第1章 操作系統引論

1.1　簡答題參考答案
1．在計算機系統上配置 OS（operating system，操作系統）的目標是什么？作用主
要表現在哪幾個方面？
【參考答案】在計算機系統上配置OS，主要目標是實現：方便性、有效性、可擴充性和開
放性。
OS的作用主要表現在以下3個方面：①OS作為用戶與計算機硬件系統之間的接口；②OS作
為計算機系統資源的管理者；③OS實現對計算機資源的抽象。
2．試說明 OS 與硬件、其他系統軟件以及用戶之間的關系。
【參考答案】OS是覆蓋在硬件上的第一層軟件，它負責管理計算機的硬件和軟件資源，并
向用戶提供良好的界面。OS與硬件緊密相關，它直接管理著硬件資源，為用戶完成所有與硬件
相關的操作，極大地方便了用戶對硬件資源的使用并提高了硬件資源的利用率。OS是一種特殊
的系統軟件，也是其他系統軟件與硬件之間的接口。其他系統軟件運行在OS的基礎之上，可獲
得OS提供的大量服務。而一般用戶使用計算機除了需要OS支持外，還需要用到大量的其他系統
軟件和應用軟件，以使其工作更高效。可見，在OS、硬件、其他系統軟件以及用戶之間存在著
圖1-1-1所示的層次關系。

3．試說明推動 OS 發展的主要動力是什么。
【參考答案】推動OS發展的主要動力表現在：①計算機系統資源的利用率不斷提高；②方
便用戶；③器件不斷更新換代；④計算機體系結構不斷發展；⑤新的應用需求不斷被提出。
4．在 OS 中，何謂脫機 I/O（input/output，輸入 / 輸出）方式和聯機 I/O 方式？
【參考答案】脫機I/O方式是指事先將裝有用戶程序或數據的紙帶或卡片裝入紙帶輸入機或
卡片機，在外圍機的控制下，把紙帶或卡片上的數據或程序輸入到磁帶上，該方式下的I/O操作
由外圍機控制完成，并且是在脫離主機的情況下進行的，因此叫作脫機I/O方式。聯機I/O方式是
指程序和數據的I/O都是在主機的直接控制下進行的。
5．試說明推動分時系統形成和發展的主要動力是什么。
【參考答案】推動分時系統形成和發展的主要動力是“為了更好地滿足用戶的需要”。其
主要表現在：①CPU（central processing unit，中央處理機）的分時使用縮短了作業的平均周轉
時間；②人機交互功能的提供使用戶能方便地直接控制自己的作業；③主機的共享使多個用戶
（包括遠程用戶）能同時使用一臺計算機獨立地、互不干擾地處理各自的作業。
6．實現分時系統的關鍵問題是什么？應如何解決？
【參考答案】實現分時系統的關鍵問題是使用戶能與自己的作業進行交互，即用戶在自己
的終端上輸入一條命令以請求系統服務后，系統能及時地接收并處理該命令，并在用戶能接受
的時延內將結果返回給用戶。
及時地接收命令和返回輸出結果的實現方式是在系統中配置一個多路卡，并為每個終端配
置一個緩沖區以暫存用戶輸入的命令和輸出的結果。因此，關鍵要解決的問題是確保在較短的
時間內系統中所有的用戶程序都能執行一次，從而使用戶輸入的命令能夠得到及時響應。為
此，一方面，用戶作業被提交后應立即進入內存；另一方面，系統應設置一個被稱為時間片的
很短的時間，并規定每個程序每次最長只能連續運行一個時間片，如果時間片用完，則不管它
是否運行完畢，都必須將CPU讓給下一個作業。通過使作業分時共享CPU，所有的作業都可以
得到及時的處理，用戶的請求亦可得到及時的響應。
7．為什么要引入實時系統 ?
