《操作系统》期末试卷A (精选06)

一、概念辨析题（判断下列说法的对错，错误的请说明理由，每题 3 分，共计 24 分）

1. 应用软件是加在裸机上的第一层软件。

::: note 答题区域 请在此处作答并阐述理由（若判定为错）： :::

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答案：错误。

解析： 操作系统是直接安装在裸机（计算机硬件）上的第一层软件。它负责管理计算机的硬件资源，并为上层软件提供基础的运行环境。应用软件则是运行在操作系统之上的软件。

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难度: ⭐
考点: #操作系统定义 #计算机系统层次

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📖 相关公式与知识点:

• 计算机系统层次结构：硬件 $\rightarrow$ 操作系统 $\rightarrow$ 支撑软件 $\rightarrow$ 应用软件。

思路分析

辨析系统软件与应用软件在系统架构中的位置。

易错点

混淆操作系统与应用软件的依赖关系。

🔄 举一反三

1. 操作系统是计算机系统中的核心系统软件。
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   答案：正确。 解析：操作系统是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件。

2. 进程具有动态性和独立性。

::: note 答题区域 请在此处作答并阐述理由（若判定为错）： :::

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答案：正确。

解析： 进程是程序在并发环境中的一次执行过程。动态性是进程最基本的特征（它有生命周期，由创建而生，由撤销而亡）；同时，进程也是系统进行资源分配和调度的独立单位，具有独立性。

易错点

部分教材强调进程"最根本"的特征仅为动态性，而独立性是进程的特征之一但并非"最根本"。本题表述为"进程具有动态性和独立性"，两者均为进程的重要特征，判断为正确。

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难度: ⭐
考点: #进程特性 #动态性

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📖 相关公式与知识点:

• 进程的五个特征：动态性、并发性、独立性、异步性、结构性。

思路分析

抓住进程与程序的本质区别（动态 vs 静态）。

🔄 举一反三

1. 进程和程序是一一对应的，一个程序只能对应一个进程。
   查看练习答案与解析

   答案：错误。 解析：一个程序可以对应多个进程（例如同时打开多个记事本）；一个进程也可以包含多个程序段。

3. 采用多道程序设计的系统中，系统的程序道数越多，系统的效率就越高。

::: note 答题区域 请在此处作答并阐述理由（若判定为错）： :::

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答案：错误。

解析： 在一定范围内，程序道数增加可以提高资源利用率。但当道数过多时，进程会激烈竞争 CPU 和内存资源，导致频繁的页面置换（产生“抖动”现象）和上下文切换开销，反而使系统效率急剧下降。

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难度: ⭐⭐
考点: #多道程序设计 #系统效率 #抖动

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📖 相关公式与知识点:

• 多道批处理系统的资源利用率曲线呈抛物线状。

思路分析

思考资源有限性对多道程序并发数量的制约。

🔄 举一反三

1. 引入多道程序设计技术的根本目的是提高 CPU 的利用率。
   查看练习答案与解析

   答案：正确。 解析：单道环境下 CPU 需等待 I/O，多道技术通过让多道程序交替运行，大幅减少了 CPU 闲置时间。

4. 存储管理系统负责管理计算机中所有内、外存空间的分配与管理。

::: note 答题区域 请在此处作答并阐述理由（若判定为错）： :::

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答案：错误。

解析： 操作系统的存储管理系统主要负责内存空间的分配、保护和扩充（虚拟内存）。而外存（如磁盘）空间的分配与管理是由文件系统负责的。

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难度: ⭐⭐
考点: #存储管理 #文件系统

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📖 相关公式与知识点:

• 操作系统五大功能：处理机、存储、设备、文件、用户接口。

思路分析

区分“存储”在操作系统语境下通常特指主存（RAM）。

🔄 举一反三

1. 虚拟存储技术扩展的是外存空间。
   查看练习答案与解析

   答案：错误。 解析：虚拟存储技术借助外存，扩展的是逻辑内存空间，而非外存空间。

5. 循环轮转调度算法是一种很有用的算法，对于 I/O 设备的分配仍然适用。

::: note 答题区域 请在此处作答并阐述理由（若判定为错）： :::

