汤子瀛《计算机操作系统》（第3版）笔记和课后习题（含考研真题）详解

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内容简介
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第一章　操作系统引论
　1.1　复习笔记
　1.2　课后习题详解
　1.3　考研真题与典型题详解
第二章　进程管理
　2.1　复习笔记
　2.2　课后习题详解
　2.3　考研真题与典型题详解
第三章　处理机调度与死锁
　3.1　复习笔记
　3.2　课后习题详解
　3.3　考研真题与典型题详解
第四章　存储器管理
　4.1　复习笔记
　4.2　课后习题详解
　4.3　考研真题与典型题详解
第五章　设备管理
　5.1　复习笔记
　5.2　课后习题详解
　5.3　考研真题与典型题详解
第六章　文件管理
　6.1　复习笔记
　6.2　课后习题详解
　6.3　考研真题与典型题详解
第七章　操作系统接口
　7.1　复习笔记
　7.2　课后习题详解
　7.3　考研真题与典型题详解
第八章　网络操作系统
　8.1　复习笔记
　8.2　课后习题详解
　8.3　考研真题与典型题详解
第九章　系统安全性
　9.1　复习笔记
　9.2　课后习题详解
第十章　UNIX系统内核结构
　10.1　复习笔记
　10.2　课后习题详解
　10.3　考研真题与典型题详解
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　　《国内外经典教材辅导系列?计算机类》是一套全面解析当前国内外各大院校计算机类权威教科书的辅导资料。我国各大院校一般都把国内外通用的权威教科书作为本科生和研究生学习专业课程的参考教材，这些教材甚至被很多考试（特别是硕士和博士入学考试）和培训项目作为指定参考书。这些国内外优秀教材的内容有一定的广度和深度，给许多读者在学习专业教材时带来了一定的困难。为了帮助读者更好地学习专业课，我们有针对性地编著了一套与国内外教材配套的复习资料，整理了各章的笔记，并对与本书相关的历年考研真题进行了详细的解答。
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　　2．解析课后习题，提供详尽答案。本书以汤子瀛主编的《计算机操作系统》（第3版）为基本依据，参考了该教材的配套资料和其他计算机专业教材的相关知识对该教材的课（章）后习题进行了详细的分析和解答，并对相关重要知识点进行了延伸和归纳。
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内容预览
第一章　操作系统引论
1.1　复习笔记
一、操作系统的目标和作用
（一）操作系统的目标
1．有效性
（1）提高系统资源利用率；
（2）提高系统的吞吐量。
2．方便性
配置操作系统（OS）后可使计算机更容易使用。
3．可扩充性
OS必须具有很好的可扩充性，才能适应计算机硬件、体系结构以及应用发展的要求。
4．开放性
开放性是指系统能遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连（OSI）国际标准。
（二）操作系统的作用
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，用户可通过以下三种方式使用计算机。
（1）命令方式；
（2）系统调用方式；
（3）图形、窗口方式。
2.OS作为计算机系统资源的管理者
（1）管理处理器，用于分配和控制处理器；
（2）管理存储器，主要负责内存的分配与回收；
（3）管理I/O设备，负责I/O设备的分配与操纵；
（4）管理文件，负责文件的存取、共享和保护。
3.OS实现了对计算机资源的抽象
它向用户（进程）提供了一个对硬件操作的抽象模型，用户可利用抽象模型提供的接口使用计算机。
（三）推动操作系统发展的主要动力
1．不断提高计算机资源的利用率；
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。
二、操作系统的发展过程
（一）无操作系统的计算机系统
1．人工操作方式
（1）用户独占全机。此时，计算机及其全部资源只能由上机用户独占；
（2）CPU等待人工操作。人工操作方式严重降低了计算机资源的利用率。
2．脱机输入/输出方式
（1）减少了CPU的空闲时间；
（2）提高了I/O速度。
（二）单道批处理系统
1．单道批处理系统的处理过程
图1-1显示出了单道批处理系统的处理流程。这种单道批处理系统仍然不能很好地利用系统资源，故现已很少使用。

图1-1 单道批处理系统的处理流程
2．单道批处理系统的特征
（1）自动性；（2）顺序性；（3）单道性。
（三）多道批处理系统
1．多道程序设计的基本概念
