操作系统精髓与设计原理Chap3

操作系统精髓与设计原理在我们日常使用电脑、手机等电子设备时，操作系统是那个默默工作但又至关重要的幕后英雄。

它管理着设备的硬件资源，为我们运行的各种应用程序提供了一个稳定、高效的环境。

那么，操作系统的精髓究竟是什么？它的设计原理又包含哪些关键要素呢？要理解操作系统的精髓，首先得明白它的核心任务——资源管理。

操作系统就像是一个大管家，负责合理地分配和调度计算机的各种资源，包括处理器、内存、存储设备、输入输出设备等等。

想象一下，如果没有操作系统来协调这些资源，各个程序就会像一群没有指挥的士兵，争抢有限的资源，导致整个系统陷入混乱。

以处理器资源为例，操作系统通过进程调度算法，决定哪个程序在什么时候获得处理器的使用权。

这样可以确保每个程序都能得到公平的机会运行，同时避免某个程序长时间独占处理器而导致其他程序无法响应。

常见的进程调度算法有先来先服务、短作业优先、时间片轮转等。

这些算法根据不同的需求和场景，权衡了公平性、响应时间和系统效率等因素。

内存管理也是操作系统的重要职责之一。

它要确保程序能够安全、高效地使用内存。

操作系统通过虚拟内存技术，让程序以为自己拥有了大片连续的内存空间，实际上是在物理内存和磁盘之间进行灵活的页面交换。

这样，即使物理内存有限，也能运行大型的程序。

同时，操作系统还负责内存的分配和回收，避免内存泄漏和碎片问题。

除了资源管理，操作系统还提供了一个抽象的接口，让用户和应用程序能够更方便地与硬件进行交互。

比如，我们不需要了解磁盘的具体读写机制，只需要通过操作系统提供的文件系统来进行文件的创建、读取和删除操作。

这种抽象化大大降低了使用计算机的难度，提高了开发效率。

在操作系统的设计原理中，并发和并行是两个关键概念。

并发是指多个程序在同一时间段内交替执行，而并行则是指多个程序在同一时刻同时执行。

操作系统通过进程和线程机制来实现并发和并行。

进程是程序的一次执行过程，而线程是进程中的执行单元。

通过合理地创建和管理进程和线程，操作系统能够充分利用多核处理器的优势，提高系统的性能。

•2.1 情况（a）和情况（b）具有相同的答案。

•假设处理器的操作不能重叠，但I/O操作可以。

•1job：时间周期=NT•处理器利用率=50%；•2jobs：时间周期=NT•处理器利用率=100%；•4jobs：时间周期=（2N-1)NT•处理器利用率=100%•2.2 I/O限制程序只用相对较少的处理时间，因此，受到短期调度算法的偏爱。

然而，如果一个处理器限制程序在一段很长的时间内被处理器时间拒绝，那同样的这个短期调度算法则会允许处理机去处理过去一段时间一直没有使用处理机的程序，所以，并不是永远不受理处理器限制程序所需的处理器时间。

