2021年408真题操作系统篇

第23题

下列指令中，只能在内核态执行的是（）。

A. trap指令 B. I/O指令 C. 数据传送指令 D. 设置断点指令

✅ 正确答案：B

✅ 解析：

A. trap指令 ❌ Trap（陷阱）指令是从用户态转入内核态的一种机制。当用户程序需要操作系统服务时，会执行 trap 指令产生软中断。这条指令本身可以在用户态执行，其作用是请求切换到内核态。
B. I/O指令 ✅ I/O 操作具有较高权限，可能影响整个系统的稳定性。为了保护系统安全性，I/O指令只能在内核态执行。用户程序如果需要进行 I/O，必须通过系统调用请求操作系统代为完成。
C. 数据传送指令 ❌ 如 MOV 指令，用于寄存器与内存之间传输数据，是最基础的用户级指令，可以在用户态执行。
D. 设置断点指令 ❌ 设置断点常用于调试程序，通常通过插入 int 3 或其他中断指令实现，可由调试工具在用户态执行。

第24题

下列操作中，操作系统在创建新进程时，必须完成的是（）。

Ⅰ. 申请空白的进程控制块 Ⅱ. 初始化进程控制块 Ⅲ. 设置进程状态为执行态

A. 仅Ⅰ B. 仅Ⅰ、Ⅱ C. 仅Ⅰ、Ⅲ D. 仅Ⅱ、Ⅲ

✅ 正确答案：B

✅ 解析：

Ⅰ. 申请空白的进程控制块（PCB） ✅ PCB 是操作系统用于记录和管理进程状态的重要数据结构，创建新进程时必须先申请一个空白的 PCB。
Ⅱ. 初始化进程控制块 ✅ 申请到 PCB 后需要对其进行初始化，如设置进程 ID、父进程、初始状态（通常为就绪态）、优先级、程序计数器、资源列表等。
Ⅲ. 设置进程状态为执行态 ❌ 创建新进程后，系统一般不会立即调度其执行，而是将其放入就绪队列，等待 CPU 调度。因此其初始状态为就绪态而非执行态。

第25题

下列内核的数据结构或程序中，分时系统实现时间片轮转调度需要使用的是（）。

Ⅰ. 进程控制块 Ⅱ. 时钟中断处理程序 Ⅲ. 进程就绪队列 Ⅳ. 进程阻塞队列

A. 仅Ⅱ、Ⅲ B. 仅Ⅰ、Ⅳ C. 仅Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ D. 仅Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ

✅ 正确答案：C

✅ 解析：

Ⅰ. 进程控制块（PCB） ✅ 时间片轮转调度要记录每个进程的当前状态、剩余时间片等信息，依赖 PCB 来保存和恢复进程上下文。
Ⅱ. 时钟中断处理程序 ✅ 时间片的到期通过定时器（时钟）中断触发，中断处理程序负责终止当前进程运行并调度下一个进程。
Ⅲ. 进程就绪队列 ✅ 轮转调度按 FIFO 方式维护就绪队列，时间片用完的进程被重新放回队尾。
Ⅳ. 进程阻塞队列 ❌ 阻塞队列用于管理等待 I/O 等事件的进程，与时间片轮转调度无关。

第26题

某系统中磁盘的磁道数为 200（0~199），磁头当前在 184 号磁道上。用户进程提出的磁盘访问请求磁道号依次为：

184、187、176、182、199

若采用最短寻道时间优先调度算法（SSTF）完成磁盘访问，则磁头移动的距离（磁道数）是（）。

A. 37 B. 38 C. 41 D. 42

✅ 正确答案：C

✅ 解析（SSTF 逐步模拟过程）：

初始磁头在：184

请求序列：184, 187, 176, 182, 199

按最短寻道优先算法，每次选与当前磁道距离最近的请求执行：

当前在 184，最近的是 184（距离 0） → 移动 0
- 剩余请求：[187, 176, 182, 199]
当前在 184，最近的是 182（距离 2） → 移动 2
- 剩余请求：[187, 176, 199]
当前在 182，最近的是 187（距离 5） → 移动 5
- 剩余请求：[176, 199]
当前在 187，最近的是 176（距离 11） → 移动 11
- 剩余请求：[199]
当前在 176，最近的是 199（距离 23） → 移动 23
- 所有请求完成

