作者：张明 王煜 刘一凡
出版社：中国铁道出版社
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操作系统习题解答与实验指导(第四版)试读：
版权信息书名：操作系统习题解答与实验指导（第四版）
作者： 张明,王煜,刘一凡
排版：中国铁道出版社
出版社：中国铁道出版社
出版时间：2017.02
ISBN：978-7-113-22811-8
本书由中国铁道出版社授权北京当当科文电子商务有限公司制作与发行。
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本书是作者积多年讲授操作系统课程及指导学生实验的教学实践经验编写而成的。作者力图通过大量典型例题的解析和相关的实验实践，帮助学生深入学习、掌握并灵活运用操作系统知识。
全书共分三篇。第一篇为理论知识与习题解答，其内容为操作系统各部分的重点难点指导、典型例题解析、练习题及参考答案和主教材习题解答，可以帮助学生提纲挈领地掌握知识重点、巩固所学内容；第二篇为实验指导，根据操作系统课程的教学重点，给出5个实验题目，每个题目都有明确的实验目的和内容；第三篇为课程设计，提供了两个综合实验作为操作系统的课程设计。
本书作为普通高等教育“十一五”国家级规划教材《操作系统（第四版）》的配套教材，可以配合主教材使用，以起到衔接课堂教学与实验教学、课下辅导的作用，也可作为高等院校学生学习“操作系统”课程的参考教材；特别适合希望在较短时间内取得较大收获的广大研究生应试考生作为研究生入学考试的辅导材料；对于从事计算机应用及开发的技术人员以及广大的计算机及相关专业的自学者也具有一定的参考价值。第四版前言
操作系统是最靠近硬件的软件，是所有其他软件运行的基础，是计算机系统资源的管理者。它在整个计算机系统软件中处于中心地位，也是计算机专业课教学中最重要的环节之一。学习操作系统的设计与实现原理，是计算机软件专业的学生全面地了解和掌握系统软件、一般软件设计方法和技术的必不可少的综合课程，也是了解计算机硬件和软件如何衔接的必经之路。
本书针对操作系统原理的抽象性和实验易与实际系统的开发脱节两大难点，从应用出发，适度地介绍操作系统的基本原理、概念以及一些典型例题的解答，提供了一些练习题供读者学习巩固相关操作系统的知识，并提供相应的实践环节。
本书与入选普通高等教育“十一五”国家级规划教材的《操作系统（第四版）》相配套。在第三版的基础上按照第四版主教材进行了修改，增加了对主教材课后习题的解答，改正了一些错误。本书主要内容仍由三篇组成：理论知识与习题解答、实验指导、课程设计。其中理论知识与习题解答部分章节安排与《操作系统（第四版）》一书相对应，分10章。把第三版中的第1章引论拆分为第1章引论、第2章操作系统的硬件环境两章；删除了第三版中的第2章作业管理和用户接口，其内容调整后形成第7章用户接口管理；把第三版中的第5章存储器管理拆分为第5章存储器管理、第6章虚拟存储器管理两章。其余各章和实验指导、课程设计内容均按照第四版主教材进行了修订。
本书在写作和再版过程中，得到了许多专家和众多院校操作系统任课教师的大力支持和帮助，他们提出了许多中肯的意见和很好的建议，对本书的再版起到了很大的指导作用。对此表示衷心感谢。
感谢中国铁道出版社的各位编辑和图书推广人员，他们为本书能够以较高的质量出版和被许多院校选用做出了巨大贡献。
由于编者水平有限，书中难免仍有不妥之处，热诚欢迎广大读者批评指正或对本套教材提出宝贵意见与建议。
编者2016年10月第一版前言
由于操作系统具有概念性强，内容灵活，所涉及概念和算法比较抽象的特点，因此，对于初学者来说，往往找不到感觉，不知道如何学习这门课程，面对习题更是无从下手。作者想借编写本指导书的机会结合多年讲授本门课程的经验，将各章的知识要点进行归纳和总结，对难以理解的问题进行通俗的讲解和指导，对涉及重要知识点的典型题目进行分析解答，目的是帮助读者理解操作系统的内容，尽快掌握操作系统五大管理功能和实现技术，同时对于求解操作系统习题的能力也能有明显的提高。
此外，操作系统是一门实践性非常强的学科，只是看书本、做习题是绝对不够的，必须对实践和应用给予必要的重视。为此，从强调应用和注重实践出发，在操作系统的教学中，除了课堂教学外，每周还应有不少于两个课时的实验课。在操作系统的课程实验中要解决的问题更接近于实际，不同于平时编写功能单一的“小”程序的练习，实验是软件设计的综合训练，包括问题分析、总体结构设计、用户界面设计、程序设计基本技能和技巧，多人合作以及一整套软件工作规范的训练和科学作风的培养。为此，作者根据“操作系统”课程内容的需要，给出五个实验题目，并对每个题目提出明确的实验目的和要求。此外，还给出了两个综合实验作为操作系统课程的课程设计项目。
本书与中国铁道出版社出版的《操作系统》教材相配套，主要内容由三篇组成：理论知识与习题解答、实验指导、课程设计。其中理论知识与习题解答部分与《操作系统》一书相对应，也分七章，每一章都由内容概述、重点难点指导、典型例题解析以及课后习题选解等部分组成；实验指导部分根据操作系统课程的教学重点，给出五个实验题目；课程设计部分给出了两个课程设计题目，每个实验题目采取了统一的格式，由实验目的、实验预备知识、实验内容、提示与讲解、课外题与参考程序等几个部分组成，为学生提出明确了实验要求，并对实验步骤给予指导。
在本书的编写过程中，参考了一些国内外优秀教材及操作系统习题集和辅导书。魏春、秦绪好等编辑对本书的编写提出了许多宝贵意见，并给以大力支持，在此表示诚挚谢意。
本书在编写过程中力求概念清晰，表述正确，通俗易懂，便于自学。希望读者通过对本书的学习，能够更全面、更透彻地理解和掌握“操作系统”这门课程。但由于编者水平有限，书中难免出现疏漏和不妥之处，恳请读者批评指正，编者不胜感激。
编者2004年10月第二版前言
在计算机网络迅速发展的今天，计算机技术不断地更新和完善，无论是硬件还是软件的变革都会在计算机操作系统的设计技术与使用风格上得到体现。因此，计算机操作系统的教材应该体现出这些变化，才能使教师教得方便，学生学有所得。
