操作系统精选题（二）（综合模拟题一）

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前言

简答题

一、进程由计算和IO操作组成，据此，进程可分为哪几类，不同进程占比的不同对长期调度和短期调度有什么影响

二、操作系统为什么要设计I/O SubSystem，Buffer的作用是什么

三、在基本的分页（paging）中，页表中的每项记录只用保存什么；对于请求分页（demanding paging），需要增加哪些记录，为什么

四、文件使用前为什么要执行open()操作，结束后为什么要执行close()操作；操作系统是怎么实现不同进程对同一文件的访问的

五、磁盘定位时间（positing time）由什么组成，说明SSTF不一定比LOOK算法好

六、overhead的意思

论述题

一、在进程的内存分配和文件存储中，会产生碎片，碎片分为哪几种，在内存分配和文件存储中会产生什么碎片

二、对于以下几个方面，操作系统有什么保护措施：

三、评估进程调度算法性能的标准为什么是等待时间？对于非抢占式调度，抢占式调度对于减少平均等待时间是否有帮助。以SJF为例举例说明，要求：至少有四个进程，每个进程的arrival time和burst time不同

四、写出非忙等待的wait()和signal()操作的伪代码实现

五、编辑

总结

前言

本系列题目均选自山东大学往年考题，供大家复习参考。一定要在复习完基础知识后（最好把书本都看一遍，这样子知识体系才是完善的），再来参考这个练习题。

两个不可取：一、不可不复习知识点，光做题；二、不可只复习知识点，不复习

猫猫祝大家都能取得好成绩呀~~~

简答题

一、进程由计算和IO操作组成，据此，进程可分为哪几类，不同进程占比的不同对长期调度和短期调度有什么影响

问题解答：

进程可以分为计算密集型进程、I/O密集型进程和混合型进程

计算密集型进程：这类进程主要执行计算操作，很少进行输入/输出操作。它们需要大量CPU资源去计算

I/O密集型进程：这类进程有很多的I/O操作，如读写文件、网络通信等，它们可能不需要很多的计算需求，在CPU上占用的时间较少

混合型进程：同时具有计算和I/O操纵的进程，这类进程在执行期间会在CPU计算和I/O请求之间频繁切换

长期调度（作业调度）：负责从外存的后备队列中选择进程到内存的就绪队列中。I/O密集型进程多时，系统会优先调度这些进程，因为它们快速释放内存资源，同时能够让I/O设备早点开始运行；计算密集型进程多时，系统会平衡两种类型的进程，以提高CPU和I/O设备的利用率

短期调度（CPU调度）：负责从内存的就绪队列中选择进程到CPU中运行。在I/O密集型较多情况下，CPU的占有率会比较低，会频繁进行短期调度；在计算密集型过多时，CPU容易过载，需要用时间片轮转或者优先级策略调度

二、操作系统为什么要设计I/O SubSystem，Buffer的作用是什么

1、为什么要设计I/O子系统

抽象化：I/O子系统统一管理所有的I/O设备，利用抽象化解耦了应用程序和具体I/O设备之间的联系，让应用程序无需关心硬件细节
设备独立性：让同一个系统调用不同I/O设备的时候，这些I/O设备之间是彼此独立不影响的
缓冲和缓冲管理：利用缓存区缓解了CPU和I/O速度不匹配的问题
错误处理：集中管理I/O错误，提高系统稳定性
数据管理：确保数据在设备间的传输是高效的

2、缓冲区的作用是什么

解决速度不匹配问题：缓冲区可以解决CPU和I/O设备之间速度不匹配问题。I/O设备多个处理结果存在缓冲区中，让CPU统一来处理
减少I/O次数：将多个小的I/O请求合并成一个大的I/O请求，统一给CPU处理；或者将大的I/O请求分割成方便传输的不同块
提高系统容错率：buffer相对于一个临时存储器，当I/O数据出现丢失等情况，可以从buffer中恢复数据

