操作系統(tǒng) 習(xí)題及答案 第三章 進(jìn)程線程模型

第三章進(jìn)程線程模型習(xí)題操作系統(tǒng)中為什么要引入“進(jìn)程”？進(jìn)程和程序有什么區(qū)別？操作系統(tǒng)引入進(jìn)程作為資源分配和調(diào)度的一個獨立單位。區(qū)別是程序是靜態(tài)的，而進(jìn)程是動態(tài)的。進(jìn)程是程序的一個執(zhí)行過程。程序的存在是永久的。而進(jìn)程是為了程序的一次執(zhí)行而暫時存在的。進(jìn)程有生命周期，有誕生，亦有消亡。一個進(jìn)程可以包括若干程序的執(zhí)行，而一個程序亦可以產(chǎn)生多個進(jìn)程。進(jìn)程具有創(chuàng)建其他進(jìn)程的功能。被創(chuàng)建的進(jìn)程稱為子進(jìn)程，而創(chuàng)建者稱為父進(jìn)程，從而構(gòu)成了進(jìn)程家族。程序的并發(fā)執(zhí)行有什么特點？并發(fā)和并行有什么區(qū)別？并發(fā)執(zhí)行的特點是一個進(jìn)程可以同其他進(jìn)程一道向前推進(jìn)，即一個進(jìn)程的第一個動作可以在另一個進(jìn)程的最后一個動作結(jié)束之前就開始。并行是在不同實體上的多個事件；并發(fā)是在同一實體上的多個事件。并行是指在同一時刻，有多條指令在多個處理器上同時執(zhí)行；并發(fā)是指在同一時刻只能有一條指令執(zhí)行，但多個進(jìn)程指令被快速的輪換執(zhí)行，使得在宏觀上具有多個進(jìn)程同時執(zhí)行的效果，但在微觀上并不是同時執(zhí)行的，只是把時間分成若干段，使多個進(jìn)程快速交替的執(zhí)行?？稍偃氤绦蛴惺裁刺匦?？一個能夠被多個用戶同時調(diào)用的程序稱作是“可再入”的程序?？稍偃氤绦虮仨毷恰凹儭贝a的程序，程序在執(zhí)行中不會修改自身的代碼。換句話說，可再入程序必須和有關(guān)的數(shù)據(jù)區(qū)分離?？稍偃氤绦虻牟僮鲗ο?，即數(shù)據(jù)，是與程序相分離的，要求調(diào)用者提供專用工作區(qū)，以保證程序以同樣方式為各用戶服務(wù)。進(jìn)程有哪些基本狀態(tài)？它們的變化關(guān)系是怎樣的？運行狀態(tài)，就緒狀態(tài)和阻塞狀態(tài)。就緒狀態(tài)的進(jìn)程被進(jìn)程調(diào)度程序分配給處理器時，該進(jìn)程轉(zhuǎn)換為運行狀態(tài)。運行狀態(tài)的進(jìn)程在時間片用完后被中斷處理程序切換為就緒狀態(tài)。云興狀態(tài)的進(jìn)程因等待文件輸入等因素不能繼續(xù)運行時，切換為阻塞狀態(tài)。阻塞狀態(tài)的進(jìn)程在其被阻塞的原因解除后切換為就緒狀態(tài)。一個單CPU的操作系統(tǒng)共有n個進(jìn)程，不考慮進(jìn)程狀態(tài)過渡時的情況，也不考慮空轉(zhuǎn)進(jìn)程：（1）給出運行進(jìn)程的個數(shù)最少0個，最多1個（2）給出就緒進(jìn)程的個數(shù)最少0個，最多n-1個（3）給出等待進(jìn)程的個數(shù)最少0個，最多n個系統(tǒng)中有n（n>1）個進(jìn)程，在任一時刻，處于運行、就緒和等待狀態(tài)的進(jìn)程最多、最少各有幾個？假設(shè)系統(tǒng)有m個CPU，則運行狀態(tài)的進(jìn)程最少0個，最多m個；就緒狀態(tài)的進(jìn)程最少0個，最多n-m個；等待狀態(tài)的進(jìn)程最少0個，最多n個。進(jìn)程控制塊的作用是什么？其主要內(nèi)容有哪些？操作系統(tǒng)利用進(jìn)程控制塊來描述進(jìn)程的基本情況以及進(jìn)程的運行變化過程。進(jìn)程控制塊是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志，當(dāng)系統(tǒng)創(chuàng)建一個進(jìn)程時，為進(jìn)程設(shè)置一個進(jìn)程控制塊，再利用進(jìn)程控制塊對進(jìn)程進(jìn)行控制和管理。撤銷進(jìn)程時，系統(tǒng)收回它的進(jìn)程控制塊，進(jìn)程也隨之消亡。進(jìn)程控制塊的內(nèi)容可以分成調(diào)度信息和現(xiàn)場信息兩大部分。調(diào)度信息供進(jìn)程調(diào)度時使用，描述了進(jìn)程當(dāng)前所處的狀況，它包括進(jìn)程名、進(jìn)程號、存儲信息、優(yōu)先級、當(dāng)前狀態(tài)、資源清單、“家族”關(guān)系、消息隊列指針、進(jìn)程隊列指針和當(dāng)前打開文件等?，F(xiàn)場信息刻畫了進(jìn)程的運行情況，如程序狀態(tài)字、時鐘、界地址寄存器等等。