操作系统是计算机系统配置的所有软件中使用最广泛的基础软件，它在整个计算机系统软件中处于中心地位，也是计算机专业课教学中最重要的环节之一。从操作系统自身角度讲，它不仅很好地体现了计算机日益发展中的软件研究成果，而且也较好地体现了计算机的硬件技术发展及计算机系统结构的发展成果。从计算机用户角度讲，学习使用计算机实际上就是熟悉使用操作系统所提供的用户界面环境。计算机专业的学生，不仅要求会操作计算机，还要学会利用计算机去开发各种软件，解决复杂的应用问题。学习操作系统的设计与实现原理，是计算机软件专业的学生全面地了解和掌握系统软件、一般软件设计方法和技术的必不可少的综合课程，也是了解计算机硬件和软件如何衔接的必经之路。本书针对操作系统原理的抽象性和实验易与实际系统的开发脱节两大难点，从应用出发，适度地介绍操作系统的基本原理和概念，并提供相应的实践环节。
本书根据国内使用计算机的情况，在内容上力求具有一定的先进性和较大的适应性。遵循这一原则，在编写中着重讲述原理、概念和实例。
本书与入选普通高等教育“十一五”国家级规划教材的《操作系统（第二版）》相配套。在第一版的基础上按照第二版教材进行了修改，增加了第二版教材上新增的内容和一些典型习题和练习题，修正了一些内容。本书主要内容仍由三篇组成：理论知识与习题解答部分、实验指导、课程设计。其中理论知识与习题解答部分与《操作系统（第二版）》一书相对应，分8章。把第一版中的第3章进程管理拆分为第3章进程和进程管理、第4章进程同步和通信两章，其余各章均按照第二版教材进行了修订。根据操作系统课程内容的需要，设计了5个实验题目，并对每个实验提出明确的实验目的和要求。此外，还给出了两个综合实验作为操作系统课程的课程设计。
本书在写作和修订过程中，得到了许多专家和众多院校操作系统任课教师的大力支持和帮助，他们提出了许多中肯的意见和很好的建议，对本书的修订起到了很大的指导作用，在此表示衷心的感谢。
感谢作者的多位同事和学生，朱亮、杨文柱副教授对本书的内容提出了很多的修改意见，赵鹏远、苗秀芬、王硕、张寿华、薛林雁等老师和许多学生在使用本书的过程中指出了书中的一些不足，使得本书更加完善。
感谢中国铁道出版社的各位编辑和图书推广人员，他们为本书能够以较高的质量完成和在许多院校使用做出了巨大贡献。
热诚欢迎广大读者对本套教材提出宝贵意见。由于编者水平有限，书中难免仍有不妥之处，恳请大家批评指正。
编者2007年11月第三版前言“操作系统”课程是计算机科学与技术、网络工程、软件工程等专业的主要专业课。操作系统用于对计算机系统资源实施管理，是所有其他软件与计算机硬件的唯一接口，所有用户在使用计算机时都需要操作系统为其提供相应的服务。学习“操作系统”课程的目的是使学生全面地了解和掌握操作系统的功能和实现过程，如操作系统的基本概念、基本原理、设计方法和实现技术等，使读者具有初步分析实际操作系统的能力。本书针对操作系统原理的抽象性和实验易与实际系统的开发脱节两大难点，从应用出发，适度地介绍操作系统的基本原理和概念，并提供了相应的实践环节。
本书针对目前操作系统及其实验教学的教改需要编写，强调理论与实际应用相结合，强调学生动手能力的培养与考察。本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材的《操作系统（第三版）》配套教材，在第二版的基础上按照第三版教材进行了内容调整，增加了新的内容，删除了一些旧的内容，改正了一些错误。
本书主要内容仍由三篇组成：理论知识与习题解答、实验指导和课程设计。其中，理论知识与习题解答部分与《操作系统（第三版）》一书相对应，共分8章，根据第三版教材内容增加了一些习题和练习题，并对原有内容的应用题进行了补充；实验指导部分根据操作系统课程内容的需要，在第三版教材的基础上增加了设备的分配与回收的实验，共设计了6个实验，并对每个实验提出明确的实验目的和实验要求，书中的每个实验都具有独立性，并且对每个实验中用到的知识在实验之前都进行了介绍和指导，有利于读者通过自学掌握实验教程中的技术和方法；根据这两年的教学经验，课程设计部分在原有基础上进行了调整，给出了两个综合实验作为操作系统课程的课程设计题目。
本书在写作和修订过程中，得到了许多专家和众多院校的操作系统任课教师的大力支持和帮助，他们提出了许多中肯的意见和很好的建议，对本书的修订起到了很大的指导作用，在此表示衷心的感谢。
感谢作者的多位同事和学生，刘振鹏教授对本书从体例到内容都给予了整体的把握和指导，朱亮教授、杨文柱副教授对本书的内容提出了很多的修改意见，张明、赵鹏远、苗秀芬、王硕、张寿华、薛林雁等老师和许多学生在使用本书的过程中指出了书中的一些不足，使得本书更加完善。
由于编者的水平有限，书中难免有不妥之处，恳请读者批评指正。
编者2010年5月第一篇理论知识与习题解答第1章引论
本章主要讲述操作系统的基本概念，具体包括操作系统的地位与目标、操作系统的形成与发展，以及操作系统的功能与特征等内容。
重点提示：
●操作系统的基本概念
●多道程序设计技术1.1重点难点指导
操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一组程序模块的集合，能有效地组织和管理计算机系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程，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、有效地使用计算机，并使整个计算机系统能高效地运行。1.1.1 操作系统的地位与目标
1.操作系统的地位
操作系统是计算机系统中硬件和软件资源的总指挥部。操作系统的性能高低决定了整体计算机的潜在硬件性能能否发挥出来。操作系统本身的安全可靠程度，决定了整个计算机系统的安全性和可靠性。操作系统是软件技术含量最大、附加值最高的部分，是软件技术的核心，是软件的基础运行平台。
2.操作系统的目标
①方便性。配置操作系统后可使计算机系统更容易使用。
②有效性。操作系统使计算机资源的使用更有效，即资源利用率更高。
③可扩充性。操作系统应采用模块化结构，以便于增加新的功能和修改老的功能模块。
