操作系统习题集

操作系统基础

习题解析及实验指导

第一篇操作系统基础知识点及习题解答

该部分罗列操作系统基础各章节的学习要点，指出学习的重点和难点，在回顾相关知识点的基础上，对典型习题进行分析和解答。

第一章操作系统引论

本章学习要点

【1】掌握操作系统的概念与作用

【2】掌握操作系统的基本类型与特点

【3】掌握操作系统的特征与功能

【4】深入领会多道程序设计技术

本章学习难点

【1】多道程序设计技术

【2】操作系统的特征

知识点回顾

一. 操作系统的概念

一个完整的计算机系统由计算机硬件系统和计算机软件系统两部分组成。操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统功能的第一次扩充。

图1-1 计算机系统的层次图

1.操作系统（Operating System，简称OS）的作用

（1）OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口

OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机系统。或者说，用户在OS 的帮助下能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。

（2）OS作为计算机系统资源的管理者

这是广为流行的一个关于OS作用的观点。在一个计算机系统中，通常都包含了各种各样的硬件和软件资源。归纳起来可将资源分为四类：处理器、存储器、I／O设备以及信息(数据和程序)。OS的主要功能正是针对这四类资源进行有效的管理。

（3）OS用作扩充机器

对于一台完全没有软件配置的计算机系统(裸机)，即使功能再强，也必定难于使用。OS在

裸机上分别覆盖I／O设备管理软件、文件管理软件等，此时用户所看到的机器，将是一台比裸机功能更强、使用更方便的机器。通常把覆盖了软件的机器称为扩充机器或虚机器。

在计算机系统上覆盖上一层软件后，系统功能便增强一级。由于OS自身包含了若干层软件，因此当在裸机上覆盖上OS后，便可获得一台功能显着增强，使用极为方便的多层扩充机器或多层虚机器。

2.操作系统的概念

操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理组织计算机的工作流程，方便用户使用的程序的集合。

操作系统是裸机上的第一层软件，是对硬件功能的首次扩充。

二. 操作系统的发展过程

人工操作方式→脱机输入输出技术→批处理技术→分时、实时系统→通用操作系统→微机操作系统→网络操作系统→分布式操作系统

1.脱机输入输出技术

为解决人工操作阶段存在的人机矛盾以及CPU与I/O速度不匹配的矛盾，引入脱机输入输出技术。系统中除主机外配置一台外围机（又称卫星机），它只与输入输出设备打交道，不与主机相连，即脱机。用户程序与数据可以在外围机控制下（脱离主机控制）预先从低速设备输入到磁带上，CPU需要时再从磁带上输入到主机，即脱机输入技术，以解决CPU与I/O速度不匹配的矛盾。类似地，脱机输出技术通过外围机完成数据从主机到磁带，再到低速输出设备上的输出操作。由于主机CPU只与高速的输入输出设备打交道，从而有效地减少了CPU等待低速设备输入输出的时间。

图1-2 脱机输入/输出方式

2.批处理技术

批处理技术是指计算机对一批作业自动进行处理的一种技术。

早期的计算机系统为了充分利用系统资源，通常把一批作业以脱机输入方式输入到磁带上，并在系统中配置监督程序，依次将作业装入内存，控制磁带上的作业自动地、一个接一个地进行处理，这样就形成了早期的单道批处理系统。

3.多道程序设计技术

为进一步改进单道批处理系统中CPU和内存利用率较低的问题，引进多道程序设计技术。

多道程序设计技术同时将多个作业放入内存并允许作业交替执行，共享系统中的资源。宏观上

并行，微观上串行。

多道程序设计技术能有效提高系统的吞吐量和改善资源利用率，但是为了协调内存中运行的多道程序，应妥善解决处理机分配、内存分配、设备分配、文件安全、作业组织的问题。为解决上述问题而设置的一组软件就形成了操作系统。

图1-3多道程序运行情况

三. 操作系统的分类

1. 单用户操作系统

2. 批处理操作系统 （1） 单道批处理系统

把一批作业以脱机方式输入到磁带上，在系统中配上监督程序，在它的控制下使这批作业能自动地一个接一个地顺序处理。对作业的处理是成批进行的、且内存中始终只保持一道作业。 （2） 多道批处理系统

♉ 引入多道批处理的目的

a) 提高CPU 的利用率

b) 提高内存和I/O 设备的利用率 c) 增加系统吞吐量

♉ 多道批处理的特征——多道性、无序性、调度性 ♉ 多道批处理的优缺点

资源利用率高，系统吞吐量大，但平均周转时间长，无交互能力。

3. 分时操作系统

在分时操作系统中，一台计算机和多台终端相连，每个用户通过自己的终端向系统发出命令请求，系统分析并完成各用户的请求。 （1） 单道分时系统

内存中只驻留一道作业，当其运行一个时间片后，调至外存，再从外存上选一个作业进入

程序A 输入设备 输出设备 CPU

程序B 程序A 程序

B 程序A 程序

B 运行处理 输入数据 运行处理 输出数据 运行处理 输出数据

等待CPU 运行处理

内存。作业频繁调进调出，开销大，系统性能较差。

（2）具有“前台”和“后台”的分时系统

内存被固定地划分为“前台区”和“后台区”。前台区存放按时间片“调进”和“调出”的作业流，后台区存放批处理作业。仅当前台无作业运行时，方才运行后台的作业。

（3）多道分时系统

内存中的多道作业轮流获得一个时间片来运行。

分时系统的特征具有多路性、独立性、及时性和交互性等特征。

4.实时操作系统

能使计算机系统接收到外部信号后及时进行处理，并且在严格的规定时间内处理结束，再给出反馈信号的操作系统。实时操作系统分为实时控制系统和实时信息处理系统。例如生产过程控制系统、航空订票系统等。实时系统具有多路性、独立性、及时性、交互性和可靠性等特征。

实时控制系统是以计算机为中心的生产过程控制系统，又称为计算机控制系统，要求快速的响应时间，可靠性要求高。实时信息处理系统在响应时间上和分时系统处于同一级别，但更强调可靠性和安全性，交互性差。

批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统是三种基本的操作系统类型。如果一个操作系统兼有三者或其中二者的功能，则该操作系统称为通用操作系统。

5.其它操作系统

包括网络操作系统、分布式操作系统等。

四. 操作系统特征——并发、共享、虚拟、异步性

1.并发

并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。宏观上是同时的，微观上是交替的。程序的并发执行能有效改善系统资源的利用率，但会使系统复杂化。要注意区别并发和并行两个概念。

2.共享

系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。根据资源的不同属性，可分为两种资源共享方式：互斥共享和同时访问。

并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，两者之间互为存在的条件。一方面，资源的共享是以程序的并发执行为前提的；另一方面，系统若不能对资源共享实施有效管理，则程序的并发执行则无法实现。

3.虚拟

通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物，物理实体是实的，即实际存在，而后者是虚的，是用户的感觉。例如虚拟内存、虚拟设备等。

4.异步性

在多道程序环境下，多个进程并发执行，但由于资源等因素的限制，内存中的每个进程何