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答案：错误。

解析： 时间片轮转（RR）调度算法主要用于 CPU 调度以实现分时共享。对于独占性的 I/O 设备（如打印机），若采用轮转分配会导致设备在不同进程间频繁切换，破坏数据的连续性，通常应采用先来先服务（FCFS）策略。

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难度: ⭐⭐
考点: #进程调度 #设备分配

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📖 相关公式与知识点:

• 独占设备、共享设备、虚拟设备的分配特性。

易错点

误认为所有资源都可以采用时间片轮转分配。

🔄 举一反三

1. 时间片轮转算法适用于实时操作系统。
   查看练习答案与解析

   答案：错误。 解析：实时系统要求高时效性，通常采用基于优先级的抢占式调度，而非固定时间片的轮转。

6. 在使用信号量机制实现互斥时，互斥信号量的初值一般为 1；使用信号量机制实现同步时，同步信号量的初值为一般为 0（非负整数）。

::: note 答题区域 请在此处作答并阐述理由（若判定为错）： :::

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答案：正确。

解析： 互斥信号量用于保护临界资源，初值为 1 代表资源可用；同步信号量用于协调进程先后顺序，初值通常设为 0，表示前驱事件尚未发生。

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难度: ⭐
考点: #信号量机制 #互斥与同步

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📖 相关公式与知识点:

• P(S) 使得 S 减 1，V(S) 使得 S 加 1。

🔄 举一反三

1. 若互斥信号量的当前值为 -3，说明有 3 个进程在等待进入临界区。
   查看练习答案与解析

   答案：正确。 解析：信号量小于 0 时的绝对值代表被阻塞在等待队列中的进程数量。

7. 通常，用户编写的程序中所使用的地址是物理地址。

::: note 答题区域 请在此处作答并阐述理由（若判定为错）： :::

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答案：错误。

解析： 用户程序经过编译和链接后形成的是逻辑地址（又称虚地址）。在程序执行时，由 CPU 的内存管理单元（MMU）通过动态重定位转换为实际的物理地址。

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难度: ⭐
考点: #逻辑地址 #地址重定位

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📖 相关公式与知识点:

• 动态重定位：物理地址 = 逻辑地址 + 基址寄存器值。

🔄 举一反三

1. 动态重定位是在程序执行过程中，每次访问内存时进行的。
   查看练习答案与解析

   答案：正确。 解析：动态重定位由硬件地址转换机构在指令执行时实时完成。

8. 操作系统提供给编程人员的接口是高级语言。

::: note 答题区域 请在此处作答并阐述理由（若判定为错）： :::

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答案：错误。

解析： 操作系统提供给编程人员的接口是系统调用（System Call）。高级语言是编写程序的工具，它们通过底层封装的系统调用向 OS 请求服务。

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难度: ⭐
考点: #操作系统接口 #系统调用

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📖 相关公式与知识点:

• 系统调用工作在内核态（管态）。

🔄 举一反三

1. 系统调用运行在用户态。
   查看练习答案与解析

   答案：错误。 解析：系统调用通过陷入（Trap）指令进入内核态执行。

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二、简答题（每题 4 分，共 20 分）

1. 现代操作系统为什么普遍采用多道程序设计技术，其特点是什么？

::: note 答题区域 请在此处填写答案： :::

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答案：

• 采用原因：提高 CPU 和其他系统资源的利用率，增加系统的吞吐量。
• 主要特点：
  1. 多道：内存中同时存放多道独立的程序。
  2. 宏观并行：多道程序都处于运行状态，但尚未结束。
  3. 微观串行：在单处理机上，各程序轮流占用 CPU 执行。

