操作系统期末复习

第一章 操作系统引论

一、Os具有哪几大特征?它们之间有何关系?

【参考答案】OS具有并发、共享、虚拟和异步这4个基本特征。它们之间的关系包含以下几个方面。

1. 并发和共享是OS最基本的特征。为了提高计算机资源的利用率，OS必然要采用多道程序设计技术 ，使多个程序共享系统的资源、并发地执行。
2. 并发性和共享性互为存在的条件。一方面，资源的共享是以程序(进程)的并发执行为条件的。若系统不允许程序并发执行，就不会存在资源共享问题；另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，协调好各进程对共享资源的访问，则必将影响程序的并发执行，甚至会使程序无法并发执行。
3. 虚拟性以并发性和共享性为前提。为了使并发进程能更方便、更有效地共享资源，OS常采用多种虚拟技术在逻辑上增加CPU和设备的数量以及存储器的容量，从而解决并发进程对有限系统资源的共享问题。
4. 异步性是并发性和共享性的必然结果。OS允许多个并发进程共享资源、相互合作，使得每个进程的运行过程受到了其他进程的制约，不再“一气呵成”，这必然会导致异步这一特征的产生。

二、设有3道程序A、B、 C，它们按照优先次序(A→B→C)顺序执行，它们的计算时间和I/O操作时间如下表所示，假设3道程序以串行方式使用相同的设备进行 I/O操作，试画出单道程序运行和多道程序运行的时间关系图，并计算完成这3道程序所须花费的时间。

【参考答案】计算时间是CPU处理时间；I/O操作时间是输人与输出时间。
3个程序共享I/O设备，即串行使用I/O设备。
(1)单道程序运行时，3道程序串行执行，即先执行A、再执行B、最后执行C，
时间关系图如下图所示。
单道程序运行时，3道程序使用的时间为:(30+40+10)+(60+30+10)+(20+40+20)=260ms

(2)多道程序运行时，3道程序的计算与L/O操作可部分并行，
分为非立即抢占式和立即抢占式两种。时间关系图如下图所示。
多道程序运行时，3道程序非立即抢占式的总时间为180ms，
立即抢占式的总时间为190ms.

非立即抢占式：

立即抢占式：

第2章 进程的描述与控制

三、进程最基本的状态有哪些?哪些事件可能会引起不同状态间的转换?

【参考答案】进程最基本的状态有3种。
①运行态:进程占有处理机，正在运行。
②就绪态:进程具备运行条件，等待系统分配处理机以便运行。
③等待态(又称为阻塞态或睡眠态):进程不具备运行条件，正在等待某个事件的完成。
进程不同状态间的转换及引发原因介绍如下。
①运行态→等待态:等待使用资源或某事件发生;
②等待态→就绪态:资源得到满足或某事件已经发生;
③运行态→就绪态:运行时间片到达或出现有更高优先级的进程；
④就绪态→运行态:CPU空闲时调度选中一个就绪进程需要其运行。

四、 叙述组成进程的基本要素，并说明它们的作用。

【参考答案】每个进程均由PCB、程序块、数据块和堆栈这4个基本要素组成。它们的作用分别描述如下。
(1)PCB存进信息、现场信息和控制信息。进程创建时建立PCB，进程撤销时回收PCB，其与进程一一对应；
(2)程序块:即被执行的程序。它规定了进程一次运行应实现的功能，通常是纯代码，其作为一种系统资源可被多个进程共享；
(3)数据块:即程序运行时须加工处理的对象，包括全局变量、局部变量和常量等的存放区以及开辟的工作区，常常为一个进程专用；
(4)堆栈:每个进程都将捆绑一个堆栈，用来存储进程的标志信息、现场信息和控制信息。

第3章 处理机调度与死锁

五、(考研真题)有5个进程(见下表)需要调度执行，若采用非抢占式优先级(短进程优先)调度算法，问这5个进程的平均周转时间是多少?