④开放性。为使出自不同厂家的计算机及其设备能通过网络加以集成化并正确、有效地协同工作，实现应用程序的可移植性和互操作性，要求计算机具有统一的开放环境，其中首先是要求操作系统具有开放性。1.1.2 操作系统的形成与发展
1.无操作系统时的计算机系统（1）人工操作方式
第一代计算机时期（1946年至20世纪50年代中期）没有操作系统。这时期的计算机操作是由用户（即程序员）采用人工操作方式直接使用计算机硬件系统，即由程序员将事先已穿孔（对应于程序和数据）的纸带（或卡片）装入纸带输入机（或卡片输入机），再启动它们将程序和数据输入计算机，然后启动计算机运行。当程序运行完毕并取走计算结果后，下一个用户才能上机。（2）脱机输入/输出方式
为了解决人机矛盾及CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，20世纪50年代末出现了脱机输入/输出技术。该技术是指事先将装有用户程序和数据的纸带（或卡片）装入纸带（或卡片）输入机，在一台外围机的控制下把纸带（卡片）上的数据（程序）输入磁带（盘）上。当CPU需要这些程序和数据时再从磁带（盘）上高速地调入内存。类似地，当CPU需要输出时可由CPU直接高速地把数据从内存送到磁带（盘）上，然后在另一台外围机的控制下，将磁带（盘）上的结果通过相应的输出设备输出。
2.单道批处理操作系统
批处理技术是把一批作业以脱机输入方式输入到磁带（盘）上，并在系统中配上监督程序，在监督程序的控制下使这批作业能一个接一个地连续处理。由于系统对作业的处理都是成批进行，且在内存中始终只保持一道作业，故称单道批处理系统。单道批处理系统是最早出现的一种操作系统。严格地说，它只能算是操作系统的前身而并非是现在人们所理解的操作系统。尽管如此，该系统比起人工操作方式已有很大进步，其主要特征为自动性、顺序性、单道性。
3.多道批处理操作系统（1）多道批处理系统的基本概念
在早期的单道批处理系统中，内存中仅有一道作业，这使得系统中仍有较多的空闲资源，致使系统的性能较差。为了进一步提高资源的利用率和系统的吞吐量，于20世纪60年代中期引入了多道程序设计技术，由此形成了多道批处理系统。
在多道批处理系统中，用户所提交的作业都先存放在外存中并排成一个队列，该队列被称为“后备队列”。然后，由作业调度程序按一定的算法从后备队列中选择若干个作业调入内存，使它们共享CPU和系统中的各种资源，以达到提高资源利用率和系统吞吐量的目的。（2）多道批处理系统的特征
多道批处理系统的特征为多道性、无序性、调度性。
4.分时系统（1）分时系统的产生
如果说，推动多道批处理系统形成和发展的主要动力是提高资源利用率和系统吞吐量，那么，推动分时系统形成和发展的主要动力则是用户的需要。体现在人-机交互、共享主机、便于用户上机等方面。分时系统是指一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机中的资源，每个用户都可通过自己的终端以交互方式使用计算机。（2）分时系统的特征
分时系统与多道批处理系统相比，具有完全不同的特征：
①多路性。允许在一台主机上同时连接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。宏观上，是多个用户同时工作，共享系统资源；微观上，每个用户作业轮流运行一个时间片。多路性即同时性，它提高了资源利用率，从而促进了计算机更广泛的应用。
②独立性。每个用户各占一个终端，彼此独立操作、互不干扰。
③及时性。用户的请求能在很短时间内获得响应。
④交互性。用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。其广泛性表现在：用户可以请求系统提供各方面的服务，如文件编辑、数据处理和资源共享等。
5.实时系统（1）实时系统的引入
虽然多道批处理系统和分时系统已获得较为令人满意的资源利用率和响应时间，从而使计算机的应用范围日益扩大，但它们仍然不能满足以下两个领域的需要：
①实时控制。
②实时信息处理。
我们把实时控制系统和实时信息处理系统统称为实时系统。所谓“实时”，是表示“及时”“即时”，而实时系统是指系统能及时（或即时）响应外部事件的请求，在规定的时间内完成该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。（2）实时任务的类型
①按任务执行时是否呈现周期性来划分，包括周期性实时任务和非周期性实时任务。
②根据对截止时间的要求来划分，包括强实时任务和弱实时任务。（3）实时系统与分时系统的比较
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。
6.推动操作系统发展的主要动力
①不断提高计算机资源利用率的需要。
②方便用户。
③器件的不断更新换代。
④计算机体系结构的不断发展。1.1.3 操作系统的功能与特征
1.操作系统的功能（1）处理机管理的功能
处理机管理的主要任务是对处理机进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位，因而对处理机的管理可归结为对进程的管理。它包括以下几方面：
①进程控制。负责进程的创建、撤销及状态转换。
②进程同步。对并发执行的进程进行协调。
③进程通信。负责完成进程间的信息交换。
④进程调度。按一定的算法进行处理机分配。（2）存储器管理的功能
存储器管理的主要任务是：为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及能从逻辑上来扩充主存。为此，存储器管理应具有以下功能：内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充等。
①内存分配。按一定的策略为每道程序分配内存。
②内存保护。保证各程序在自己的内存区运行而不相互干扰。
③地址映射。将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址。
④内存扩充。通过虚拟技术从逻辑上扩充内存。（3）设备管理的功能
