2013年408真题操作系统篇

选择

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23. 用户在删除某文件的过程中，操作系统不可能执行的操作是（ ）。

选项：
A. 删除此文件所在的目录
B. 删除与此文件关联的目录项
C. 删除与此文件对应的文件控制块
D. 释放与此文件关联的内存缓冲区

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✅ 答案：A

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✏️ 解释：

• A. 删除此文件所在的目录：❌
  删除一个文件不应删除其所在目录，因为该目录可能还包含其他文件。如果操作系统删除了整个目录，则会造成其他文件也无法访问，这是不合理且不允许的操作，因此这是操作系统不可能执行的操作。
• B. 删除与此文件关联的目录项：✔️
  删除文件时，操作系统会删除目录中的对应目录项，这是合理的行为。
• C. 删除与此文件对应的文件控制块（FCB）：✔️
  删除文件时会释放相关资源，包括文件控制块（FCB）。
• D. 释放与此文件关联的内存缓冲区：✔️
  删除文件时，内存中用于缓存该文件数据的缓冲区会被释放，以回收内存资源。

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✅ 最终答案：A

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24. 为支持 CD-ROM 中视频文件的快速随机播放，播放性能最好的文件数据块组织方式是（ ）。

选项：
A. 连续结构
B. 链式结构
C. 直接索引结构
D. 多级索引结构

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✅ 答案：A

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✏️ 解释：

• CD-ROM（光盘）具有顺序访问特性，即：
  • 寻道和旋转延迟时间较长；
  • 随机访问代价较高；
  • 因此，连续读写性能最好。
• A. 连续结构：✔️
  文件数据块在物理上连续排列，可以快速顺序或随机定位任意块，非常适合用于 CD-ROM 上的视频播放。
• B. 链式结构：❌
  每个块包含指向下一个块的指针，需要顺序读取、无法高效随机访问。
• C. 直接索引结构：❌
  虽然支持一定程度的随机访问，但物理块可能分散，光盘读取效率差。
• D. 多级索引结构：❌
  支持大文件访问，但结构复杂，查找路径长，不适合光盘这种顺序访问设备。

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✅ 最终答案：A

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25. 用户程序发出磁盘 I/O 请求后，系统的处理流程是：用户程序 → 系统调用处理程序 → 设备驱动程序 → 中断处理程序。其中，计算数据所在磁盘的柱面号、磁头号、扇区号的程序是（ ）。

选项：
A. 用户程序
B. 系统调用处理程序
C. 设备驱动程序
D. 中断处理程序

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✅ 答案：C. 设备驱动程序

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✏️ 解释：

• 用户程序（A）：仅发出I/O请求，不负责计算磁盘物理地址。
• 系统调用处理程序（B）：负责把请求传入内核，转给设备驱动，但不处理硬件细节。
• 设备驱动程序（C）：✔️ 负责将逻辑地址转换为物理地址（柱面号、磁头号、扇区号），这是它控制硬件的职责。
• 中断处理程序（D）：响应设备完成I/O后的中断信号，用于收尾处理，而不是负责计算物理位置。

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✅ 正确答案：C

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26. 若某文件系统索引结点 (inode) 中有直接地址项和间接地址项，则下列选项中，与单个文件长度无关的因素是（ ）。

选项：
A. 索引结点的总数
B. 间接地址索引的级数
C. 地址项的个数
D. 文件块大小

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✅ 答案：A. 索引结点的总数

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✏️ 解释：

设：

• 每个文件块大小为 x 字节；
• 每个地址项大小为 y 字节；
• inode 中的地址项个数为 n；
• 有 k 级间接索引（含直接索引为第0级）；

那么一个文件最大长度约为：

$$\text{最大文件长度} = \sum_{i=0}^{k} n_i \cdot \left( \frac{x}{y} \right)^i \cdot x$$

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• A. 索引结点的总数：✔️
  描述的是整个系统中inode的数量，决定了系统最多可有多少文件，与单个文件长度无关。

• B. 间接地址索引的级数：❌
  越多级索引，可寻址的数据块越多，影响单个文件能有多长。

• C. 地址项的个数：❌
  指inode中存储地址的项数，越多能寻址的块越多，影响文件最大长度。

• D. 文件块大小：❌
  每块存储的数据量，直接乘在上式中，影响文件最大可存储的数据量。

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✅ **正确答案：A

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27.