【參考答案】實時系統是指系統能及時響應外部事件的請求，在規定的時間內完成對外部
事件的處理，并控制所有實時任務協調一致地運行。引入實時系統是為了更好地滿足實時控制
領域和實時信息處理領域的需要。
8．什么是硬實時任務和軟實時任務？試舉例說明。
【參考答案】①硬實時任務是指系統必須滿足任務對截止時間的要求，否則可能出現難以預測的結果，如運載火箭的控制等。②軟實時任務對截止時間的要求并不嚴格，偶爾錯過任務的
截止時間，對系統產生的影響也不大，如網頁內容的更新、火車售票系統剩余票數的更新等。
9．試從及時性、交互性及可靠性方面對分時系統與實時系統進行比較。
【參考答案】本題分步解答如下。
（1）從交互性方面來考慮。交互性問題是分時系統的關鍵問題。在分時系統中，用戶可以
通過終端與系統進行廣泛的人機交互，如文件編輯、數據處理和資源共享等。實時系統也具有
交互性，但在實時系統中，交互性僅限于訪問系統中某些特定的專用服務程序，也就是說，它
的交互性具有很大的局限性。
（2）從及時性方面來考慮。分時系統的及時性是指用戶能在很短的時間間隔內獲得系統的
響應，這一時間間隔是根據人們能接受的等待時間來確定的，一般為2～3s。對實時系統來說，
及時性是它的關鍵問題之一，實時信息系統的及時性要求與分時系統相似，而實時控制系統的
及時性要求則是由被控制對象所要求的開始截止時間和完成截止時間決定的，一般為秒級、百
毫秒級、毫秒級，甚至更低。
（3）從可靠性方面來考慮。可靠性是實時系統的另一個關鍵問題，實時系統中的任何差錯
都可能帶來巨大的經濟損失，甚至導致無法預料的災難性后果，因此實時系統往往采取多級容
錯措施來保證系統高度可靠。分時系統雖然也要求可靠，但比實時系統的要求要低。
10．微機 OS 按運行方式來分，可以分為哪幾類？舉例說明。
【參考答案】現在流行的微機OS按運行方式可以分為以下3類。
（1）單用戶單任務OS：只允許一個用戶上機（使用計算機），且只允許用戶程序作為一個
任務運行，主要配置在8位和16位微機上。最具代表性的單用戶單任務OS是CP/M（8位）和MSDOS（16位）。
（2）單用戶多任務OS：只允許一個用戶上機，但允許用戶把程序分為若干個任務并發執
行，從而有效地改善了系統性能。最具代表性的單用戶多任務OS是由微軟公司推出的Windows
系列，如Windows 3.1、Windows 95、Windows 98等。
（3）多用戶多任務OS：允許多個用戶通過各自的終端使用一臺機器，共享主機系統中的各
種資源，而每個用戶程序又可進一步分為若干個任務并發執行，從而可以進一步提高資源利用
率和系統吞吐量。最具代表性的多用戶多任務OS是UNIX系統，各種類UNIX系統（如Solaris、
Linux系統等）以及Windows NT/Server系列的系統。
11．OS 具有哪幾大特征？它們之間有何關系？
【參考答案】OS具有并發、共享、虛擬和異步這4個基本特征。它們之間的關系包含以下
幾個方面。①并發和共享是OS最基本的特征。為了提高計算機資源的利用率，OS必然要采用
多道程序設計技術，使多個程序共享系統的資源、并發地執行。②并發性和共享性互為存在的
條件。一方面，資源的共享是以程序（進程）的并發執行為條件的，若系統不允許程序并發執
行，就不會存在資源共享問題；另一方面，若系統不能對資源共享實施有效管理，協調好各進
程對共享資源的訪問，則必將影響程序的并發執行，甚至會使程序無法并發執行。③虛擬性以
并發性和共享性為前提。為了使并發進程能更方便、更有效地共享資源，OS常采用多種虛擬技
術在邏輯上增加CPU和設備的數量以及存儲器的容量，從而解決并發進程對有限系統資源的共
享問題。④異步性是并發性和共享性的必然結果。OS允許多個并發進程共享資源、相互合作，