设备管理的主要任务是：完成用户提出的I/O请求，为用户分配I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备。为实现上述任务，设备管理应具有缓冲管理、设备分配和设备处理，以及设备独立性和虚拟设备等功能。
①缓冲管理。缓冲管理的基本任务是管理各种类型的缓冲区。
②设备分配。设备分配的基本任务是根据用户的I/O请求，为之分配所需的设备。
③设备处理。设备处理程序又称设备驱动程序。其基本任务通常是实现CPU和设备控制器之间的通信。
④设备独立性和虚拟设备。设备独立性的基本含义是指应用程序独立于物理设备，以使用户编制的程序与实际使用的物理设备无关。虚拟设备是指把每次仅允许一个进程使用的物理设备，改造为能同时供多个进程共享的设备。（4）文件管理的功能
文件管理应具有对文件存储空间的管理、目录管理、文件的读/写管理和存取控制，以及文件的共享等功能。
①文件存储空间的管理。为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并有助于提高文件系统的工作速度。
②目录管理。为每个文件建立目录项，并对众多的目录项加以有效的组织，以实现方便的按名存取。
③文件的读/写管理和存取控制。实现文件的读/写操作，并提供有效的存取控制功能，保护文件的安全性。
④文件的共享。满足在多用户环境下，不同用户之间存在的对文件共享的要求，可提高文件的利用率，避免存储空间的浪费。（5）用户接口
①命令接口。为便于用户直接或间接地控制自己的作业，操作系统向用户提供了命令接口。用户可通过该接口向作业发出命令以控制作业的运行。
②程序接口。程序接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的唯一途径。
③图形接口。图形接口采用了图形化的操作界面，用非常容易识别的各种图标来将系统的各项功能、各种应用程序和文件直观、逼真地表示出来。用户可通过鼠标、菜单和对话框来完成对各种应用程序和文件的操作。
2.操作系统的特征（1）并发
并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发是指宏观上在一段时间内有多道程序在同时运行。但在单处理机系统中，每一时刻仅能执行一道程序，故微观上这些程序是在交替执行的。（2）共享
所谓共享是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。由于资源的属性不同，故多个进程对资源的共享方式也不同，可分为两种资源共享方式：互斥共享方式和同时访问方式。（3）虚拟
在操作系统中所谓“虚拟”是指通过某种技术把一个物理实体变成若干逻辑上的对应物。物理实体（前者）是实的，即实际存在的；而后者是虚的，是用户感觉上的东西。（4）异步性
在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但由于资源等因素的限制，进程的执行通常并非“一气呵成”，而是以“走走停停”的方式运行。1.2典型例题解析
1.操作系统是对________进行管理的软件。
A.软件 B.硬件 C.计算机资源 D.应用程序【分析】 操作系统是一个系统软件，不但管理计算机系统的硬件资源，还管理软件资源，是整个计算机系统硬件和软件资源的总指挥部。【答案】 C
2.从用户的观点看，操作系统是________。
A.用户与计算机硬件之间的接口 B.控制和管理计算机资源的软件
C.合理地组织计算机工作流程的软件 D.计算机资源的管理者【分析】 研究操作系统有多种观点，有软件的观点、计算机系统资源管理的观点、进程的观点、虚机器的观点、服务提供者的观点以及用户的观点。从用户的观点看，操作系统是用户与计算机硬件系统之间的接口。【答案】 A
3.如果分时操作系统的时间片一定，那么________，则响应时间越长。
A.用户数越少 B.用户数越多 C.内存越少 D.内存越多【分析】 在分时系统中采用了分时技术，即把处理机的时间划分成很短的时间片（如几百毫秒），轮流地分配给各个终端作业使用。若在分配给它的时间片内，作业没有执行完，它必须将CPU交给下一个作业使用，并等下一轮得到CPU时再继续执行。系统的响应时间和用户的数量成反比，即用户数越多，响应时间越长。【答案】 B
4.并发和________是操作系统的两个最基本特征，两者之间互为存在条件。【分析】 操作系统共有4个主要特征：并发、共享、虚拟和异步性。其中并发和共享是操作系统最基本的特征。一方面，资源的共享以程序（进程）的并发执行为条件，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，协调好诸进程对共享资源的访问，也必将影响程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。【答案】 共享
5.如果操作系统在用户提交作业后，不提供交互功能，它所追求的是计算机资源的高利用率、大吞吐量和作业流程的自动化，则属于________类型；如果操作系统具有很强的交互性，可同时供多个用户使用，但时间响应不太及时，则属于________类型；如果操作系统可靠性高，时间响应及时，但仅有简单的交互能力，则属于________类型。【分析】 操作系统的基本类型有3种：批处理系统、分时系统和实时系统。其中，批处理系统是最早出现的操作系统类型，目的是提高计算机资源的利用率和系统的吞吐量；分时系统的产生和发展则是为了满足用户的需要，实现人机交互，分时系统采用分时技术，使多个用户可以共享主机并与自己的作业进行很好的交互；实时系统是为了满足实时监控和实时信息处理两方面要求而产生的，所以具有很高的可靠性并能对各种情况做出及时的响应，实时系统也具有交互性，但仅限于访问系统中某些特定的专业服务程序。【答案】 批处理分时实时
6.操作系统为用户提供了3种类型的用户接口，它们是________接口、________接口和图形接口。【分析】 为了便于用户直接或间接地控制自己的作业，操作系统向用户提供了命令接口，用户可通过该接口向作业发出命令以控制作业的运行；程序接口是为用户程序在执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的唯一途径；图形接口采用图形化的操作界面，用非常容易识别的各种图标来将系统的各项功能、各种应用程序和文件直观、逼真地表示出来。用户可通过鼠标、菜单和对话框来完成各种应用程序和文件的操作。【答案】 命令程序