進(jìn)程能否修改訪問自己的進(jìn)程控制塊內(nèi)容？不能何謂與時間有關(guān)的錯誤？舉例說明之。并發(fā)進(jìn)程執(zhí)行時一定會產(chǎn)生與時間有關(guān)的錯誤嗎？為什么？并發(fā)程序中共享了公共變量，使得程序的計算結(jié)果與程序執(zhí)行的順序有關(guān)。這種錯誤由程序執(zhí)行的順序不同導(dǎo)致，與時間有關(guān)，所以把它稱作與時間有關(guān)的錯誤。不一定會，一方面并發(fā)執(zhí)行的程序有可能是無關(guān)進(jìn)程，另一方面并發(fā)進(jìn)程即使有相關(guān)進(jìn)程，其執(zhí)行也有多種可能，會存在按預(yù)期執(zhí)行的情況發(fā)生。為什么要引入線程？線程和進(jìn)程之間的區(qū)別和聯(lián)系是什么？為了能使多個程序更好地并發(fā)執(zhí)行，同時又盡量減少任務(wù)切換時系統(tǒng)的開銷。進(jìn)程是調(diào)度的基本單位而且還是獨立分配資源的單位。如果能夠把這兩個基本單位的功能分開，那么就有可能實現(xiàn)進(jìn)一步提高并發(fā)程度，同時又避免消耗過多的系統(tǒng)資源的目標(biāo)。正是在這種思想的指導(dǎo)下，產(chǎn)生了線程的概念。聯(lián)系：一個程序可以由多個進(jìn)程共用，一個進(jìn)程可以執(zhí)行多個程序，進(jìn)程存在的意義就是執(zhí)行程序，進(jìn)程可以看成程序在并發(fā)過程中的執(zhí)行過程。區(qū)別：進(jìn)程是動態(tài)的概念，程序是靜態(tài)的概念；程序是指令代碼的有序組合，進(jìn)程是程序的執(zhí)行過程，由程序、數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊組成；進(jìn)程是暫時的，程序是永久的；進(jìn)程可以作為一個獨立運行的單位，能與其他進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行；程序不能在多道程序環(huán)境下獨立運行；一個程序可以由多個進(jìn)程共用，一個進(jìn)程可以執(zhí)行多個程序用進(jìn)程概念說明操作系統(tǒng)的并發(fā)性和不確定性是怎樣體現(xiàn)出來的？進(jìn)程具有兩個基本屬性。首先，進(jìn)程是一個可擁有資源的獨立單位；其次，進(jìn)程同時又是一個可以獨立調(diào)度和分派的基本單位。正是由于進(jìn)程具有這兩個基本屬性，才使之成為一個能獨立運行的基本單位，從而也構(gòu)成了進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的基礎(chǔ)。并發(fā)性：一個進(jìn)程可以同其他進(jìn)程一道向前推進(jìn)，即一個進(jìn)程的第一個動作可以在另一個進(jìn)程的最后一個動作結(jié)束之前就開始。不確定性：每個進(jìn)程按照各自獨立的、不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。不同的執(zhí)行順序可能導(dǎo)致不同的結(jié)果，因此具有不確定性。PCB的作用是什么？它是怎樣描述進(jìn)程的動態(tài)性質(zhì)的？概念及作用：PCB是進(jìn)程控制快，它是進(jìn)程組成中最關(guān)鍵的部分，包含進(jìn)程的描述信息和控制信息，如進(jìn)程名、進(jìn)程狀態(tài)信息、調(diào)度優(yōu)先級、通信信息、資源需求等。是操作系統(tǒng)感知進(jìn)程的存在，以及管理和控制進(jìn)程執(zhí)行的唯一依據(jù)。如何描述：PCB中有表明進(jìn)程狀態(tài)的信息：該進(jìn)程的狀態(tài)是運行態(tài)、就緒態(tài)還是阻塞態(tài)，利用狀態(tài)信息來描述進(jìn)程的動態(tài)性質(zhì)。進(jìn)程的三個基本狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3-10所示。圖中1，2，3，4表示某種類型的狀態(tài)變遷，請分別回答下述問題：圖3-10習(xí)題13（1）什么“事件”引起某一種類型的狀態(tài)變遷？1：調(diào)度程序從就緒隊列中選取一個進(jìn)程執(zhí)行時；2：正在執(zhí)行的進(jìn)程時間片用完；3：正在執(zhí)行的進(jìn)程因等待發(fā)生某事件而無法執(zhí)行下去；4：當(dāng)進(jìn)程阻塞的原因解除。（2）系統(tǒng)中常常由于某一進(jìn)程的狀態(tài)變遷引起另一進(jìn)程也產(chǎn)生狀態(tài)變遷，試判斷在下述情況下，如果有的話，將發(fā)生什么因果變遷？