在该系统中，用户所提交的作业都先存放在外存上并排成一个队列，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。具体地说，在OS中引入多道程序设计技术可带来以下好处：
（1）提高CPU的利用率；
（2）可提高内存和I/O设备利用率；
（3）增加系统吞吐量。
2．多道批处理系统的优缺点
主要优点：
（1）资源利用率高；
（2）系统吞吐量大；
（3）平均周转时间长。
主要缺点：
（1）处理机管理问题；
（2）内存管理问题；
（3）I/O设备管理问题；
（4）文件管理问题；
（5）作业管理问题；
（6）无交互能力。
（四）分时系统
1．分时系统的产生
它能很好地将一台计算机提供给多个用户同时使用，提高计算机的利用率。有以下几个好处：（1）人机交互；（2）共享主机；（3）便于用户上机。
2．分时系统实现中的关键问题
（1）及时接收；（2）及时处理。
3．分时系统的特征
（1）多路性：允许在一台主机上同时联接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。
（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的时间内获得响应。
（4）交互性：用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。
（五）实时系统
实时系统（Real Time System）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对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。
1．应用需求
（1）实时控制；（2）实时信息处理。
2．实时任务
（1）按任务执行时是否呈现周期性来划分
①周期性实时任务。外部设备周期性地发出激励信号给计算机，要求它按指定周期循环执行，以便周期性地控制某外部设备；
②非周期性实时任务。外部设备所发出的激励信号并无明显的周期性，但都必须与一个截止时间（Deadline）关联。
（2）根据对截止时间的要求来划分
①硬实时任务（Hard Real-time Task）。系统必须满足任务对截止时间的要求，否则可能出现难以预测的结果。
②软实时任务（Soft Real-time Task）。它也联系着一个截止时间，但并不严格，若偶尔错过了任务的截止时间，对系统产生的影响也不会太大。
3．实时系统与分时系统特征的比较
（1）多路性。实时信息处理系统也按分时原则为多个终端用户服务。实时控制系统的多路性则主要表现在系统周期性地对多路现场信息进行采集，以及对多个对象或多个执行机构进行控制。而分时系统中的多路性则与用户情况有关，时多时少；
（2）独立性。实时信息处理系统中的每个终端用户在向实时系统提出服务请求时，是彼此独立地操作，互不干扰；而实时控制系统中，对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。实时信息处理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的；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，一般为秒级到毫秒级，甚至有的要低于100微秒；
（4）交互性。实时信息处理系统虽然也具有交互性，但这里人与系统的交互仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序。它不像分时系统那样能向终端用户提供数据处理和资源共享等服务；
（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具有高度的可靠性。因为任何差错都可能带来巨大的经济损失，甚至是无法预料的灾难性后果，所以在实时系统中，往往都采取了多级容错措施来保障系统的安全性及数据的安全性。
（六）微机操作系统的发展
1．单用户单任务操作系统
单用户单任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，且只允许用户程序作为一个任务运行。
2．单用户多任务操作系统
单用户多任务操作系统的含义是，只允许一个用户上机，但允许用户把程序分为若干个任务，使它们并发执行，从而有效地改善了系统的性能。
3．多用户多任务操作系统
多用户多任务操作系统的含义是，允许多个用户通过各自的终端使用同一台机器，共享主机系统中的各种资源，而每个用户程序又可进一步分为几个任务，使它们能并发执行，从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。
三、操作系统的基本特性
（一）并发性
1．并行与并发
