2.2　課后習題詳解

1什么是前趨圖？為什么要引入前趨圖？

答：（1）前趨圖的定義

前趨圖是一個有向無循環(huán)圖，記為DAG，用于描述進程之間執(zhí)行的前后關(guān)系。圖中的每個結(jié)點可用于描述一個程序段或進程，乃至一條語句；結(jié)點間的有向邊則用于表示兩個結(jié)點之間存在的偏序或前趨關(guān)系。

（2）引入前趨圖的原因

引入前趨圖可以形象的表示進程之間的前后關(guān)系和順序，可以更好地描述程序的順序和并發(fā)執(zhí)行情況。

2試畫出下面四條語句的前趨圖：

S1：a=x+y；

S2：b=z+1；

S3：c=a-b；

S4：w=c+1；

答：S3語句中的操作涉及S1中的a和S2中的b，因此，S3的前趨是S1和S2；S4中的語句涉及S3中的c，因此，S4的前趨是S3，所以畫出前趨圖如圖2-6所示。

圖2-6　前趨圖

3為什么程序并發(fā)執(zhí)行會產(chǎn)生間斷性特征？

答：程序在并發(fā)執(zhí)行時，由于它們共享系統(tǒng)資源，以及為完成同一項任務(wù)而相互合作，致使在這些并發(fā)執(zhí)行的程序之間，形成了相互制約的關(guān)系，從而產(chǎn)生間斷性特征。簡而言之，相互制約將導(dǎo)致并發(fā)程序具有“執(zhí)行-暫停-執(zhí)行”這種間斷性的活動規(guī)律。

4程序并發(fā)執(zhí)行時為什么會失去封閉性和可再現(xiàn)性？

答：程序在并發(fā)執(zhí)行時，是多個程序共享系統(tǒng)中的各種資源，因而這些資源的狀態(tài)將由多個程序來改變，致使程序的運行失去了封閉性。這樣，某程序在執(zhí)行時，必然會受到其他程序的影響，而這也將導(dǎo)致其再失去可再現(xiàn)性，亦即程序經(jīng)過多次執(zhí)行后，雖然它們執(zhí)行時的環(huán)境和初始條件相同，但得到的結(jié)果卻各不相同。

5在操作系統(tǒng)中為什么要引入進程的概念？它會產(chǎn)生什么樣的影響？

答：（1）引入進程的原因

在多道程序環(huán)境下，程序的執(zhí)行屬于并發(fā)執(zhí)行，此時它們將失去其封閉性，并具有間斷性及不可再現(xiàn)性的特征。這決定了通常的程序是不能參與并發(fā)執(zhí)行的，因為程序執(zhí)行的結(jié)果是不可再現(xiàn)的。這樣，程序的運行也就失去了意義。為使程序能并發(fā)執(zhí)行，且為了對并發(fā)執(zhí)行的程序加以描述和控制，人們引入了“進程”的概念。

（2）引入進程的影響

進程的引入使程序的并發(fā)執(zhí)行得以實現(xiàn)。

6試從動態(tài)性、并發(fā)性和獨立性上比較進程和程序。

答：（1）動態(tài)性

進程的實質(zhì)是進程實體的一次執(zhí)行過程，因此，動態(tài)性是進程的最基本的特征。動態(tài)性還表現(xiàn)在：“它由創(chuàng)建而產(chǎn)生，由調(diào)度而執(zhí)行，由撤銷而消亡”。可見，進程實體有一定的生命期，而程序則只是一組有序指令的集合，并存放于某種介質(zhì)上，其本身并不具有運動的含義，因而是靜態(tài)的。

（2）并發(fā)性

這是指多個進程實體共同存于內(nèi)存中，且能在一段時間內(nèi)同時運行。并發(fā)性是進程的重要特征，同時也成為OS的重要特征。引入進程的目的也正是為了使其進程實體能和其他進程實體并發(fā)執(zhí)行；而程序（沒有建立PCB）是不能并發(fā)執(zhí)行的。

（3）獨立性

在傳統(tǒng)的OS中，進程是一個能獨立運行、獨立分配資源和獨立接受調(diào)度的基本單位，具有高度的獨立性。但凡未建立PCB的程序都不能作為一個獨立的單位參與運行。

7試說明PCB的作用具體表現(xiàn)在哪幾個方面，為什么說PCB是進程存在的唯一標識？

答：（1）PCB作用的具體表現(xiàn)

