操作系统原理与实践解析

1、我们强调操作系统需要有效利用计算硬件。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不浪费？

• 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而“浪费”资源。
• 这类系统设计主要是为了易用性，更多关注用户执行工作或娱乐的便捷性。
• 它并非真的浪费，因为其优化目标是单用户体验。
• 性能对用户很重要，虽不注重资源利用率，但能满足用户在使用上的便捷需求，带来更好的使用感受。

2、考虑到操作系统的各种定义，思考操作系统是否应该包含诸如网页浏览器和邮件程序之类的应用程序。分别论证应该和不应该，并给出支持理由。

• 应该包含的理由 ：许多操作系统会自带一些常用的应用程序，这些程序能解决常见问题或执行常见操作，方便用户使用，像网页浏览器、邮件程序能满足用户上网和通信的基本需求，为用户提供了便利。

• 不应该包含的理由 ：操作系统的核心功能是管理计算机硬件，为用户和应用程序提供运行环境，而应用程序是基于操作系统开发的独立软件，将应用程序包含在操作系统中会增加系统的复杂性和维护难度，并且不同用户对应用程序的需求不同，将其与操作系统分离可以让用户根据自身需求自由选择和安装应用。

3、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？

• 系统具有 用户模式 和 内核模式 两种操作模式，通过 模式位 进行区分。
• 当计算机代表 用户应用程序 执行时，处于 用户模式 。
• 用户应用程序通过 系统调用 请求操作系统服务时，系统从用户模式转换到内核模式。
• 系统启动时，硬件处于 内核模式 。
• 操作系统加载完成后，以 用户模式 启动用户应用程序。
• 当发生 陷阱 或 中断 时，硬件从用户模式切换到内核模式。
• 操作系统获得控制权时始终处于 内核模式 。
• 在将控制权传递给用户程序之前，系统会切换回 用户模式 。
• 双模式操作提供了保护机制：
• 防止错误的用户程序影响操作系统。
• 防止错误用户程序之间相互影响。
• 某些可能造成危害的机器指令被指定为 特权指令 。
• 硬件仅允许在 内核模式 下执行特权指令。
• 若在用户模式下尝试执行特权指令，硬件将其视为非法，并触发 陷入（trap） ，交由操作系统处理。

4、请说明缓存有用的两个原因。它们解决了哪些问题？又引发了哪些问题？如果缓存可以做得和它所缓存的设备一样大（例如，一个和磁盘一样大的缓存），为什么不把它做得那么大并去掉该设备呢？

• 缓存有用的两个原因 ：
• 提高数据访问速度，减少等待时间；

• 降低对数据源的访问频率。

• 缓存解决的问题 ：

• 减少CPU等待指令或数据从主存获取的时间，提高系统性能。

• 缓存引发的问题 ：

• 缓存大小有限，需进行管理；

• 可能出现缓存一致性问题。

• 不把缓存做得和设备一样大并去掉设备的原因 ：

• 缓存成本高，做大成本难以承受；
• 技术上难以实现大容量缓存；
• 设备有持久存储等功能，缓存无法完全替代。

5、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区分明确，服务器是瓶颈。而在对等模型中，系统内所有节点都是对等的，每个节点可根据需求作为客户端或服务器。并且在对等系统中，服务可由网络中多个节点提供。

6、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得到高效利用，且每个用户不占用超过其应得的份额。

• b. 连接到服务器的工作站 ：既要管理用户的专用资源，也要管理共享资源，如网络、文件服务器、计算服务器和打印服务器等，需要在个人可用性和资源利用率之间取得平衡。

• c. 移动计算机 ：通常是为单个用户设计的独立设备，主要管理自身的CPU、内存、存储等资源，同时考虑与网络连接相关的资源使用，如蜂窝或其他无线技术的网络资源。

7、在什么情况下，用户使用分时系统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，使用分时系统会更好。
• 分时系统能让CPU在多个作业间快速切换，用户可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自己所用。
• 而个人电脑或单用户工作站通常主要服务于单个用户，在多用户交互和资源共享方面不如分时系统。

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

• 对称多处理和非对称多处理的区别 ：
• 非对称多处理 中，每个处理器被分配特定任务，有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，要么执行预定义任务，存在主-从关系。

• 对称多处理 中，每个处理器执行操作系统内的所有任务，所有处理器地位平等，不存在主-从关系。

• 多处理器系统的三个优点 ：
  1. 增加吞吐量 ：通过增加处理器数量，能在更短时间完成更多工作。
  2. 具有规模经济 ：可共享外设、大容量存储和电源，成本低于多个单处理器系统。
  3. 提高可靠性 ：若功能能在多个处理器间合理分配，一个处理器故障不会使系统停止，只会使其变慢。

• 一个缺点 ：

• 增加处理器时会产生一定开销，且