【参考答案】本题分步解答如下
(1)采用非抢占式优先级(短进程优先)调度算法、各进程执行次序如下图所示。

在0时刻，进程P1到达，P1获得处理机。由于不可抢占，因此P1会一直运行到9时刻结束;在9时刻，所有进程到达，根据短进程优先调度，P3获得处理机，然后是P5；P2和P4的预计运行时间一样，按照FCFS原则，P2优先获得处理机，最后是P4。

(2)周转时间=完成时间-作业到达时间。因此
P1的周转时间是9-0=9
P2的周转时间是16-0.4=15.6
P3的周转时间是10-1-9
P4的周转时间是20-5.5=14.5
P5的周转时间是12-7-5。
这5个进程的平均周转时间为（9+15.6+9+14.5+5)/5=10.62

第4章 进程同步

六、如下图所示，有1个计算进程和1个打印进程，它们共享一个单缓冲区，计算进程不断计算出一个整型结果，并将它放入单缓冲区中;打印进程则负责从单缓冲区中取出每个结果并进行打印。请用信号量机制来实现它们的同步关系。

【参考答案】由题意可知，本题中计算进程和打印进程为合作的同步关系。
计算进程需要向空闲缓冲区中放入计算好的数据，因此要设置它所需要的empty信号量，由于开始时缓冲区为空，因此empty初值为1;
打印进程需要输出已放入缓冲区中的打印结果，因此需要设置它所需要的信号量full，初始状态下缓冲区中无结果可供打印，故full的初值为0。

七、有3个进程P1、P2、P3协作解决文件打印问题。P1将文件记录从磁盘读入内存 缓冲区1，每执行一次读一个记录;P₂将缓冲区1中的内容复制到缓冲区2中，每执公一次复制一个记录;P3将缓冲区2中的内容打印出来，每执行一次打印一个记录。缓冲区的大小与记录大小一样。请用信号量机制来保证文件的正确打印。

【参考答案】对缓冲区1来说，P1,是生产者，P2是消费者; 对缓冲区2来说，P2是生产者，P3是消费者。
缓冲区1和缓冲区2都只能存放一个记录，它们都是临界资源，但无须使用信号量实现互斥。
P2对于缓冲区1是消费者，对于缓冲区2是生产者，因此要对P₂设置两个信号量来分控制其对不同缓冲区的不同操作。该文件打印过程的同步算法可描述为:

第5章 存储器管理
八、 存储器管理的基本任务，是为多道程序的并发执行提供良好的存储器环境。请问：“良好的存储器环境”应包含哪几个方面？

【参考答案】“良好的存储器环境”应包含：
①让每道程序“各得其所”，在不受干扰的环境中运行，还可以使用户从存储空间的分配、保护等烦琐事务中解脱出来；
②向用户提供更大的存储空间，使更多的作业能同时运行，或使更大的作业能在较小的内存空间中运行；
③为用户在信息的访问、保护、共享以及动态链接等方面提供方便；
④使存储器有较高的利用率。

九、某系统采用分页存储管理方式，拥有逻辑空间32页，每页2KB；拥有物理空间1MB。
（1）写出逻辑地址的格式。
（2）若不考虑访问权限等，则进程的页表有多少项？每项至少有多少位？
（3）如果物理空间减少一半，则页表结构应相应地做怎样的改变？

【参考答案】
（1）该系统拥有逻辑空间32页，故逻辑地址中页号必须用5位来描述。而每页为2KB，因此，页内地址必须用11位来描述，这样即可得到它的逻辑地址格式如下。

（2）每个进程最多有32个页面，因此，进程的页表项最多为32项。若不考虑访问权限等，则页表项中只须给出页所对应的物理块块号，1MB的物理空间可分成29个内存块，故每个页表项至少有9位。
（3）如果物理空间减少一半，则页表中的页表项数仍不变，但每项的长度可减少1位。

十、已知某分页系统，内存容量为64KB，页面大小为1KB，对一个4页大的作业，其0、1、2、3页分别被分配到内存的2、4、6、7块中。
（1）将十进制的逻辑地址1023、2500、3500、4500转换为物理地址。
（2）以十进制的逻辑地址1023为例，画出地址转换过程图。

【参考答案】
（1）对上述逻辑地址，可首先计算出它们的页号和页内地址（逻辑地址除以页面大小，得到的商为页号，余数为页内地址），然后通过页表将其转换成对应的物理地址。
①逻辑地址1023。［1023／1K]＝0,1023％1K＝1023，
因此页号为0，页内地址为1023，查页表找到对应的物理块号为2，故物理地址为2x1K＋1023＝3071。
②逻辑地址2500。［2500／1K]＝2,2500％1K＝452，因此页号为2，页内地址为452，查页表找到对应的物理块号为6，故物理地址为6x1K＋452＝6596。
③逻辑地址3500。［3500／1K]＝3,3500％1K＝428，因此页号为3，页内地址为428，查页表找到对应的物理块号为7，故物理地址为7x1K＋428＝7596。
④逻辑地址4500。［4500／1K]＝4,4500％1K＝404，因此页号为4，页内地址为404，因页号大于页表长度，故产生越界中断。

