Đề 15 – Bài tập, đề thi trắc nghiệm online Nguyên lý hệ điều hành

FCFS có thể gây ra `convoy effect` khi một tiến trình dài đến trước và giữ CPU, làm chậm trễ các tiến trình ngắn đến sau, gây giảm hiệu suất tổng thể.

Trong hệ thống phân tán, các máy tính hoạt động độc lập nhưng phối hợp để thực hiện công việc chung. Thách thức chính là duy trì tính nhất quán dữ liệu và đồng bộ hóa hoạt động giữa các máy, do sự phân tán về vị trí và khả năng xảy ra lỗi mạng hoặc máy tính riêng lẻ.

Phân trang giúp giảm phân mảnh ngoại vi bằng cách chia bộ nhớ thành các trang nhỏ, cố định kích thước, cho phép cấp phát bộ nhớ không liên tục.

Bộ nhớ ảo sử dụng không gian đĩa cứng làm bộ nhớ mở rộng, cho phép hệ thống chạy các chương trình có kích thước lớn hơn bộ nhớ vật lý khả dụng.

Locality of reference chỉ ra rằng chương trình thường truy cập dữ liệu và lệnh ở gần nhau trong không gian và thời gian. Nguyên tắc này được tận dụng để thiết kế bộ nhớ cache và bộ nhớ ảo, đưa dữ liệu có khả năng được sử dụng gần nhất vào bộ nhớ nhanh hơn, tăng tốc độ truy cập.

Tấn công buffer overflow lợi dụng lỗ hổng khi chương trình không kiểm tra kích thước dữ liệu đầu vào, cho phép kẻ tấn công ghi đè lên vùng bộ nhớ liền kề bộ đệm, có thể chèn mã độc và chiếm quyền điều khiển hệ thống.

Hệ điều hành nhúng được thiết kế đặc biệt cho các thiết bị nhúng (ví dụ: điện thoại thông minh, thiết bị IoT), với các yêu cầu về kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp, và khả năng đáp ứng các tác vụ cụ thể. PC OS được thiết kế cho máy tính cá nhân, tập trung vào đa năng, hiệu suất cao và hỗ trợ nhiều loại ứng dụng.

Bộ nhớ cache là bộ nhớ tốc độ cao, nhỏ hơn bộ nhớ chính, được sử dụng để lưu trữ bản sao dữ liệu thường xuyên được truy cập. Khi CPU cần dữ liệu, nó kiểm tra cache trước. Nếu dữ liệu có trong cache (cache hit), truy cập nhanh hơn nhiều so với truy cập bộ nhớ chính.

Thuật toán `best-fit` tìm kiếm trong danh sách các vùng nhớ trống và chọn vùng nhớ nhỏ nhất vẫn đủ để đáp ứng yêu cầu, nhằm giảm phân mảnh bộ nhớ.

Journaling ghi lại các thay đổi hệ thống tập tin vào một `journal` (nhật ký) trước khi thực sự áp dụng chúng. Khi hệ thống gặp sự cố, nhật ký này được sử dụng để khôi phục hệ thống tập tin về trạng thái nhất quán, đảm bảo toàn vẹn dữ liệu.

Paging on demand là kỹ thuật bộ nhớ ảo chỉ tải các trang của một tiến trình vào bộ nhớ vật lý khi tiến trình thực sự cần chúng (khi xảy ra page fault). Điều này giúp giảm lượng bộ nhớ vật lý cần thiết và thời gian khởi động tiến trình.

Cả SSTF và SCAN đều cố gắng tối ưu hóa hiệu suất đĩa bằng cách giảm quãng đường di chuyển đầu đọc đĩa. SSTF chọn yêu cầu gần đầu đọc đĩa nhất tiếp theo. SCAN (Elevator) di chuyển đầu đọc theo một hướng, phục vụ tất cả các yêu cầu trên đường đi, sau đó đảo chiều và tiếp tục.

Tiến trình là đơn vị cấp phát tài nguyên, có không gian địa chỉ riêng. Luồng là đơn vị thực thi, chia sẻ không gian địa chỉ và tài nguyên của tiến trình chứa nó, giúp tăng hiệu suất.

Ảo hóa cho phép tạo ra nhiều máy ảo (VMs) trên một máy chủ vật lý duy nhất. Mỗi VM chạy hệ điều hành và ứng dụng riêng biệt, giúp tận dụng tài nguyên phần cứng hiệu quả hơn, linh hoạt hơn trong triển khai và quản lý hệ thống.