①進程控制塊PCB是進程實體的一部分，是操作系統(tǒng)中最重要的記錄型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

②PCB中記錄了操作系統(tǒng)所需的、用于描述進程的當前情況以及控制進程運行的全部信息。

③進程控制塊使一個在多道程序環(huán)境下不能獨立運行的程序（含數(shù)據(jù)），成為一個能獨立運行的基本單位，一個能與其他進程并發(fā)執(zhí)行的進程。

（2）PCB是進程存在的唯一標識的原因

在進程的整個生命期中，系統(tǒng)總是通過PCB對進程進行控制，即系統(tǒng)是根據(jù)進程的PCB而非其他感知到該進程的存在的。所以說，PCB是進程存在的唯一標識。

8PCB提供了進程管理和進程調(diào)度所需要的哪些信息？

答：在進程控制塊中，主要包括下述四個方面的信息：

（1）進程標識符：進程標識符用于唯一標識一個進程。

（2）處理機狀態(tài)：處理機狀態(tài)信息也稱為處理機的上下文，主要由處理機的各種寄存器中的內(nèi)容組成。

（3）進程調(diào)度信息：進程調(diào)度信息包括進程狀態(tài)、進程優(yōu)先級、進程調(diào)度所需的其他信息、事件四個方面。

（4）進程控制信息：進程控制信息包括程序和數(shù)據(jù)的地址、進程同步和通信機制、資源清單和鏈接指針。

9進程控制塊的組織方式有哪幾種？

答：（1）線性方式：將系統(tǒng)中所有的PCB都組織在一張線性表中，將該表的首址存放在內(nèi)存的一個專用區(qū)域中。

（2）鏈接方式：把具有相同狀態(tài)進程的PCB分別通過PCB中的鏈接字鏈接成一個隊列。

（3）索引方式：系統(tǒng)根據(jù)所有進程狀態(tài)的不同，建立幾張索引表，在每個索引表的表目中，記錄具有相應(yīng)狀態(tài)的某個PCB在PCB表中的地址。

10何謂操作系統(tǒng)內(nèi)核？內(nèi)核的主要功能是什么？

答：（1）操作系統(tǒng)內(nèi)核的定義

操作系統(tǒng)內(nèi)核是指大多數(shù)操作系統(tǒng)的核心部分。它由操作系統(tǒng)中用于管理存儲器、文件、外設(shè)和系統(tǒng)資源的那些部分組成。操作系統(tǒng)內(nèi)核通常運行進程，并提供進程間的通信。

（2）操作系統(tǒng)內(nèi)核的主要功能

①支撐功能

該功能是提供給OS其他眾多模塊所需要的一些基本功能，以便支撐這些模塊工作。其中三種最基本的支撐功能是：中斷處理、時鐘管理和原語操作。

a．中斷處理

中斷處理是內(nèi)核最基本的功能，是整個操作系統(tǒng)賴以活動的基礎(chǔ)，OS中許多重要的活動。

b．時鐘管理

時鐘管理是內(nèi)核的一項基本功能，在OS中的許多活動都需要得到它的支撐。

c．原語操作

原語（Primitive），就是由若干條指令組成的，用于完成一定功能的一個過程，是一個不可分割的基本單位，在內(nèi)核中可能有許多原語。

②資源管理功能

a．進程管理

在進程管理中，或者由于各個功能模塊的運行頻率較高，通常都將它們放在內(nèi)核中，以提高OS的性能。

b．存儲器管理

存儲器管理軟件的運行頻率也比較高，通常也將它們放在內(nèi)核中，以保證存儲器管理具有較高的運行速度。

c．設(shè)備管理

由于設(shè)備管理與硬件（設(shè)備）緊密相關(guān)，因此其中很大部分也都設(shè)置在內(nèi)核中。

11試說明進程在三個基本狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的典型原因。

答：進程的三種基本狀態(tài)是就緒狀態(tài)、執(zhí)行狀態(tài)和阻塞狀態(tài)，這三種基本狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的典型原因如圖2-7所示，具體如下：

