2014年408真题操作系统篇

23. 下列调度算法中，不可能导致饥饿现象的是（）

A. 时间片轮转 B. 静态优先数调度 C. 非抢占式短作业优先 D. 抢占式短作业优先

✅ 正确答案：A. 时间片轮转

解释：

饥饿（Starvation）现象：指某些进程长时间得不到系统资源（如 CPU）分配，始终处于等待状态，无法执行。

各选项分析如下：

A. 时间片轮转（Round Robin） 每个进程按时间片轮流获得 CPU，即使优先级低，也一定会轮到 → ✅ 不会造成饥饿。
B. 静态优先数调度 优先级一旦设定不变，优先级低的进程可能长期得不到执行机会 → ❌ 可能饥饿。
C. 非抢占式短作业优先（SJF） 长作业可能一直被短作业排在后面 → ❌ 可能饥饿。
D. 抢占式短作业优先 短作业频繁到来，长作业被不断抢占 → ❌ 可能饥饿。

24. 某系统有 n 台互斥使用的同类设备，三个并发进程分别需要3、4、5台设备，可确保系统不发生死锁的设备数 n 最小为（）

A. 9 B. 10 C. 11 D. 12

✅ 正确答案：B. 10

解释：

这是一道死锁避免问题，采用类似银行家算法的思想。

三个进程最大需求：

进程 P1：最多 3 台
进程 P2：最多 4 台
进程 P3：最多 5 台

我们要确保系统中至少留有足够的资源使某个进程能完成执行。

❗ 死锁临界情况：

假设：

P1 分配 2 台（少 1）
P2 分配 3 台（少 1）
P3 分配 4 台（少 1） → 系统总共已分配：2 + 3 + 4 = 9 台 → 没有多余的设备了（即 n = 9），但都还差 1 台才能完成，死锁发生！

✅ 避免死锁的最小设备数：

再加 1 台 → n = 10 现在总资源 = 10 台即便分配了 2 + 3 + 4 = 9 台，还有 1 台空闲，能满足某个进程完成，释放资源，系统进入安全序列 → ✅ 不会死锁。

25. 下列指令中，不能在用户态执行的是（）

A. trap 指令 B. 跳转指令 C. 压栈指令 D. 关中断指令

✅ 正确答案：D. 关中断指令

解释：

现代操作系统将 CPU 指令分为两类：

特权指令（只能在内核态执行）
非特权指令（用户态可执行）

分析各个选项：

A. trap 指令 Trap 是一种软中断指令，允许用户程序主动请求操作系统服务（即系统调用），这是一种从用户态到内核态的合法通道，是可以在用户态执行的。✅
B. 跳转指令 跳转（如 jmp、call）是普通控制指令，属于用户程序正常执行流程的一部分，可在用户态使用。✅
C. 压栈指令 像 push 这样的指令用于函数调用、局部变量处理等，也是普通指令，可在用户态执行。✅
D. 关中断指令（如 cli） 用于关闭 CPU 中断，这会影响整个系统的中断响应，是特权指令，只能在内核态执行。在用户态执行会引发异常。❌

26. 一个进程的读磁盘操作完成后，操作系统针对该进程必做的是（）

A. 修改进程状态为就绪态 B. 降低进程优先级 C. 给进程分配用户内存空间 D. 增加进程时间片大小

✅ 正确答案：A. 修改进程状态为就绪态

解释：

当进程进行 I/O 操作（如磁盘读取）时，会被阻塞（Blocking），进入阻塞态（Blocked），直到操作完成。

A. 修改进程状态为就绪态 一旦磁盘数据读完，所需资源已就绪，该进程就可以进入就绪态（Ready），等待调度器分配 CPU。✅
B. 降低进程优先级 优先级调整是调度策略行为，不是 I/O 完成的必然操作。❌
C. 给进程分配用户内存空间 用户内存通常在进程创建或加载程序时分配，不会因读磁盘完成而再次分配。❌
D. 增加进程时间片大小 时间片大小由调度策略设定，并不会因磁盘读写完成而改变。❌

问题27：

现有一个容量为10GB的磁盘分区，磁盘空间以簇 (Cluster) 为单位进行分配，簇的大小为4KB，若采用位图法管理该分区的空闲空间，即用一位 (bit) 标识一个簇是否被分配，则存放该位图所需簇的个数为（）。

A. 80 B. 320 C. 80K D. 320K

答案：A

解释：

磁盘总容量 = 10GB = 10 × 2³⁰ Bytes
每个簇大小 = 4KB = 2¹² Bytes
总簇数 = 10 × 2³⁰ / 2¹² = 10 × 2¹⁸ = 2ⁱ⁸ × 10 = 2,621,440 个簇
位图需要的空间 = 每簇1位 = 2,621,440 bits
换算为字节：2,621,440 / 8 = 327,680 Bytes
每个簇可存储数据 = 4KB = 4096 Bytes
位图占用的簇数 = 327,680 / 4096 = 80 个簇

故答案为 A.