使得每個進程的運行過程受到了其他進程的制約，不再“一氣呵成”，這必然會導致異步這一
特征的產生。
12．是什么原因使 OS 具有異步特征？
【參考答案】在多道程序環境下，允許多個進程并發執行。但由于資源等因素的限制，進
程的執行通常并非“一氣呵成”，而是以“走走停停”的方式進行。內存中的每個進程在何時
執行、何時暫停、以怎樣的速度向前推進，都是不可預知的。故而作業完成的先后次序與進入
內存的先后次序并不完全一致，亦即進程是以異步方式運行的。但在有關進程控制及同步機制
等的支持下，只要運行環境相同，作業經多次運行都會獲得完全相同的結果，因而異步方式是
允許的。因此，OS具有異步特征。
13．何謂 OS 內核？ OS 內核的主要功能是什么？
【參考答案】在現代OS理論中，一般將OS劃分為若干層次，再將OS的不同功能分別設置
在不同層次中。通常將一些與硬件緊密相關的模塊（如中斷處理程序等）、各種常用設備的驅
動程序以及運行頻率較高的模塊（如時鐘管理模塊、進程調度模塊和公用基本操作模塊等）都
安排在緊靠硬件的軟件層次中，讓它們常駐內存，進而形成了所謂的OS內核。
OS內核的主要功能有：①支撐功能，包括中斷處理、時鐘管理和原語操作等；②資源管理
功能，包括進程管理、存儲器管理、設備管理等。
14．何謂原語？何謂原子操作？
【參考答案】原語，是指由若干條指令組成的，用于完成一定功能的一個過程。原子操
作，是指一個操作中的所有動作要么全做，要么全不做，換言之，它是一個不可分割的基本單
位。因此，原語在執行過程中是不允許被中斷的。原子操作在內核態下執行，常駐內存。
15．簡要描述處理機的雙重工作模式。
【參考答案】一般地，處理機至少需要兩種單獨運行模式：用戶態和內核態。
（1）用戶態也稱為目態，計算機硬件可以通過一個模式位為1來表示它。當計算機系統執
行用戶程序時，系統處于用戶態。
（2）內核態也稱為管態或系統態，計算機硬件可以通過一個模式位為0來表示它。每當OS
能夠控制計算機時，它就處于內核態。例如，當用戶程序通過系統調用請求OS服務時，系統必
須從用戶態切換到內核態，以響應請求。
16．簡述中斷處理過程。
【參考答案】一旦CPU響應中斷，系統就會開始進行中斷處理。中斷處理過程主要包括以
下3步。
（1）保護被中斷進程的現場。為了在中斷處理結束后能使進程正確地返回中斷點，系統必
須保存當前處理機狀態字和程序計數器的值。
（2）分析中斷原因，轉去執行相應的中斷處理程序。在多個中斷請求同時發生時，處理優
先級最高的中斷源所發出的中斷請求。
（3）恢復被中斷進程的現場，CPU繼續執行被中斷的原進程。
17．處理機管理有哪些主要功能？它們的主要任務是什么？
【參考答案】處理機管理的主要功能有進程管理、進程同步、進程通信和處理機調度。各
部分的主要任務為：①進程管理，為作業創建進程，撤銷已結束進程，控制進程在運行過程中
的狀態轉換；②進程同步，協調多個進程（含線程）的運行；③進程通信，實現在相互合作
的進程之間進行信息交換；④處理機調度，包括作業調度和進程調度。作業調度是按照一定的算法從后備隊列里選出若干個作業，為它們分配運行所需的資源；進程調度是按照一定的
算法從進程的就緒隊列中選出一個進程，把處理機分配給它，并設置運行現場，使進程投入
執行。
18．內存管理有哪些主要功能？它們的主要任務是什么？
【參考答案】內存管理的主要功能有內存分配、內存保護、地址映射和內存擴充。各部分
的主要任務為：①內存分配，為每道程序分配內存；②內存保護，確保每道程序僅在自己的內
存空間運行，彼此互不干擾；③地址映射，將地址空間的邏輯地址轉換為內存空間對應的物理
地址；④內存擴充，即從邏輯上擴充內存，實現請求調入功能和置換功能等。
19．設備管理有哪些主要功能？它們的主要任務是什么？