设系统缓冲区和用户工作区均采用单缓冲，从外设读入 1 个数据块到系统缓冲区的时间为 100，从系统缓冲区读入 1 个数据块到用户工作区的时间为 5，对用户工作区中的 1 个数据块进行分析的时间为 90，如下图所示。

进程从外设读入并分析 2 个数据块的最短时间是（ ）。

选项：
A. 200
B. 295
C. 300
D. 390

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✅ 答案：C. 300

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✏️ 解释：

给定时间：

• 外设 → 系统缓冲区：T = 100
• 缓冲区 → 用户工作区：M = 5
• 分析用户工作区数据：C = 90

使用 单缓冲 + 连续处理 + 2 个数据块，我们可以使用如下通用公式：

$$总时间 = (n - 1) \times (\max(C, T) + M) + T + M + C$$

代入：

• n = 2（两个数据块）
• T = 100, M = 5, C = 90
• $\max(C, T) = \max(90, 100) = 100$

$$总时间 = (2 - 1) \times (100 + 5) + 100 + 5 + 90 = 105 + 100 + 5 + 90 = 300$$

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✅ 正确答案：C

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28.

下列选项中，会导致用户进程从用户态切换到内核态的操作是（ ）。

I. 整数除以零
II. sin() 函数调用
III. read 系统调用

选项：
A. 仅 I、II
B. 仅 I、III
C. 仅 II、III
D. I、II 和 III

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✅ 答案：B. 仅 I、III

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✏️ 解释：

• I. 整数除以零：✔️ 正确
  这是 硬件异常，CPU 会产生中断请求，进入内核态由内核处理。

• II. sin() 函数：❌ 错误
  这是标准数学库函数，仅在用户态运行，不涉及系统调用或内核操作。

• III. read 系统调用：✔️ 正确
  read() 是典型的 系统调用，需要操作系统协助访问 I/O 资源，必须从用户态切换到内核态。

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✅ 正确答案：B

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29.

计算机开机后，操作系统最终被加载到（ ）。

选项：
A. BIOS
B. ROM
C. EPROM
D. RAM

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✅ 答案：D. RAM

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✏️ 解释：

开机流程如下：

1. BIOS（基本输入输出系统）存在于 ROM 中，是最先执行的固件代码，负责完成自检（POST）和引导加载（Bootstrapping）。
2. BIOS 会查找引导设备（如硬盘、U盘、光盘等），读取其 引导扇区（Boot Sector） 中的引导程序。
3. 引导程序被加载进 RAM 中并执行，它的任务是继续加载操作系统核心。
4. 操作系统被逐步加载进 RAM（随机存取存储器），最终在 RAM 中运行。

🔎 所以：

• BIOS/ROM/EPROM 仅负责启动和引导，不是操作系统运行的地方。
• 操作系统最终必须被加载到 RAM 中才能运行。

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✅ 正确答案：D

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30.

若用户进程访问内存时产生缺页，则下列选项中，操作系统可能执行的操作是（ ）。

I. 处理越界错
II. 置换页
III. 分配内存

选项：
A. 仅 I、II
B. 仅 II、III
C. 仅 I、III
D. I、II 和 III

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✅ 答案：B. 仅 II、III

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✏️ 解释：

缺页是指访问的页面当前不在物理内存中，操作系统需要处理：

• I. 处理越界错：❌ 错误
  越界错误是程序试图访问它不被允许访问的地址，属于非法访问，不是缺页处理的一部分。
• II. 置换页：✔️ 正确
  如果物理内存已满，需要将一个页面换出（页置换），使用如 FIFO、LRU 等页面置换算法。
• III. 分配内存：✔️ 正确
  如果物理内存中还有空闲帧，操作系统可直接分配一页帧来加载所需页面。

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✅ 正确答案：B

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31.

