操作系统精选题（四）（论述题）

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前言

一、银行家算法的一道例题

二、页大小为 1024 字节，计算逻辑地址 2560 和 4220 对应的物理地址

三、页计算问题

四、进程同步问题

六、单级页表；TLB 命中率为 90%，访问 TLB 需 5ns，访问主存为 25ns，求有效内存的访问时间

七、请求分页系统中，页表项中包含哪些数据项？它们的作用？

八、画出分页内存管理方案的过程图，描述流程、过程中硬件或软件所起的作用。

九、分页式文件系统的主要数据结构，要使用这个分页结构需要哪些硬件支持

十、当前页表如下。页大小为1024字节，该程序分配2个帧，页号0先装入内存。采用先进先出和局部置换策略，现在访问逻辑地址为3000的字节，问在这个过程中发生了什么主要事件并写出置换后的页表。

十一、比对FIFO算法和LRU算法

十二、增强的二次机会算法的基本思想；为什么会发生抖动，怎么解决？

十三、三种磁盘空间分配方法（contiguous、linked、indexed）的优缺点

十四、基于磁盘的分配方法，设计一种高效的磁盘空闲空间分配和回收方法，说出基本思想，操作过程和数据结构。

十五、某磁盘文件区16GB，每个磁盘块为1KB，

（1）若空闲存储空间采用位图管理方法那么位图需占用多少个盘块

（2）若采用FAT，FAT中每个盘块地址用4字节表示，问FAT表需要几个盘块

十六、某文件系统为一级目录，文件的数据一次性写入磁盘，已经写入的文件不可修改，但可以多次创建新文件，请回答：

十七、假如盘块的大小为4KB，每个盘块号占4个字节，在两级索引分配时，允许的最大文件是多少？（请写出计算过程）

十八、简要描述操作系统中打开文件的工作过程（等价于如何通过文件名找到文件）

十九、三种磁盘空间分配方法（连续、链接、索引）FCB中的描述字段

二十、非阻塞和阻塞I/O是什么，主要有什么不同，分别用在哪里？

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~~~

一、银行家算法的一道例题

题目解答：

二、页大小为 1024 字节，计算逻辑地址 2560 和 4220 对应的物理地址

2560的物理地址：

2560/1024=2.几，因此在第三页即页号为2的页，同时页内偏移为：2560-2048=512
对应块号为60。分页算法中内存中的每一块对应就是一页。所以物理地址为：60*1024+512=61952

4220的物理地址：

4220=1024*4+124
因为在第五页，而进程页表中只有四页，所以这是越界访问，逻辑地址4220是非法的

三、页计算问题

2560=1024*2+512

4098=1024*4+2

18*1024+512=18944

页号4越界，逻辑地址4098非法

四、进程同步问题

//确定进程类别：只有一种类别的进程，这种进程有三个
//确定主营业务：过桥、在白板上更新物资200个（不用dowhile循环）
//找同步约束:互斥、资源、限额（这里是资源里的进程执行顺序限制）
int wuzi_num=0;//白板，临界区
semaphore mutex=1;//临界区互斥变量
semaphore liang=0;//让小亮启动的同步信号量
semaphore ming=0;//让小明启动的同步信号量
xiaohua{/*过桥*/signal(liang);wait(mutex);wuzi_num+=200;signal(mutex);
}
xiaoming{wait(ming)/*过桥*/wait(mutex)wuzi_num+=200;signal(mutex);
}
xiaoliang{wait(liang);/*过桥*/signal(ming)wait(mutex)wuzi_num+=200;signal(mutex);
}

六、单级页表；TLB 命中率为 90%，访问 TLB 需 5ns，访问主存为 25ns，求有效内存的访问时间

一、页表存放在内存中，所以如果通过页表访问内存，需要访问主存两次

二、如果通过TLB访问内存，则通过TLB能找到数据在主存中的位置，所以访问主存一次

0.9*（5+25）+0.1*（5+25+25）=32.5ns

七、在某个分页管理系统中，某一个作业有 4 个页面，被分别装入到主存的第 3、4、6、8 块中，假定页面和块大小均为 1024 字节，当作业在 CPU 上运行时，执行到其地址空间第 500 号处遇到一条传送命令： MOV 2100,3100 画地址转换图计算出 MOV 指令中两个操作数的物理地址