（1）就緒狀態(tài)→執(zhí)行狀態(tài)：進程通過調(diào)度分配到CPU資源；

（2）執(zhí)行狀態(tài)→就緒狀態(tài)：時間片用完；

（3）執(zhí)行狀態(tài)→阻塞狀態(tài)：I/O設(shè)備請求；

（4）阻塞狀態(tài)→就緒狀態(tài)：I/O設(shè)備請求完成。

圖2-7　進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

12為什么要引入掛起狀態(tài)？該狀態(tài)有哪些性質(zhì)？

答：（1）引入掛起狀態(tài)的原因

①終端用戶的請求：當終端用戶在自己的程序運行期間發(fā)現(xiàn)有可疑問題時，希望暫時使自己的程序靜止下來。

②父進程請求：父進程希望掛起自己的某個子進程，以便考查和修改該子進程，或者協(xié)調(diào)各子進程間的活動。

③負荷調(diào)節(jié)的需要：當實時系統(tǒng)中的工作負荷較重，已可能影響到對實時任務(wù)的控制時，可由系統(tǒng)把一些不重要的進程掛起，以保證系統(tǒng)能正常運行。

④操作系統(tǒng)的需要：操作系統(tǒng)有時希望掛起某些進程，以便檢查運行中的資源使用情況或進行記賬。

（2）掛起狀態(tài)的性質(zhì)

①當進程處于未被掛起的就緒狀態(tài)時，稱此為活動就緒狀態(tài)，表示為Readya。當用掛起原語Suspend將該進程掛起后，該進程便轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止就緒狀態(tài)，表示為Readys，處于Readys狀態(tài)的進程不再被調(diào)度執(zhí)行。

②當進程處于未被掛起的阻塞狀態(tài)時，稱它是處于活動阻塞狀態(tài)，表示為Blockeda。當用Suspend原語將它掛起后，進程便轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止阻塞狀態(tài)，表示為Blockeds。處于該狀態(tài)的進程在其所期待的事件出現(xiàn)后，將從靜止阻塞變?yōu)殪o止就緒。

13在進行進程切換時，所要保存的處理機狀態(tài)信息有哪些？

答：處理機狀態(tài)信息主要是由處理機的各種寄存器中的內(nèi)容組成的。處理機在運行時，許多信息都放在寄存器中。當處理機被中斷時，所有這些信息都必須保存在PCB中，以便在該進程重新執(zhí)行時，能從斷點繼續(xù)執(zhí)行。這些寄存器包括：

（1）通用寄存器，用戶程序可以訪問，用于暫存信息；

（2）指令寄存器，存放要訪問的下一條指令的地址；

（3）進程狀態(tài)字PSW，含有狀態(tài)信息，如條件碼，執(zhí)行方式，中斷屏蔽標志等；

（4）用戶棧指針，每個用戶進程都有一個或若干個與之相關(guān)的系統(tǒng)棧，用于存放過程和系統(tǒng)調(diào)用地址。

14試說明引起進程創(chuàng)建的主要事件。

答：引起進程創(chuàng)建的主要事件有：

（1）用戶登錄

在分時系統(tǒng)中，用戶在終端鍵入登錄命令后，如果是合法用戶，系統(tǒng)將為該終端建立一個進程，并把它插入到就緒隊列中。

（2）作業(yè)調(diào)度

在批處理系統(tǒng)中，當作業(yè)調(diào)度程序按一定的算法調(diào)度某作業(yè)時，便將該作業(yè)裝入內(nèi)存，為它創(chuàng)建進程，分配必要的資源，并插入到就緒隊列中。

（3）提供服務(wù)

當運行中的用戶程序提出某種請求后，系統(tǒng)將專門創(chuàng)建一個進程來提供用戶所需要的服務(wù)。

（4）應(yīng)用請求

基于應(yīng)用進程的需求，由它自己創(chuàng)建一個新進程，以便使新進程以并發(fā)運行的方式完成特定任務(wù)。

15試說明引起進程被撤消的主要事件。

答：引起進程被撤銷的主要事件有：

（1）正常結(jié)束：在任何計算機系統(tǒng)中，都應(yīng)有一個用于表示進程已經(jīng)運行完成的指示；

（2）異常結(jié)束：在進程運行期間，由于出現(xiàn)某些錯誤和故障而迫使進程終止（包括越界錯誤、保護錯、非法指令、特權(quán)指令錯、運行超時、等待超時、算術(shù)運算錯、I/O故障）；

