引论习题¶

来源：操作系统 / 引论习题.md

1.操作系统的两大主要作用是什么？¶

考察操作系统有两种观点：资源管理观点和拓展的机器观点一个作用是有效管理系统的各个部分，如IO设备，内存等另一个作用是为用户提供比实际机器更便于应用的抽象

2.分时系统和多道程序设计系统的区别是什么¶

分时系统(timesharing)是多道程序系统的一个变体，每个用户都有一个联机终端，不同的用户可以在自己的终端进行计算。多道程序系统则是允许一个用户运行多个程序。分时系统都是多道程序系统，但多道程序系统不全是分时系统因为多程序系统可能只运行在一台PC上的一个用户上

3.为了使用高速缓存，主存被划分为若干cache行，通常每行长32或64字节，每次缓存一整个cache行。每次缓存一整行而不是一个字节或一个字，这样做的优点是什么？¶

经验证据表明，内存访问行为遵循“局部性原理”，即一旦读取某个位置，随后访问附近位置的概率会非常高，尤其是紧邻的内存位置。因此，通过将一整条缓存行进行缓存，下一次出现缓存命中事件的可能性便会随之提升。此外，现代硬件设备能够以比逐字读取相同数据要快得多的速度进行32或64字节的块级传输，并将其存入缓存行中。

（总结：可以提高下一次的hit率）

优点核心是：利用程序访问的局部性，提高缓存命中率，降低平均访存代价。

CPU 访问内存时通常不是随机访问一个孤立字节，而是有明显的空间局部性：

如果程序访问了某个地址，那么它很可能很快会访问这个地址附近的数据。

例如：

int a[1000];
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    sum += a[i];
}

当 CPU 访问 a[0] 时，接下来大概率会访问 a[1]、a[2]、a[3]...。如果每次只把一个字节或一个字搬进缓存，那么后面访问相邻元素时还要继续访问主存，效率很低。

所以缓存一次搬入一个 cache line，比如 64 字节。假设 int 是 4 字节，那么一行可以装：

64 / 4 = 16 个 int

也就是说，访问 a[0] 时，缓存可能顺便把 a[0] ~ a[15] 都取进来。后面访问 a[1]、a[2]... 时就可以直接从 cache 里读，速度快很多。

因此这样做的优点是：

提高命中率：相邻数据已经被提前加载进缓存。
减少主存访问次数：一次访存带回一块连续数据，比多次访问主存更划算。
充分利用内存总线带宽：内存系统按块传输通常比按字节传输效率高。
降低平均访问时间：虽然第一次 miss 要搬一整行，但后续多个访问可能都命中。

可以总结成一句考试答案：

每次装入一整条 cache line 是为了利用程序的空间局部性。由于程序访问某地址后很可能继续访问其附近地址，所以一次把相邻的一块数据调入缓存，可以提高缓存命中率，减少主存访问次数，从而提高访存效率。

4.在早期计算机中，每个字节的读写都直接由CPU处理(即没有DMA)。对于多道程序而言这种组织方式有什么含义？

多程序运行的主要目的是在等待I/O进程完成时让CPU 有事可做。如果没有 DMA，CPU 便会全负荷忙于进行I/O操作，因此通过多程序运行并不能带来任何收益（至少就CPU 利用率而言是如此）。无论程序要进行多少I/O操作，CPU 都会处于100%的繁忙状态。这当然是在假定主要的延迟是由于数据复制过程中的等待所致。如果I/O因其他原因（如到达串行线路）而变得缓慢，CPU 也可以执行其他工作。

5.为什么访问I/O设备相关的指令通常是特权指令？

对I/O设备（如打印机）的访问权限通常会根据不同用户的情况而有所限制。有些用户可能被允许随意打印任意数量的页面，而有些用户则完全不被允许打印，还有些用户则可能仅被限定为只能打印一定数量的页面。这些限制是由系统管理员根据某些政策设定的。这些政策需要得到贯彻执行，以确保用户级程序无法对其进行干扰。