7.试说明操作系统与硬件、其他系统软件以及用户之间的关系。【分析与解答】
操作系统是覆盖在硬件上的第一层软件，它管理计算机的硬件和软件资源，并向用户提供良好的界面。操作系统与硬件紧密相关，它直接管理着硬件资源，为用户完成所有与硬件相关的操作，从而极大地方便了用户对硬件资源的使用，并提高了硬件资源的利用率。操作系统是一种特殊的系统软件，其他系统软件运行在操作系统的基础之上，可获得操作系统提供的大量服务，也就是说，操作系统是其他系统软件和硬件的接口。而一般用户使用计算机除了需要操作系统的支持外，还需要用到大量的其他系统软件和应用软件，以使其工作更加方便和高效。可见，硬件、操作系统、其他系统软件、应用程序和用户之间存在着如图1-1-1所示的层次关系。
图1-1-1 计算机系统的层次结构
8.详细说明研究操作系统有哪几种主要观点。【分析与解答】（1）软件的观点。从软件的观点来看，操作系统有其作为软件的外在特性和内在特性。所谓外在特性，是指操作系统是一种软件，它的外部表现形式，即它的操作命令定义集和它的界面完全确定了操作系统这个软件的使用方式。所谓内在特性，是指操作系统是一种软件，它具有一般软件的结构特点，然而这种软件不是一般的应用软件，它具有一般软件所不具备的特殊结构。（2）计算机系统资源管理的观点。操作系统是计算机资源的管理者，管理着计算机的处理机、存储器、I/O设备和文件，所以操作系统也具有这四大功能：处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理。（3）进程的观点。这种观点把操作系统看作由若干可以同时独立运行的程序和一个对这些程序进行协调的核心组成，这些同时运行的程序称为进程。（4）用户与计算机硬件系统之间接口的观点。操作系统作为用户和计算机硬件系统之间接口的含义是：操作系统处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过操作系统来使用计算机。或者说，用户在操作系统的帮助下能够方便、快捷、安全、可靠地操纵计算机硬件和运行自己的程序。（5）虚机器观点。从服务用户的机器扩充的观点来看，操作系统为用户使用计算机提供了许多服务功能和良好的工作环境。用户不再直接使用硬件机器（称为裸机），而是通过操作系统来控制和使用计算机，从而把计算机扩充为功能更强、使用更加方便的计算机系统（称为虚拟计算机）。（6）服务提供者观点。在操作系统以外，从用户角度看操作系统，它应能为用户提供比裸机功能更强、服务质量更高、更方便灵活的虚拟机器。操作系统能为用户提供一组功能强大的、方便的、好用的广义指令（系统调用）。
9.操作系统具有哪些特征？它们之间有何关系？【分析与解答】
操作系统的特征有并发、共享、虚拟和异步性。它们的关系如下：（1）并发和共享是操作系统最基本的特征。为了提高计算机资源的利用率，操作系统必然要采用多道程序设计技术，使多个程序共享系统的资源，并发地执行。（2）并发和共享互为存在的条件。一方面，资源的共享以程序（进程）的并发执行为条件，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源的共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，协调好各个进程对共享资源的访问，也必将影响程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。（3）虚拟以并发和共享为前提条件。为了使并发进程能更方便、更有效地共享资源，操作系统经常采用多种虚拟技术来在逻辑上增加CPU和设备的数量以及存储器的容量，从而解决众多并发进程对有限系统资源的竞争问题。（4）异步性是并发和共享的必然结果。操作系统允许多个并发进程共享资源、相互合作，使得每个进程的运行过程受到其他进程的制约，不再“一气呵成”，这必然导致异步性特征的产生。
10.简述并发与并行的区别。【分析与解答】
并行和并发是既相似又有区别的两个概念。并行是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
11.简述网络操作系统的主要功能。【分析与解答】
计算机网络是通过通信设施将物理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互联起来，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。网络操作系统用于管理网络中的各种资源，为用户提供各种服务。其主要功能如下：（1）网络通信。这是网络最基本的功能，其任务是在源主机和目标主机之间实现无差错的数据传输。（2）资源管理。对网络中的共享资源（硬件和软件）实施有效的管理，协调诸用户对共享资源的使用，保证数据的安全性和一致性。（3）网络服务。这是在前两个功能的基础上，为了方便用户而直接向用户提供的多种有效服务。主要的网络服务有电子邮件服务，文件传输、存取和管理服务，共享硬盘服务，共享打印服务。（4）网络管理。网络管理最基本的任务是安全管理。通过“存取控制”来确保存取数据的安全性；通过“容错技术”来保证系统故障时数据的安全性。此外，还应对网络性能进行监视，对使用情况进行统计，以便为提高网络性能、进行网络维护和记账等提供必要的信息。（5）互操作能力。在20世纪80年代后期推出的操作系统都已提供了联网功能，从而便于将微型计算机连接到网络上。在90年代推出的网络操作系统又提供了一定范围的互操作能力。所谓互操作，在客户机/服务器模式的LAN环境下，是指连接在服务器上的多种客户机和主机不仅能与服务器通信，而且还能以透明的方式访问服务器上的文件系统；而在互联网环境下的互操作，是指不同网络间的客户机不仅能通信，而且也能以透明的方式访问其他网络中的文件服务器。1.3练习题及参考答案
一、单项选择题