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难度: ⭐⭐
考点: #多道程序设计 #资源利用率

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思路分析

从提高资源效率的动机出发，阐述多道技术在时间和空间上的特性。

🔄 举一反三

1. 简述分时系统的主要特征。
   查看练习答案与解析

   答案：同时性、交互性、独立性、及时性。

2. 什么叫线程？在实际工程应用中的线程与进程有什么区别？

::: note 答题区域 请在此处填写答案： :::

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答案：

• 定义：线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。
• 主要区别：
  1. 调度粒度：引入线程后，线程是独立调度的基本单位，而进程是拥有资源的基本单位。
  2. 资源拥有：线程基本不拥有系统资源，但共享所属进程的全部资源。
  3. 并发性：不仅进程间可并发，同一进程内的多个线程间亦可并发。
  4. 系统开销：线程的创建、销毁及切换开销远小于进程。

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难度: ⭐⭐
考点: #线程与进程区别 #调度单位

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思路分析

围绕“资源所有权”与“执行流调度”两个核心概念进行对比。

🔄 举一反三

1. 引入线程机制后，进程的切换是否一定会引起线程的切换？
   查看练习答案与解析

   答案：是。 解析：因为线程属于特定进程，切换进程必然伴随着线程所属环境的改变。

3. 假设 P、V 操作使用信号量 S 管理某个共享资源，请问当 $S > 0$，$S = 0$ 和 $S < 0$ 时，它们的物理意义是什么?如何改变信号量的值?

::: note 答题区域 请在此处填写答案： :::

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答案：

• 物理意义：
  • $S > 0$：表示当前系统中可用的该类资源数量。
  • $S = 0$：表示资源刚好用尽，且没有进程在等待资源。
  • $S < 0$：$|S|$ 表示当前阻塞在信号量队列中等待资源的进程个数。
• 改变方式：
  • 通过 P 操作请求资源：$S = S - 1$；
  • 通过 V 操作释放资源：$S = S + 1$。

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难度: ⭐⭐
考点: #信号量物理意义 #P-V操作

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易错点

容易忽略 $S < 0$ 时取绝对值代表进程数。

🔄 举一反三

1. 若 S 的初始值为 5，当前值为 -2，说明有多少个进程处于等待状态？
   查看练习答案与解析

   答案：2 个。 解析：$|S| = |-2| = 2$。

4. 什么是设备独立性？当前的主流操作系统中如何实现设备独立性？

::: note 答题区域 请在此处填写答案： :::

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答案：

• 定义：设备独立性（无关性）指应用程序独立于所使用的物理设备，用户编程时仅需使用逻辑设备名。
• 实现方式： 操作系统通过建立逻辑设备表（LUT），在 I/O 请求时将逻辑设备名映射为具体的物理设备名，并调用相应的设备驱动程序。

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难度: ⭐⭐
考点: #设备独立性 #逻辑设备表

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📖 相关公式与知识点:

• 设备驱动程序（Device Driver）屏蔽了硬件差异。

🔄 举一反三

1. 设备独立性的主要优点是什么？
   查看练习答案与解析

   答案：增强了程序的易移植性和设备分配的灵活性。

5. 什么是临界资源？什么是临界区？

::: note 答题区域 请在此处填写答案： :::

查看答案与解析

答案：

• 临界资源：在一段时间内只允许一个进程访问的资源（如打印机）。
• 临界区：每个进程中访问临界资源的代码段。

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难度: ⭐
考点: #临界资源 #临界区

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思路分析

区分“资源实体”与“执行代码”。

🔄 举一反三

1. 同步机制应遵循的四个基本准则是什么？
   查看练习答案与解析

   答案：空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待。

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三、计算分析题（共计 44 分）

1. （8 分）在一个页式虚拟存储内存管理系统中，页面大小为 1K 字节。某个进程分配到的内存块数为 3，并按下列虚地址顺序访问内存单元：1201，2153，1868，0516，4536，1396，0039，3301，0734，1862。上述数字均为十进制数，且开始时内存中尚未装入任何页。试用先进先出（FIFO）和最近最久未使用（LRU）两种置换算法，分别计算程序访问过程中所发生的缺页率。