三、在基本的分页（paging）中，页表中的每项记录只用保存什么；对于请求分页（demanding paging），需要增加哪些记录，为什么

基本分页：对应非虚拟内存情况下，此时允许进程会把进程的所有内容都一起送到内存中，然后再进行访问

请求分页：为了虚拟内存技术的实现。此时一个进程被调度，只有这个进程需要这个页时，页面才会被调度进来

基本分页中只保留帧号。MMU从页表中的到每一页对应的帧号，然后完成从逻辑地址到物理地址的映射，由于页号和页表号都是从0开始一一对应的，所以页表中不需要记录帧号对应的页号。

请求分页中需要增加记录：

保护位：也就是有效/无效位，是实现请求调页必须要求的。因为在请求调页中新的进程被调度，内存和页表中的数据不会被重写，所以有一些页数据是该进程不能访问的，有些页数据的访问权限是改变的。所以需要保护位来实现访问权限/空值等设定和保护
访问位：一旦页表满了之后，仍然出现缺页这个时候就需要调换出一个页来。而选择调换哪个页就要看哪个页被访问的可能性最小，所以需要访问位去记录访问情况（多种调换方法，访问位记录方式也存在不同）
修改位：每次页被调出后，通过修改位来判断是否需要重新写回磁盘。如果该页被修改过就需要写回磁盘，否则不用写回磁盘

四、文件使用前为什么要执行open()操作，结束后为什么要执行close()操作；操作系统是怎么实现不同进程对同一文件的访问的

不同进程访问同一文件=不同进程访问同一文件的数据=不同进程共享数据

执行open操作：

检查访问权限。一个进程使用文件前执行open操作，操作系统会检查这个进程是否有访问权限访问这个文件，保护文件访问的安全
分配资源。open调用会让操作系统给进程分配必要的资源来实现对文件的操作

执行close操作：

释放资源。close操作让进程占用的文件管理资源得到释放，防止资源耗尽
确保数据完整性。close操作会让强制文件的数据重新写回磁盘，确保数据不会因为进程突然中断而丢失

操作系统通过使用虚拟内存技术实现共享数据。通过共享数据实现不同进程对同一个文件数据进行访问。具体来说，多个进程允许将同一个文件映射到各自的虚拟内存中，从而实现对数据的共享

五、磁盘定位时间（positing time）由什么组成，说明SSTF不一定比LOOK算法好

磁盘定位时间：寻道时间+旋转延迟+I/O时间

SSTF为什么不一定比LOOK算法好

SSTF算法：最短寻道时间优先算法，选择下一个服务时会选择离当前磁头最近的请求去服务，减少磁头移动距离。但是存在以下两个问题：一、可能出现饿死现象。远离磁头当前位置的请求长时间得不到服务，因为磁头附近一直有新请求；二、SSTF算法寻找的是离当前磁头最近的，这是一种局部最优，不一定构成全局最优
LOOK算法：是SCAN算法的一种改进，具体思路是在一个方向上处理请求，直到前面没有新的请求为止，然后换方向，继续处理请求。好处：一、避免了饿死现象；二、能够提高公平性（C-LOOK算法公平性更好）

六、overhead的意思

额外的资源消耗和开销

举例：

上下文切换。OS从一个进程切换到另一个进程需要保存上一个进程的现场例如数据、状态等，同时要加载下一个进程的各自状态信息。保存、加载这些信息对任务的处理本身没有意义，是额外的一种资源消耗
索引分配和链式分配。索引分配需要维护一个索引块，让索引块中有指针指向磁盘的各个部分从而实现进程对磁盘的访问，这个索引表就是一个额外资源开销。链式分配中每个数据块都要包含一个指针指向下一个数据块，这个指针就是一个额外的资源消耗和开销

