操作系统原理习题答案详解：进程控制与PCB管理

操作系统原理习题答案详解 一、概念理解与基础知识 1. 进程控制块（PCB） PCB 是进程控制块（Process Control Block）的缩写，它是操作系统中用于描述和管理进程的关键数据结构。PCB 包含了进程的基本信息，如程序状态字（PSW）、内存地址、堆栈指针、打开文件列表等，还包含了进程的状态（如运行、就绪、阻塞）以及用于进程调度和同步的控制信息。PCB 的设计和管理对于实现进程的并发执行和资源管理至关重要。 2. 进程及其状态变换 进程是程序的一次执行实例，引入进程概念的主要原因是解决程序并发执行中的复杂性。并发程序执行可能导致现场保护、资源分配、结果再现等问题，静态的程序概念无法适应这种动态环境。通过将程序转换为进程，操作系统可以动态地控制它们的执行流程，使用进程控制原语（如创建、撤销、阻塞和唤醒）进行管理和调度。 3. 进程控制原语 为了支持进程状态的变迁，操作系统至少需要提供以下进程控制原语： - 创建原语（Create）：用于创建新的进程，通常新进程初始状态为就绪。 - 撤销原语（Terminate）：用于结束进程，可能是正常完成或因异常情况而终止。 - 阻塞原语（Block）：使进程从执行状态变为阻塞状态，当资源不可用时。 - 唤醒原语（Wake）：将阻塞的进程唤醒，恢复其为就绪状态，通常是由于资源释放或满足某个条件。 二、同步与互斥问题 1. 临界资源与PV操作 临界资源是指在同一时间只能被一个进程使用的共享资源。PV操作（P for Prolong，V for Vacate）是一种经典的同步机制，通过互斥信号量mutex来控制对临界资源的访问。P操作会尝试获取信号量，若信号量为正则获取成功，进入临界区；V操作则是释放信号量，如果信号量大于0，则减1，否则唤醒等待队列中的进程。 2. 车辆通过简易桥的管理算法 对于单车道简易桥的问题，需要设计如下的信号量和算法： - mutex: 互斥信号量，确保桥上只有一辆车。 - etolnum, ltoenum: 分别记录东西方向的车辆数。 - etolmutex, ltoemutex: 分别控制etolnum和ltoenum的互斥更新。 - 当一辆车到达： - 检查负载是否超过限制（4辆）。 - 如果负载允许，使用P(mutex)获取桥的使用权，然后执行相应操作。 - 完成后，V(mutex)释放信号量，允许其他车辆进入。 - 更新相应方向的车辆计数器，并可能调整状态（例如，当etolnum满时，从西来的车会等待ltoemutex）。 操作系统原理课程中的这些题目涵盖了进程管理、同步机制以及并发控制的基本概念和实践应用。理解和掌握这些知识点有助于深入理解操作系统如何组织和管理复杂的程序并发执行，确保系统的稳定性和效率。