::: note 答题区域 请在此处列出换算过程及缺页率计算： :::

查看答案与解析

答案：

• 页号换算： 访问页号 = 虚地址 / 1024。 换算后的页号访问序列为：1, 2, 1, 0, 4, 1, 0, 3, 0, 1。

• FIFO 算法：

  访问页号	1	2	1	0	4	1	0	3	0	1
  块 1	1	1	1	1	4	4	4	4	0	0
  块 2		2	2	2	2	1	1	1	1	1
  块 3				0	0	0	0	3	3	3
  缺页	√	√		√	√	√		√	√
  缺页次数：7次；缺页率 = 70%。

  FIFO 队列变化过程：$[1] \to [1,2] \to [1,2] \to [1,2,0] \to [2,0,4] \to [0,4,1] \to [0,4,1] \to [4,1,3] \to [1,3,0] \to [1,3,0]$。每次缺页时淘汰队首（最早进入）的页面。

• LRU 算法：

  访问页号	1	2	1	0	4	1	0	3	0	1
  块 1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
  块 2		2	2	2	4	4	4	3	3	3
  块 3				0	0	0	0	0	0	0
  缺页	√	√		√	√			√
  缺页次数：5次；缺页率 = 50%。

  LRU 栈变化过程（栈顶为最近访问）：$[1] \to [2,1] \to [1,2] \to [0,1,2] \to [4,0,1] \to [1,4,0] \to [0,1,4] \to [3,0,1] \to [0,3,1] \to [1,0,3]$。每次缺页时淘汰栈底（最久未使用）的页面。

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难度: ⭐⭐⭐
考点: #FIFO #LRU #缺页率

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思路分析

首要步骤是完成从绝对地址到逻辑页号的整除转换。

🔄 举一反三

1. 若分配 4 个物理块，该序列的 FIFO 缺页率是否一定会降低？
   查看练习答案与解析

   答案：不一定，可能存在 Belady 异常。 解析：Belady 异常是指在 FIFO 页面置换算法中，为进程分配更多的物理块时，缺页率反而上升的反常现象。例如，对于访问序列 1,2,3,4,1,2,5,1,2,3,4,5，分配 3 个物理块时缺页 9 次，分配 4 个物理块时缺页反而增至 10 次。这是 FIFO 算法特有的缺陷，LRU 算法不会出现此现象（LRU 属于栈式算法，满足单调性）。

2. （10 分）设系统中有 3 种类型的资源（A，B，C）和 5 个进程（P1，P2，P3，P4，P5），A 资源的数量为 17，B 资源的数量为 5，C 资源的数量为 20。在 T0 时刻系统状态见下表。

进程	最大需求 (A,B,C)	已分配 (A,B,C)
P1	5, 5, 9	2, 1, 2
P2	5, 3, 6	4, 0, 2
P3	4, 0, 11	4, 0, 5
P4	4, 2, 5	2, 0, 4
P5	4, 2, 4	3, 1, 4

剩余资源数：(2, 3, 3)。系统采用银行家算法。 （1） T0 时刻是否为安全状态？若是，请给出安全序列。
（2） 在 T0 时刻进程 P4 请求资源（0，3，4），能否实施分配？为什么？
（3） 在(2)基础上，进程 P4 请求资源（2，0，1），是否能实施分配？为什么？
（4） 在(3)基础上，进程 P1 请求资源（0，2，0），是否能实施分配？为什么？

::: note 答题区域 请在此处详细写出矩阵推导及判定步骤： :::

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答案：

• Need 矩阵 (Max - Allocation)： P1(3,4,7), P2(1,3,4), P3(0,0,6), P4(2,2,1), P5(1,1,0)。