1.操作系统是一种________。
A.应用软件 B.系统软件 C.通用软件 D.工具软件
2.操作系统的________管理部分负责对进程进行调度。
A.存储器 B.设备 C.文件 D.处理机
3.________要保证系统有较高的吞吐能力。
A.批处理系统 B.分时系统 C.网络操作系统 D.分布式操作系统
4.操作系统的基本类型主要有________。
A.批处理系统、分时系统和多任务系统
B.单用户系统、多用户系统和批处理系统
C.批处理操作系统、分时操作系统及实时操作系统
D.实时系统、分时系统和多用户系统
5.使多个用户通过与计算机相连的终端、以交互方式同时使用计算机的操作系统是________。
A.单道批处理系统 B.多道批处理系统
C.分时系统 D.实时系统
6.计算机操作中，最外层的是________。
A.硬件系统 B.系统软件 C.支撑软件 D.应用软件
7.所谓________是指将一个以上的作业放入内存，并且同时处于运行状态，这些作业共享处理机和外围设备等其他资源。
A.多重处理 B.多道程序设计 C.实时处理 D.共同执行
8.下面关于操作系统的叙述中正确的是________。
A.批处理作业必须具有作业控制信息
B.分时系统不一定都具有人机交互能力
C.从响应时间的角度看，实时系统与分时系统差不多
D.由于采用了分时技术，用户可以独占计算机的资源
9.分时操作系统通常采用________策略为用户服务。
A.时间片加权分配 B.短作业优先
C.时间片轮转 D.可靠性和灵活性
10.若把操作系统看作计算机资源的管理者，则下列的________不属于操作系统所管理的资源。
A.磁盘 B.内存 C.CPU D.中断
11.在下列操作系统的各个功能组成部分中，________不需要硬件支持。
A.进程调度 B.时钟管理 C.地址映射 D.中断系统
12.在指令系统中只能由操作系统使用的指令称为________。
A.系统指令B.设备指令C.非特权指令D.特权指令
二、多项选择题
1.操作系统的主要设计目标是________。
A.可扩充性 B.使得计算机使用方便
C.管理计算机资源 D.计算机系统能高效工作
E.可靠性
2.计算机的软件分为________。
A.操作系统 B.系统软件 C.计算软件 D.支撑软件
E.应用软件
3.设计实时操作系统必须首先考虑系统的________。
A.可移植性 B.使用方便 C.实时性 D.效率
E.可靠性
4.由于资源的属性不同，故多个进程对资源的共享方式也不同，可分为________。
A.虚拟共享 B.同时访问 C.互斥共享 D.异步共享
E.并发共享
5.下述指令中，________属于特权指令。
A.置中断屏蔽位指令 B.条件转移指令 C.PV操作指令
D.送程序状态字寄存器指令 E.I/O指令
三、填空题
1.计算机系统由________和________两大部分组成。
2.操作系统的基本功能包括________管理、________管理、________管理和________管理。除此以外还为用户使用操作系统提供了用户接口。
3.如果一个操作系统兼有批处理、分时和实时操作系统三者或其中两者的功能，这样的操作系统称为________。
4.计算机系统能及时处理过程控制数据并做出响应的操作系统称为________。
5.分时操作系统的主要特征有________、________、________和________。
6.允许若干作业同时装入主存储器，使一个中央处理机轮流地执行各个作业，各作业可以同时使用各自所需的外围设备，提高资源利用率，但作业执行时用户不能直接干预的操作系统是________。
7.实时系统的引入主要是为了满足________和________两个领域的要求。
8.在分时和批处理系统结合的操作系统中引入“前台”和“后台”的概念，其目的是________。
9.网络操作系统的主要功能是实现各台计算机之间的________以及网络中各种资源的________。
四、问答题
1.什么是计算机操作系统？
2.叙述操作系统在计算机系统中的地位。
3.批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统的特点各是什么？
4.操作系统的目标是什么？
5.试对分时操作系统和实时操作系统进行比较。
参考答案
一、单项选择题
1.B 2.D 3.A 4.C 5.C 6.D 7.B 8.A 9.C 10.D
11.A 12.D
二、多项选择题
1.ABD 2.BDE 3.CE 4.BC 5.ABDE
三、填空题
1.硬件子系统 软件子系统
2.处理机 存储器 设备 文件
3.通用操作系统
4.实时操作系统
5.多路性 独立性及时性交互性
6.批处理操作系统
7.实时控制 实时信息处理
8.提高CPU的利用率
9.通信共享
四、问答题
1.操作系统是计算机系统中的一种系统软件，它统一管理计算机系统的资源，控制程序的执行，是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。
2.操作系统是运行在计算机硬件系统上的最基本的系统软件。它控制和管理计算机系统中的硬件资源和软件资源，为计算机用户提供了一种良好的操作环境，也为其他各种应用系统提供了最基本的支撑环境。操作系统是用户和计算机硬件之间的一个接口。
3.批处理操作系统的特点：成批处理，系统吞吐量高，资源利用率高，用户不能直接干预作业的执行。
分时操作系统的特点：多路性、独立性、及时性、交互性。
实时操作系统的特点：及时响应、快速处理；高可靠性和安全性；不要求系统资源利用率。
4.方便性、有效性、可扩充性、开放性。