问题28：

下列措施中，能加快虚实地址转换的是（）。

I. 增大快表 (TLB) 容量 II. 让页表常驻内存 III. 增大交换区 (swap)

A. 仅 I B. 仅 II C. 仅 I、II D. 仅 II、III

答案：C

解释：

I 正确：快表（TLB）是页表的高速缓存，容量变大可以减少TLB未命中的概率，从而减少访问主存页表的次数，加快地址转换速度。
II 正确：页表常驻内存避免了页表被换出到磁盘，从而在访问时不需要磁盘I/O，提升地址转换效率。
III 错误：交换区（swap）的大小影响内存页换出的空间，但与地址转换速度无直接关系。

故答案为 C.

29. 在一个文件被用户进程首次打开的过程中，操作系统需要做的是（）。

选项： A. 将文件内容读到内存中 B. 将文件控制块读到内存中 C. 修改文件控制块中的读写权限 D. 将文件的数据缓冲区首指针返回给用户进程

答案： B

解释： 当用户进程首次打开一个文件时，操作系统要完成以下关键步骤：

文件查找：根据文件路径在文件系统中查找文件元数据（如 inode）。
访问权限检查：确保用户对文件拥有所请求的访问权限（读/写/执行）。
文件控制块（FCB）加载：将该文件的控制信息（如文件大小、访问时间、权限、数据块位置等）从磁盘加载到内存。
文件描述符分配：为用户进程分配一个文件描述符，并关联内核中的打开文件表项。

A 错误：首次打开文件不会立即将文件内容读入内存，只有在真正执行 read() 操作时才进行数据加载。

B 正确：FCB 是描述文件属性的核心结构，必须加载入内存供后续访问使用。

C 错误：读写权限在文件创建或修改时设置，而不是在打开时修改。

D 错误：用户进程不会直接拿到内核的数据缓冲区指针，数据交换通过系统调用完成以确保安全性。

30. 在页式虚拟存储管理系统中，采用某些页面置换算法，会出现 Belady 异常现象。下列算法中，可能出现 Belady 异常现象的是（）。

I. LRU算法

II. FIFO算法

III. OPT算法

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

答案： A

解释： Belady 异常是指：分配的物理页框数量增加时，进程缺页次数反而上升，这是违反直觉的异常现象。

分析常见的三种页面置换算法：

I. LRU（Least Recently Used，最近最少使用）算法 ✅ 根据历史访问记录进行置换，遵循堆栈算法（Stack Algorithm），不会产生 Belady 异常。
II. FIFO（First-In First-Out，先进先出）算法 ❗根据页面进入内存的顺序置换页面，不考虑访问频率或时间。容易产生 Belady 异常，因为最早进入的页面不一定是最少使用的。
III. OPT（Optimal，最佳）算法 ✅ 理论上最优，使用“未来最长时间不会使用”的页面进行置换，不会出现 Belady 异常。

结论：只有 FIFO 算法可能出现 Belady 异常。

31. 下列关于管道 (Pipe) 通信的叙述中，正确的是（）。

选项： A. 一个管道可实现双向数据传输 B. 管道的容量仅受磁盘容量大小限制 C. 进程对管道进行读操作和写操作都可能被阻塞 D. 一个管道只能有一个读进程或一个写进程对其操作

答案： C

解释：

A 错误：普通管道（无名管道）是半双工通信，数据只能在一个方向上传输。如果需要双向通信，需要建立两个管道。
B 错误：管道是内存中的缓存区，其容量受操作系统内核设置的上限影响，与磁盘容量无关。
C 正确：管道是一种同步通信机制，
- 如果管道为空时，读操作会阻塞，直到有数据写入；
- 如果管道已满时，写操作会阻塞，直到有数据被读出。
D 错误：一个管道可以有多个读进程和多个写进程，但同步由操作系统管理。例如，在 Linux 中多个进程可以继承同一个管道文件描述符来共享通信。

32. 下列选项中，属于多级页表优点的是（）。

选项： A. 加快地址变换速度 B. 减少缺页中断次数 C. 减少页表项所占字节数 D. 减少页表所占的连续内存空间

答案： D

解释：

A 错误：多级页表会增加地址转换的查找步骤，因为每级页表都需要访问一次内存。虽然避免了整张大页表常驻内存，但访问速度上不占优势。
B 错误：多级页表的结构与缺页中断没有直接关系，缺页中断是由于访问的页不在物理内存中。
C 错误：多级页表总的页表项可能会更多，而每个页表项的大小是固定的，所以不会减少页表项占用的字节数。
D 正确：多级页表的主要优势之一是节省连续内存空间。传统单级页表需要一个巨大的连续空间存放所有页表项，而多级页表通过分级结构，按需分配各级页表，只在使用时才分配子页表，因此显著降低了对大块连续内存的需求。