3→1，2→1，3→2，4→1，3→43→1：如果就緒隊列非空，則當(dāng)一個進(jìn)程發(fā)生變遷3時，會立即引起另一個進(jìn)程發(fā)生變遷1。2→1：當(dāng)發(fā)生變遷2時，正在執(zhí)行的進(jìn)程從執(zhí)行狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)，進(jìn)程調(diào)度程序必然會從就緒隊列中選取，即發(fā)生變遷1。3→2：當(dāng)前執(zhí)行進(jìn)程從執(zhí)行狀態(tài)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)，不可能同時又從執(zhí)行狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài),，沒有因果變遷。4→1：一個進(jìn)程從等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)是因為等待的事件發(fā)生，不會導(dǎo)致其他進(jìn)程狀態(tài)發(fā)生改變，沒有因果變遷。3→4：一個進(jìn)程阻塞是因為進(jìn)程自身原因，和其他進(jìn)程無關(guān)，沒有因果變遷。（3）在什么情況下，如果有的話，下述變遷中哪些將不立即引起其他變遷？1，2，3，44（4）引起進(jìn)程狀態(tài)發(fā)生變遷的根本原因是什么？進(jìn)程具有動態(tài)性，在從創(chuàng)建到終止的全過程中一直處于一個不斷變化的過程。試列舉出進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的典型原因和引起進(jìn)程調(diào)度的因素。就緒→運行：進(jìn)程被調(diào)度程序選中運行→就緒：時間片用完運行→阻塞：等待某事件發(fā)生阻塞→就緒：等待的時間已經(jīng)發(fā)生運行的進(jìn)程用完了時間片；運行的進(jìn)程等待某一事件開始阻塞在一個進(jìn)程中使用多個線程有以下兩個優(yōu)點：（1）在一個已有進(jìn)程中創(chuàng)建一個新線程比創(chuàng)建一個新進(jìn)程所需的工作量少；（2）在同一個進(jìn)程中的線程間的通信比較簡單。請問，同一個進(jìn)程中的兩個線程間的模式切換與不同進(jìn)程中的兩個線程間的模式切換相比，所需的工作量是否要少？是，因為進(jìn)程切換時需要保存更多狀態(tài)信息。在比較用戶級線程和內(nèi)核級線程時曾指出用戶級線程的一個缺點是，當(dāng)一個用戶級線程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時，不僅這個線程被阻塞，進(jìn)程中的所有線程都被阻塞。請問這是為什么？當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用一個系統(tǒng)調(diào)用時，要由用戶態(tài)管態(tài)轉(zhuǎn)入第二章中主要用“管態(tài)”及“目態(tài)”的描述，也解釋了“用戶態(tài)“及”內(nèi)核態(tài)”，沒有“核心態(tài)”的描述，建議全部采用“管態(tài)”及“目態(tài)”。核心態(tài)目態(tài)，用戶進(jìn)程將被封鎖。當(dāng)內(nèi)核完成系統(tǒng)調(diào)用而返回時，才將該進(jìn)程喚醒，繼續(xù)執(zhí)行。而在用戶級線程調(diào)用一個系統(tǒng)調(diào)用時，由于內(nèi)核并不知道有該用戶級線程的存在，因而把系統(tǒng)調(diào)用看作是整個進(jìn)程的行為，于是使該進(jìn)程等待，而調(diào)度另一個進(jìn)程執(zhí)行。同樣是在內(nèi)核完成系統(tǒng)調(diào)用而返回的，進(jìn)程才能繼續(xù)執(zhí)行。如果系統(tǒng)中設(shè)置的是內(nèi)核支持線程，則調(diào)度是以線程為單位。當(dāng)一個線程調(diào)用一個系統(tǒng)調(diào)用時，內(nèi)核把系統(tǒng)調(diào)用只看作是該線程的行為，因而封鎖該線程，于是可以再調(diào)度該進(jìn)程中的其他線程執(zhí)行。第二章中主要用“管態(tài)”及“目態(tài)”的描述，也解釋了“用戶態(tài)“及”內(nèi)核態(tài)”，沒有“核心態(tài)”的描述，建議全部采用“管態(tài)”及“目態(tài)”?？紤]這樣一個環(huán)境，用戶級線程和內(nèi)核級線程呈一對一的映射關(guān)系，并且允許進(jìn)程中的一個或多個線程產(chǎn)生會引發(fā)阻塞的系