5.下面将从多路性、独立性、及时性、交互性和可靠性5个方面对它们进行比较。（1）多路性。实时信息处理系统与分时系统一样具有多路性，系统按分时原则为多个终端用户服务。而对实时控制系统而言，其多路性则主要表现在：经常对多路的现场信息进行采集，以及对多个对象或多个执行机构进行控制。（2）独立性。实时信息处理系统与分时系统一样具有独立性。每个终端用户在向分时系统提出服务请求时，是彼此独立地操作，互不干扰；而在实时控制系统中信息的采集和对对象的控制，也都是彼此互不干扰。（3）及时性。实时信息系统对实时性的要求与分时系统类似，都是以人所能接受的等待时间来确定；而实时控制系统的及时性则是以控制对象所要求的开始截止时间或完成截止时间来确定的。（4）交互性。实时信息处理系统虽也具有交互性，但这里人与系统的交互仅限于访问系统中某些专用服务程序。它不像分时系统那样能向终端用户提供数据处理服务、资源共享等服务。（5）可靠性。分时系统虽然也要求系统可靠，但相比之下，实时系统则要求系统高度可靠。因为任何差错都可能带来巨大的经济损失，甚至无法预料的灾难性后果。因此，在实时系统中，往往都采取多级容错措施，来保证系统及数据的安全。1.4主教材习题解答
1.什么是硬件系统？什么是软件系统？它们之间有什么联系？【解答】 计算机硬件是指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种部件和设备。由这些部件和设备依据计算机系统结构的要求构成的有机整体，称为计算机硬件系统。计算机软件是指安装在计算机系统中的程序和有关的文件。程序是对计算任务的处理对象和处理规则的描述；文件是为了便于了解程序所需的资料说明。软件是用户与硬件之间的接口界面。硬件是软件赖以工作的物质基础，软件的正常工作是硬件发挥作用的唯一途径。
2.什么是操作系统？操作系统追求的主要目标是什么？【解答】 参见1-3中问答题的第1题与第4题。
3.在用户程序与计算机硬件之间，操作系统可以分为哪几个模块？【解答】 操作系统是覆盖在硬件上的第一层软件，它管理计算机的硬件和软件资源，并向用户提供良好的界面。操作系统与硬件紧密相关，它直接管理着硬件资源，为用户完成所有与硬件相关的操作，从而极大地方便了用户对硬件资源的使用，并提高了硬件资源的利用率。操作系统是一种特殊的系统软件，其他系统软件运行在操作系统的基础之上，可获得操作系统提供的大量服务，也就是说，操作系统是其他系统软件和硬件的接口。而一般用户使用计算机除了需要操作系统的支持外，还需要用到大量的其他系统软件和应用软件，以使其工作更加方便和高效。可见，硬件、操作系统、其他系统软件、应用程序和用户之间存在着如图1-1-1所示的层次关系。
4.操作系统如何实现计算机操作的自动化？如何看待操作系统在计算机系统中的地位？【解答】 构成操作系统的各个管理模块对计算机进行操作管理，这些操作管理对于用户来说是透明的，对于用户而言操作系统实现了计算机操作的自动化。操作系统是计算机系统中硬件和软件资源的总指挥部。操作系统的性能高低决定了整体计算机的潜在硬件性能能否发挥出来。操作系统本身的安全可靠程度，决定了整个计算机系统的安全性和可靠性。操作系统是软件技术含量最大、附加值最高的部分，是软件技术的核心，是软件的基础运行平台。
5.操作系统分成哪几类？【解答】 批处理系统、分时系统和实时系统。
6.从资源管理观点看，操作系统具有哪些功能？【解答】 处理机管理功能、存储器管理功能、文件管理功能和设备管理功能。
7.讨论操作系统可以从哪些观点出发？【解答】 参见1-2中第8题。
8.简述操作系统发展的几个阶段。【解答】 在操作系统的形成阶段，由无操作系统发展为单道批处理系统、多道批处理系统、分时系统和实时系统；操作系统的进一步发展形成了微机操作系统、多处理机操作系统、网络操作系统、分布式操作系统以及嵌入式操作系统。
9.什么是批处理系统？它可分为哪两种？【解答】 批处理系统是把一批作业以脱机输入方式输入到磁带（盘）上，并在系统中配上监督程序，在监督程序的控制下能使这批作业一个接一个地连续处理，直至磁带（盘）上的作业全部完成的系统。批处理系统可分为单道批处理系统和多道批处理系统。
10.什么是多道程序系统？其主要特点是什么？【解答】 为了进一步提高资源的利用率和增加系统的吞吐量，在20世纪60年代中期引入了多道程序设计技术，在操作系统中引入多道程序设计技术后，使系统具有以下特征：
①多道性。在内存中可同时驻留多道程序，并允许它们并发执行，从而有效地提高了资源利用率和增加系统吞吐量。
②无序性。多个作业完成的先后顺序与它们进入内存的顺序之间并无严格的对应关系，即先进入内存的作业可能较后甚至最后完成，而后进入内存的作业又可能先完成。
③调度性。作业从提交给系统开始直至完成，需要经过以下两次调度：作业调度，指按一定的作业调度算法，从外存的后备作业队列中，选择若干作业调入内存；进程调度，指按一定的进程调度算法，从已在内存的作业中选择一个作业，将处理机分配给它，使之执行。
11.什么是分时系统？其主要特点是什么？【解答】 参见1-1中对分时系统的叙述。
12.什么是实时系统？主要有哪几大类？【解答】 参见1-1中对实时系统的叙述。
13.实时系统与分时系统的主要差别有哪些？【解答】 参见1-3中问答题的第5题。
14.简述操作系统的特征。【解答】 参见1-2中第9题。第2章操作系统的硬件环境
本章主要讲述和操作系统相关的硬件，包括中央处理机、存储系统，以及缓冲技术与中断技术。
重点提示：
●处理机的状态
●存储器的层次结构
●缓冲的用途和中断处理过程2.1重点难点指导
一个程序在计算机上运行需要有一定的条件，或者说要有一定的环境。例如，要有处理机、内存、I/O设备和有关系统软件等。而操作系统作为系统的管理程序，为了实现其预定的各种管理功能，更需要有一定的条件，或称为运行环境来支持其工作。操作系统的运行环境主要包括系统的硬件环境和由其他的系统软件形成的软件环境。
任何系统软件都是硬件功能的延伸，并且都是建立在硬件基础上的，离不开硬件设施的支持。而操作系统更是直接依赖于硬件条件，与硬件的关系尤为密切。2.1.1 中央处理机
一般的处理机由运算器、控制器、一系列的寄存器以及高速缓存构成。
1.处理机中的寄存器
寄存器为处理机本身提供了一定的存储能力，它们的速度比内存储器快得多，但是因为造价很高，存储容量一般都很小。
处理机中有很多寄存器用于控制处理机的操作，多数处理机上，这些寄存器的大部分对于用户是不可见的，有一部分可以在某种特权模式（由操作系统使用）下访问。最常见的控制和状态寄存器包括程序计数器（Program Counter，P ），它记录了将要取出的指令的地c址；指令寄存器（Instruction Register，IR），它包含了最近取出的指令；程序状态字（Program Status Word，PSW），它记录了处理机的运行模式信息等，有的处理机中还包含了条件码。