【參考答案】設備管理的主要功能包括緩沖管理、設備分配、設備處理以及設備虛擬等。
各部分的主要任務為：①完成用戶提出的I/O請求，為用戶進程分配所需的I/O設備，并完成指定
的I/O操作；②提高CPU和I/O設備的利用率，提高I/O速度，方便用戶使用I/O設備。
20．文件管理有哪些主要功能？它們的主要任務是什么？
【參考答案】文件管理的主要功能有：文件存儲空間的管理、目錄管理、文件的讀/寫管理
和保護。其主要任務是對用戶文件和系統文件進行管理以方便用戶使用，并保證文件安全。
21．現代 OS 的新功能有哪些？
【參考答案】現代OS是在傳統OS的基礎上發展而來的，它除了具有傳統OS的功能外，還
具有保障系統安全、支持用戶通過聯網獲取服務和可處理多媒體信息等功能。
22．什么是微內核 OS ？它具有哪些優點？
【參考答案】微內核OS具有如下4個特征：①足夠小的內核；②基于客戶/服務器模式；
③應用策略與機制分離原則；④采用面向對象技術。
微內核OS的主要優點包括：①提高了系統的可擴展性；②增強了系統的可靠性和可移植
性；③提供了對分布式系統的支持；④融入了面向對象技術。
23．外核 OS 的基本思想是什么？
【參考答案】外核OS的基本思想是：內核不提供傳統OS中的進程、虛擬存儲等抽象事物，
而是專注于物理資源的隔離（保護）與復用。具體來說，在基于外核結構的OS中，內核負責保
護系統資源，而硬件資源的管理職責則委托給了應用程序，這樣，OS就可以做到在保證資源安
全的前提下，減少對應用程序的限制，充分滿足應用程序對硬件資源的不同需求。
24．什么是系統調用？系統調用與一般用戶程序和庫函數有何區別？
【參考答案】系統調用是OS提供給程序員的唯一接口。程序員利用系統調用，在源程序層
面動態請求和釋放系統資源，并調用系統中已有的系統功能來完成那些與機器硬件部分相關的
工作以及控制程序的執行速度等。因此，系統調用像一個“黑箱子”，對用戶屏蔽了OS的具體
動作而只提供有關的功能。
系統調用與一般用戶程序、庫函數的區別在于：①系統調用（程序）在內核態執行，調用
它們時需要一個類似于硬件中斷處理機制的中斷處理機制來提供系統服務；②普通的用戶程序
是直接為用戶完成某特定功能而設計的，它們一般在用戶態執行；③庫函數是把函數放到庫里
供別人使用的一種方式，是面向應用開發、方便人們編程的。
1.2　計算題參考答案
25．設有 3 道程序 A、B、C，它們按照優先次序（A → B → C）順序執行，它們的
計算時間和 I/O 操作時間如表 1-1-1 所示，假設 3 道程序以串行方式使用相同的設備進行
I/O 操作，試畫出單道程序運行和多道程序運行的時間關系圖，并計算完成這 3 道程序所須
花費的時間。
表1-1-1　時間表
程序
時間（ms）
計算 I/O操作 計算
A 30 40 10
B 60 30 10
C 20 40 20
【參考答案】計算時間時，CPU處理時間，I/O操作時間是輸入與輸出時間。3個程序共享I/
O設備，即串行使用I/O設備。
（1）單道程序運行時，3道程序串行執行，即先執行A、再執行B、最后執行C，時間關系
圖如圖1-1-2所示。

單道程序運行時，3道程序使用的時間為：（30+40+10）+（60+30+10）+（20+40+20）
=260ms。 （2）多道程序運行時，3道程序的計算與I/O操作可部分并行，分為非立即搶占式和立即搶
占式兩種，時間關系圖如圖1-1-3和圖1-1-4所示。
多道程序運行時，3道程序非立即搶占式的總時間為180ms，立即搶占式的總時間為
190ms。


26．（考研真題）一個多道批處理系統中僅有 P1 和 P2 兩個作業，P2 比 P1 晚 5ms 到達，
它們的計算和 I/O 操作順序如下。