•2.3 关于分时系统，我们所关注的是周转时间。

•首选的是时间片，因为它在一个很短的时间给•所有的程序一个访问权限去使用处理器。

在批•处理系统，我们所关注的是吞吐量和更少量的上•下文转换，对于进程来说获得了更多的处理时•间。

因此，最小化上下文转换的处理是有优势•的。

•2.4 应用程序运用系统调用去调用操作系统所•提供的功能。

关键的是，系统调用导致转换到•进入内核模式的系统程序。

操作系统第三章习题解答•3.1 系统和用户进程的创建和删除：在系统中进程对于信息共享，加速计算，模块性和便利性都能并发执行。

并发的执行需要进程的创建和删除机制。

进程所需要的资源在进程被创建时获得或者在其运行的时候分配。

当进程结束时，操作系统需要收回任何可重用资源。

•进程的挂起和恢复：在进程调度中，当进程在等待某些资源时，操作系统需要把进程状态改变成等待或者就绪状态。

当进程所要求的资源可用时，操作系统需要把它的状态变为运行状态恢复它的执行。

•进程同步机制：协调进程分享数据。

并发访问使用共享数据可能导致数据不一致性，操作系统不得不为其提供一种进程同步机制用来确保协作进程有序的实行，从而保证数据的一致性。

•进程通信机制：在操作系统下执行的进程要么是独立的进程要么是协作的进程。

协作进程必须使用某些方法来实现进程间的通信。

《操作系统精髓与设计原理》习题第三章第三章习题3.10.1关键术语阻塞态：进程在某些事件发⽣之前不能执⾏，等待这种事件发⽣的状态。

退出态：操作系统从可执⾏进程组中释放出的进程，⾃⾝停⽌了，或者因某种原因被取消。

内核态：某些指令只能在特权状态下执⾏，⽽这种特权状态称为内核态。

⼦进程：由⼀个进程创建的进程，该进程的终⽌受⽗进程的影响。

中断：由外部事件引发进程挂起，CPU转⽽去处理发起中断的事件，并处理结束后恢复进程的执⾏。

模式切换：CPU由⽤户态和核⼼态之间相互切换。

新建态：进程创建时仅仅创建了对应的进程控制块⽽没有在内存中创建相应的映像，此时进程的代码和数据在外存中进程切换：在某⼀时刻，⼀个正在运⾏的进程被中断，操作系统指定另外⼀个进程为运⾏态，并把控制权交给它。

包括为前⼀个进程保存进程控制块和上下⽂信息，并把它们替换成第⼆个进程的。

交换：内存将⼀个内存中⼀个区域的内容与辅助存贮器中⼀个区域的内容互相交换的过程。

程序状态字：包含状态代码、执⾏模式，以及其他反应进程状态的信息的单个寄存器或寄存器组。

陷阱：转向某个指定地址的⾮编程的条件转移，是由硬件⾃动激活的，跳转发⽣的位置会被记录下来。

进程控制块：操作系统中进程信息的描述，是⼀个数据结构，包含有进程标识信息、处理器状态信息、进程控制信息等。

进程映像：⼀个进程的所有组成部分，包括程序、数据、栈和进程控制块。

进程：进程是进程实体的运⾏过程，是系统资源分配和调度的基本单位。

3.10.2复习题3.1什么是指令跟踪（轨迹）？（What is an instruction trace?）An instruction trace for a program is the sequence of instructions that execute for that process.⼀个进程运⾏指令的序列称作指令轨迹。

3.2通常哪些事件会导致创建⼀个进程？（What common events lead to the creation of a process?New batch job;interactive logon;created by OS to provide a service;spawned by existing process.新的批处理作业；交互登陆（终端⽤户登陆到系统）；操作系统因为提供⼀项服务⽽创建；由现有的进程派⽣。

第1章计算机系统概述1.1、图1.3中的理想机器还有两条I/O指令：0011 = 从I/O中载入AC0111 = 把AC保存到I/O中在这种情况下，12位地址标识一个特殊的外部设备。

请给出以下程序的执行过程（按照图1.4的格式）：1.从设备5中载入AC。

2.加上存储器单元940的内容。

3.把AC保存到设备6中。

假设从设备5中取到的下一个值为3940单元中的值为2。

答案：存储器（16进制内容）：300：3005；301：5940；302：7006 步骤1：3005－>IR；步骤2：3－>AC步骤3：5940－>IR；步骤4：3＋2＝5－>AC步骤5：7006－>IR：步骤6：AC－>设备 61.2、本章中用6步来描述图1.4中的程序执行情况，请使用MAR和MBR扩充这个描述。