论述题

一、在进程的内存分配和文件存储中，会产生碎片，碎片分为哪几种，在内存分配和文件存储中会产生什么碎片

文件存储是外存，外存中的分配是一块一块为单位进行的；进程是内存，内存中的分配是一个一个单元进行的

在内存分配和文件存储中都会产生内部碎片和外部碎片

内存分配的内部碎片：内存管理系统将内存分配给进程，分配的内存大小固定，而进程实际需要的内存大小小于分配的内存，未使用的部分就是内碎片。

内存分配的外部碎片：随着进程的加载和卸载，内存中会留下许多小的空闲块。这些空闲块太小无法满足新的进程需求，构成外部碎片。

文件存储中的内部碎片：如果文件系统以固定数量、大小的块来存储文件，而文件的大小小于块的内存综合大小，空闲块就是内部碎片

文件存储的外部碎片，随着文件的增添和删除，原空间终会留下空闲段，而这些空闲段无法被文件所使用，从而构成外部碎片

二、对于以下几个方面，操作系统有什么保护措施：

区分用户程序和系统程序的执行：

1、将CPU的状态分为内核模式和用户模式，同时将指令分为特权指令和非特权指令

2、内核模式下运行的程序都成为系统程序，它能访问所有的硬件资源和内存，能够执行特权指令

3、用户模式下运行的程序大多是用户程序，它不能直接访问硬件资源需要调用OS提供的系统接口，不能执行特权指令但是可以执行非特权指令

防止进程长时间占用CPU：

采用时间片轮转（RR）进程调度策略：给每个进程分配固定的时间片，当时间片耗尽后，调度器将CPU分配给另一个进程

内存的分段管理中，限制用户只能访问相应的地址以及读写权限：

两个方面：访问相应地址、读写权限

在内存分段管理中，将每个进程的按照用户视图角度分为多个段，同时给进程一个段表。进程按照直接的段表去访问分给它的段内地址，不能访问其他进程的内存。同时分段表定义了每个段的访问权限（读、写等），进程不能违背这些访问权限

防止死锁的产生：

两个方法：死锁预防、死锁避免

一、预防死锁：破坏死锁的必要条件

              破坏互斥：非共享资源必须互斥，共享资源可以不互斥，无法从互斥下手

              破坏占有等待：拥有不等待，要求进程在执行前获得所有资源。或者等待不应有在申请其他资源时释放掉已分配的资源。

              破坏非抢占：如果一个进程占有资源并且无法立刻得到正在申请的资源，那它占有的资源可以被抢占。

              破坏循环等待：对所有资源进行排序，要求进程从小到大申请资

二、死锁避免：放松条件，允许可能发生死锁，但是在死锁发生前就阻止它

有银行家算法、资源分配图算法等死锁避免算法，利用这些算法可以在死锁发生前就阻止死锁的发生，从而做到死锁避免

文件的访问权限：

文件的访问权限、文件的组织管理等操作都归文件系统统一管理。文件系统会给每个文件分配一个FCB，其中记录了该文件的所有者、创建信息、访问权限等

三、评估进程调度算法性能的标准为什么是等待时间？对于非抢占式调度，抢占式调度对于减少平均等待时间是否有帮助。以SJF为例举例说明，要求：至少有四个进程，每个进程的arrival time和burst time不同

等待时间：从进程到达到进程结束中，进程不在CPU中执行而是在等待其他进程执行的时间的总和

1、因为等待时间关系到系统运行的效率以及用户体验。对于一个进程调度来说，让用户感觉不到进程是在并发执行是最好的，所以平均等待时间越短的进程调度算法是越好的。

2、有帮助

举例：

到达时间：0，2，4，5

区间时间：7，4，1，4

SJF：等待时间4s

SRTF：3s

四、写出非忙等待的wait()和signal()操作的伪代码实现

wait(semaphore *S){S->value--;if(S->value<0){add this process to S->listblock();}
}
signal(semaphore *S){S->value++;if(S->value>=0){remove a process P from S->listwakeup(P);}
}