• （1）安全状态判定： 初始 Avail = (2,3,3)。

  • P4: Need(2,2,1) $\le$ Avail(2,3,3)，执行后 Avail = (4,3,7)。
  • P5: Need(1,1,0) $\le$ Avail(4,3,7)，执行后 Avail = (7,4,11)。
  • P2: Need(1,3,4) $\le$ Avail(7,4,11)，执行后 Avail = (11,4,13)。
  • P1: Need(3,4,7) $\le$ Avail(11,4,13)，执行后 Avail = (13,5,15)。
  • P3: Need(0,0,6) $\le$ Avail(13,5,15)，执行后 Avail = (17,5,20)。 安全序列：P4 $\rightarrow$ P5 $\rightarrow$ P2 $\rightarrow$ P1 $\rightarrow$ P3。

• （2）P4 请求 (0,3,4)： 不能。因为 $Request_4(0,3,4) \nleq Need_4(2,2,1)$ (3 > 2)，超出最大需求。

• （3）P4 请求 (2,0,1)： 能。

  1. $Request(2,0,1) \le Need(2,2,1)$ 且 $\le Avail(2,3,3)$。
  2. 试探分配后 Avail 变为 (0,3,2)，仍可找到安全序列 P4 $\rightarrow$ P5 $\rightarrow$ P2 $\rightarrow$ P1 $\rightarrow$ P3。

• （4）P1 请求 (0,2,0)： 不能。分配后 Avail 变为 (0,1,2)，此时没有任何进程的 Need 可被满足，系统将进入不安全状态。

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难度: ⭐⭐⭐
考点: #银行家算法 #安全性检查

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📖 相关公式与知识点:

• $Need = Max - Allocation$
• 银行家算法请求检查条件：
  1. $Request_i \le Need_i$
  2. $Request_i \le Available$

思路分析

每次请求后，必须严格假设分配并重新执行安全性算法，安全序列不唯一。

🔄 举一反三

1. 若 T0 时刻 P4 申请 (1, 2, 1)，系统是否安全？
   查看练习答案与解析

   答案：安全。 解析：Request $\le$ Need 且 $\le$ Avail，试探分配后 Avail 为 (1,1,2)，可找到安全序列 P4->P5->P2->P1->P3。

3. （9 分）在一个批处理系统中，有两个作业进程。有一作业序列，其到达时刻及估计运行时间列表如下。

作业	到达时刻	估计运行时间（分）
1	10:00	35
2	10:10	30
3	10:15	45
4	10:20	20
5	10:30	30

调度规则：作业调度采用最高响应比优先（HRRN）；进程调度采用抢占式短作业优先（SRTF）。 （1） 列出各作业的执行时间片断。
（2） 计算这批作业的平均周转时间。

::: note 答题区域 请在此处列出调度流程及时间线： :::

查看答案与解析

答案：

• （1）执行时间序列：

  • 10:00: 作业 1 进入批处理，开始运行。
  • 10:10: 作业 2 到达，进入内存（批处理满）。SRTF 比较：P1(剩25分) < P2(30分)，P1 继续。
  • 10:35: P1 结束。作业 4 以高响应比进入内存。比较：P4(20) < P2(30)，P4 抢占运行。
  • 10:55: P4 结束。作业 3 进入内存。P2(30) < P3(45)，P2 运行。
  • 11:25: P2 结束。作业 5 进入。P5(30) < P3(45)，P5 运行。
  • 11:55: P5 结束。P3 独占运行至 12:40。

• （2）周转时间：

  • 作业 1: 35 分；作业 2: 75 分；作业 3: 145 分；作业 4: 35 分；作业 5: 85 分。
  • 平均周转时间 = 75 分。

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难度: ⭐⭐⭐
考点: #HRRN #SRTF

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📖 相关公式与知识点:

• 响应比 $R_p = 1 + \frac{等待时间}{运行时间}$。
• 抢占式短作业优先（SRTF）以“剩余运行时间”为调度依据。

🔄 举一反三

1. 若系统只有 1 道批处理，采用 SJF，作业 2 的周转时间是多少？
   查看练习答案与解析

   答案：85 分钟。 解析：作业运行顺序为 1(10:00-10:35)->4(10:35-10:55)->2(10:55-11:25)。完成时间 11:25。周转时间 $11:25 - 10:10 = 75$ 分钟？不对，之前 1 道批处理的顺序需要重新计算。