答案：1. a. PC中包含第一条指令的地址300，该指令的内容被送入MAR中。

b. 地址为300的指令的内容（值为十六进制数1940）被送入MBR，并且PC增1。

这两个步骤是并行完成的。

c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。

2. a. 指令寄存器IR中的地址部分（940）被送入MAR中。

b. 地址940中的值被送入MBR中。

c. MBR中的值被送入AC中。

3. a. PC中的值（301）被送入MAR中。

b. 地址为301的指令的内容（值为十六进制数5941）被送入MBR，并且PC增1。

c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。

4. a. 指令寄存器IR中的地址部分（941）被送入MAR中。

b. 地址941中的值被送入MBR中。

c. AC中以前的内容和地址为941的存储单元中的内容相加，结果保存到AC中。

5. a. PC中的值（302）被送入MAR中。

b. 地址为302的指令的内容（值为十六进制数2941）被送入MBR，并且PC增1。

c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。

6. a. 指令寄存器IR中的地址部分（941）被送入MAR中。

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。

第一章：计算机系统概述计算机系统基本组成I．处理器：控制计算机的操作，执行数据处理功能。

当只有一个处理器时，它通常指中央处理器（CPU）。

II. 主存储器：存储数据和程序。

iii．输入/输出模块：在计算机和外部环境之间移动数据。

iv．系统总线：为处理器、主存储器和输入输出模块提供通信的设施。

什么是中断？中断是指计算机的处理机用来处理外来请求或部错误的一种机制，该机制软硬件结合，使得计算机的处理机能够暂停当前指令系列的执行而转向请求指令系列的执行。

1.将计算机的处理机正在执行的指令系列称为当前指令系列，当前指令系列通常是用户程序。

2.将计算机为处理各类突发（非预期）事件请求（I/O请求,时钟请求，程序错误，硬件错误）而有待执行的指令系列称为请求指令系列，通常称为中断处理程序，是操作系统的一部分。

3.请求指令系列执行期间，可以被其它事件中断（在允许多重中断的情况下）。

4.执行请求指令系列完毕后，可以返回被暂停的原始指令系列，也可以不返回（在多道程序设计环境中）。

5.中断处理程序与社会事务中的应急事件的预案类似。

中断处理中断的发生激活了很多事情，包括处理器硬件中的事件及软件中的事件。

1.设备给处理器发出一个中断信号。

2.处理器在响应中断前结束指令系列的执行。

3.处理器对中断进行测定，确定存在未响应的中断，并给提交中断的设备发送确认信号，确认信号允许该设备取消它的中断信号。

4.处理器需要把处理权转移到中断程序中去做准备。

首先，需要保存从中断点恢复当前程序所需要的信息，要求的最少信息包括程序状态字（PSW）和保存在程序计数器中的下一条执行的指令地址，它们被压入系统控制栈中（参见附录1B）。

5.处理器把响应此中断的中断处理器入口地址装入程序的计数器中。

6.在这一点，与被中断程序相关的程序计数器和PSW被保存到系统栈中。

此外，还有一些其他信息被当作正在执行程序的状态的一部分。

7.中断处理器现在可以开始处理中断，其中包括检查与I/O操作相关的信息或其他引起中断的事件，还可能包括给I/O设备发送附加命令或应答。

第1章计算机系统概述1.1、图1.3中的理想机器还有两条I/O指令：0011 = 从I/O中载入AC0111 = 把AC保存到I/O中在这种情况下，12位地址标识一个特殊的外部设备。

请给出以下程序的执行过程（按照图1.4的格式）：1.从设备5中载入AC。

2.加上存储器单元940的内容。

3.把AC保存到设备6中。

假设从设备5中取到的下一个值为3940单元中的值为2。

答案：存储器（16进制内容）：300：3005；301：5940；302：7006步骤1：3005－>IR；步骤2：3－>AC步骤3：5940－>IR；步骤4：3＋2＝5－>AC步骤5：7006－>IR：步骤6：AC－>设备61.2、本章中用6步来描述图1.4中的程序执行情况，请使用MAR和MBR扩充这个描述。

答案：1. a. PC中包含第一条指令的地址300，该指令的内容被送入MAR中。

b. 地址为300的指令的内容（值为十六进制数1940）被送入MBR，并且PC增1。

这两个步骤是并行完成的。

c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。

2. a. 指令寄存器IR中的地址部分（940）被送入MAR中。

b. 地址940中的值被送入MBR中。

c. MBR中的值被送入AC中。

3. a. PC中的值（301）被送入MAR中。

b. 地址为301的指令的内容（值为十六进制数5941）被送入MBR，并且PC增1。

c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。

4. a. 指令寄存器IR中的地址部分（941）被送入MAR中。

b. 地址941中的值被送入MBR中。

c. AC中以前的内容和地址为941的存储单元中的内容相加，结果保存到AC中。

5. a. PC中的值（302）被送入MAR中。

b. 地址为302的指令的内容（值为十六进制数2941）被送入MBR，并且PC增1。

c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。

6. a. 指令寄存器IR中的地址部分（941）被送入MAR中。

操作系统精髓与设计原理（第5版）课后习题答案第1章计算机系统概述1.1、图1.3中的理想机器还有两条I/O指令：0011 = 从I/O中载入AC0111 = 把AC保存到I/O中在这种情况下，12位地址标识一个特殊的外部设备。

