Đề 4 – Bài tập, đề thi trắc nghiệm online Nguyên lý hệ điều hành

Mục tiêu chính của hệ điều hành là làm cho hệ thống máy tính thuận tiện, hiệu quả và có khả năng thực thi chương trình. Tăng độ phức tạp của phần cứng không phải là mục tiêu, ngược lại hệ điều hành cố gắng che giấu sự phức tạp này khỏi người dùng.

Bộ quản lý bộ nhớ (Memory Manager) là thành phần chuyên biệt của hệ điều hành đảm nhiệm việc quản lý bộ nhớ, bao gồm cấp phát, thu hồi, và bảo vệ bộ nhớ cho các tiến trình.

Thuật toán lập lịch ưu tiên (Priority Scheduling) có thể gây ra 'đói tài nguyên' vì các tiến trình có độ ưu tiên cao có thể liên tục được cấp CPU, khiến các tiến trình có độ ưu tiên thấp không bao giờ có cơ hội thực thi.

Khi tiến trình chuyển sang trạng thái 'Chờ', thường là do nó cần chờ một sự kiện (I/O, tài nguyên) hoặc đã hết thời gian CPU. Việc tiến trình bị lỗi và bị chấm dứt thường dẫn đến trạng thái 'Kết thúc' (Terminated) chứ không phải 'Chờ'.

Phân trang (paging) là kỹ thuật quản lý bộ nhớ ảo cho phép một tiến trình có thể lớn hơn bộ nhớ vật lý. Nó chia bộ nhớ ảo và bộ nhớ vật lý thành các trang có kích thước cố định, cho phép chỉ các trang cần thiết của tiến trình được nạp vào bộ nhớ vật lý.

Bộ nhớ cache hoạt động hiệu quả dựa trên nguyên lý cục bộ (locality of reference), bao gồm cục bộ thời gian (temporal locality) và cục bộ không gian (spatial locality). Nguyên lý này nói rằng dữ liệu vừa được truy cập hoặc dữ liệu gần với dữ liệu vừa được truy cập có khả năng cao sẽ được truy cập lại trong tương lai gần.

Cơ chế 'quyền truy cập' (access control) trong hệ thống tệp tin được sử dụng để bảo vệ dữ liệu bằng cách kiểm soát ai có quyền truy cập (đọc, ghi, thực thi) vào các tệp tin và thư mục, ngăn chặn truy cập trái phép.

Ngắt đa luồng (Multi-threaded interrupts) không phải là một kỹ thuật xử lý ngắt. Các kỹ thuật phổ biến bao gồm ngắt đơn, ngắt lồng nhau và ngắt vectơ, giúp hệ thống phản ứng và xử lý các sự kiện ngắt một cách hiệu quả. Ngắt đa luồng có thể liên quan đến việc xử lý ngắt trong môi trường đa luồng, nhưng không phải là một kỹ thuật xử lý ngắt cơ bản.

Việc chuyển đổi ngữ cảnh giữa các luồng (context switching) thường NHANH hơn và ÍT tốn kém hơn so với chuyển đổi ngữ cảnh giữa các tiến trình, vì các luồng chia sẻ không gian địa chỉ và tài nguyên của tiến trình cha. Các phát biểu 1, 2, và 4 đều đúng về sự khác biệt giữa tiến trình và luồng.

Trong hệ điều hành thời gian thực (RTOS), yếu tố quan trọng nhất là thời gian đáp ứng và tính quyết định (determinism). RTOS được thiết kế để đáp ứng các sự kiện trong một khoảng thời gian giới hạn, đảm bảo tính kịp thời và chính xác, đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng điều khiển thời gian thực.

Hệ điều hành thời gian thực (RTOS) thường được sử dụng cho các hệ thống nhúng vì chúng thường được thiết kế nhỏ gọn, hiệu quả về tài nguyên và có khả năng đáp ứng thời gian thực, phù hợp với các thiết bị nhúng có tài nguyên hạn chế.