Trong lập lịch tiền chiếm, hệ điều hành có thể tạm dừng (preempt) một tiến trình đang chạy để cấp CPU cho tiến trình khác (thường là tiến trình ưu tiên cao hơn hoặc hết thời gian chờ). Trong lập lịch không tiền chiếm, một tiến trình giữ CPU cho đến khi nó hoàn thành hoặc tự nguyện nhả CPU (ví dụ, khi cần I/O).

Interrupt là tín hiệu từ phần cứng hoặc phần mềm gửi đến CPU, yêu cầu CPU tạm dừng công việc hiện tại và chuyển sang xử lý một sự kiện cụ thể (ví dụ: hoàn thành I/O, lỗi, hoặc yêu cầu từ người dùng). Interrupt là cơ chế quan trọng để hệ điều hành phản ứng kịp thời với các sự kiện.

SJN (hoặc Shortest Remaining Time Next - SRTN, phiên bản tiền chiếm) được chứng minh là tối ưu hóa thời gian chờ trung bình, giảm tổng thời gian mà các tiến trình phải chờ trong hàng đợi sẵn sàng.

Bốn điều kiện cần thiết cho deadlock là: loại trừ lẫn nhau, giữ và chờ, không chiếm đoạt, và chờ đợi vòng tròn. Ưu tiên tiến trình không phải là một trong số đó.

Semaphores là công cụ đồng bộ hóa, giúp kiểm soát truy cập vào tài nguyên dùng chung và đảm bảo tính loại trừ lẫn nhau giữa các tiến trình hoặc luồng, tránh tình trạng tranh chấp dữ liệu.

System calls là giao diện lập trình (API) mà hệ điều hành cung cấp để các chương trình người dùng có thể yêu cầu các dịch vụ từ kernel, ví dụ như thao tác tập tin, quản lý tiến trình, hoặc giao tiếp mạng. System calls là cơ chế chuyển đổi từ chế độ người dùng sang chế độ kernel.

Bộ nhớ đệm (buffer) giúp giảm độ trễ I/O bằng cách tạm thời lưu trữ dữ liệu truyền giữa CPU và thiết bị I/O. Điều này cho phép CPU tiếp tục làm việc khác trong khi dữ liệu đang được truyền, và giảm số lần hệ thống phải chờ thiết bị I/O chậm hơn.

FAT32 có nhiều hạn chế so với NTFS, bao gồm kích thước tập tin tối đa nhỏ hơn (4GB), bảo mật và khả năng phục hồi dữ liệu kém hơn, cũng như hiệu suất thường thấp hơn trong một số trường hợp.

Paging chia bộ nhớ vật lý và logic thành các đơn vị cố định kích thước gọi là trang. Segmentation chia bộ nhớ logic thành các đoạn có kích thước thay đổi, phản ánh cấu trúc logic của chương trình (ví dụ: code, data, stack).

Context switching là quá trình hệ điều hành lưu trạng thái của một tiến trình và tải trạng thái của tiến trình khác, cho phép CPU chuyển đổi nhanh chóng giữa các tiến trình, tạo ảo giác đa nhiệm đồng thời.

Trong hệ điều hành thời gian thực, tính determinism (khả năng dự đoán thời gian phản hồi) và khả năng đáp ứng các sự kiện trong thời hạn nghiêm ngặt là quan trọng nhất. Các hệ thống này thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác thời gian cao, như điều khiển công nghiệp, hệ thống nhúng, và robot.

Thrashing xảy ra khi hệ thống sử dụng bộ nhớ ảo quá mức, dẫn đến việc liên tục trao đổi trang giữa RAM và đĩa cứng. Điều này làm giảm hiệu suất nghiêm trọng vì hệ thống dành phần lớn thời gian để quản lý trang thay vì thực thi chương trình.

Nguyên tắc đặc quyền tối thiểu quy định 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, hạn chế thiệt hại nếu một tài khoản hoặc tiến trình bị xâm nhập.

Nhân đơn khối tích hợp hầu hết các dịch vụ hệ thống (quản lý bộ nhớ, hệ thống tập tin, trình điều khiển thiết bị) vào không gian nhân. Vi nhân chỉ giữ các dịch vụ cốt lõi trong nhân, còn lại chuyển sang không gian người dùng, tăng tính modularity và ổn định.

Hệ điều hành đóng vai trò trung gian, quản lý tài nguyên phần cứng, cung cấp môi trường để chạy ứng dụng và giao diện tương tác với người dùng.

RAID kết hợp nhiều ổ đĩa vật lý thành một đơn vị logic để tăng hiệu suất, độ tin cậy hoặc cả hai. Mục tiêu chính thường là cải thiện khả năng chịu lỗi và đảm bảo dữ liệu vẫn an toàn ngay cả khi một hoặc nhiều ổ đĩa bị hỏng.