总移动距离 = 0 + 2 + 5 + 11 + 23 = 41

第27题

下列事件中，可能引起进程调度程序执行的是（）。

Ⅰ. 中断处理结束 Ⅱ. 进程阻塞 Ⅲ. 进程执行结束 Ⅳ. 进程的时间片用完

A. 仅Ⅰ、Ⅲ B. 仅Ⅱ、Ⅳ C. 仅Ⅲ、Ⅳ D. Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 和 Ⅳ

✅ 正确答案：D

✅ 解析：

调度程序执行的前提是：当前CPU可用，需要从就绪队列中选一个新进程运行。以下情况都可能触发这种调度：

Ⅰ. 中断处理结束 ✅ 比如I/O完成的中断结束时，会唤醒阻塞的进程进入就绪队列，可能引发调度。
Ⅱ. 进程阻塞 ✅ 当前进程因等待资源或I/O而阻塞，CPU空闲，需调度另一个就绪进程运行。
Ⅲ. 进程执行结束 ✅ 当前进程终止释放CPU，操作系统需调度另一个进程运行。
Ⅳ. 时间片用完 ✅ 分时系统中，进程时间片耗尽需要将其重新放入就绪队列，调度下一个进程。

因此，四个选项全部正确。

第28题

某请求分页存储系统的页大小为 4KB，按字节编址。系统给进程 P 分配 2 个固定页框，并采用改进型 Clock 页面置换算法。进程 P 页表的部分内容如下：

页号	页框号	存在位	访问位	修改位
2	20H	0	0	0
3	60H	1	1	0
4	80H	1	1	1

进程访问的虚拟地址是：02A01H。问：物理地址是（）。

A. 00A01H B. 20A01H C. 60A01H D. 80A01H

✅ 正确答案：C

✅ 解析：

页大小为 4KB = 2¹² 字节，所以虚拟地址的低 12 位是页内偏移，高位是页号。
虚拟地址为：02A01H
- 转为二进制： 02A01H = 0000 0010 1010 0000 0001
- 页号 = 高位部分 = 02H = 2
- 页内偏移 = A01H
查页表，页号 2 的“存在位 = 0”，说明该页不在内存，需要进行页面置换。
已在内存的页为：
- 页号 3：访问位=1，修改位=0
- 页号 4：访问位=1，修改位=1
改进型 Clock 算法替换顺序为：
1. (0,0)
2. (0,1)
3. (1,0)
4. (1,1)
所以会先淘汰 (1,0) 的页号 3，对应的页框号为 80H
页号 2 被换入页框 60H（题目已告知）
所以物理地址 = 页框号 + 页内偏移 = 60H:A01H = 60A01H

第29题

在采用二级页表的分页系统中，CPU页表基址寄存器（PTBR）中的内容是（）。

A. 当前进程的一级页表的起始虚拟地址 B. 当前进程的一级页表的起始物理地址 C. 当前进程的二级页表的起始虚拟地址 D. 当前进程的二级页表的起始物理地址

✅ 正确答案：B

✅ 解析：

在分页系统中，为了减少页表大小，会采用二级页表结构。
虚拟地址被划分为三部分：
- 一级页号
- 二级页号
- 页内偏移
CPU 的页表基址寄存器（PTBR）用于定位页表。

在二级分页系统中：

PTBR 指向的是一级页表的起始物理地址；
然后通过一级页号定位某个二级页表；
再通过二级页号从该二级页表中找到实际的物理页框号。

因此，PTBR 存放的是一级页表的起始，并且是物理地址（CPU 访问内存时需要直接使用物理地址）。

第30题

若目录 dir 下有文件 file1，则为删除该文件内核不必完成的工作是（）。

A. 删除 file1 的快捷方式 B. 释放 file1 的文件控制块 C. 释放 file1 占用的磁盘空间 D. 删除目录 dir 中与 file1 对应的目录项

✅ 正确答案：A

✅ 解析：

删除文件 file1 涉及内核执行以下操作：

B. 释放文件控制块 ✅ 文件控制块（FCB 或 inode）保存了文件的元信息，是文件存在的核心数据结构。删除文件时要释放。
C. 释放磁盘空间 ✅ 文件内容占用磁盘数据块，删除时要释放这些块。
D. 删除目录项 ✅ 每个文件在其所在目录中对应一个目录项，记录文件名和 inode 指针，删除文件必须删除该目录项。

