第 1 章计算机系统概述02 – 操作系统的发展历程

一、选择题

解析

1. 脱机技术（脱机输入 / 输出技术）

定义：
在计算机主机（CPU）之外，通过独立的外围设备（如磁带机）预先将作业的输入数据或输出结果进行处理，无需 CPU 直接控制的技术。
核心思想：
减少 CPU 对输入 / 输出操作的等待时间，通过 “脱机” 预处理提高系统效率。
解决的问题：
早期批处理系统中，CPU 与慢速 I/O 设备速度不匹配的问题。
典型应用：
20 世纪 60 年代的批处理系统（如 IBM 的 OS/360），利用磁带进行脱机输入 / 输出。
特点：
- 需独立外围设备，与主机并行工作。
- 属于 “预输入 / 滞后输出”，不涉及内存或进程调度。

2. 虚拟技术（虚拟内存技术）

定义：
通过软硬件结合，将物理内存与外存（如硬盘）统一管理，为程序提供一个比实际物理内存更大的 “逻辑内存空间”。
核心思想：
利用局部性原理，让程序 “以为” 自己拥有连续的大内存，实际数据按需在内存与外存间动态加载。
解决的问题：
内存容量不足、多进程内存隔离与共享问题。
典型应用：
现代操作系统（如 Windows、Linux）的虚拟内存管理，支持大程序运行和多任务并发。
特点：
- 基于分页 / 分段机制，通过页表映射逻辑地址与物理地址。
- 属于 “逻辑内存扩展”，对应用程序透明。

3. 交换技术（Swapping）

定义：
将内存中暂时不运行的进程数据整体转移到外存（如硬盘），腾出空间给其他进程；当进程需要运行时，再从外存调回内存的技术。
核心思想：
通过内存与外存的 “数据交换”，动态调整内存中的进程，提高内存利用率。
解决的问题：
多进程环境下内存资源竞争，实现进程的 “挂起” 与 “恢复”。
典型应用：
分时操作系统（如早期 Unix）、现代系统的休眠（Hibernate）功能。
特点：
- 以进程为单位整体交换，粒度较大。
- 可能引入延迟（如换入 / 换出时间），影响性能。

4. 多道程序设计技术（Multiprogramming）

定义：
在内存中同时存放多个程序，CPU 通过快速切换（如时间片轮转）交替执行它们，宏观上实现 “多程序并发运行” 的技术。
核心思想：
利用 CPU 与 I/O 设备的并行性，避免单一程序独占 CPU 导致资源浪费。
解决的问题：
单道程序系统中 CPU 利用率低下的问题（如早期批处理系统中程序需等待 I/O 时 CPU 空闲）。
典型应用：
现代操作系统的基础，如 Linux、Windows 的多任务处理。
特点：
- 依赖操作系统的进程调度与内存管理（如分区分配、保护机制）。
- 微观上仍是串行执行，宏观上表现为并发。

核心区别对比

维度	脱机技术	虚拟技术	交换技术	多道程序设计技术
目标	优化 I/O 效率	扩展逻辑内存空间	动态管理内存资源	提高 CPU 利用率
核心操作	外围设备预处理	内存与外存逻辑映射	进程整体换入 / 换出	多进程调度与切换
处理粒度	作业（输入 / 输出）	页 / 段（内存单元）	进程（完整地址空间）	进程 / 线程
依赖技术	磁带机等硬件	分页 / 分段机制	外存存储	进程调度、内存保护
时代背景	早期批处理系统	现代操作系统	多进程分时系统	操作系统基础技术

总结

虚拟技术与交换技术均属于内存管理范畴，前者通过逻辑扩展隐藏物理限制，后者通过数据交换动态调整内存占用。
这些技术共同推动了操作系统从简单批处理向复杂多任务系统的演进。

脱机技术是早期硬件优化手段，聚焦 I/O 效率；

多道程序设计技术是操作系统并发的基石，解决 CPU 利用率问题；

解析

操作系统的基本类型主要有批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统。

A、不对应系统
B、实时系统要求能实时处理外部事件，即在规定的时间内完成对外部事件的处理。
C、对应的是批处理系统 – 周转时间（作业完成时间 – 作业到达时间）是 批处理系统（如早期的单道 / 多道批处理系统）的关键性能指标。
D、对应的是分时操作系统

