计算机软件技术基础 第三版 课后习题答案

6.1操作系统原理

1操作系统概论

2 操作系统的特性

3 操作系统的功能

4 操作系统的类型

5 进程管理

6.2 常见的操作系统

6.3 小节

操作系统是加到计算机硬件上的第一层软件，它是直接操作计算机的硬件的软件,从而使计算机硬件的功能首次能够发挥出来。一台纯粹由硬件构成的计算机(称之为“裸机”)在加载操作系统之后，就变成了一台与“裸机”大相径庭的“虚拟”的计算机。其他的所有软件，如编译软件、数据库系统、软件开发工具等系统软件以及浏览器、字处理软件、办公软件等应用软件都是以操作系统为基础，运行于“虚拟”机上的。只有首先运行操作系统之后，才能运行其他软件。

操作系统是用户与计算机硬件设备之间的接口，用户通过操作系统操纵计算机硬件设备完成自己的工作。计算机启动并加载操作系统之后，变成了一台“虚拟”(逻辑)的计算机。用户看到的“计算机”是一台逻辑计算机，用户看到的“设备”是访问硬件设备的软件程序，是一种逻辑设备。对逻辑设备的所有操作都被操作系统转换为对实际硬件设备的操作。。

6.1.2 操作系统的特性

1 并发性 ( Concurrence )

在多任务操作系统中，“并发”是指宏观上，在一段所谓“并发”，是指两个或两个以上的事件在同一时间间隔中发生。时间内，多个进程(简单地说，进程是程序的一次执行，将在后文中仔细讨论这个问题)在“同时”运行,多个计算机“事件”在“同时”

发生。如果计算机只有一个处理器(即CPU)，该计算机在任何时刻都只能运行一个进程。如果多个进程在极短的时间内交替执行，而使得用户察觉不到这种交替，

就形成了一种宏观上的“并发”。也就是在一个人类可以感觉的事件间隔内，这些进程的执行效果好像是它们被同时执行一样，但进程之间仍是交替运行的。

CPU分时的“并发”执行

2 共享性( Sharing)

资源的共享是指计算机系统中的硬件资源和软件资源不仅仅为某一程序或者某一用户所独享，多个拥有授权的程序或用户都可以使用。资源共享是为了提高计算机系统资源的利用率。从某种意义上讲，并发也可以看作是资源共享的一种形式。根据资源属性的不同，资源共享的方式有两种：

?互斥访问。计算机系统中的许多资源(比如打印机)，虽然多个程序都能够使用，但是在一段时间内却只能允许一个程序使用。

?同时访问。计算机系统中还有一类资源，允许多个进程在一段时间内同时访问。当然，这里所说的“同时”，仍然是宏观上的。这类资源中，最有代表性的当属磁盘了。

3 虚拟性(Virtual)

所谓“虚拟”，就是把物理实体映射为一个或者多个逻辑实体。物理实体是实际存在的，硬件上的概念，而逻辑实体则是“虚拟”的，软件上的概念，只是用户的一种看法和感觉。比如在多任务操作系统中，虽然只有一个处理器，但是多个进程在极短的时间间隔中交替运行 .

6.1.3 操作系统的功能

从资源管理的角度来看，操作系统通过对处理器、存储器、I/O设备和文件等计算机资源进行合理的分配、调度，提高资源的利用率，最大限度地发挥计算机的效能，提高计算机系统在单位时间内的信息处理能力(一般把单位时间的处理能力叫做吞吐量)。操作系统的主要功能有：

?处理器管理。处理器管理的主要功能就是对处理器的分配、调度实施最有效的管理，最大限度地提高它的处理能力。在多任务环境中，处理器的分配、调度都是以进程为单位的，所以处理器的管理可以归结为进程管理。

?存储器管理。内存管理为每个进程分配内存，当进程被撤消时回收分配出去的内存是内存管理的主要内容。每个进程只能在自己的内存空间中运行，否则会相互干扰甚至于破坏整个系统，所以内存保护也是内存管理的内容之一。

?设备管理。计算机系统中的设备主要指键盘、鼠标、显示器、打印机、扫描仪、数码相机、磁盘、磁带、光盘驱动器等I/O设备。

?文件管理。计算机中的所有信息，譬如程序、文档、数据等都是以文件的形式保存在硬盘、磁带、优盘、光盘等外部存储介质上，供授权用户使用。

?作业管理。作业就是用户的一个完整的计算任务，即运行应用程序所需要的数据以及控制应用程序执行的指令的集合。用户把应用程序和所需的数据以作业的形式提交给操作系统，操作系统在执行完应用程序之后，把结果输出给用户。

6.1.4 操作系统的类型

所有的操作系统，其目标都是一致的。但是不同种类的操作系统由于其应用领域和侧重点的不同，导致了它们在功能、规模等方面的较大的差异。可以从不同的角度来划分操作系统。从系统功能的角度，一般把操作系统分为：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等几大类。