Mutex (Mutual Exclusion - Loại trừ lẫn nhau) là cơ chế đồng bộ hóa phổ biến được sử dụng để bảo vệ vùng dữ liệu dùng chung. Mutex đảm bảo rằng chỉ có một luồng duy nhất có thể truy cập vào vùng dữ liệu quan trọng tại một thời điểm, ngăn chặn tình trạng tranh chấp dữ liệu và đảm bảo tính toàn vẹn.

Công nghệ ảo hóa (virtualization) cho phép chạy nhiều hệ điều hành (máy ảo - virtual machines) trên cùng một phần cứng vật lý. Mỗi máy ảo hoạt động như một hệ thống độc lập, chia sẻ tài nguyên phần cứng nhưng được cách ly với nhau.

Nguyên tắc đặc quyền tối thiểu (principle of least privilege) là một nguyên tắc bảo mật quan trọng, nói rằng mỗi tiến trình hoặc người dùng chỉ nên được cấp quyền truy cập tối thiểu cần thiết để thực hiện nhiệm vụ của mình. Điều này giúp hạn chế thiệt hại nếu có sự cố bảo mật hoặc lỗi phần mềm.

Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu lớn thường không yêu cầu thời gian đáp ứng nghiêm ngặt như các hệ thống thời gian thực. Các hệ thống điều khiển máy bay, robot công nghiệp và ABS trên ô tô đều là các ví dụ điển hình của ứng dụng RTOS vì chúng đòi hỏi phải phản ứng và xử lý các sự kiện trong thời gian giới hạn để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

Hệ điều hành đóng vai trò trung gian, thực hiện tất cả các chức năng trên để người dùng và ứng dụng có thể tương tác với phần cứng một cách hiệu quả.

Kernel là nhân của hệ điều hành, thực hiện các chức năng cốt lõi như quản lý bộ nhớ, tiến trình, và giao tiếp với phần cứng.

Lời gọi hệ thống là giao diện lập trình mà Hệ điều hành cung cấp để các ứng dụng người dùng có thể yêu cầu các dịch vụ từ kernel một cách an toàn và kiểm soát.

SJF ưu tiên các tiến trình ngắn, nếu có liên tục các tiến trình ngắn đến, tiến trình dài có thể không bao giờ được cấp CPU, dẫn đến starvation.

Bộ nhớ ảo sử dụng không gian đĩa cứng để mở rộng không gian địa chỉ bộ nhớ, cho phép chạy các chương trình có kích thước lớn hơn RAM vật lý.

Inode chứa các thông tin quan trọng về tệp tin như quyền truy cập, thời gian tạo, sửa đổi, kích thước, vị trí dữ liệu trên đĩa, nhưng không chứa dữ liệu thực tế của tệp.

Hệ điều hành thời gian thực (RTOS) được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng thời gian thực và hệ thống nhúng, tối ưu hóa hiệu suất và tiêu thụ tài nguyên thấp.

Máy ảo cho phép tạo ra các môi trường máy tính ảo hóa trên một máy tính vật lý, giúp chạy nhiều hệ điều hành và ứng dụng khác nhau độc lập trên cùng một phần cứng.

Lập lịch 'tiền chiếm' cho phép hệ điều hành can thiệp và tạm dừng tiến trình đang chạy để chuyển CPU cho tiến trình khác (thường có độ ưu tiên cao hơn hoặc hết thời gian lượng tử), trong khi 'không tiền chiếm' thì tiến trình sẽ chạy đến khi hoàn thành hoặc tự nguyện nhả CPU.

Phân đoạn cấp phát bộ nhớ theo các đoạn có kích thước thay đổi, dẫn đến việc xuất hiện các vùng bộ nhớ trống nhỏ rải rác, không đủ lớn để cấp phát cho các đoạn mới, gây ra phân mảnh ngoài.

