操作系统核心问题与内存管理解析

1、在多道程序和分时环境中，多个用户同时共享系统。这种情况可能会导致各种安全问题。a. 请列举两个这样的问题。b. 我们能否在分时机器上确保与专用机器相同程度的安全性？请解释你的答案。

• 两个安全问题 ：
  1. 一是某个进程陷入无限循环可能会阻止许多其他进程的正确运行；
  2. 二是在多道程序系统中，一个错误的程序可能会修改另一个程序、另一个程序的数据，甚至操作系统本身。

• 通常不能确保相同程度的安全性 ：

• 在专用机器上，只有一个用户使用系统，不存在多个用户共享资源时可能出现的相互干扰和数据泄露等问题。
• 而在分时机器上，多个用户同时共享系统资源，一个用户程序的错误或恶意行为可能影响其他用户程序的运行，增加了安全风险，难以达到与专用机器相同的安全程度。

2、资源利用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设备等资源需要谨慎管理，要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应得份额。

• 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，需在个人可用性和资源利用之间取得平衡。

• c. 移动计算机 ：通常需管理内存、存储等资源，同时考虑电池续航等特殊资源，并且要处理好与网络连接相关的资源使用。

3、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 更好。

分时系统允许CPU在多个作业间快速切换，用户能在程序运行时与之交互，响应时间通常小于一秒，给每个用户计算机系统专用于其使用的错觉。

此外，若有多个作业需同时处理，分时系统通过 CPU调度 和 多道程序设计 ，能为每个用户分配计算机资源。

4、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
• 有一个主处理器控制整个系统
• 其他处理器听从主处理器指令或执行预定义任务
• 存在主-从关系

对称多处理

• 每个处理器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. 增加吞吐量
   - 通过增加处理器数量可在更短时间内完成更多工作

2. 具有规模经济性
   - 成本低于等效的多个单处理器系统
   - 可共享外设、大容量存储和电源等

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，只会减慢速度

缺点

• 在对称多处理系统中，由于CPU相互独立
• 可能出现一个CPU空闲而另一个过载的情况
• 导致效率低下

5、集群系统与多处理器系统有何不同？属于集群的两台机器要合作提供高可用性服务需要什么条件？

集群系统与多处理器系统的区别

集群系统与多处理器系统的不同在于：

• 集群系统
• 由两个或多个独立系统（节点）连接组成

• 属于 松耦合系统

• 多处理器系统

• 多个处理器 紧密通信
• 共享 计算机总线、时钟、内存和外围设备等

集群系统的协作要求

若两台机器属于集群并需合作提供高可用性服务，则需满足以下条件：

• 共享存储
• 通过 局域网（LAN） 或更快的互连（如 Infiniband ）进行 紧密连接
• 运行一层 集群软件
• 每台节点可通过局域网 监控其他节点
• 当被监控机器 出现故障 时，监控机器可以：
  • 接管其存储
  • 重启 在故障机器上运行的应用程序

6、中断的目的是什么？中断和陷阱有什么区别？用户程序能否有意地生成陷阱？如果可以，目的是什么？

中断的目的是触发操作系统执行紧急、独立的例程，比如处理设备事件、虚拟内存分页、系统调用等。

• 中断 ：通常由硬件事件触发，如设备请求服务。
• 陷阱 ：由软件指令（软件中断）触发，用于调用内核服务。

用户程序可以有意地生成陷阱，目的是通过执行特殊的陷阱指令来请求内核提供特定的系统服务，如文件操作、进程管理等。

7、直接内存访问（DMA）用于