某系统正在执行三个进程 P1、P2 和 P3，各进程的计算 (CPU) 时间和 I/O 时间比例如下：

进程	计算时间占比	I/O时间占比
P1	90%	10%
P2	50%	50%
P3	15%	85%

为提高系统资源利用率，合理的进程优先级设置应为（ ）。

选项：
A. P1 > P2 > P3
B. P3 > P2 > P1
C. P2 > P1 = P3
D. P1 > P2 = P3

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✅ 答案：B. P3 > P2 > P1

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✏️ 解释：

优先级策略中有一个重要原则：I/O 密集型进程优先级应高于 CPU 密集型进程，原因是：

• I/O 密集型进程往往只需要很少的 CPU 时间，但大量时间等待 I/O，如果不及时处理，可能导致 I/O 设备空闲、CPU 也空闲，浪费资源。
• 提高其优先级可加快它的调度，从而在等待 I/O 时尽快释放 CPU，提高整体并发性和资源利用率。

分析本题：

• P1：90% CPU 密集 → 最低优先级
• P2：50% / 50% → 中等
• P3：85% I/O 密集 → 最高优先级

因此合理的优先级设置应为：P3 > P2 > P1

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✅ 正确答案：B

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32.

下列关于银行家算法的叙述中，正确的是（ ）。

选项：
A. 银行家算法可以预防死锁
B. 当系统处于安全状态时，系统中一定无死锁进程
C. 当系统处于不安全状态时，系统中一定会出现死锁进程
D. 银行家算法破坏了死锁必要条件中的“请求和保持”条件

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✅ 答案：B. 当系统处于安全状态时，系统中一定无死锁进程

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✏️ 解释：

银行家算法是一种避免死锁的经典算法。我们逐项分析：

• A 错误：银行家算法是避免死锁的方法，不属于预防死锁（它没有破坏死锁的四个必要条件）。
• B 正确：如果系统处于安全状态，就说明存在一个安全序列，系统能够按这个顺序为每个进程分配资源并最终完成，不会发生死锁。
• C 错误：不安全状态不等于死锁状态，它只是表示存在潜在死锁的风险，并不是一定发生死锁。
• D 错误：银行家算法并未破坏请求和保持条件，进程仍然可以请求资源并保持已分配的资源。

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✅ 正确答案：B

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PV问题

（7分）

某博物馆最多可以容纳 500 人同时参观，有一个出入口，该出入口一次仅允许一个人通过。参观者的活动描述如下：

cobegin
参观者进程i:
{
    ...
    进门;
    ...
    参观;
    ...
    出门;
    ...
}
coend

请添加必要的信号量和P、V（或wait( )、signal( )）操作，以实现上述过程中的互斥与同步。要求写出完整的过程，说明信号量的含义并赋初值。

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✅ 答案：

为实现博物馆参观者进出的互斥与同步操作，可以通过以下信号量操作来控制并发：

• museum: 控制博物馆内当前的参观人数，初值为 500，表示博物馆最多允许 500 人同时参观。
• door: 控制出入口的使用，初值为 1，表示出入口一次只能有一个人通过。
• mutex: 控制出入口资源的互斥使用，初值为 1，保证进出门操作的互斥。

以下是完整的代码：

semaphore museum = 500;    // 博物馆可容纳人数
semaphore door = 1;        // 出入口可容纳人数（只能有一个人通过）
cobegin
参观者进程i:
{
    P(museum);            // 进入前，检查博物馆是否已满，若未满，允许进入
    P(door);              // 进入时，申请出入口的使用权
    进门;                 // 进入博物馆
    V(door);              // 离开出入口，释放出入口
    参观;                 // 参观博物馆
    P(door);              // 准备出门，申请出入口的使用权
    出门;                 // 离开博物馆
    V(door);              // 离开出入口，释放出入口
    V(museum);            // 离开时，释放博物馆容纳名额
}
coend

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✏️ 解释：

1. 信号量定义：
   • museum：这是一个计数信号量，用来控制博物馆内当前参观的人数。初值为 500，表示最多可以有 500 人进入博物馆。
   • door：这是一个二进制信号量，用来控制博物馆的出入口。初值为 1，表示出入口在某一时刻只能允许一个人通过。
   • mutex：这是一个互斥信号量，用于控制出入口资源的互斥访问，确保进出门操作的原子性。初值为 1。
2. 进程操作：
   • P(museum)：表示参观者尝试进入博物馆，先检查博物馆是否已满。如果博物馆内人数未满，则允许进入。
   • P(door)：表示参观者申请出入口的使用权，确保每次只有一个人可以进出。
   • 进门：执行进门操作。
   • V(door)：释放出入口资源，允许其他人进出。
   • 参观：参观博物馆的过程。
   • P(door)：表示参观者准备出门，申请出入口的使用权。
   • 出门：执行出门操作。
   • V(door)：释放出入口资源，允许其他人进出。
   • V(museum)：释放博物馆容纳的名额，使得其他参观者可以进入。
3. 为什么P(museum)和P(door)的顺序要先P(museum)再P(door)：
   • 如果先P(door)再P(museum)，假设有人进入，博物馆刚好满了，而此时有人已经执行了P(door)，但是博物馆内已没有空余空间，外面的进程进不去，里面的人也无法出门，造成死锁。
   • 先执行P(museum)确保博物馆有空间再执行P(door)，可以避免这种死锁情况。
4. 为什么V(museum)和V(door)的顺序要先V(door)再V(museum)：
   • 先V(door)释放出入口资源，再V(museum)释放博物馆名额，避免死锁和不一致的状态。