Để deadlock xảy ra, cần đồng thời thỏa mãn cả bốn điều kiện: loại trừ lẫn nhau, giữ và chờ, không tiền chiếm, và chờ đợi vòng tròn.

Kiểm soát truy cập xác định và quản lý quyền của người dùng và tiến trình đối với các tài nguyên hệ thống, đảm bảo an ninh và bảo mật.

DMA cho phép thiết bị ngoại vi truy cập trực tiếp vào bộ nhớ hệ thống để truyền dữ liệu, giảm tải cho CPU và tăng tốc độ truyền dữ liệu.

Tiến trình ở trạng thái 'chờ' khi nó tạm dừng hoạt động và đợi một sự kiện bên ngoài xảy ra, thường là hoàn thành một thao tác I/O hoặc nhận được tín hiệu từ tiến trình khác.

Journaling ghi lại các thay đổi dự định đối với hệ thống tệp tin vào nhật ký trước khi thực sự áp dụng chúng. Khi hệ thống gặp sự cố, nhật ký có thể được sử dụng để khôi phục hệ thống tệp tin về trạng thái nhất quán, tránh mất dữ liệu và hỏng hóc hệ thống tệp tin.

Quản lý bộ nhớ là chức năng chính của hệ điều hành, đảm nhiệm việc phân bổ, theo dõi và thu hồi bộ nhớ chính (RAM) cho các tiến trình đang chạy, đảm bảo hiệu quả sử dụng bộ nhớ.

Tiến trình là một thể hiện của chương trình đang thực thi. Nó bao gồm mã chương trình, dữ liệu, con trỏ chương trình và các tài nguyên hệ thống được cấp phát.

Hệ điều hành chia sẻ thời gian (time-sharing) được thiết kế để cho phép nhiều người dùng tương tác đồng thời với hệ thống, bằng cách chia sẻ thời gian CPU một cách nhanh chóng giữa các người dùng.

Đánh trang chia bộ nhớ thành các khối trang cố định, giúp giảm phân mảnh ngoại vi so với phân đoạn (segmentation) và cho phép bộ nhớ ảo hoạt động hiệu quả hơn bằng cách không yêu cầu các tiến trình phải được lưu trữ liên tục trong bộ nhớ.

Độc quyền tương hỗ đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu và tránh xung đột tài nguyên bằng cách cho phép chỉ một tiến trình truy cập vào vùng tài nguyên quan trọng (critical section) tại một thời điểm.

Thuật toán SJF (Shortest Job First) chọn tiến trình có thời gian thực thi ước tính ngắn nhất để chạy tiếp theo. Mặc dù lý tưởng để giảm thời gian chờ trung bình, nhưng nó có thể gặp vấn đề 'đói tài nguyên' cho các tiến trình dài hơn và khó ước tính chính xác thời gian thực thi.

Microkernel tách biệt các dịch vụ hệ điều hành cơ bản (như quản lý tiến trình, bộ nhớ, IPC) vào không gian kernel nhỏ gọn, còn các dịch vụ khác (như hệ thống tập tin, trình điều khiển thiết bị) chạy ở không gian người dùng. Điều này giúp hệ thống dễ bảo trì, mở rộng và ít bị lỗi kernel hơn.

Inode là cấu trúc dữ liệu trong hệ thống tập tin Unix-like, chứa thông tin metadata về một tập tin hoặc thư mục, ngoại trừ tên tập tin. Nó trỏ đến các khối dữ liệu chứa nội dung tập tin.

Ngắt là tín hiệu từ phần cứng hoặc phần mềm yêu cầu CPU tạm dừng công việc hiện tại và chuyển sang xử lý một sự kiện cụ thể. Trong quản lý I/O, thiết bị ngoại vi sử dụng ngắt để báo cho CPU khi cần truyền dữ liệu hoặc khi có lỗi xảy ra.