实时性和可靠性是实时操作系统最重要的两个目标，而安全可靠体现了可靠性，快速处理和及时响应体现了实时性。资源利用率不是实时操作系统的主要目标，即为了保证快速处理高优先级任务，允许“浪费”一些系统资源。

解析

分时系统主要用于交互式作业而非批处理作业。分时系统中每个任务依次轮流使用时间片，这是一种公平的 CPU 分配策略。分时系统的响应时间好，因为分时系统采用了时间片轮转法来调度进程，可以使得每个任务在较短的时间内得到响应，提高用户的满意度。分时系统是一种多用户操作系统，因为分时系统可以支持多个终端同时连接到同一台计算机上。

解析

采用优先级+非抢占式调度算法，既可使重要的作业/进程通过高优先级尽快获得系统响应，又可保证次要的作业/进程在非抢占式调度下不会迟迟得不到系统响应,这样有利于改善系统的响应时间。

加大时间片会延迟系统响应时间；

静态页式管理和代码可重入与系统响应时间无关。

静态页式管理：是内存管理的一种方式。把内存划分成大小固定的页框，程序也分割成同样大小的页面。

代码可重入：指的是一段代码可以被多个进程或线程安全地同时调用执行。

要求快速响应用户是导致分时系统出现的重要原因。

分时系统中，当时间片固定时，用户数越多，每个用户分到的时间片就越少，响应时间就相应变长。注意，分时系统的响应时间T可表示为T≈QN，其中Q是时间片，而N是用户数。

响应时间不超过 2s，即在 2s 内必须响应所有进程。所以时间片最大为2s/100=20ms。

解析

BACD

多个进程并发执行的系统是指在一段时间内宏观上有多个进程同时运行，但在单处理器系统每个时刻却只能有一道程序执行，所以微观上这些程序只能是分时地交替执行。只有多处理器系统才能使多个进程并行执行，每个处理器上分别运行不同的进程。
A. 分时系统
分时系统靠时间片轮转，进程轮流用 CPU 。宏观像同时干活，微观是挨个来，本质是并发，不是并行那种硬件层面同时执行。
C. 批处理系统
单道批处理一次干一个作业；多道批处理虽能容纳多个作业在内存，但 CPU 同一时刻只为一个作业进程服务，进程排队轮流运行，无法并行。
D. 实时系统
实时系统关键是及时响应外部事件，满足时间限制。单核时进程按规则依次跑；多核下重点也是保证任务按时完成，不是主打进程并行。

### A选项批处理操作系统主要特点是将作业成批处理，更关注作业整体的周转时间（从提交到完成的时间），而非强调在响应时间内处理完任务，该选项错误。
### B选项实时操作系统的核心特性就是实时性，必须在规定时间内处理完来自外部的事件，以保障系统的正确性和可靠性，该选项正确。
### C选项分时操作系统重点是通过时间片轮转让多个用户交互使用系统，强调及时响应交互请求，周转时间不是其处理外部事件的关键指标，该选项错误。
### D选项分时操作系统不存在“调度时间”内处理完外部事件的说法，它主要依据时间片等调度机制来分配CPU资源，该选项错误。

多道程序技术要求进程间能实现并发，需要实现进程调度以保证CPU的工作效率，而并发性的实现需要中断功能的支持。
中断功能的作用：
实现进程切换：CPU 执行程序时，中断能让它暂停当前进程，保存现场信息（如寄存器值等）。比如时间片到了，计时部件发中断，CPU 切换到另一进程，实现多进程并发。
提高资源利用率：像程序进行 I/O 操作时（如打印请求），会产生中断，CPU 不再空等，转去执行其他进程指令，I/O 完成再中断返回，提升了 CPU 利用率。
响应紧急事件：有紧急外部事件（如硬件故障）或高优先级任务请求时，中断能让 CPU 优先处理，保障系统稳定和关键任务执行。