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✅ 正确答案：完整代码和解释如上所示

页表相关

(1) 使用一级页表的分页存储管理方式，逻辑地址结构为：

页号（20位）
页内偏移量（12位）

• 页的大小是多少字节？
• 页表最大占用多少字节？

解答：

• 页大小：根据给定的逻辑地址结构，页内偏移量为12位。一个字节有8位，因此页大小为 $2^{12}$ 字节 = 4KB。

• 页表最大占用字节数：页号占20位，因此最多可以有 $2^{20}$ 个页面。每个页表项的大小为4字节，因此页表的最大占用字节数为：

  $$2^{20} \times 4 \text{ 字节} = 4 \text{ MB}$$

(2) 使用二级页表的分页存储管理方式，逻辑地址结构为：

页目录号（10位）
页表索引（10位）
页内偏移量（12位）

• 页目录号（10位）
• 页表索引（10位）
• 页内偏移量（12位）

设逻辑地址为 LA，请分别给出其对应的页目录号和页表索引的表达式。

解答：

可以通过位运算或除法运算来提取页目录号和页表索引。

1. 页目录号的表达式：

   页目录号占高10位，因此可以通过逻辑右移22位来得到：

   $$\text{页目录号} = \frac{LA}{2^{22}} = \left( \text{unsigned int}(LA) \right) >> 22$$

2. 页表索引的表达式：

   页表索引占中间的10位，可以先通过右移12位来去除较低的位，再用掩码取出低10位：

   $$\text{页表索引} = \left( \left( \text{unsigned int}(LA) \right) >> 12 \right) \& 0x3FF$$

   或者通过模运算和除法运算来实现：

   $$\text{页表索引} = \left( \left( \text{unsigned int}(LA) \right) / 0x1000 \right) \% 0x400$$

(3) 采用(1)中的分页存储管理方式，一个代码段起始逻辑地址为 0000 8000H，其长度为 8KB，被装载到从物理地址 0090 0000H 开始的连续主存空间中。页表从主存 0020 0000H 开始的物理地址处连续存放，计算出该代码段对应的两个页表项的物理地址、这两个页表项中的页框号以及代码页面 2 的起始物理地址。

解答：

• 逻辑地址分析：代码段的起始逻辑地址为 0000 8000H，其长度为 8KB。每个页面占 4KB，因此代码段需要 2 个页面。

• 页表项的物理地址：

  • 页表从物理地址 0020 0000H 开始，页表项占 4 字节。

  • 第一个页面的页号为 8H，第二个页面的页号为 9H。

  • 页表项的物理地址：

    • 页面1的页表项物理地址：$0020 0000H + 8 \times 4H = 0020 0020H$
    • 页面2的页表项物理地址：$0020 0000H + 9 \times 4H = 0020 0024H$

• 页框号和物理地址：

  • 代码段被加载到物理地址 0090 0000H 开始的连续主存空间中，页面1的物理地址为 0090 0000H，页面2的物理地址为 0090 1000H。

  • 页框号：页面1的页框号为 0090H，页面2的页框号为 0091H。

  • 代码段对应的页表项的物理地址：

    • 物理地址 0020 0020H 对应页面1
    • 物理地址 0020 0024H 对应页面2

  • 代码页面 2 的起始物理地址为 0090 1000H。

总结：

• (1) 页大小为 4KB，页表最大占用 4MB。
• (2) 提供了页目录号和页表索引的位运算和除法运算表达式。
• (3) 计算了代码段对应的页表项物理地址、页框号以及页面起始物理地址。