还要体现在当从中断处理程序返回时，能够正确执行产生缺页中断的指令。
4.7
4.8图给出了某系统中的空闲分区表,系统采用可变式分区存储管理(动态分区分配)策略.现在以下列作业序列:96K,20K,200K.若用首次适应算法和最佳适应算法来处理这些作业序列,试问哪一种算法可以满足该作业序列的请求,为什么?
应当选用最佳适应算法.
如果用首次适应算法,是按照地址将空闲分区排序,作业分配内存顺序为20K->32K, 96K->218K,此时200K的作业没有满足的内存分配了.
按照最佳适应算法:先把空闲分区从小到大排序,作业分配内存顺序则是:20K->32K, 96K->96K, 200K->218K.
4.9在系统中,采用固定分区分配管理方式,内存分区如图.现在有大小为1K,9K,33K,121K的多个作业要求进入内存,设内存分配策略采用最佳分配算法,试画出它们进入到内存后内存空间的分配情况,并说明内存浪费有多大?
作业在固定内存分配表中依次从上往下占据.总的内存浪费为所有内碎片相加:
(28-20-1)+(60-28-9)+(180-60-33)+(512-1-180-121)
4.10有一个请求分页存储管理系统,页面大小为每页100字节.有一个50X50的整型数组按行连续存放,每个整数占2个字节,将数据初始化为0的程序描述如下:
程序A:
int a[50][50];
int i,j;
for(i=0;i<=49;i++)
for(j=0;j<=49;j++)
a[i][j]=0;
程序B:
int i,j;
for (j=0;j<=49;j++)
for (i=0;i<=49;i++)
a[i][j]=0;
若在程序执行时内存中只有一个页面用来存放数组信息,试问程序A,B执行时分别产生多少次缺页中断?
数组中有50X50=2500个整数, 每个整数2个字节,需要内存空间为2500X2=5000个字节.
每页大小100字节,需要5000/100=50页.假设数据从第n页开始存放,那么会将这2500个整数分布在n~(n+49)页里面,分布如下:
a[0][0],a[0][1]......a[0][49] 第n页
a[1][0],a[1][1]......a[1][49] 第n+1页
.
.
.
a[49][0],a[49][1]......a[49][49] 第n+49页
由于程序A初始化数组是按行进行的,因此,每次缺页中断调进一页后,位于该业内的数组元素都被赋予0,然后调入下一页,所以涉及的页面走向为n,n+1,...n+49.故程序A缺页次数为50次.
而程序B是:按列初始化,因此缺页中断为50X50=2500次.
4.11试分析分页系统和分段系统的主要区别.
相同点:
二者在内存中都是离散的,都是通过地址映射机构将逻辑地址映射到物理地址中.
区别:
a.页是信息的物理单位,分页是为了实现离散分配,提高内存利用率,便于系统管理;段是信息逻辑单位,每一段在逻辑上是相对完整的一组信息,是为了满足用户的需要.
b.页式存储管理的逻辑空间是一维的,地址从0开始编号;段式存储管理作业地址空间是二维的,要识别一个地址,除给出段内地址外,还必须给出段号.
c.物理块的长度由系统决定,是等长的;而段长度是由具有相对完整意义的信息长度决定.
4.12设有一页式存储管理系统,向用户提供的逻辑地址空间最大为16页,每页大小为2KB,内存总共有8个存储块,试问逻辑地址至少应为多少位?内存空间多大?
2K * 16页 = 32768 = 2的15次方,因此逻辑地址至少应为15位.
2K * 8块 = 16384 = 2的14次方 = 16K,因此内存空间有16K.
第五章 文件系统
第六章 设备管理
6.1设备通常有哪几种分类方法?可以分为哪几种类型?
1使用特性:a存储设备 b输入/输出设备
2传输速率:a低速设备 b中速设备 c高速设备
3信息传输单位:a块设备 b字符设备
4资源分配方式:a独占设备 b共享设备 c虚拟设备
6.2数据传输控制方式有哪几种?各有什么特点?
1程序直接控制方式:CPU和设备只能串行工作.使CPU和设备利用率低,导致计算机工作效率低.
2中断控制方式:优点是提高CPU和设备利用率.缺点是由于每次的数据传输单位是设备控制器的数据缓冲寄存器的容量,单位传输数据量小,中断次数多,消耗CPU的时间多.
3DMA方式:内存和I/O设备之间进行大批量数据传输时,不由CPU控制具体传输过程,CPU只需提出要求,由DMA控制器控制具体传输过程.在DMA控制器的控制下,在外设和内存之间开辟了直接的数据传输通路,不需要经过CPU的数据寄存器中转.DMA的数据传输单位是数据块,仅在数据块传输结束时才向CPU发出中断信号,减少了中断次数.
缺点:智能化低,CPU干预较多,仍要CPU运行设备驱动程序来进行.
4通道控制方式:专门的I/O事务处理机构-通道.接受主机命令,独立执行通道程序.对外部设备的I/O进行操作控制,在内存和外设之间直接进行数据传送.当主机交付的I/O任务完成后,通道向中央处理机发出中断信号,请求CPU处理.
通道指令简单,是由于硬件简单,局限于I/O操作指令; 没有自己的内存,通道程序是放在主机内存中的, 与CPU共享内存.
