操作系统介绍

有三个主要部分：虚拟化（virtualization）、并发（concurrency）、持久性（persistence）

题目

一、（共10分）操作系统的设计目标有哪些？

  • 抽象性：对硬件资源进行抽象，提供统一接口，简化程序开发；
  • 并发性：支持多个程序同时运行，提高系统吞吐；
  • 虚拟化：如虚拟内存、虚拟 CPU，使用户感觉拥有独占资源；
  • 资源管理与调度：高效分配 CPU、内存、磁盘等资源，提升资源利用率；
  • 安全与保护：防止程序互相干扰，保护用户数据；
  • 用户友好性：提供简洁易用的接口和良好的使用体验。

六、（ 共 10 分）UNIX 系统采用了一种非常有趣的创建新进程的方式，即通过一对系统调用：
fork()和 exec()，解释说明 fork()和 exec()的作用（5 分），以 UNIX 的 Shell 为例说明为什么设
计这两个系统调用（5分）。

  • fork()创建一个和父进程几乎相同的子进程，除了PID等一些信息不同其它完全一样。
  • exec()用新的程序替换掉当前程序执行的内容，不改变其PID等信息。
    UNIX SHELL启动一个新程序的时候，先通过fork()创建一个子进程，再通过exec()加载并执行用户命令，这样父进程（shell）仍能工作，分离设计提供灵活性。

七、操作系统虚拟化CPU的机制是受限直接执行，为了实现这个机制，例举的硬件提供了哪些支持？简要说明操作系统如何利用硬件来实现LDE。
硬件

  • 模式划分：被划分为用户态和内核态
  • 中断机制：支持外设中断和系统调用陷入内核态。
  • 定时器中断：防止单一进程长时间占用CPU资源，实现抢占功能。
  • 内存保护机制：通过页表和地址空间隔离来保护内核
  • 指令限制：一些特权指令如（I/O）只能被内核态执行。

操作系统可以将进程调度执行化为内核态以及用户态，用户态不能执行一些特权指令比如I/O，必须通过陷阱表的陷阱指令陷入内核态，并提供了从陷入返回指令回到用户态。操作系统还提供了中断机制，防止单一进程过度占用资源，而导致其他进程出现饥饿。结合内存保护，防止非法访问内核或其他进程内存区域，从而实现虚拟化CPU且保证系统安全和稳定。还有上下文切换，通过寄存器保存当前进程的值，然后读取另一个进程的寄存器所存储的值进行运行。

1.三态：运行、就绪、阻塞
2.错误，进程在一个时刻只能处于一种状态。
3.错误，单核情况下，操作系统和进程需要通过时间片轮转轮流使用CPU，不会同时运行，操作系统也是一个程序。

程序运行

正在运行的程序会做一件非常简单的事情：从内存中读取指令，解码，并执行它，然后接着执行下一条指令。
总结为Fetch 、 Decode 、 Execute

操作系统可以让程序共享内存、与设备交互、运行的更容易，操作系统确保系统既易于使用、又正确高效运行。为了做到这一点，采用了虚拟化的技术，在一些硬件的帮助下，操作系统负责提供虚拟化，使得单个（或一小部分）CPU可以看似认为有无限数量的CPU，从而可以同时运行多个程序，但问题就是在调度，在特定时间运行，该运行哪个？所以操作系统也承担了**资源管理器（resource manager）**的角色。

虚拟化

  • 虚拟内存，每个进程访问自己的私有虚拟地址空间，操作系统以某种方式映射到机器的物理内存上，打游戏的时候每个角色都有一个背包，背包的0号格子可能装有不同的东西，但并没有冲突，操作系统把编号0分到了不同的内存地址上。
    每个程序都有自己的“背包”（内存空间），从地址 0 开始。但实际的物理内存只有一块
    程序 A 的地址 0x1000 → 实际是 物理地址 0xA000
    程序 B 的地址 0x1000 → 实际是 物理地址 0xC000
    这就是虚拟内存：给程序看的假地址，每个程序都以为自己独占整片内存，其实操作系统做了“背后映射”。

  • 操作系统通过时间片轮转（time-sharing）技术虚拟化 CPU，将 CPU 时间划分成小片段，每次只分配给一个进程运行一个时间片，然后切换到其他进程，从而营造出“多个进程同时运行”的假象。这种时分复用机制使得单核 CPU 也能实现多任务并发。其代价是频繁的上下文切换带来一定的性能开销。

  • 进程三态：运行、阻塞、就绪

  • fork()系统调用的返回值：父进程获得子进程的PID，子进程的返回值是0

受限直接执行

有两种模式：用户模式和内核模式，用户模式下功能受限，如I/O请求无法发送，但可以通过特殊的陷阱（trap）指令从用户模式进入内核模式，进入内核后系统就可以执行任何需要的特权操作，执行完成后，操作系统调用一个特殊的从陷阱返回(return-from-trap)指令回到用户模式。

多级反馈队列MLFQ

五条规则

  • 任务A的优先级高于任务B，先执行任务A，再执行任务B（保证高优先级任务的响应速度，提高系统的实时性。）
  • 任务A的优先级等于任务B，以轮询的方式执行任务A、B（在同等级中实现公平性，防止个别任务长期占用CPU。）

    Round-Robin
  • 新任务进入队列，放在最高优先级的队列执行（提高新任务启动速度，增强系统交互性。）
  • 一旦工作用完了其在某一层中的时间配额，无论中间主动放弃了多少次CPU，就降低其优先级。（避免任务通过频繁放弃CPU来“欺骗”调度器长期占用高优先级。）
  • 经过一段时间S后，就将所有任务重新加入到最高优先级（避免低优先级任务长时间得不到执行，防止饥饿现象。）

调度-比例份额

彩票数(ticket)代表了进程(或用户或其他)占有某个资源的份额，一个进程拥有的彩票数占总彩票数的百分比，就是它占有资源的份额。拥有的彩票数越多，那被调度的概率也就越大。
三大特性：

  • 彩票货币
  • 彩票转让：一个进程临时将自己的彩票转移给另一个进程
  • 彩票通胀：一个进程的彩票数可以临时提升或降低告诉操作系统我需要CPU。

步长调度：其实就是时间片轮转，执行完当前的步长然后去看看队列中现在谁的总步长最短，就去执行它，如果所有人的步长都相同了，那就随机抽一个去执行。