请给出以下程序的执行过程（按照图1.4的格式）：1.从设备5中载入AC。

2.加上存储器单元940的内容。

3.把AC保存到设备6中。

假设从设备5中取到的下一个值为3940单元中的值为2。

答案：存储器（16进制内容）：300：3005；301：5940；302：7006步骤1：3005－>IR；步骤2：3－>AC步骤3：5940－>IR；步骤4：3＋2＝5－>AC步骤5：7006－>IR：步骤6：AC－>设备61.2、本章中用6步来描述图1.4中的程序执行情况，请使用MAR 和MBR扩充这个描述。

答案：1. a. PC中包含第一条指令的地址300，该指令的内容被送入MAR中。

b. 地址为300的指令的内容（值为十六进制数1940）被送入MBR，并且PC增1。

这两个步骤是并行完成的。

c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。

2. a. 指令寄存器IR中的地址部分（940）被送入MAR中。

b. 地址940中的值被送入MBR中。

c. MBR中的值被送入AC中。

3. a. PC中的值（301）被送入MAR中。

b. 地址为301的指令的内容（值为十六进制数5941）被送入MBR，并且PC增1。

c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。

4. a. 指令寄存器IR中的地址部分（941）被送入MAR中。

b. 地址941中的值被送入MBR中。

c. AC中以前的内容和地址为941的存储单元中的内容相加，结果保存到AC中。

5. a. PC中的值（302）被送入MAR中。

b. 地址为302的指令的内容（值为十六进制数2941）被送入MBR，并且PC增1。

c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。

操作系统--精髓与设计原理（第⼋版）第三章复习题答案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 哪些常见事件会触发进程的创建？新的批处理作业、交互系统登陆、为提供服务⽽由操作系统创建、现有进程派⽣3.3 简要定义图3.6所⽰进程模型中的每种状态。

新建态：刚刚创建的进程，OS还未将其加⼊可执⾏进程组，通常是操作系统为进程创建了PCB但未加载到内存中的新进程。

就绪态：进程运⾏所需的条件都已具备，等待运⾏机会运⾏态：进程占有CPU，正在执⾏阻塞态：进程正在等待某事件发⽣（例如I/O事件）退出态：OS从可执⾏进程组中释放的进程，⾃⾝已停⽌或因某种原因被取消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3.5 什么是交换，其⽬的是什么？交换是把主存中某个进程的⼀部分或者全部内容转移到磁盘。

当主存中没有就绪态进程时，OS讲⼀个阻塞态进程换出到磁盘中的挂起队列，使另⼀个进程可以进⼊主存执⾏。

3.6 为何图3.9(b)中有两个阻塞态？两个独⽴的概念，进程是否在等待⼀个事件（阻塞）以及进程是否已经被换出主存（挂起）。

为适应2*2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。

进程不能⽴即执⾏进程可能在或不在等待⼀个事件。

若在等待⼀个事件，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执⾏。

为阻⽌该进程执⾏，代理置其于挂起态，代理可以是进程本⾝、⽗进程或OS除⾮代理显式的命令系统进⾏状态转换，否则进程⽆法从这⼀状态转移3.8 操作系统会为哪类实体维护信息表？内存、⽂件、I/O，进程3.9 列出进程控制块的三类信息。

进程标识信息、进程状态信息、进程控制信息3.10 为什么需要两种模式？为防⽌OS收到破坏或修改，⽤户模式下可执⾏的指令和访问的内存区域受限。

内核模式下没有这些限制，使它能够完成其功能。

3.11 操作系统创建⼀个新进程的步骤是什么？创建PCB、为新进程分配⼀个唯⼀的进程标识符、为进程分配空间、初始化进程控制块、设置正确的链接、创建或扩充其他数据结构3.12 中断和陷阱有何区别？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。