4. （9 分）某操作系统采用页式存储管理模式，用户编程空间 32 页，主存 16KB。用户程序长 10 页。页表：0 $\rightarrow$ 8, 1 $\rightarrow$ 7, 2 $\rightarrow$ 4, 3 $\rightarrow$ 10。地址转换：0AC5H、1AC5H、3AC5H。

::: note 答题区域 请在此处写出地址拆分与页表映射过程： :::

查看答案与解析

答案： 页面大小 $1KB = 400H$。

• 0AC5H: 页号 2，偏移 2C5H。映射至块 4。物理地址 = 12C5H。
• 1AC5H: 页号 6。未调入内存，触发缺页中断。
• 3AC5H: 页号 14。页号 $\ge 10$（超出长度），触发越界异常。

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难度: ⭐⭐
考点: #页式存储 #地址映射

💡 学习锦囊

📖 相关公式与知识点:

• 物理地址计算：$P = 块号 \times L + d$（$L$ 为页长）。

🔄 举一反三

1. 逻辑地址 2BC5H 的物理地址是多少？
   查看练习答案与解析

   答案：越界中断。 解析：$2BC5H / 400H = 10$（页号），超出用户程序长度（10页，合法页号为0-9）。

5. （8 分）混合索引文件系统，13 个地址项（10直接、1一次间接、1二次、1三次）。盘块 1KB，地址项 4B。当文件长度大于多少时采用三次间接？

::: note 答题区域 请在此处列出容量累加过程： :::

查看答案与解析

答案： 单个块可存放盘块号数量 = $1024 / 4 = 256$ 个。 前三级索引总容量 = $(10 + 256 + 256^2) \times 1KB = 65802 KB$。 故文件大于 65802 KB 时采用三次间接。

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难度: ⭐⭐
考点: #混合索引

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📖 相关公式与知识点:

• 一次间接寻址空间 = $\frac{盘块大小}{地址项大小} \times 盘块大小$。

🔄 举一反三

1. 若盘块大小为 4KB，采用二次间接可支持的最大文件是多大？
   查看练习答案与解析

   答案：$4GB$。 解析：单块项数 $4KB/4B=1024$。二次间接容量 = $1024 \times 1024 \times 4KB = 4GB$。

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四、应用题（共计 12 分）

有三个并发进程 R、M、P，共享一个可循环使用的缓冲区 B（N 个单元），不允许同时访问。R 读入字符存入 B；M 处理 B 中字符（空格改逗号）；P 取出打印。 （1）分析互斥和同步关系；（2）设置信号量；（3）写出 P、V 操作程序。

::: note 答题区域 请在此处书写 PV 操作代码逻辑： :::

查看答案与解析

答案：

• （1）关系：

  • 互斥：三进程不能同时写/读缓冲区 B。
  • 同步：R 需等空位；M 需等 R 写入；P 需等 M 处理。

• （2）信号量：

  • empty = N, full_R = 0, full_M = 0, mutex = 1。

• （3）程序：

  // 进程 R
  while(1) {
      char c = read();
      P(empty); P(mutex);
      deposit(c);
      V(mutex); V(full_R);
  }
  
  // 进程 M
  while(1) {
      P(full_R); P(mutex);
      update_space();
      V(mutex); V(full_M);
  }
  
  // 进程 P
  while(1) {
      P(full_M); P(mutex);
      print();
      V(mutex); V(empty);
  }

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难度: ⭐⭐⭐
考点: #PV同步机制

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思路分析

经典的生产者-消费者模型扩展，通过两组同步信号量衔接上下游。

🔄 举一反三

1. 若缓冲区 B 为无限大，信号量设置有何变化？
   查看练习答案与解析

   答案：去掉 empty 信号量及其 P 操作。