P1 ：計算 60ms，I/O 操作 80ms，計算 20ms。
P2 ：計算 120ms，I/O 操作 40ms，計算 40ms。
不考慮調度和切換時間，請計算完成兩個作業需要的最少時間。
【參考答案】作業執行時間關系圖如圖1-1-5所示。由于在多道批處理系統中，P1與P2可
以部分并行，因此，P1先到達系統，其會先占用CPU進行計算（到60ms），然后執行I/O操作
的時間是60ms～140ms；而在P1執行I/O操作的過程中，P2可獲得CPU運行120ms，到180ms結
束；當P1執行完它的I/O操作后，執行計算，此時CPU正被P2占用，因此P1須等P2執行完后才能
獲得CPU執行剩余的20ms，執行完成后退出系統；此時，P2會執行I/O操作40ms，到220ms；
最后P2獲得CPU運行剩余的40ms（計算），到260ms結束。由圖1-1-5可知，完成兩個作業需要
的最少時間為260ms。

1.3　綜合應用題參考答案
27．OS 的概念、特征和功能是什么？
【參考答案】該問題分步解答如下。
（1）OS是一組控制和管理計算機硬件和軟件資源、合理地對各類作業進行調度以方便用戶
使用計算機的程序集合。OS是配置在計算機硬件上的第一層系統軟件，是對硬件系統的首次擴
充；是硬件系統和應用軟件間的橋梁；是用戶與計算機硬件進行交互的接口；是計算機系統資
源的管理者。
（2）OS的4個特征：并發、共享、虛擬、異步。①并發：一段時間間隔內多個進程（線
程）并發執行，是宏觀上的并行，微觀上的串行。②共享：系統中的資源可供內存中多個并發
執行的進程或線程共同使用。③虛擬：通過某種技術將物理實體變為若干個邏輯上的對應物。
④異步：進程以人們不可預知的速度向前推進，每次運行只要環境相同，則結果必定一致。
（3）OS的5大功能：處理機管理、存儲器管理、設備管理、文件管理、接口管理。①處理機管理：進程（線程）是處理機調度的單位，因此對外理器的管理實際上是對進程（線程）的
管理。②存儲器管理：內存的分配與回收、地址轉換、虛擬內存的實現等。③設備管理：設備
的分配與回收、緩沖區管理、磁盤調度、設備虛擬等。④文件管理：文件存儲空間的管理、文
件目錄管理、文件共享與保護等。⑤接口管理：用戶接口、程序接口、命令接口和網絡接口。
28．（考研真題）若某計算問題的執行情況如圖 1-1-6 所示。

則請回答下列問題。
（1）敘述該計算問題中處理機、輸入機和打印機是如何協同工作的。
（2）計算在圖 1-1-6 所示執行情況下處理機的利用率。
（3）簡述處理機利用率不高的原因。
（4）請畫出能提高處理機利用率的執行方案。
【參考答案】（1）處理機、輸入機和打印機是按照輸入→處理→打印的順序依次執行的，
輸入機為處理機提供數據，處理機得到數據后進行處理，處理結果通過打印機打印輸入。輸入
機讀取一批數據，花費時間為100；處理機對這批數據進行計算，花費時間為20；打印機打印計
算結果，花費時間為40。 （2）處理機的利用率=［20/（100+20+40）］×100%=12.5%。 （3）當一道程序在運行中發出I/O請求后，處理機只能處于等待狀態，即必須等I/O完成后
才能繼續運行，因此處理機會長時間處于空閑狀態，這會導致其利用率不高。
（4）采用多道程序設計技術使處理機、輸入機和打印機并行工作，可以提高處理機的利用
率，如圖1-1-7所示。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的第1章 操作系统引论课后答案的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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