（2）逻辑地址1023的地址转换过程如下图所示。

第6章 虚拟存储器

十一、假定某OS存储器采用页式存储管理，一个进程在快表中的页表项和在内存中的页表项如下表所示。

假定该进程长度为 320B，每页 32B。现有逻辑地址 101、204、576(八进制)，若这些逻辑地址能转换成物理地址，则说明转换的过程，并指出具体的物理地址;若不能转换则说明原因。

【参考答案】1页的大小为32B，逻辑地址结构为:低5位为页内位移，其余高位为页号。
101(八进制)-001 000001(二进制)，因此页号为2，在联想寄存器中，对应的块号 f3，即物理地址为(f3，1)。
204(八进制)=010000100(二进制)，因此页号为4，不在联想寄存器中，查找内存的面表得块号为f5，即物理地址为(f5，4)，用其更新联想寄存器。
576(八进制)=101111110(二进制)，因此页号为11，已超出页表范围，即产生越界中断。

十二、(考研真题)有一个请求分页式虚拟存储器系统，分配给某进程3个物理块，开始时内存中预装入第 1、2、3个页面，该进程的页面访问序列为1，2，4，2，6，2，1，5，6，1。
(1)若采用OPT(optimal，最佳)页面置换算法，则访问过程发生的缺页率为多少?
(2)若采用LRU页面置换算法，则访问过程中的缺页率为多少?

【参考答案】
(1)采用OPT页面置换算法时，因为内存中预装入了前3个页面，所以前3个页面不发生缺页。访问过程中发生了2次缺页，缺页率f=2/10x100%=20%。页面置换走向如下图所示。

(2)采用LRU页面置换算法时，访问过程中发生了4次缺页，缺页率f=4/10x100%=40%。页面置换走向如下图所示。

第7章 输入/输出系统

十三、I/O软件一般分为用户层软件、设备独立性软件、设备驱动程序和中断处理程序4个层次，它们的基本功能分别是什么?请说明下列工作分别是在哪一层完成的?
(1)向设备寄存器写命令。
(2)检查用户是否有权使用设备。
(3)将二进制整数转换成ASCⅡ的格式打印。(4)缓冲管理。

【参考答案】

I/O软件每层功能略（见教材）
(1)向设备寄存器写命令是在设备驱动程序中完成的。
(2)检查用户是否有权使用设备，属于设备保护，因此其在设备独立性软件中完成。
(3)将二进制整数转换成ASCII格式打印是通过I/O库函数完成的，如C语言的库函数中就有打印格式的控制字符串，因此其在用户层软件中完成。
(4)缓冲管理属于I/O的公有操作，因此是在设备独立性软件中完成的。

十四、(考研真题)假设有11个进程先后提出磁盘I/O请求，当前磁头正在110号磁道处，并预向磁道序号增加的方向移动。请求队列的顺序为30、145、120、78、82、140、2042、165、65，分别用FCFS 调度算法和 SCAN调度算法完成上述请求，写出磁道访问顺序和每次磁头移动的距离，并计算平均移动磁道数。

【参考答案】

本题分步解答如下
(1)FCFS调度算法:访问顺序为30、145、120、78、82、140、20、42、165、55、65;
移动距离为80、115、25、42、4、58、120、22、123、110、10；
平均移动磁道数为：(80+115+25+42+4+58+120+22+123+110+10)/11=64.45
(2)SCAN调度算法:访问顺序为120、140、145、165、82、78、65、55、42、30、20;
移动距离为10、20、5、20、83、4、13、10、13、12、10;
平均移动磁道数为：(10+20+5+20+83+4+13+10+13+10+10)/11=18.18

十五、(考研真题)磁盘请求服务队列中要访问的磁道分别为38、6、37、100、14、124、65、67,磁头上次访问了20磁道，当前处于30磁道上，试采用FCFS、SSTF(shortest seek time first，最短寻道时间优先)和SCAN调度算法，分别计算磁头移动的磁道数。

**【参考答案】**本题分步解答如下。
(1)FCFS调度算法:磁头移动顺序为30、38、6、37、100、14、124、65、67; 移动磁道数为8+32+31+63+86+10+59+2=391
(2)SSTF调度算法:磁头移动顺序为30、37、38、14、6、65、67、100、124;
移动磁道数为7+1+24+8+59+2+33+24=158。
(3)SCAN调度算法:磁头移动顺序为30、37、38、65、67、100、124、14、6;
移动磁道数为7+1+27+2+33+24+110+8=212

第8章 文件管理

十六、什么是文件的逻辑结构?逻辑文件有哪几种组织形式?

