常考计算机操作系统面试习题（二）（下）

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52. 已知某分页系统，页面大小为1KB。对于一个4页大的作业，其0、1、2、3页分别被分配到主存的2、3、6、1块中。将十进制的逻辑地址1023、2200、3300、4400转换成物理地址？

53. 在单缓冲情况下，为什么对一块数据的处理时间为MAX(C，T)+M？

54. 什么是文件的逻辑结构？什么是文件的物理结构？

55. 假定盘块的大小为4KB，硬盘的大小为512MB，采用显示链接分配方式时，其FAT共有多少个表项？

56. 试从交互性、及时性和可靠性等方面将分时系统与实时系统进行比较？

57. 试画出下面四条语句的前驱图：

58. 某系统采用页式存储管理策略，拥有逻辑空间32页，每页2KB，拥有物理空间1MB。

59. 为什么在大多数操作系统中都引入了“打开”这一文件系统调用？打开的含义是什么？

60. 目前常用的外存有哪几种组织方式？

61. 设计现代操作系统的主要目标是什么？

62. 产生死锁的原因和必要条件是什么？

63. 什么是程序运行时的时间局限性和空间局限性？

64. 目前广泛采用的目录结构形式是哪种？它有什么优点？

65. 某虚拟存储器的用户空间共有32个页面，每页1KB，主存16KB。假定某时刻系统为用户的第0、1、2、3页分配的物理块号为4、6、3、2，而该用户作业的长度为6页，试将十六进制的逻辑地址0A5C、103C、1A5C转换成物理地址。

66. 为什么在双缓冲情况下，系统对一块数据的处理时间为max(T, C)？

67. 系统如何利用访问控制表和访问权限表来实现对文件的保护？

68. 假定盘块的大小为2KB，硬盘的大小为256MB，采用显示链接分配方式时，其FAT共有多少个表项？如果文件A占用硬盘的8、10、14、12四个盘块，试画出文件A中各盘块间的链接情况及FAT的情况。

69. 文件系统的模型可分为三层，试说明其每一层所包含的基本内容。

70. 什么是基于顺序搜索的动态分区分配算法？它可以分为哪几种？

71. 某虚拟存储器的用户空间共有32个页面，每页1KB，主存16KB。假定某时刻系统为用户的第0、1、2、3页分配的物理块号为4、5、3、2，而该用户作业的长度为6页，试将以下逻辑地址0、2500、3500、4500转换成物理地址。

72. 在进程调度中，何谓静态和动态优先级？确定静态优先级的依据是什么？

52. 已知某分页系统，页面大小为1KB。对于一个4页大的作业，其0、1、2、3页分别被分配到主存的2、3、6、1块中。将十进制的逻辑地址1023、2200、3300、4400转换成物理地址？

参考答案：

• 1023：页号为0，页内偏移为1023。物理地址 = 2×1KB + 1023 = 3071
• 2200：页号为2，页内偏移为152。物理地址 = 6×1KB + 152 = 6296
• 3300：页号为3，页内偏移为228。物理地址 = 1×1KB + 228 = 1252
• 4400：页号为4，发生越界中断。

讲解：分页系统通过页表将逻辑地址映射到物理地址。在此例中，页号与页内偏移共同确定物理地址。由于每页大小为1KB，逻辑地址转换为物理地址时，要根据分配的页框号进行映射。

53. 在单缓冲情况下，为什么对一块数据的处理时间为MAX(C，T)+M？

参考答案： 在单缓冲情况下，数据的读取和处理必须串行进行。处理时间为两个部分：

• C：指数据从I/O控制器到缓冲区的传输时间。
• T：指数据从缓冲区到用户进程工作区的传输时间。
• M：指CPU从工作区读取数据进行处理的时间。

由于I/O操作和数据处理需要串行执行，但CPU可以在处理数据的同时，准备下一块数据，因此系统处理一块数据的总时间为 MAX(C, T) + M。

讲解：单缓冲意味着I/O操作和数据处理不能并行进行，必须等待数据传输完毕后才能进行处理。但CPU可以利用等待时间准备下一块数据，减少空闲时间。

54. 什么是文件的逻辑结构？什么是文件的物理结构？

参考答案：

• 文件的逻辑结构：从用户或应用程序的视角来看，文件的组织和结构形式。例如，文本文件按字符存储，数据库文件按表格存储。
• 文件的物理结构：系统如何将文件存储在磁盘或其他外部存储设备上的方式。它涉及到文件数据如何分配到磁盘块，以及使用何种存储方式来组织文件。