（3）外界干預(yù)：外界干預(yù)并非指在本進程運行中出現(xiàn)了異常事件，而是指進程應(yīng)外界的請求而終止運行（包括操作員或操作系統(tǒng)干預(yù)、父進程請求、父進程終止）。

16在創(chuàng)建一個進程時所要完成的主要工作是什么？

答：一旦操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了要求創(chuàng)建新進程的事件后，便調(diào)用進程創(chuàng)建原語Create按下述步驟創(chuàng)建一個新進程：

（1）申請空白PCB：為新進程申請獲得唯一的數(shù)字標識符，并從PCB集合中索取一個空白PCB。

（2）為新進程分配資源：為新進程的程序和數(shù)據(jù)以及用戶棧分配必要的內(nèi)存空間。

（3）初始化進程控制塊：包括初始化標識信息，初始化處理機狀態(tài)信息，初始化處理機控制信息。

（4）將新進程插入就緒隊列：如果進程就緒隊列能夠接納新進程，便將新進程插入就緒隊列。

17在撤消一個進程時所要完成的主要工作是什么？

答：如果系統(tǒng)中發(fā)生了要求終止進程的某事件，OS便調(diào)用進程終止原語，按下述過程去終止指定的進程：

（1）根據(jù)被終止進程標識符，從PCB集中檢索出進程PCB，從中讀出該進程的狀態(tài)；

（2）若被終止進程正處于執(zhí)行狀態(tài)，立即終止該進程的執(zhí)行，并置調(diào)度標志為真，指示該進程被終止后可以被重新調(diào)度；

（3）若該進程還有子進程，應(yīng)將所有子孫進程終止，以防它們成為不可控進程；

（4）將被終止進程擁有的全部資源，或者歸還給父進程，或者歸還給系統(tǒng)；

（5）將被終止進程PCB從所在隊列或鏈表中移出，等待其他程序搜集信息。

18試說明引起進程阻塞或被喚醒的主要事件是什么？

答：有下述幾類事件會引起進程阻塞或被喚醒：

（1）請求系統(tǒng)服務(wù)

當正在執(zhí)行的進程請求操作系統(tǒng)提供服務(wù)時，由于某種原因，操作系統(tǒng)并不能立即滿足該進程的要求時，該進程只能轉(zhuǎn)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)來等待；

（2）啟動某種操作

當進程啟動某種操作后，如果該進程必須在該操作完成之后才能繼續(xù)執(zhí)行，則必須先使該進程阻塞，以等待該操作完成；

（3）新數(shù)據(jù)尚未到達

對于相互合作的進程，如果其中一個進程需要先獲得另一（合作）進程提供的數(shù)據(jù)后才能對數(shù)據(jù)進行處理，則只要其所需數(shù)據(jù)未到達，該進程只有（等待）阻塞；

（4）無新工作可做

系統(tǒng)往往設(shè)置一些具有某特定功能的系統(tǒng)進程，每當這種進程完成任務(wù)后，便把自己阻塞起來以等待新任務(wù)到來。

19為什么要在OS中引入線程？

答：為了減少程序在并發(fā)執(zhí)行時所付出的時空開銷，使OS具有更好的并發(fā)性。

20試說明線程具有哪些屬性？

答：（1）輕型實體；（2）獨立調(diào)度和分派的基本單位；（3）可并發(fā)執(zhí)行；（4）共享進程資源。

21試從調(diào)度性、并發(fā)性、擁有資源及系統(tǒng)開銷方面對進程和線程進行比較。

答：（1）調(diào)度性

線程在OS中作為調(diào)度和分配的基本單位，進程作為資源擁有的基本單位。

（2）并發(fā)性

在引入線程的操作系統(tǒng)中，不僅進程之間可以并發(fā)執(zhí)行，而且在一個進程中的多個線程之間亦可并發(fā)執(zhí)行。

（3）擁有資源

進程是系統(tǒng)中擁有資源的基本單位，一般而言，線程自己不擁有系統(tǒng)資源，只有一點必不可少的資源，但它可以訪問其隸屬進程的資源，即一個進程的代碼段、數(shù)據(jù)段及所擁有的系統(tǒng)資源。