并行性和并发性（Concurrence）是既相似又有区别的两个概念，并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生；而并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
2．引入进程
在操作系统中引入进程的目的，是为了使多个程序能并发执行。
3．引入线程
在操作系统中引入线程的目的，是为了进一步提高系统的并发性。
（二）共享性
所谓共享（Sharing），是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程（线程）共同使用，相应地，把这种资源的共同使用称为资源共享，或称为资源复用。
1．互斥共享方式
仅当A进程访问完并释放该资源后，才允许另一进程对该资源进行访问。我们把这种资源共享方式称为互斥式共享。
2．同时访问方式
允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这里所谓的“同时”，在单处理机环境下往往是宏观上的，而在微观上，这些进程可能是交替地对该资源进行访问。
（三）虚拟技术
通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。
1．时分复用技术
人们利用时分复用方式，将一条物理信道虚拟为多条逻辑信道，将每条信道提供给一个用户通话。在计算机领域中，广泛利用该技术以提高资源的利用率。
2．空分复用技术
它是将一个频率范围非常宽的信道，划分成多个频率范围较窄的信道，其中的任何一个频带都只供一个用户通话。在计算机中也使用了空分复用技术来提高存储空间的利用率。
（四）异步性
在多道程序环境下允许多个进程并发执行，但只有进程在获得所需的资源后方能执行。进程以人们不可预知的速度向前推进，此即进程的异步性（Asynchronism）。
四、操作系统的主要功能
（一）处理机管理功能
1．进程控制
进程控制的主要功能是为作业创建进程，撤消已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。
2．进程同步
进程同步的主要任务是为多个进程（含线程）的运行进行协调。
（1）进程互斥方式。这是指诸进程（线程）在对临界资源进行访问时，应采用互斥方式；
（2）进程同步方式。这是指在相互合作去完成共同任务的诸进程（线程）间，由同步机构对它们的执行次序加以协调。
3．进程通信
进程通信的任务就是用来实现在相互合作的进程之间的信息交换。
4．调度
在后备队列上等待的每个作业都需经过调度才能执行。
（1）作业调度。作业调度的基本任务是从后备队列中按照一定的算法，选择出若干个作业，为它们分配运行所需的资源（首先是分配内存）；
（2）进程调度。进程调度的任务是从进程的就绪队列中，按照一定的算法选出一个进程，把处理机分配给它，并为它设置运行现场，使进程投入执行。
（二）存储器管理功能
1．内存分配
在内存分配的机制中应具有这样的结构和功能：
（1）内存分配数据结构。该结构用于记录内存空间的使用情况，作为内存分配的依据。
（2）内存分配功能。系统按照一定的内存分配算法为用户程序分配内存空间。
（3）内存回收功能。系统对于用户不再需要的内存，通过用户的释放请求去完成系统的回收功能。
2．内存保护
内存保护的主要任务是确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰；绝不允许用户程序访问操作系统的程序和数据；也不允许用户程序转移到其它非共享的用户程序中去执行。
3．地址映射
为使程序能正确运行，存储器管理必须提供地址映射功能，以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
存储器管理中的内存扩充任务并非是去扩大物理内存的容量，而是借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量，使用户所感觉到的内存容量比实际内存容量大得多，以便让更多的用户程序并发运行。
（三）设备管理功能
1．缓冲管理
引入缓冲，可以有效解决设备速度不匹配的问题，提高设备的利用率，进而提高系统吞吐量。
2．设备分配
设备分配的基本任务是根据用户进程的I/O请求、系统的现有资源情况以及按照某种设备的分配策略，为之分配其所需的设备。
3．设备处理
设备处理的基本任务是用于实现CPU和设备控制器之间的通信。
（四）文件管理功能
1．文件存储空间的管理
目录管理的主要任务是为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的存、取速度。
2．目录管理
目录管理的主要任务是为每个文件建立其目录项，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/写管理和保护
（1）文件的读/写管理。该功能是根据用户的请求，从外存中读取数据，或将数据写入外存；