2.指令执行的基本过程
处理指令最简单的方式包括两个步骤：处理机先从存储器中每次读取一条指令，然后执行这条指令，一个这样的单条指令处理过程称为一个指令周期。程序的执行就是由不断取指令和执行指令的指令周期组成的。
3.处理机的状态
处理机使用的指令系统中的指令必须分成两部分：特权指令和非特权指令。所谓特权指令，是指在指令系统中那些只能由操作系统使用的指令。这些特权指令是不允许一般用户使用的。
处理机有时执行用户程序，有时执行操作系统的程序。在执行不同程序时，根据运行程序对资源和机器指令的使用权限而将此时的处理机设置为不同状态。多数系统将处理机工作状态划分为管态和目态。前者一般指操作系统管理程序运行时的状态，具有较高的特权级别，又称特权态（特态）、系统态，可以执行所有指令；后者一般指用户程序运行时的状态，具有较低的特权级别，又称普通态（普态）、用户态，只能执行非特权指令。2.1.2 存储系统
程序和数据存放在内存储器（又称内部存储器、内存）中才能运行。
1.存储器的类型
在微型计算机中使用的半导体存储器有若干种不同的类型，但基本上可划分为两类：一类是读写型的存储器RAM；另一类是只读型的存储器ROM。
2.存储器的层次结构
计算机存储系统的设计主要考虑3个问题：容量、速度和成本。3个目标不可能同时达到最优，要作权衡。解决的方案就是采用层次化的存储体系结构，如图1-2-1所示。
图1-2-1 计算机系统中的存储体系结构
从整个系统来看，在计算机系统中的存储装置是由寄存器、高速缓存、内存储器、硬盘存储器、磁带机和光盘存储器等装置构成的。较小、较贵而快速的存储设备有较大、较便宜而慢速的存储设备做后盾，它们通过访问频率的控制来提高存储系统的效能。
3.存储分块和存储保护
为了简化对存储器的分配和管理，在不少计算机系统中把存储器分成块。在为用户分配内存空间时，以块为最小单位，这样的块有时被称为一个物理页。而块的大小随计算机而异，512B、1KB、4KB、8KB的都有，也有其他大小的。
存放在内存中的用户程序和操作系统，以及它们的数据，很可能受到正在处理机上运行的某用户程序的有意或无意地破坏，这会造成十分严重的后果。几种最常用的存储保护机制有：
①界地址寄存器（界限寄存器）。
②存储键。2.1.3 缓冲技术与中断技术
1.缓冲技术
缓冲技术一般有3种用途：一种是用在处理机与内存之间的；另一种是用在处理机和其他外围设备之间的；还有一种是用在设备与设备之间的通信上的。无论哪一种，都是为了解决部件之间速度不匹配的问题。
2.中断技术
所谓中断，是指处理机对系统中或系统外发生的异步事件的响应。一般来说中断具有以下作用：
①能充分发挥处理机的使用效率。
②提高系统的实时能力。
3.中断系统
中断系统包括两大组成部分：中断系统的硬件中断装置和软件中断处理程序。现代计算机系统的中断装置一般要提供如下几项基本功能：
①提供识别中断源的方法，例如提供查询中断源的方法或者通知中断处理程序中断源是什么的方法。
②提供查询中断状态的方法，通常使用一个中断寄存器存储有关中断的状态信息，其中的内容一般称为中断字。
③提供中断现场保护的能力，包括保护程序状态字、程序计数器和必要的系统寄存器的能力。
④提供中断处理程序寻址能力，这使得中断装置可以找到恰当的中断处理程序。
⑤具有预定义的系统控制栈和中断处理程序入口地址映射表（又称中断向量表，表中的每一项称为一个中断向量）等数据结构和它们在内存中的位置，以辅助操作系统定制中断处理策略和中断调度机制。
4.多级中断和中断屏蔽
与中断相关联的概念是中断优先级。在多级中断系统中，很可能同时有多个中断请求，这时处理机接收中断优先级为最高的那个中断（如果其中断优先级高于当前运行程序的中断优先级时），而忽略其中断优先级较低的那些中断。
主机是否允许某些中断，一般由PSW中的某些位决定，这些屏蔽位标识了那些被屏蔽的中断类或者中断。
5.中断响应
处理机如何响应中断呢？这包括两方面的问题。
①处理机何时响应中断。通常在处理机执行了一条指令以后，更确切地说是在指令周期最后时刻接收中断请求，或是在此时扫描中断寄存器。
②如何知道提出中断请求的设备或中断源。因为只有知道中断源或中断设备是谁，才好调用相应的中断处理程序到处理机上执行。这也有两种方法：一是用软件指令去查询各设备接口，但这种方法比较费时，所以多数计算机对此问题的解决方法是使用一种称为“向量中断”的硬件设施。当处理机接收某优先级较高的中断请求时，该设备接口给处理机发送一个具有唯一性的“中断向量”，以标识该设备。
6.中断处理
中断处理是由计算机的硬件和软件（或固件）配合起来完成的。中断的发生可以激活很多事件，包括硬件的和软件的。一个典型的处理过程如下：
①设备给处理机发了一个中断信号。
②处理机处理完当前指令后响应中断，这个延迟非常短。（要求处理机没有关闭中断）
③处理机处理完当前指令后检测到中断，判断出中断来源并向发送中断的设备发送了确认中断信号，确认信号使得该设备将中断信号恢复到一般状态。
④处理机开始为软件处理中断做准备：保存中断点的程序执行上下文环境（中断处理后从中断点恢复被中断程序执行的必要信息），这通常包括程序状态字PSW，程序计数器P 中的下一条指令位置，c一些寄存器的值，它们通常保存在系统控制栈中。处理机状态被切换到管态。
⑤处理机根据中断源查询中断向量表，获得与该中断相联系的处理程序入口地址，并将P 置成该地址，处理机开始一个新的指令周c期，结果是控制转移到中断处理程序。
⑥中断处理程序开始工作，其中包括检查与I/O相关的状态信息，操纵I/O设备或者在设备和内存之间传送数据等。
⑦中断处理结束时，处理机检测到中断返回指令，被中断程序的上下文环境从系统堆栈中被恢复，处理机状态恢复成原来的状态。
⑧PSW和P 被恢复成中断前的值，处理机开始一个新的指令周c期，中断处理结束。
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