文件系统

46.（7分）

文件 F 由 200 条记录组成，记录从 1 开始编号。用户打开文件后，欲将内存中的一条记录插入文件 F 中，作为其第 30 条记录。请回答下列问题，并说明理由。

(1) 若文件系统采用连续分配方式，每个磁盘块存放一条记录，文件 F 存储区域前后均有足够的空闲磁盘空间，则完成上述插入操作最少需要访问多少次磁盘块？F 的文件控制块内容会发生哪些改变？

答案： 最少需要访问 59 次磁盘块。文件控制块（FCB）的 起始块号 和 文件长度 将发生改变。

解释：

连续分配方式下，所有记录按序存储在连续的磁盘块中，每条记录一个磁盘块。
若将新记录插入为第 30 条记录，可以有两种移动策略：
- 移动第 30~200 条记录（共 171 条）向后；
- 移动第 1~29 条记录（共 29 条）向前。
显然，第二种方式磁盘访问次数较少。

步骤如下：
1. 前移第 1~29 条记录到前面空闲的磁盘块，共 29 条记录，每条需读取 + 写入各 1 次 → 共访问 29 × 2 = 58 次磁盘块。
2. 插入第 30 条新记录，需写入一次 → 再访问 1 次磁盘块。
总共访问：58 + 1 = 59 次磁盘块。
文件控制块（FCB）变化：
- 起始块号发生改变（由于记录整体前移）；
- 文件长度增加（增加了一条记录）；
- 其他如修改时间等元数据也可能更新。

(2) 若文件系统采用链接分配方式，每个磁盘块存放一条记录和一个链接指针，则完成上述插入操作需要访问多少次磁盘块？若每个存储块大小为 1KB，其中 4B 存放链接指针，则该文件系统支持的文件最大长度是多少？

答案：

需要访问 31 次磁盘块；
最大支持文件长度为 1020B × 2³² ≈ 4080 GB。

解释：

链接分配结构类似链表，插入操作只需修改链接指针。
步骤如下：
1. 顺着链接依次查找第 29 条记录所在磁盘块 → 需读取前 29 块 → 访问 29 次磁盘块。
2. 将新记录写入新分配的磁盘块，并设置其指针指向原第 30 条记录所在磁盘块 → 写 1 次。
3. 修改第 29 条记录所在磁盘块的链接指针，指向新插入记录所在的块 → 写 1 次。
总共访问：29 + 1 + 1 = 31 次磁盘块。
最大支持文件长度：
- 每块 1KB = 1024B，其中 4B 存放链接指针 → 可用于记录数据的空间是 1020B。
- 链接指针用 4 字节表示地址，最多可索引 2³² 个磁盘块。
- 所以最大支持记录数为 2³² 条，最大文件长度为：
  
  \[ 1020 \text{B} × 2^{32} = 4,378,053,222,400 \text{B} ≈ 4080 \text{GB} \]

✅ 本题总结：

(1) 连续分配方式访问磁盘块 59 次，需修改 FCB 的 起始块号 和长度；
(2) 链接分配方式访问磁盘块 31 次，最大文件长度约 4080GB。

PV操作

47.（8分）

系统中有多个生产者进程和多个消费者进程，共享一个能存放1000件产品的环形缓冲区（初始为空）。当缓冲区未满时，生产者进程可以放入其生产的一件产品，否则等待；当缓冲区未空时，消费者进程可以从缓冲区取走一件产品，否则等待。要求一个消费者进程从缓冲区连续取出10件产品后，其他消费者进程才可以取产品。

请使用信号量 P、V 操作（即 wait()、signal()）实现进程间的互斥与同步，要求写出完整过程，并说明所用信号量的含义和初值。

解答：

一、分析：

本题是带特殊约束条件的生产者-消费者问题，约束在于：

“每个消费者每次必须连续消费10件产品，而其他消费者必须等待这个消费者完成10件后才能继续消费。”

这就要求对消费者取产品的过程进行互斥批量处理。此外，由于是环形缓冲区，读写指针要循环使用。

二、设置信号量：

信号量名	初值	含义
`empty`	1000	表示当前缓冲区中的空位数量
`full`	0	表示当前缓冲区中已有的产品数量
`mutex_p`	1	控制多个生产者之间对缓冲区的互斥访问
`mutex_c`	1	控制消费者批量取10个产品时的互斥
`buffer[1000]`	-	环形缓冲区，存放产品
`front`	0	消费者读取位置
`rear`	0	生产者写入位置

三、伪代码（C风格）

#define MAXSIZE 1000

semaphore empty = MAXSIZE;    // 空槽数量
semaphore full = 0;           // 产品数量
semaphore mutex_p = 1;        // 生产者互斥
semaphore mutex_c = 1;        // 消费者互斥（控制批量消费）