【参考答案】
①文件的逻辑结构是指从用户的角度出发所观察到的文件组织形式，也就是用户可以直接处理的数据及其结构。
②逻辑文件根据其结构可分为两种:一种是无结构的流式文件，是指文件信息由一串字符流构成;另一种是有结构的记录式文件，是指将文件信息按照在逻辑上独立的含义划分为信息单位，每个信息单位称为一个逻辑记录(简称记录)。

十七、什么是“按名存取”?文件系统如何实现文件的按名存取?

【参考答案】

①“按名存取”指用户只要给出文件名就能存取外存空间中的文件信息，而不必给出文件的具体物理地址。
②文件系统实现文件按名存取的步骤为:首先利用用户提供的文件名，检索文件目录中该文件的FCB(file control
block，文件控制块)或索引节点;然后根据FCB中的文件物理地址，将文件读人内存。

第9章 磁盘存储器管理

十八、有一计算机系统利用下图所示的位示图(行号、列号都从0开始编号)来管理空闲盘块。如果盘块从1开始编号，每个盘块的大小为1KB，则请回答下列问题:
(1)现要为文件分配两个盘块，试具体说明分配过程;
(2)若要释放磁盘的第300块，则应如何处理：

【参考答案】

(1)为某文件分配两个盘块的过程如下:
①顺序检索位示图，从中找到第一个值为0的二进制位，得到其行号i=2，列号j=3;
②计算出该位所对应的盘块号 b=i×16+j+1=2×16+3+1=36
③修改位示图，令map[2,3]=1，并将对应的盘块36分配给文件。按照同样的方式，可找到第3行、第6列的值为0的位，将其转换为盘块号55;将位的值修改为1，并将55号盘块分配给文件。
(2)释放磁盘的第300块时，应进行如下处理:
①计算出磁盘第300块所对应的二进制位的行号i和列号j，即i=(300-1)DIV16=18，j=(300-1)MOD16=11;
②修改位示图，令map[18,11]=0，表示对应的盘块为空闲块。

十九、(考研真题)某文件系统采用索引物理结构存储文件，磁盘空间为1000GB。一个自录项可以存储10个盘块的地址，前9个为直接地址，最后一个为一级间址。若盘块的大小为512B，则该文件系统最大能支持的文件大小是多少?

【参考答案】

9个直接地址支持的文件长度是9x512B=4.5KB。
由于一个目录项可以存放10个盘块的地址，因此一级间址可以存放10个目录项的地址，1个一级间址可以存放的文件大小为10x512B=5KB。该系统能支持的最大文件长度为：9x512B+10x512B=9.5KB

二十、(考研真题)某文件系统采用混合索引分配方式，如下图所示，有10个直接块(每个直接块指向1个数据块) 、1个一级间接块、1个二级间接块和1个三级间接块，间接块指向的是1个索引块，每个索引块和数据块的大小均为512B，索引块编号的大小为4B。
(1)若只使用直接块，则文件最大为多少字节?
(2)在该系统中能存储的文件最大是多少?
(3)若读取某文件第 10MB的内容，则需要访问磁盘几次?

【参考答案】
(1)直接块指向数据块的块数为10，因此若只使用直接块，则文件最大为10x512B=5120B
(2) 一级间接块指向的索引块指针数为512B/4B=128个，因此一级间接块指向数据块的块数是128块。
二级间接块指向的索引块指针数也是128个，每个索引块里还有128个指针数据块，因此二级间接块指向的最大数据块数为128x128个。
同理，三级间接块指向数据块的块数128x128x128块。
因此该系统能存储的最大文件为(10+128+1282+1283)x512B=1082201088B=1056837KB
(3)10MB的文件需要的数据块个数为10MB/512B=2048块。直接块和一级间接块指向的数据块个数为10+128=138块<2048块。直接块、一级间接块和二级间接块指向的数据块个数为10+128+128²=16552块>2048块，因此第10MB的数据应该存放在二级间接块下的某个数据块中，共需要访问磁盘3次。