操作系统精髓与设计原理操作系统是计算机系统中最核心的软件之一，它承担着管理和控制计算机硬件资源的重要任务。

操作系统的设计原理直接影响着计算机系统的性能、稳定性和安全性。

本文将从操作系统的精髓和设计原理两个方面进行探讨，希望能够为读者提供一些深入的理解和启发。

首先，我们来谈谈操作系统的精髓。

操作系统的核心功能包括进程管理、内存管理、文件系统、设备管理和用户接口等。

其中，进程管理是操作系统的基础，它负责对进程的创建、调度、同步和通信进行管理，保证系统资源的有效利用和进程的正常运行。

内存管理则关乎着系统的性能和稳定性，它需要对内存空间进行分配、回收和保护，避免出现内存泄漏和内存溢出的情况。

文件系统则是操作系统与外部存储设备进行交互的接口，它需要对文件进行管理、存储和检索，保证数据的安全和完整性。

设备管理负责对计算机的硬件设备进行管理和控制，包括输入输出设备、网络设备等，它需要提供统一的接口和管理机制，使得应用程序能够方便地与硬件设备进行交互。

用户接口则是操作系统与用户进行交互的方式，它需要提供友好、直观的界面，使得用户能够方便地使用计算机系统。

其次，我们来探讨操作系统的设计原理。

操作系统的设计原理包括了并发、共享、虚拟和异步等几个重要概念。

并发是指系统中存在多个独立的活动，并且这些活动可能同时进行，操作系统需要提供合适的机制来管理这些并发活动，保证它们能够正确、有效地运行。

共享是指系统中的资源可以被多个活动共同使用，操作系统需要提供合适的机制来保证资源的公平分配和合理利用。

虚拟是指操作系统需要对硬件资源进行抽象和虚拟化，使得应用程序能够独立于硬件进行开发和运行。

异步是指系统中的活动是相互独立、不可预测的，操作系统需要提供合适的机制来处理这种不确定性，保证系统的可靠性和稳定性。

在操作系统的设计中，需要考虑到这些原理，并且合理地应用它们，以满足系统的性能、稳定性和安全性要求。

同时，操作系统的设计也需要考虑到实际的应用场景和需求，保证系统能够满足用户的实际需求。

操作系统的原理与设计操作系统是计算机系统中的核心软件，它负责管理和协调计算机资源，为用户和应用程序提供服务。

操作系统的设计和原理是指为了实现这些功能而采取的具体方法和策略。

一、操作系统的基本原理1.1 进程管理进程是指正在运行的程序的实例，操作系统通过进程管理来分配和控制计算机资源。

包括进程的创建、调度、运行状态管理、进程间通信等。

1.2 内存管理内存管理是指操作系统如何管理计算机的内存资源。

常见的技术包括内存分配、地址空间管理、页面置换算法等。

1.3 文件系统文件系统是操作系统中负责管理和组织文件存储的部分。

它定义了文件的组织结构，提供了文件的访问和操作方式。

1.4 输入输出管理输入输出管理是指操作系统如何管理计算机的输入输出设备。

包括设备驱动程序、中断处理等。

二、操作系统的设计2.1 单体结构单体结构是一种传统的操作系统设计方式，它将操作系统的不同功能模块集中在一起。

这种设计方式简单直接，但缺乏可扩展性和灵活性。

2.2 分层结构分层结构是一种比较常见的操作系统设计方式，它将操作系统划分为多个层次，每个层次负责不同的功能模块。

这样可以提高系统的模块化程度和可扩展性。

2.3 微内核结构微内核结构是一种现代的操作系统设计方式，它将核心功能模块实现为操作系统的微内核，而将其他功能模块实现为用户空间的服务。

这种设计方式可以提高系统的稳定性和安全性。

2.4 客户-服务器结构客户-服务器结构是一种分布式操作系统设计方式，它将操作系统的不同功能模块实现为不同的服务，通过网络进行通信和交互。

这种设计方式可以提高系统的并发性和可扩展性。

三、操作系统的实现3.1 编程语言操作系统的实现通常使用低级编程语言，如汇编语言和C语言。

汇编语言可以直接操作硬件资源，而C语言可以提高代码的可读性和可维护性。

3.2 设备驱动程序设备驱动程序是操作系统中负责管理和控制硬件设备的模块。

它与硬件设备进行交互，提供设备访问的接口。

3.3 系统调用系统调用是操作系统与用户空间程序进行通信的接口。