《现代操作系统第四版》第二章答案

现代操作系统第二章进程与线程习题

1. 图2-2中给出了三个进程状态，在理论上，三个状态可以有六种转换，每个状态两个。但是，图中只给出了四种转换。有没有可能发生其他两种转换中的一个或两个？

A:从阻塞到运行的转换是可以想象的。假设某个进程在I/O上阻塞，而且I/O 结束，如果此时CPU空闲，该进程就可以从阻塞态直接转到运行态。而另外一种转换（从阻塞态到就绪态）是不可能的。一个就绪进程是不可能做任何会产生阻塞的I/O或者别的什么事情。只有运行的进程才能被阻塞。

2.假设要设计一种先进的计算机体系结构，它使用硬件而不是中断来完成进程切换。CPU需要哪些信息？请描述用硬件完成进程切换的工作过程。

A:应该有一个寄存器包含当前进程表项的指针。当I/O结束时，CPU将把当前的机器状态存入到当前进程表项中。然后，将转到中断设备的中断向量，读取另一个过程表项的指针（服务例程），然后，就可以启动这个进程了。

3.当代计算机中，为什么中断处理程序至少有一部分是用汇编语言编写的？A：通常，高级语言不允许访问CPU硬件，而这种访问是必需的。例如，中断处理程序可能需要禁用和启用某个特定设备的中断服务，或者处理进程堆栈区的数据。另外，中断服务例程需要尽快地执行。（补充）主要是出于效率方面的考量。中断处理程序需要在尽量短的时间内完成所需的必要处理，尽量减少

对线程/程序流造成的影响，因此大部分情况下用汇编直接编写，跳过了通用编译过程中冗余的适配部分。

4.中断或系统调用把控制转给操作系统时，为什么通常会用到与被中断进程的栈分离的内核栈？

A：内核使用单独的堆栈有若干的原因。其中两个原因如下：首先，不希望操作系统崩溃，由于某些用户程序不允许足够的堆栈空间。第二，如果内核将数据保留在用户空间，然后从系统调用返回，那么恶意的用户可能使用这些数据找出某些关于其它进程的信息。

5.一个计算机系统的内存有足够的空间容纳5个程序。这些程序有一半的时间处于等待I/O的空闲状态。请问CPU时间浪费的比例是多少？

A：(0.5)^5 =3.125%

6.一个计算机的RAM有4GB，其中操作系统占512MB。所有进程都占256MB（为了简化计算）并且特征相同。要是CPU利用率达到99%，最大I/O等待是多少？

A：内存中最多可放(4GB-512MB)/256MB=14个进程，设每个进程的I/O 等待占总运行时间的比例为p，则CPU利用率=1-

p^14>99%====>p<71.9%

7.多个作业能够并行运行，比它们顺序执行完成的要快。假设有两个作业同时开始执行，每个需要20分钟的CPU时间。如果顺序执行，那么最后一个作业需要多长时间可以完成？如果并行执行又需要多长时间？假设I/O等待占50%。

A: 每个进程的时间为40min。顺序执行时，最后一个作业需要80min才能完成。并行执行时，cpu利用率为1-p^n = 75%, cpu计算时间为40min，故总时间t=40/75%=53.33min

8.考虑一个6级多道程序系统（内存中可同时容纳6个程序）。假设每个进程的I/O等待占40%，那么CPU利用率是多少？

A：利用率=1-p^n=1-(0.4)^6 = 1-0.004096=99.6%

9.假设要从互联网上下载一个2GB大小的文件，文件内容可以从一组镜像服务器获得，每个服务器可以传输文件的一部分。假设每个传输请求给定起始字节和结束字节。如何用多线程优化下载时间？

A：客户端进程可以创建单独的线程; 每个线程都可以从其中一个镜像服务器获取文件的不同部分。这有助于减少停机时间。当然，所有线程都共享一个网络链接。这个链接可以成为一个瓶颈，因为线程的数量变得非常大。

10.为什么图2-11a的模式不适合用于在内存使用高速缓存的文件服务器？每个进程可以有自己的高速缓存吗？

A：即使是有可能实现，也是很难保持文件系统的一致性。假设某个客户进程给服务器进程1发送请求要更新文件。该进程更新其内存的cache项。然后，另一个客户进程给服务器进程2发送请求读取该文件。不幸的是，如果该文件还在cache中，服务器进程2对此毫不知情，将返回过时的数据。如果第一个进程在缓冲后将文件写到磁盘中，而服务器进程2每次读取时检查磁盘其缓存的备份是否是最新的，系统还可以工作，但是需要避免磁盘访问的所有缓存系统。(个人认为，高速缓存应该每个进程共享，因为不是每个进程都需要频繁读写数据，如果每个进程都分配cache会造成资源浪费。）

11.当一个多线程进程创建子进程时，如果子进程复制父进程的所有线程，就会出现问题：假如夫进程中有一个线程正在等待键盘输入，现在就有两个线程在等待键盘输入，父进程和子进程各有一个。这种问题在单线程进程中也会发生吗？

A：不会。如果单线程进程在键盘上阻塞，就不能创建子进程。（而多线程进程在一个线程阻塞时可以运行另一个线程，整个进程不会因此被阻塞。）

12.在图2-8中，给出了一个多线程Web服务器。如果读取文件的惟一途径是正常的阻塞read系统调用，那么Web服务器应该使用用户级线程还是内核级线程？为什么？

A：当工作者线程从磁盘读取Web页时，它就会被阻塞。如果使用用户级线程，该动作将阻塞整个进程，而破坏多线程的价值。这就是使用内核线程的原因：某些线程的阻塞不会影响到其他线程。

13.在本章中，我们介绍了多线程Web服务器，说明它比单线程服务器和有限状态机服务器更好的原因。存在单线程服务器更好一些的情形吗？请举例。A：在多线程Web服务器中，由分派程序从网络中读入工作请求，在检查请求后，分派线程挑选一个空转的（即被阻塞的）工作线程，提交该请求。在工作线程被唤醒后，他检查有关的请求是否在Web页面高速缓存中，这个高速缓存是所有线程否可以访问的。如果没有，该线程开始一个从磁盘调入页面的read操作，并且阻塞知道该磁盘操作完成。在上述线程被阻塞在磁盘操作上时，分派线程可能挑选另一个线程运行，可以有效利用CPU资源。而在单线程服务器上，只能等第一个线程完成后，才能开始第二个线程。也存在单线程服务器更好的情形。如果服务器是完全CPU绑定的，则不需要多线程。这只会增加不必要的复杂性。假设某个百万人口区域的电话查号系统(类似于114)，如果每个(姓名，电话号码)记录为64个字符，整个的数据库则为64MB，这就很容易全部读入服务器内存中以提供快速的查询。