1、作业=进程

2、内存中的块和页都是从0开始算的

2100=1024*2+52

3100=1024*3+28

2100对应第三页，页内偏移为52；3100对应第四页，页内偏移为28

2100物理地址为：6*1024+52=6196

3100物理地址为：8*1024+28=8220

七、请求分页系统中，页表项中包含哪些数据项？它们的作用？

页表项中包含：页号（隐含）、帧号、保护位、修改位、访问位

保护位：也叫有效/无效位，记录该页是否是有效的。无效位包括缺页和其他情况。

访问位：用来判断该页在一段时间内被访问的次数，或者多长时间未访问（不同页面置换算法不同），通过这一位页面置换算法可以确定置换哪一页

修改位：判断该页是否被修改过。通过修改页能够在该页被置换出来后判断要不要写入磁盘

帧号：记录对应页号在物理内存中的那一块

八、画出分页内存管理方案的过程图，描述流程、过程中硬件或软件所起的作用。

分页内存管理方案=分页内存创建与维护方案+分页内存使用方案

分页内存创建与维护方案流程：

页面创建：创建进程时，操作系统为该进程创建一个页表，这个页表大小取决于该进程有多少页，而多少页又取决于进程地址空间大小以及页面大小。同时操作系统要对页表进行初始化
页面维护：在虚拟内存中，如果发生缺页就会陷入内核。操作系统就要更新页表，同时更新页表时可能也涉及到页面置换等操作

分页内存使用方案流程：

应用程序提供逻辑地址
MMU接受应用程序提供的地址，计算得到页号，页内偏移等
MMU查找页表，获取页表项
MMU根据页表项中的帧号和页内偏移计算得到逻辑地址对应的物理地址

硬件作用：里面发挥作用的硬件就是MMU。MMU起到查询页表项、根据逻辑地址计算物理地址等作用

软件作用：里面发挥作用的软件就是操作系统。操作系统在里面发挥创建维护页表、更新页表等作用

九、分页式文件系统的主要数据结构，要使用这个分页结构需要哪些硬件支持

分页式文件系统和分页式内存管理系统是类似的

其所用的数据结构、硬件支持也是一样的

分页式系统的主要数据结构——页表

要使用这个分页结构（页表）需要的硬件支持：

内存管理单元(MMU)
TLB
页表寄存器（PTR）

十、当前页表如下。页大小为1024字节，该程序分配2个帧，页号0先装入内存。采用先进先出和局部置换策略，现在访问逻辑地址为3000的字节，问在这个过程中发生了什么主要事件并写出置换后的页表。

局部置换策略：每个进程在物理内存中有自己的帧集合，不能访问其他进程的帧集合

十一、比对FIFO算法和LRU算法

FIFO优先淘汰最先进入内存的页面，但是可能置换出去的是很久之前初始化并且一直在用的变量。性能很差，存在Belady异常。上述结果可以看出，对FIFO而言，增加分配给作业的内存块数反而出现缺页次数增加的异常现象。给进程分配4个帧产生的页面错误率比分配 3个帧还多。

LRU优先淘汰最近最久没访问的页面。和最优置换（OPT）一样，都没有Belady异常（它们属于同一种算法，叫做栈算法）。效率较高，是一种经常被使用的页置换算法。

十二、增强的二次机会算法的基本思想；为什么会发生抖动，怎么解决？

增强的二次机会算法的基本思想：

若用（访问位，修改位）的形式表述，则

第一轮：淘汰（0,0）

第二轮：淘汰（0,1），并将扫描过的页面访问位都置为0

第三轮：淘汰（0,0）

第四轮：淘汰（0,1）

将引用位和修改位作为一组有序对来改进第二次机会算法。

(0,0)代表近期既没有被使用过，也没有被修改过，是最佳的页面置换。
(0,1)代表近期没有被使用过但是被修改过的页面，是不太好的页面置换，因为需要将该页面写回磁盘。
(1,0)代表近期被使用过但是没有被修改的页面，可能很快会被再次使用。
(1,1)代表近期既被使用过又被修改过，可能很快会再次使用，并且置换时需要写回磁盘。

每个页面必然都属于上述这四种类型的集合。当需要页面置换时，可以采用与Clock算法一样的策略：检查页面的类型(不是仅仅检查引用位)，我们替换掉最低类型中的一个页面(如果这一类型的页面有的话)。因为可能并不存在(0,0)类型的页面，这时就选择(0,1)类型的页面，依此类推。增强型第二次机会算法的亮点在于它赋予了那些被修改过的页面更高的优先级，从而降低了所需要I/O的数量。

抖动主要原因：进程频繁访问的页面数目高于分配给进程可用的物理块数

防止抖动的方法：采用可变分配方法分配进程物理块数。

计算进程的工作集
将工作集中的帧数做一个求和得到一个总的工作集大小
驻留集（给进程分配的物理块数）不小于上面求得总的工作集大小

如果出现抖动得解决方法：

减少并发进程数目
增加物理内存块数
优化页面置换策略

十三、三种磁盘空间分配方法（contiguous、linked、indexed）的优缺点

连续分配：对每个文件都从磁盘中连续地分配磁盘块给需要的文件。

实现简单、存取速度块、效率高
难以进行文件拓展，会产生外碎片

链接分配：分配给文件磁盘块时，这些块可以不连续，彼此间用指针相联系

不存在外碎片；实现简单；文件可以拓展，增加文件内存
指针本身占用空间；无法实现随机读取；可靠性差，一旦其中一个指针出错整个内存分配都会出问题（文件分配表FAT改进）