讲解：文件的逻辑结构和物理结构是操作系统管理文件时两个不同的层面。逻辑结构是用户关心的文件格式，而物理结构是操作系统如何高效存储和管理这些文件的方式。

55. 假定盘块的大小为4KB，硬盘的大小为512MB，采用显示链接分配方式时，其FAT共有多少个表项？

参考答案：

• 硬盘的大小为512MB = 512 × 1024 KB = 524288 KB。
• 盘块的大小为4KB，所以硬盘的总盘块数为524288 / 4 = 131072个盘块。
• 因此，FAT中共有131072个表项。

讲解：FAT（文件分配表）是文件系统用来记录磁盘空间使用情况的数据结构。每个表项对应一个盘块的状态和链接，确保操作系统能高效访问文件。

56. 试从交互性、及时性和可靠性等方面将分时系统与实时系统进行比较？

参考答案：

• 交互性：

  • 分时系统：支持多个用户的同时交互。系统通过轮流分配CPU时间，确保每个用户能够与系统互动。
  • 实时系统：通常不强调交互性。系统强调响应的确定性和及时性，而不是与多个用户的交互。

• 及时性：

  • 分时系统：响应时间相对较长，系统通过时间片轮转等方式共享CPU时间，确保多任务并发执行。
  • 实时系统：必须保证严格的响应时间，确保在规定的时间内完成任务，常用于对时间敏感的应用，如航空航天、医疗设备等。

• 可靠性：

  • 分时系统：注重资源共享和多任务的执行效率，可靠性较高，但容错性和实时性要求不高。
  • 实时系统：对系统的可靠性和容错性要求非常高，必须确保任务在指定时间内完成，否则可能影响系统的安全性或稳定性。

讲解：分时系统和实时系统具有不同的目标和应用场景。分时系统注重多用户并发和系统资源的共享，而实时系统则注重任务的及时性和可靠性。

57. 试画出下面四条语句的前驱图：

S1：a=x+y; S2：b=z+2; S3：c=a-b; S4：d=c+2;

参考答案：

• 依赖关系：
  • S1 和 S2 没有依赖关系，彼此可以并行执行。
  • S3 依赖于 S1 和 S2，因为它需要 a 和 b 的值。
  • S4 依赖于 S3，因为它需要 c 的值。

前驱图：

讲解：前驱图是描述语句间依赖关系的一种方式。它帮助我们理解哪些语句可以并行执行，哪些语句需要等待其他语句的结果。

58. 某系统采用页式存储管理策略，拥有逻辑空间32页，每页2KB，拥有物理空间1MB。

写出逻辑地址格式：

• 逻辑地址格式：由于每页大小为2KB，逻辑地址中需要一个2位的页号（32页需要5位表示），以及7位的页内偏移（2KB页需要10位）。
• 页表项：由于物理空间为1MB，每页大小为2KB，因此物理地址需要10位表示页框号。页表最多有32项，每项需要9位来表示物理地址。

讲解：通过页式存储管理，操作系统能够将逻辑地址映射到物理地址，逻辑地址包括页号和页内偏移，物理地址则由页框号和页内偏移组成。

59. 为什么在大多数操作系统中都引入了“打开”这一文件系统调用？打开的含义是什么？

参考答案：

• “打开”文件的功能：当文件被打开时，操作系统会将文件的属性（如文件的大小、位置、权限等）加载到内存中，并返回一个文件描述符或指针，供后续的文件操作（如读、写）使用。
• “打开”的含义：文件的打开过程不仅仅是创建一个指向文件的指针，更是将文件的元数据从磁盘加载到内存，提升文件操作的效率。文件描述符被用来访问该文件在内存中的属性，从而简化对文件的操作。

讲解：文件打开的机制是操作系统为了提高文件访问效率而设计的。通过加载文件的元数据到内存中，操作系统减少了每次访问文件时需要的磁盘I/O操作，使得文件的读写更加高效。