6.3引入中断技术的原因有哪些?
a进程时间片到,硬件定时器发送一个时钟中断信号,通知操作系统当前运行进程的时间片用完,操作系统便可调度另一个进程运行,此时采用了时钟中断技术.
b输入输出操作时,采用查询的方式较慢,浪费CPU资源,引入中断技术.
c处理异常,如电源故障,地址越界等.
6.4中断源通常有哪些?
强迫性中断:硬件故障 程序错误 外部事件 I/O中断事件
自愿性中断:进程请求OS服务
6.5引入缓冲技术的原因有哪些?
a减少读块设备的次数
b减少对CPU的中断次数,放宽对中断响应时间的限制.
c作为无法直接通信的设备间的中转站,在内存中开辟一块缓冲区.
d解决程序所请求的逻辑记录大小和设备的物理记录大小不匹配的问题.
e加快进程的推进速度.
6.6单缓冲与双缓冲的区别是什么?
单缓冲:数据输入到缓冲区时,输入设备工作,而输出设备空闲,反之也是.因此设备不能并行工作.
双缓冲:数据输入到缓冲区1,然后进程从缓冲区1中读取数据进行处理,将输出的数据送往缓冲区2,然后将缓冲区2中的数据送往输出设备.同时从输入设备将数据输入到缓冲区1,如此继续进行,使得输入设备和输出设备并行工作.
6.7分别解释什么是独享设备和共享设备.
独占设备:被分配给一个进程后,就被该进程独占使用,其它任何进程不能使用,知道该进程使用完毕主动释放为止.即使进程占有独占设备期间,设备空闲,也不能被其它进程使用.例如打印机.
共享设备:指可以由多个进程交替使用的设备,如磁盘机.
6.8什么是设备独立性?为什么要引入设备独立性?
1.应用程序独立于具体使用的物理设备。为了实现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备这两格概念。在应用程序中，使用逻辑设备名称来请求使用某类设备；而系统在实际执行时，还必须使用物理设备名称。
2.在现代操作系统中，为了提高系统的可适应性和可扩展性，都毫无例外地实现了设备独立性，也即设备无关性。其基本含义是，应用程序独立于具体使用的物理设备，即应用程序以逻辑设备名称来请求使用某类设备。
进一步说，在实现了设备独立性的功能后，可带来两方面的好处：（1）设备分配时的灵活性；（2）易于实现I/O重定向(指用于I/O操作的设备可以更换即重定向，而不必改变应用程序)。
3.为了实现设备的独立性，应引入逻辑设备和物理设备两个概念。在应用程序中，使用逻辑设备名称来请求使用某类设备；而系统执行时，是使用物理设备名称。鉴于驱动程序是一个与硬件（或设备）紧密相关的软件，必须在驱动程序之上设置一层软件，称为设备独立性软件，以执行所有设备的公有操作、完成逻辑设备名到物理设备名的转换（为此应设置一张逻辑设备表）并向用户层（或文件层）软件提供统一接口，从而实现设备的独立性。
6.9什么是虚拟设备技术?
用一共享设备--高速存储设备上的存储区域模拟独占设备.虚拟设备技术的关键是预输入,缓输出.
6.10SPOOLING系统采用了哪些技术?
通道,中断技术,多道程序设计技术,虚拟设备技术
6.11 SPOOLING系统由哪些部分构成?
a输入井输出井
b输入缓冲区和输出缓冲区
c输入进程和输出进程
6.12 I/O控制过程包括哪几个步骤?
a响应I/O请求,为在具体物理设备上进行I/O操作做准备,包括将逻辑设备名转换为物理设备名,I/O请求的合法性等.
b设备驱动,控制设备完成I/O操作,对每类设备分别设备制不同的设备驱动程序.
c中断处理,I/O操作完成后,设备控制器向CPU发送中断信号,CPU响应后转向相应的中断处理程序进行善后处理.
6.13访问磁盘的时间由哪几部分构成?
a寻道时间Ts.把磁头移到指定磁道上用的时间.
b旋转延迟Tr.指定扇区旋转到磁头下经历的时间.
c传输时间Tt.把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间,由读写的字节数和磁盘旋转速度决定.
Tt = b/(rN) b为依次读写字节数,r为磁盘每秒的转数,N为每条磁道的字节数.
对磁盘的访问时间T=Ts+Tr+Tt.
6.14磁盘调度算法有哪些?它们之间有何区别?
a先来先服务算法:按进程请求访问磁盘的时间先后次序进行调度.
b最短寻道时间优先算法:选择离磁头距离最近的磁道优先.
c扫描算法:不仅考虑到要访问的磁道与当前磁道间的距离,更优先考虑的是磁头当前的移动方向.比如:磁头从里向外,到最外层需要访问的磁道后,返回从外向里访问.
d循环扫描法:磁头始终从里向外访问.
6.15 Linux系统中磁盘高速缓存的原理是什么?
当从磁盘中读数据时,文件系统先从磁盘高速缓存中读,如果数据已在高速缓存中,则不必启动磁盘I/O,如果数据不在高速缓存中,则启动磁盘I/O,从磁盘读取数据送往高速缓存,进程再从高速缓存中读取数据.
当进程王磁盘写数据时,先往高速缓存写,以便随后直接从缓存中读,而不必启动磁盘读取.
"延迟写":如果缓冲区还没有写满,则不急于把缓冲区的内容写到磁盘上,而是在缓冲管理数据结构中对该缓冲区设置延迟写标志,当高速缓存中的数据延迟到必须往磁盘上写的时候才进行写操作.
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