批处理操作系统

从操作系统的发展历史来看，批处理系统是最先问世的，它是伴随着主要用于科学计算的第二代计算机系统的出现而研制出来的。它主要解决了用户操作速度太慢与计算机处理速度极快之间的矛盾，即所谓的“人机矛盾”，从而提高了计算机系统的吞吐量、提高了系统资源的利用率。顾名思义，“批处理系统”的特点就是：“不需人工干预，进行批量处理”。

分时操作系统(Time Sharing OS)

分时系统既是操作系统的一种类型，又是对配置了分时操作系统的计算机系统的一种叫法。分时系统是多道程序的变种，惟一不同之处在于分时系统中，每个用户都通过一个联机终端使用计算机系统。在分时系统中，一般在内存中驻留若干作业，由系统根据某种策略(如优先权等)进行调度，分配CPU资源，进行作业处理。操作系统将时间细分为一个个短的时间片，如果一个作业的时间片已经用完，但处理尚未完成，系统将取消该作业的CPU使用权，把CPU分配给另一个作业接着处理。这样轮流分配CPU，轮流对作业进行处理。。

实时操作系统(Real-Time OS)

实时系统是指这样一种操作系统，对于外部的输入信息，系统能够在极短的时间内做出响应，并完成对该输入请求的处理。实时操作系统与分时系统很类似，可以把实时系统看作是一种特殊的分时系统。它们都采用了时间片分时技术，都具有及时性、多路性、独立性和交互性等四个特征。不过，实时操作系统与分时系统之间还是有很大的区别的。实时系统一般是专用的，其交互能力比较差，它只允许用户访问数量有限的专用程序；而分时系统具有很强的通用性，它拥有很强的交互功能、允许用户运行或修改自己的应用程序。它们之间最大的区别还在于系统的响应时间。在分时系统中，响应时间可以长一点，以不超过用户的忍受范围为限；而在实时系统中，系统的响应时间就要短得多，一般是毫秒级的，甚至是微秒级。

网络操作系统(Network OS)

随着计算机网络技术的发展与应用，出现了网络操作系统。一台计算机通过一个网络适配器连接到网络上，网卡对计算机只是一个I/O设备。网络操作系统与单机操作系统并没有本质的区别。与单机上的操作系统不同的是，网络操作系统可对网络上的共享资源进行管理和使用。可以把网络操作系统看作是一种在单机操作系统的基础上发展起来的，能够管理网络通信和网络共享资源，协调各个主机上任务的运行，并向用户提供统一、高效、方便易用的网络接口的一种操作系统。Windows NT Server，NetWare和Unix是几个比较典型的网络操作系统。

分布式操作系统(Distributed System)

分布式操作系统更像是一种“单机化”的多计算机(或多处

理机)系统。虽然分布式系统由多个多计算机(处理机)组成，但是对用户来说，它只是一个“单机”处理系统，一切都是“透明”的，用户不知道他的应用程序实际上在哪个处理机上执行，也不知道他的文件保存在什么地方，这一切都由操作系统自行高效地完成。

在讨论进程管理之前，首先讲述几个基本概念：进程、线程。

“进程”这一术语是20世纪60年代初期在MULTICS系统和IBM公司的CTSS/360系统中首先引入的。其后，又有不少人从不同的角度对“进程”下过各式各样的定义。例如：“进程是程序的一次执行”、“进程是一次可并发的计算”、“进程是一个程序在其数据集上的一次执行”等。科学地讲：进程是一个可并发执行的程序在其数据集上的一次运行，是操作系统进行资源分配的单位和运行单位。进程表示资源的占用和所要做的工作，它是操作系统用于组织它必须完成的多项任务、实现并发执行的一种手段。具有:动态性并发性独立性异步性等特点.

线程是进程内的一个可调度实体，是一个执行单元，是更小的、轻量级的进程。线程具有进程的四个特征，线程包含于进程中并使用进程的地址空间。进程是用户的作业在操作系统内的逻辑表示，也可以把线程看作是用户作业的子任务在操作系统内的逻辑表示。线程可以方便、快捷地实现进程内的并发性。属于同一个进程的若干线程共享进程的地址空间和其他资源，线程之间的切换比进程之间的切换要快得多。

进程的状态及转换

进程在处理器上的执行是间歇的、不确定的，所以进程在它的整个生命周期中，可能有多种状态。进程有三个基本状态如图所示：

进程控制

进程是操作系统中资源分配和调度的实体。为了能够对进程进行管理，必须采用必要的手段对进程进行描述。

进程控制主要包括:

进程的同步

进程通信

进程调度

前面讨论了操作系统的一些基本特性。这一节将讨论几种常见的操作系统的特性，最后展望一下新一代操作系统的发展，希望读者能够在扩大知识面的同时加深对理论的理解。

6.2.1 Windows 系统

Windows是一个为个人电脑和服务器用户设计的操作系统，有时也被称为“视窗操作系统”。其前身是DOS(Disk Operation System)于1981年微软公司为IBM-PC开发的一种操作系统。经过多年的发展与完善，DOS又推出十几个版本。

随后在1985年11月，Windows 1.0发布，这是微软第一次对个人电脑操作平台进行用户图形界面的尝试。现在使用的最广泛的Windows2000和Windows XP以其灵活、强大的功能和稳定可靠的性能成为了目前最重要的操作系统。最新的Windows Vista问世，Windows在其基础上一步一步升级、改进和发展而来，并最终获得了世界个人电脑操作系统软件的垄断地位。

6.2.2 Unix 系统

1969年，AT&T公司(美国电话电报公司)Bell实验室的研究人员K.Thompson和D.M.Ritchie在PDP-7小型机上开发了第一个Unix系统。。

D.M.Ritchie的工作使Unix 拥有了其他系统所没有的最大优势——可移植性。

最初，贝尔实验室公开了Unix 系统的源代码，允许厂商在其提供的源代码的基础上进行新的开发，这对Unix 系统的研究、开发、推广和普及起到了推波助澜的作用，但也造成了Unix 系统版本众多，不同厂家的Unix 系统版本之间兼容性不好等问题。目前商业化的Unix 系统主要有：IBM公司的AIX系统，SUN 的SunOS系统，HP公司的HP-UX系统，Compaq公司的Digital Unix 系统等，它们大都运行于公司自己的计算机系统上。目前在Intel平台上，最主要的Unix 系统就是SCO公司的UnixWare 和Open Server系统以及各种发布版本的Linux

手机操作系统

手机已经成为我们必备的移动通信工具，随着移动多媒体时代的到来，手机也从最初的简单通话功能逐渐向智能化发展。其实智能手机与普通手机最简单的区别就是“是否拥有操作系统”。当手机具备了一个开放性的操作系统，在这个操作系统平台上，就可以安装更多的应用程序，从而可以使智能手机的功能得到无限的扩展。借助丰富的应用软件，智能手机就变成了一个微型计算机。

智能手机的几种操作系统：Symbian操作系统、Windows Mobile操作系统、Linux 手机操作系统和Palm操作系统。

Mac Os

作为Apple公司的旗舰操作系统，Mac Os X已拥有超过500万用户。Mac Os X－一个基于Unix的大型操作系统，具有以Unix为基础的开放源代码操作系统得几乎所有优点，提供了独特技术原理和简单操作的完美结合，也受到越来越多的电脑爱好者的青睐。

Windows Vista 操作系统

Windows Vista是Windows XP之后的下一代操作系统，Vista的中文意思是狭长的景色、街景、展望、回想，通过这个名字传递一种“个人展望”的感觉。它更加紧密、快捷的将你和你的好友、你所需要的信息联系起来，使所有的计算机和电子设备连为一体；它的新用户界面看起来将会有一种水晶般的感觉，让人们感到更加的整洁；它还会给用户带来最好的安全措施，将会比以往任何造作系统更加安全的保护你的计算机不受病毒和木马的侵害。介面的改进，功能的完善，新一代的操作系统对硬件配置也提出了更高的要求。

Windows Vista 的改变是

1.被重新设计的用户界面，开发代号为Aero。

2.全新的命令行界面，开发代号为Monad。

3.内建DVD刻录功能。

4.全新的高效压缩安装程序将使Windows Vista在20分钟内完成安装。

5.全新的搜索和组织信息方式。

总之是安全增强、新的搜索机制、大量新笔记本电脑功能、父母控制、更好的家庭网络。借助Avalon，Vista 在视觉方面也有所变化，包括从透明窗口到代表文档本身的图标。

6.3小结

操作系统是运行在计算机硬件上的第一层软件，它是对计算机的首次扩充，它对计算机系统的软、硬件资源进行管理，并向用户提供两种使用接口，用户通过使用接口使用计算机系统完成自己的计算任务。这两种用户接口是：程序员接口和普通用户接口。总的来说，计算机系统的资源有：处理器、内存、I/O设备和用户信息，所以，操作系统必须完成对这些资源的管理，这就是操作系统几大管理任务的由来。对操作系统有两方面的要求，第一就是必须可靠、安全、高效地进行资源管理，尽可能地提高计算机系统的运行效率、可靠性、稳定性和安全性；另一个要求就是必须向用户提供一个方便、易用的用户界面。这就要求操作系统必须采用并行、共享来提高资源的利用率；必须对冷冰冰的硬件进行抽象、虚拟，向用户提供一台方便易用的“逻辑计算机”。