操作系统核心问题与系统设计解析

1、操作系统的三个主要目的是什么？

1. 作为计算机用户与计算机硬件之间的中介，提供一个用户可以方便高效地执行程序的环境；
2. 管理计算机硬件，确保计算机系统正确运行，并防止用户程序干扰系统正常运行；
3. 管理内存和存储空间，保护和保障操作系统及用户安全。

2、我们强调了操作系统有效利用计算硬件的必要性。在什么情况下，操作系统适合放弃这一原则而“浪费”资源？为什么这样的系统实际上并非浪费资源？

当操作系统主要为单用户体验设计时，适合放弃高效利用资源原则。因为这类系统目标是最大化用户工作或娱乐体验，注重易用性，性能虽重要但以单用户体验为优化方向，不过分关注资源利用率。

它并非真正浪费资源，因为满足了用户便捷操作需求，提升了用户体验和工作效率。从用户角度看，资源使用是为实现更有价值的体验，并非无意义消耗。

3、结合操作系统的各种定义，思考操作系统是否应包含如网页浏览器和邮件程序等应用程序。分别论证应该和不应该，并给出理由。

应该包含的理由：

• 操作系统的目的是为用户提供一个方便高效执行程序的环境。
• 网页浏览器和邮件程序等应用是用户日常使用计算机时常用的工具。
• 将它们包含在操作系统中可以让用户更方便地使用计算机，减少额外安装软件的步骤。

不应该包含的理由：

• 操作系统的主要功能是管理计算机硬件和为应用程序提供基础支持，是计算机系统的核心软件。
• 而网页浏览器和邮件程序等属于应用程序，具有多样性和可选择性。
• 不同用户的需求不同，如果将它们包含在操作系统中会使操作系统变得臃肿，且不利于应用程序的更新和个性化定制。

4、内核模式和用户模式的区别如何作为一种基本的保护（安全）系统发挥作用？

• 通过添加模式位来区分内核模式（0）和用户模式（1），可区别代表操作系统执行的任务和代表用户执行的任务。
• 指定一些可能造成危害的机器指令为特权指令，硬件允许特权指令仅在内核模式下执行。
• 若在用户模式尝试执行特权指令，硬件不执行该指令，将其视为非法并陷入操作系统。
• 这样能保护操作系统免受错误用户的影响，也能防止错误用户相互影响。

5、请说明缓存有用的两个原因。它们解决了哪些问题？又会引发哪些问题？如果缓存可以做得和它所缓存的设备一样大（例如，缓存和磁盘一样大），为什么不把它做得那么大并淘汰该设备呢？

• 缓存有用的两个原因 ：
  1. 提高数据访问速度，减少等待时间，如指令缓存可避免CPU从主存取指令时等待多个周期；
  2. 减少对数据源的访问，提高系统整体性能。

• 缓存解决的问题 ：

• 减少数据访问延迟；

• 提高系统响应速度和吞吐量。

• 缓存引发的问题 ：

• 存在一致性问题，如分布式文件系统中需解决缓存副本与主文件的一致性；

• 缓存大小有限，需进行缓存管理。

• 不把缓存做得和设备一样大并淘汰设备的原因 ：

• 缓存成本高，大容量缓存会大幅增加系统成本；
• 部分设备有持久存储需求，而缓存通常为临时存储；
• 大容量缓存会增加管理复杂度和功耗。

6、区分分布式系统的客户端 - 服务器模型和对等（P2P）模型。

在客户端 - 服务器模型中，服务器和客户端角色明确，服务器是瓶颈。而在对等模型中，系统内所有节点皆为对等节点，每个节点可根据自身是请求服务还是提供服务，充当客户端或服务器，服务可由网络中多个节点提供。

7、资源利用率问题在不同类型的操作系统中以不同形式出现。列出在以下环境中必须谨慎管理的资源：a. 大型机或小型计算机系统 b. 连接到服务器的工作站 c. 移动计算机

a. 大型机或小型计算机系统 ：CPU时间、内存、I/O设备等资源需要被谨慎管理，以确保所有可用资源被高效利用，且每个用户不会占用超过其公平份额。

b. 连接到服务器的工作站 ：需要在兼顾用户个人可用性的同时，管理好共享资源，如网络、文件服务器、计算服务器和打印服务器等。

c. 移动计算机 ：通常需要管理好电池电量、内存、存储等资源，以保证设备的正常运行和用户体验。此外，当连接到网络时，还需要管理网络资源。

8、在什么情况下，用户使用分时系统会比使用个人电脑或单用户工作站更好？

• 当用户需要与计算机系统进行交互，且希望多个用户能同时共享计算机资源时，使用分时系统会比使用PC或单用户工作站更好。
• 分时系统允许CPU通过快速切换执行多个作业，用户能在程序运行时与之交互，响应时间短，每个用户会感觉计算机系统专为其所用。
• 此外，若多个短指令操作的用户需要同时使用计算机，分时系统也更合适，因为它能有效利用系统资源，避免CPU在交互式I/O时闲置。

9、描述对称多处理和非对称多处理的区别。多处理器系统的三个优点和一个缺点是什么？

对称多处理与非对称多处理的区别

区别

• 非对称多处理 ：
• 每个处理器被分配特定任务。
• 存在一个主处理器控制整个系统。
• 其他处理器要么听从主处理器指令，要么有预定义任务。

• 存在 主-从关系 。

• 对称多处理 ：

• 每个处理器都能执行操作系统内的所有任务。
• 所有处理器都是对等的。
• 不存在主-从关系 。

多处理器系统的优点

1. 提高吞吐量 ：
   - 增加处理器数量可在更短时间内完成更多工作。
   - 但由于存在协调开销和对共享资源的竞争，加速比小于处理器数量。

2. 规模经济 ：
   - 多处理器系统成本低于同等的多个单处理器系统。
   - 因为它们可以共享外设、大容量存储和电源。

3. 提高可靠性 </