但：

A. 删除快捷方式 ❌ 快捷方式（如 Linux 中的符号链接）本质上是独立的文件，只是引用了该文件的路径。删除原文件不会自动删除快捷方式。快捷方式是否存在由用户或文件系统决定，内核不负责自动清理。

因此，不必完成的是 A。

第31题

若系统中有 n (n ≥ 2) 个进程，每个进程均需要使用某类临界资源 2 个，则系统不会发生死锁所需的该类资源总数至少是（）。

A. 2 B. n C. n+1 D. 2n

✅ 正确答案：C

✅ 解析：

该问题考虑的是资源分配和死锁避免。
假设每个进程需要使用 2 个资源，若每个进程仅获得 1 个资源，而没有额外资源来避免进程间的循环等待，就会发生死锁。为了避免死锁，系统必须确保在资源分配时有足够的资源可供进程切换和完成任务。
若每个进程获得 1 个资源，那么需要额外的 1 个资源来确保系统不会发生死锁。
因此，最少需要 n + 1 个资源才能避免死锁。若分配 1 个资源给每个进程，剩余的 1 个资源可以用来打破死锁的潜在循环等待。

第32题

下列选项中，通过系统调用完成的操作是（）。

A. 页置换 B. 进程调度 C. 建新进程 D. 生成随机整数

✅ 正确答案：C

✅ 解析：

A. 页置换 ❌ 页置换是内存管理的一部分，通常由操作系统的内存管理模块自动执行，不需要通过应用程序调用系统调用来触发。
B. 进程调度 ❌ 进程调度是操作系统内核管理任务的机制，是由内核自动执行的，不是应用程序可以通过系统调用直接触发的操作。
C. 建新进程 ✅ 创建新的进程是通过系统调用来实现的。例如，在 Linux 系统中，fork() 和 exec() 系统调用可以用来创建新进程或执行新程序。
D. 生成随机整数 ❌ 生成随机整数是用户程序的任务，通常通过标准库函数（如 rand()）来完成，而不需要通过系统调用。

信号量

第45题

问题： 下表给出了整型信号量S的wait()和signal()操作的功能描述，以及采用开/关中断指令实现信号量操作互斥的两种方法。

功能描述：

Semaphore S;
wait(S){
    while(S <= 0);
    S = S-1;
}

signal(S){
    S = S+1;
}

方法1：

Semaphore S;
wait(S){
    关中断;
    while(S <= 0);
    S = S-1;
    开中断;
}
signal(S){
    关中断;
    S = S+1;
    开中断;
}

方法2：

Semaphore S;
wait(S){
    关中断;
    while(S <= 0){
        开中断;
        关中断;
    }
    S = S-1;
    开中断;
}
signal(S){
    关中断;
    S = S+1;
    开中断;
}

问题1： 为什么在wait()和signal()操作中对信号量S的访问必须互斥执行？

问题2： 分别说明方法1和方法2是否正确。若不正确，请说明理由。

问题3： 用户程序能否使用开/关中断指令实现临界区互斥？为什么？

解答：

(1) 为什么在wait()和signal()操作中对信号量S的访问必须互斥执行？

解答： 信号量S是一个共享的临界资源，多个进程可能会同时对其进行访问。wait() 和 signal() 操作会改变信号量的值，因此，必须保证对信号量S的访问是互斥的。否则，可能会发生竞态条件，导致信号量的值不正确，进而影响系统的正确性和进程的同步。为了确保信号量操作的正确性和进程间的同步，必须保证对信号量的访问是互斥的。

(2) 分别说明方法1和方法2是否正确。若不正确，请说明理由。

方法1：

方法1是错误的。
在wait(S)中，当信号量S <= 0时，关中断后，其他进程无法修改S的值，且while(S <= 0)会导致进程陷入死循环，无法继续执行。由于信号量的值无法变化，进程无法退出while循环。因此，这种方法会导致死锁或无限阻塞。

方法2：

方法2是正确的。
在wait(S)*中，若信号量S <= 0，方法2采用了*开/关中断的方式，使得在每次循环时都释放了中断，允许其他进程有机会来修改S的值。当信号量大于0时，进程会继续执行并完成对S的更新。因此，方法2能够正确处理信号量的同步问题。