（4）系統(tǒng)開銷

操作系統(tǒng)在創(chuàng)建、撤銷和切換進程時付出的開銷明顯大于線程。

22線程控制塊TCB中包含了哪些內(nèi)容？

答：線程控制塊通常有這樣幾項信息：線程標識符，一組寄存器，線程運行狀態(tài)，優(yōu)先級，線程專有存儲區(qū)，信號屏蔽，堆棧指針。

23何謂用戶級線程和內(nèi)核支持線程？

答：（1）用戶級線程

用戶級線程ULT僅存在于用戶空間中。對于這種線程的創(chuàng)建、撤銷、線程之間的同步與通信等功能，都無須利用系統(tǒng)調(diào)用來實現(xiàn)。對于用戶級線程的切換，通常發(fā)生在一個應(yīng)用進程的諸多線程之間，這時，也同樣無須內(nèi)核的支持。由于切換的規(guī)則遠比進程調(diào)度和切換的規(guī)則簡單，因而使線程的切換速度特別快。可見，這種線程是與內(nèi)核無關(guān)的。

（2）內(nèi)核支持線程

內(nèi)核支持線程KST，也都同樣是在內(nèi)核的支持下運行的，即無論是用戶進程中的線程，還是系統(tǒng)進程中的線程，他們的創(chuàng)建、撤銷和切換等也是依靠內(nèi)核，在內(nèi)核空間實現(xiàn)的。此外，在內(nèi)核空間還為每一個內(nèi)核支持線程設(shè)置了一個線程控制塊，內(nèi)核是根據(jù)該控制塊來感知某線程的存在，并對其加以控制。

24試說明用戶級線程的實現(xiàn)方法。

答：用戶級線程是在用戶空間實現(xiàn)的。所有的用戶級線程都具有相同的結(jié)構(gòu)，它們都運行在一個中間系統(tǒng)的上面。當前有兩種方式實現(xiàn)的中間系統(tǒng)，即運行時系統(tǒng)和內(nèi)核控制線程。

（1）運行時系統(tǒng)

運行時系統(tǒng)實質(zhì)上是用于管理和控制線程的函數(shù)（過程）的集合。其中包括用于創(chuàng)建和撤銷線程的函數(shù)、線程同步和通信的函數(shù)以及實現(xiàn)線程調(diào)度的函數(shù)等。正因為有這些函數(shù)，才能使用戶級線程與內(nèi)核無關(guān)。運行時系統(tǒng)中所有函數(shù)都駐留在用戶空間，并作為用戶級線程與內(nèi)核之間的接口。

（2）內(nèi)核控制線程

內(nèi)核控制線程又稱為輕型進程LWP，每一個進程都可擁有多個LWP，同用戶級線程一樣，每個LWP都有自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中包括線程標識符、優(yōu)先級、狀態(tài)，另外還有棧和局部存儲區(qū)等。它們也可以共享進程所擁有的資源。可通過系統(tǒng)調(diào)用來獲得內(nèi)核提供的服務(wù)。這樣當一個用戶級線程運行時，只要將它連接到一個LWP上，此時它便具有了內(nèi)核支持線程的所有屬性。

25試說明內(nèi)核支持線程的實現(xiàn)方法。

答：系統(tǒng)在創(chuàng)建新進程時，便為它分配一個任務(wù)數(shù)據(jù)區(qū)PTDA，其中包括若干個線程控制塊TCB空間。在每一個TCB中可保存線程標識符、優(yōu)先級、線程運行的CPU狀態(tài)等信息，這些信息被保存在內(nèi)核空間中。每當進程要創(chuàng)建一個線程時，便為新線程分配一個TCB，將有關(guān)信息填入該TCB中，并為之分配必要的資源。當PTDA中的所有TCB空間已用完，而進程又要創(chuàng)建新的線程時，只要其所創(chuàng)建的線程數(shù)目未超過系統(tǒng)的允許值（通常為數(shù)十至數(shù)百個），系統(tǒng)可再為之分配新的TCB空間；在撤銷一個線程時，也應(yīng)回收該線程的所有資源和TCB。

26多線程模型有哪幾種類型？多對一模型有何優(yōu)缺點？

答：（1）多線程模型有三種類型：多對一模型、一對一模型、多對多模型。

（2）多對一模型的優(yōu)缺點

①多對一模型的主要優(yōu)點是線程管理的開銷小，效率高。

②多對一模型的主要缺點在于，如果一個線程在訪問內(nèi)核時發(fā)生阻塞，則整個進程都會被阻塞；此外，在任一時刻，只有一個線程能夠訪問內(nèi)核，多個線程不能同時在多個處理機上運行。