（2）文件保护。为了防止系统中的文件被非法窃取和破坏，在文件系统中必须提供有效的存取控制功能，以实现下述目标。
①防止未经核准的用户存取文件；
②防止冒名顶替存取文件；
③防止以不正确的方式使用文件。
（五）操作系统与用户之间的接口
1．用户接口：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，它是提供给用户使用的接口，用户可通过该接口取得操作系统的服务；
（1）联机用户接口；
（2）脱机用户接口；
（3）图形用户接口。
2．程序接口
该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惟一途径。
五、OS结构设计
（一）传统的操作系统结构
1．无结构操作系统
此时程序设计的技巧，只是如何编制紧凑的程序，以便于有效地利用内存。
2．模块化结构OS
（1）模块化程序设计技术的基本概念
图1-2显示出了由模块、子模块等组成的模块化OS结构。

图1-2 模块化结构的操作系统
（2）模块的独立性
在划分模块时，必须充分注意模块的独立性问题。因为模块的独立性越高，各模块间的交互就越少，系统的结构也就越清晰。衡量模块的独立性有以下两个标准：
①内聚性，指模块内部各部分间联系的紧密程度。内聚性越高，模块的独立性越强；
②耦合度，指模块间相互联系和相互影响的程度。显然，耦合度越低，模块的独立性越好。
（3）模块接口法的优缺点
利用模块接口法开发的0S，较之无结构0S具有以下明显的优点：
①提高OS设计的正确性、可理解性和可维护性；
②增强OS的适应性；
③加速OS的开发过程。
模块化结构设计仍存在下述问题：
①在OS设计阶段，对各模块间的接口规定很难满足在模块完成后对接口的实际需求；
②在OS设计阶段，设计者必须做出一系列的决定（决策），每一个决定必须建立在上一个决定的基础上。
3．分层式结构OS
（1）分层式结构的基本概念
自底向上的分层设计的基本原则是：每一步设计都是建立在可靠的基础上。因此规定，每一层仅能使用其底层所提供的功能和服务，这样可使系统的调试和验证都变得更容易。
（2）分层结构的优缺点
分层结构的主要优点有：
①易保证系统的正确性；②易扩充和易维护性。
分层结构的主要缺点是：降低了系统效率。
（二）客户/服务器模式
1．客户/服务器模式的组成
客户/服务器系统主要由客户机、服务器和网络系统三个部分组成。
（1）客户机：通常在一个LAN网络上连接有多台网络工作站（简称客户机），每台客户机都是一个自主计算机，具有一定的处理能力，客户进程在其上运行，平时它处理一些本地业务，也可发送一个消息给服务器，以请求某项服务；
（2）服务器：通常是一台规模较大的机器，在其上驻留有网络文件系统或数据库系统等，它能为网上所有的用户提供一种或多种服务。平时它一直处于工作状态，被动地等待来自客户机的请求，一旦检查到有客户提出服务请求，便去完成客户的请求，并将结果送回客户；
（3）网络系统：用于连接所有客户机和服务器，实现它们之间通信和网络资源共享的系统。
2．客户/服务器之间的交互
一次完整的交互过程可分成以下四步：
（1）客户发送请求消息；
（2）服务器接收消息；
（3）服务器回送消息；
（4）客户机接收消息。
3．客户/服务器模式的优点
（1）数据的分布处理和存储；
（2）便于集中管理；
（3）灵活性和可扩充性；
（4）易于改编应用软件。
（三）面向对象的程序设计
1．面向对象技术的基本概念
该技术是基于“抽象”和“隐蔽”原则来控制大型软件的复杂度。
（1）对象
在面向对象的技术中，是利用被封装的数据结构（变量）和一组对它进行操作的过程（方法），来表示系统中的某个对象的。
（2）对象类
类是在对象上的抽象，对象则是类的实例。对象类中所定义的变量在实例中均有具体的值。
（3）继承
在面向对象的技术中，可以根据已有类来定义一个新的类，新类被称为子类（B），原来的类被称为父类（A）。
2．面向对象技术的优点
（1）通过“重用”提高产品质量和生产率；
（2）使系统具有更好的易修改性和易扩展性；
（3）更易于保证系统的“正确性”和“可靠性”。
（四）微内核OS结构
1．微内核操作系统的基本概念
（1）足够小的内核；
（2）基于客户/服务器模式；
（3）应用“机制与策略分离”原理；
（4）采用面向对象技术。
2．微内核的基本功能
（1）进程（线程）管理；
（2）低级存储器管理；
（3）中断和陷入处理。
3．微内核操作系统的优点
（1）提高了系统的可扩展性；
（2）增强了系统的可靠性；
（3）可移植性；
（4）提供了对分布式系统的支持；
（5）融入了面向对象技术。
4．微内核操作系统存在的问题
微内核OS存在着潜在的缺点。其中最主要的是，较之早期OS，微内核OS的运行效率有所降低。

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