(3) 用户程序能否使用开/关中断指令实现临界区互斥？为什么？

解答： 用户程序不能使用开/关中断指令实现临界区互斥。原因是开/关中断指令是特权指令，只有操作系统内核才能执行这些指令。用户程序没有权限直接控制中断，因此不能使用它们来实现临界区互斥。使用开/关中断指令通常会破坏系统的正常中断机制，影响系统的稳定性和响应性，因此不适合用在用户空间。

总结：

在wait()和signal()操作中，信号量S的访问必须互斥，以避免多个进程同时修改信号量导致的竞态条件。
方法1错误，因为它会导致进程死锁。方法2正确，它通过适时地开关中断，允许其他进程修改信号量值，从而避免了死锁。
用户程序不能使用开/关中断指令实现临界区互斥，因为这些指令是特权指令，无法在用户空间执行。

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第46题

问题： 某用硬盘作为启动盘，硬盘第一个扇区存放主引导记录，其中包含磁盘引导程序和分区表。磁盘引导程序用于选择要引导哪个分区的操作系统，分区表记录硬盘上各分区的位置等描述信息。硬盘被划分成若干个分区，每个分区的第一个扇区存放分区引导程序，用于引导该分区中的操作系统。系统采用多阶段引导方式，除了执行磁盘引导程序和分区引导程序外，还需要执行ROM中的引导程序。请回答下列问题。

问题1： 系统启动过程中操作系统的初始化程序、分区引导程序、ROM中的引导程序、磁盘引导程序的执行顺序是什么？

问题2： 把硬盘制作为启动盘时，需要完成操作系统的安装、磁盘的物理格式化、逻辑格式化、对磁盘进行分区，执行这4个操作的正确顺序是什么？

问题3： 磁盘扇区的划分和文件系统根目录的建立分别是在第 (2) 问的哪个操作中完成的？

解答：

(1) 系统启动过程中操作系统的初始化程序、分区引导程序、ROM中的引导程序、磁盘引导程序的执行顺序是什么？

解答： 系统启动的过程如下：

ROM中的引导程序执行：
- 当计算机开机时，首先执行ROM中的引导程序（通常称为BIOS或UEFI固件）。它负责进行硬件初始化、基本自检，并加载磁盘引导程序。
磁盘引导程序执行：
- ROM中的引导程序将控制权传递给硬盘的第一个扇区，即主引导记录（MBR）。磁盘引导程序解析分区表，选择要引导的分区，并将控制权传递给该分区的引导程序。
分区引导程序执行：
- 分区引导程序位于被选定分区的第一个扇区，它负责启动该分区中的操作系统，并加载操作系统的核心部分。
操作系统的初始化程序执行：
- 分区引导程序加载并执行操作系统的初始化程序。初始化程序进一步设置系统环境，加载操作系统的核心组件，准备好系统的运行。

总结顺序：

ROM中的引导程序 → 磁盘引导程序 → 分区引导程序 → 操作系统初始化程序。

(2) 把硬盘制作为启动盘时，需要完成操作系统的安装、磁盘的物理格式化、逻辑格式化、对磁盘进行分区，执行这4个操作的正确顺序是什么？

解答： 把硬盘制作为启动盘的步骤依次为：

磁盘的物理格式化：
- 物理格式化是硬盘的初始化过程，将磁盘划分为扇区、磁道和柱面，并进行扇区标识和校验。这一步通常在硬盘制造时完成，但如果是全新硬盘，可能需要手动进行。
对磁盘进行分区：
- 在磁盘物理格式化之后，下一步是分区。通过分区工具（如fdisk、diskpart等）划分硬盘为多个逻辑分区，以便操作系统管理。每个分区可以独立存储数据或安装操作系统。
逻辑格式化：
- 对每个分区进行逻辑格式化，即安装文件系统。常见的文件系统包括FAT、NTFS、ext4等，逻辑格式化会在每个分区的首个扇区创建文件系统元数据，并为文件系统准备存储空间。
操作系统的安装：
- 安装操作系统时，操作系统的文件会被复制到相应的分区中。安装程序还会进行一些配置，如设置引导项、初始化系统文件等。