ElemType buffer[MAXSIZE];     // 环形缓冲区
int front = 0;                // 消费者取产品位置
int rear = 0;                 // 生产者放产品位置

cobegin

// 生产者进程
Process Producer_i() {
    while (true) {
        生产一件产品 item;
        P(empty);             // 等待有空槽
        P(mutex_p);           // 进入生产临界区
        buffer[rear] = item;
        rear = (rear + 1) % MAXSIZE;
        V(mutex_p);           // 离开生产临界区
        V(full);              // 增加产品数
    }
}

// 消费者进程
Process Consumer_i() {
    while (true) {
        P(mutex_c);           // 批量消费互斥
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            P(full);          // 等待有产品
            // 不需要消费者之间互斥访问 front
            ElemType item = buffer[front];
            front = (front + 1) % MAXSIZE;
            V(empty);         // 增加空槽数
        }
        V(mutex_c);           // 释放批量消费权限
        消费10件产品;
    }
}

coend

四、解释说明

empty / full：
- 控制缓冲区的空位和产品数，典型的生产者-消费者模型结构。
- empty 初值为1000，因为开始时全空。
- full 初值为0，因为开始没有产品。
mutex_p：
- 多个生产者可能同时尝试写入，因此使用互斥锁保护 rear 指针的操作。
mutex_c：
- 为了实现“一个消费者一次消费10件”*的特殊要求，需要一个互斥锁让*同一时刻只有一个消费者在进行10次连续消费。
环形缓冲区：
- 使用 (index + 1) % MAXSIZE 实现循环读写。
front/rear：
- 不共享修改，front 只被消费者使用，rear 只被生产者使用，因此只需要分别互斥即可，不必生产者和消费者互斥。

✅ 结论总结：

使用了5个信号量（empty, full, mutex_p, mutex_c）。
成功实现了互斥写入、批量读取、缓冲区空满控制。
满足题目要求的“一个消费者必须连续取10件产品，其他消费者等待”的特殊同步逻辑。

2014年408真题操作系统篇

23. 下列调度算法中，不可能导致饥饿现象的是（ ）

✅ 正确答案：A. 时间片轮转

解释：

24. 某系统有 n 台互斥使用的同类设备，三个并发进程分别需要3、4、5台设备，可确保系统不发生死锁的设备数 n 最小为（ ）

✅ 正确答案：B. 10

解释：

❗ 死锁临界情况：

✅ 避免死锁的最小设备数：

25. 下列指令中，不能在用户态执行的是（ ）

✅ 正确答案：D. 关中断指令

解释：

26. 一个进程的读磁盘操作完成后，操作系统针对该进程必做的是（ ）

✅ 正确答案：A. 修改进程状态为就绪态

解释：

问题27：

问题28：

29. 在一个文件被用户进程首次打开的过程中，操作系统需要做的是（ ）。

30. 在页式虚拟存储管理系统中，采用某些页面置换算法，会出现 Belady 异常现象。下列算法中，可能出现 Belady 异常现象的是（ ）。

31. 下列关于管道 (Pipe) 通信的叙述中，正确的是（ ）。

32. 下列选项中，属于多级页表优点的是（ ）。

文件系统

46.（7分）

(1) 若文件系统采用连续分配方式，每个磁盘块存放一条记录，文件 F 存储区域前后均有足够的空闲磁盘空间，则完成上述插入操作最少需要访问多少次磁盘块？F 的文件控制块内容会发生哪些改变？

(2) 若文件系统采用链接分配方式，每个磁盘块存放一条记录和一个链接指针，则完成上述插入操作需要访问多少次磁盘块？若每个存储块大小为 1KB，其中 4B 存放链接指针，则该文件系统支持的文件最大长度是多少？

✅ 本题总结：

PV操作

47.（8分）

解答：

一、分析：

二、设置信号量：

三、伪代码（C风格）

四、解释说明

✅ 结论总结：

23. 下列调度算法中，不可能导致饥饿现象的是（）

24. 某系统有 n 台互斥使用的同类设备，三个并发进程分别需要3、4、5台设备，可确保系统不发生死锁的设备数 n 最小为（）

25. 下列指令中，不能在用户态执行的是（）

26. 一个进程的读磁盘操作完成后，操作系统针对该进程必做的是（）

29. 在一个文件被用户进程首次打开的过程中，操作系统需要做的是（）。

30. 在页式虚拟存储管理系统中，采用某些页面置换算法，会出现 Belady 异常现象。下列算法中，可能出现 Belady 异常现象的是（）。

31. 下列关于管道 (Pipe) 通信的叙述中，正确的是（）。

32. 下列选项中，属于多级页表优点的是（）。