Quyền truy cập định nghĩa các thao tác được phép thực hiện trên một đối tượng (ví dụ: tập tin, thư mục, thiết bị) bởi một chủ thể (ví dụ: người dùng, tiến trình). Các quyền phổ biến bao gồm đọc, ghi, thực thi, xóa, v.v.

Linux là hệ điều hành mã nguồn mở, nghĩa là mã nguồn của nó được công khai và có thể được sửa đổi và phân phối lại tự do. Windows là hệ điều hành độc quyền, mã nguồn không được công khai và việc sửa đổi bị hạn chế.

Hệ điều hành thời gian thực (RTOS) được thiết kế để đáp ứng các sự kiện trong một khoảng thời gian xác định và nghiêm ngặt. Hệ thống phanh ABS trên ô tô là một ví dụ điển hình, nơi phản ứng nhanh chóng và chính xác là rất quan trọng để đảm bảo an toàn.

Context switching là cơ chế cho phép hệ điều hành chuyển đổi nhanh chóng giữa các tiến trình đang chạy, tạo ảo giác đa nhiệm. Nó bao gồm việc lưu và khôi phục trạng thái của CPU (ví dụ: thanh ghi, bộ đếm chương trình) cho mỗi tiến trình.

Bế tắc xảy ra khi hai hoặc nhiều tiến trình bị chặn vô thời hạn, mỗi tiến trình giữ một tài nguyên mà tiến trình khác cần. Các phương pháp giải quyết bế tắc bao gồm phòng tránh (ngăn chặn các điều kiện gây bế tắc), phát hiện (tìm kiếm bế tắc khi nó xảy ra) và phục hồi (giải phóng tài nguyên để phá vỡ bế tắc).

Mount point là một thư mục trong hệ thống tập tin hiện tại mà hệ thống tập tin khác (thường là trên một thiết bị lưu trữ khác) được 'gắn' vào. Sau khi gắn kết, nội dung của hệ thống tập tin được gắn kết sẽ có thể truy cập thông qua thư mục mount point.

Hệ điều hành đóng vai trò trung gian, quản lý và phân phối tài nguyên (CPU, bộ nhớ, thiết bị ngoại vi,...) cho các ứng dụng và người dùng, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và ổn định.

Thuật toán Shortest Job First (SJF) ưu tiên thực thi các tiến trình có thời gian thực thi ngắn nhất. Điều này giúp giảm thời gian chờ đợi trung bình vì các tiến trình ngắn được hoàn thành nhanh chóng, giảm thiểu thời gian chờ đợi cho các tiến trình khác. Tuy nhiên, SJF có thể gặp vấn đề 'đói tài nguyên' cho các tiến trình dài nếu liên tục có tiến trình ngắn đến.

Để thực hiện các thao tác với hệ thống như đọc/ghi tập tin, ứng dụng cần sử dụng **lời gọi hệ thống**. Lời gọi hệ thống là giao diện mà hệ điều hành cung cấp để các chương trình người dùng yêu cầu dịch vụ từ kernel, trong trường hợp này là thao tác đọc dữ liệu từ tập tin trên ổ cứng.

**Phân trang** chia bộ nhớ thành các đơn vị **trang** có kích thước **cố định**, giúp quản lý bộ nhớ linh hoạt và hiệu quả, đặc biệt trong bộ nhớ ảo. **Phân đoạn** chia bộ nhớ thành các **đoạn** logic có kích thước **thay đổi**, tương ứng với các phần chương trình (ví dụ: đoạn mã, đoạn dữ liệu, đoạn stack), giúp quản lý bộ nhớ theo cấu trúc chương trình.

**Kernel (Nhân)** là trái tim của hệ điều hành, là thành phần cốt lõi chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên (CPU, bộ nhớ, thiết bị I/O), thực hiện các lời gọi hệ thống và cung cấp các dịch vụ cơ bản cho hệ thống. Shell là giao diện người dùng, thư viện hệ thống cung cấp các hàm tiện ích, và trình điều khiển thiết bị giao tiếp với phần cứng cụ thể.