索引分配：从空闲块中拿出一块用作索引块，在索引块中放置其他空闲块的指针，用以查找到其他空闲块的物理位置

不存在外碎片；文件可拓展；
索引块本身就是一个空间消耗（即使只有一两个指针也要耗费一个索引块内存）

十四、基于磁盘的分配方法，设计一种高效的磁盘空闲空间分配和回收方法，说出基本思想，操作过程和数据结构。

空闲空间分配以及回收方法——空闲空间管理

空闲空间管理方法有空闲表法、链表法、组法、位图法

①空闲表法 ②空闲链表法：[空闲盘块链]将所有空闲磁盘块用链表链接起来，并将指向第一个空闲块的头指针保存在磁盘的超级块上，同时也缓存在内存中。[空闲盘区链/计数counting]类似于内存动态分区。 ③位示图法：将空闲空间表现为位图，每块空闲空间用一位表示，如果空闲则为1，已分配则为 0。 ④成组链接法：把顺序的n个空闲扇区地址保存在第一个空闲扇区内，其最后一个空闲扇区内则保存另一组顺序空闲扇区的地址，如此继续，直至所有空闲扇区均予以链接。系统只需要保存一个指向第一个空闲扇区的指针。

十五、某磁盘文件区16GB，每个磁盘块为1KB，

（1）若空闲存储空间采用位图管理方法那么位图需占用多少个盘块

（2）若采用FAT，FAT中每个盘块地址用4字节表示，问FAT表需要几个盘块

1、

16GB=2^34B

2^34B/2^10B=2^24块

在位图管理中，每块用一位（1bit）来表示，所以需要2^24b来表示

2^24b=2^21B来表示位图

2^21B/2^10B=2^11块（磁盘来存储位图）

2、

16GB=2^34B

2^34B/2^10B=2^24块

表示磁盘文件区有2^24块磁盘块

FAT方法是链表法的改进，文件分配表（FAT）中将有2^24条项（每一个块一个项）

由于每个盘块地址用4b表示，所以有2^24*4B=2^26B来表示

2^26B/2^10B=2^16块

十六、某文件系统为一级目录，文件的数据一次性写入磁盘，已经写入的文件不可修改，但可以多次创建新文件，请回答：

(1) 采用哪种文件物理结构形式更适合？说明理由，为定位文件数据块，需要FCB中设置哪些相关的描述字段？（10分）

(2) 为快速找到文件，对于FCB是集中存储好，还是与对应文件数据块连续存储好？为什么？（10分）

(1)连续更合适。因为一次写入不存在插入问题，而且写入文件之后不需要修改，连续的数据块组织方式很适合一次性写入磁盘不再修改的情况，同时连续存储相对链式和索引省去了指针的空间开销，支持随机查找，查找速度最快。FCB中包括:存放文件的设备名、文件在外存的起始盘块号、文件长度。

(2)FCB集中存储较好。FCB存储有文件的很多重要信息，同时是文件目录的重要组成部分，在检索时，通常会访问对应文件的FCB。如果将FCB集中存储，则可以减少在检索过程中产生的访盘次数，提高检索速度。

十七、假如盘块的大小为4KB，每个盘块号占4个字节，在两级索引分配时，允许的最大文件是多少？（请写出计算过程）

假如盘块的大小为4KB，每个盘块号占4个字节，则一个索引块可含 4KB/4B=1K个盘块号，

于是两级索引最多可含1K×1K = 1M个盘块号，因此，允许的最大文件长度为4KB×1M = 4GB。

十八、简要描述操作系统中打开文件的工作过程（等价于如何通过文件名找到文件）

用户给 open()传入一个文件的逻辑路径名，这时先将该文件系统的目录结构加载进内存，根据文件名，操作系统会首先对系统范围内的打开文件表进行搜索（节省时间）。如果该文件已经被其他进程打开了，则直接将该进程的打开文件表中的指针指向系统范围打开文件表的这一项，同时，系统打开文件表该文件引用计数加1。如果该文件在系统范围文件表中不存在，说明该文件第一次打开，则对该文件系统的目录表进行搜索，依次查找到叶结点，叶结点包含了一个该文件控制节点号，即控制节点的物理位置指针，将这个指针返回给用户，同时在系统范围打开文件表中新注册一行这个文件的信息，将该进程的打开文件表中指针指向这条新信息，open()操作的任务就完成了。