60. 目前常用的外存有哪几种组织方式？

参考答案：

• 连续组织方式：数据存储在外存上的物理位置是连续的。例如，磁带和某些磁盘文件系统采用的方式。这种方式可以提高读取效率，但容易导致内存碎片。
• 链接组织方式：数据通过链表的形式链接在一起。每个数据块中包含指向下一个数据块的指针。链式文件系统（如FAT）使用这种方式。
• 索引组织方式：数据存储在外存上，通过索引表来访问。每个文件的每一块都有对应的索引项。现代文件系统（如NTFS）常使用索引方式来管理文件。

讲解：外存的组织方式决定了操作系统如何高效地存取数据。每种方式都有不同的优缺点，适用于不同的应用场景。连续组织适合于小型文件的存储，链接组织适合于频繁修改文件的情况，而索引组织适合处理大量数据的场景。

61. 设计现代操作系统的主要目标是什么？

参考答案：

• 方便性：操作系统应当使得用户可以方便地使用计算机，提供简洁易用的接口。
• 有效性：操作系统需要高效地管理系统资源，包括CPU时间、内存、I/O设备等，确保资源得到合理利用。
• 可扩充性：操作系统应具有良好的可扩展性，能够适应硬件和应用需求的变化，支持新硬件和新技术的引入。
• 开放性：操作系统应支持与其他系统的兼容性，提供开放的接口和标准，方便用户和开发者的二次开发和扩展。

讲解：现代操作系统不仅要满足用户对系统的基本需求，还需要具备良好的性能、扩展性和兼容性，能够应对不断变化的技术和硬件环境。

62. 产生死锁的原因和必要条件是什么？

参考答案：

• 产生死锁的原因：

  • 竞争不可抢占资源：进程持有某个资源并请求其他资源，导致资源无法被其他进程抢占。
  • 竞争可消耗资源：进程使用资源后释放，但由于资源消耗或处理时间不当，导致其他进程无法获得该资源。
  • 进程推进顺序不当：进程请求资源的顺序不当，导致某些进程等待无法满足的条件，进而进入死锁。

• 产生死锁的必要条件：

  1. 互斥条件：资源只能由一个进程占用，不能共享。
  2. 请求和保持条件：进程持有至少一个资源，并且请求其他尚未分配的资源。
  3. 不可抢占条件：进程占有的资源不能被强制抢占，只能等待。
  4. 循环等待条件：进程之间形成一个等待环，每个进程都等待其他进程释放资源。

讲解：死锁是操作系统中必须避免的问题。它通常发生在多个进程竞争有限资源时。操作系统通常通过死锁预防、检测和恢复等策略来避免或解决死锁问题。

63. 什么是程序运行时的时间局限性和空间局限性？

参考答案：

• 时间局限性：指程序中某条指令或某个数据刚被访问过后，在不久的将来，这些指令或数据可能会再次被访问。例如，在循环体内访问的数据往往会被频繁访问。
• 空间局限性：指程序在运行过程中访问的数据或存储位置通常集中在一定的范围内，即程序访问的内存地址区域是有限的，通常为程序的局部变量或栈空间。

讲解：时间和空间局限性是现代计算机系统设计中的关键概念，它们与程序的局部性有关。程序的时间局限性和空间局限性被操作系统和硬件利用来优化缓存、内存管理等性能。

64. 目前广泛采用的目录结构形式是哪种？它有什么优点？

参考答案：

• 目录结构形式：多级树形目录结构。
• 优点：
  1. 提高检索速度：树形结构支持快速查找，避免了线性搜索。
  2. 允许文件重名：同一目录下文件名唯一，但不同目录下可以有相同的文件名。
  3. 方便文件共享：可以方便地通过硬链接或软链接实现不同目录间的文件共享。
  4. 按名存取：用户可以通过文件路径按名存取文件，而不需要关心文件的物理位置。

讲解：树形目录结构是操作系统常用的文件系统结构，它既能满足高效的文件存取需求，又能组织文件的层次关系，方便用户管理大量文件。

65. 某虚拟存储器的用户空间共有32个页面，每页1KB，主存16KB。假定某时刻系统为用户的第0、1、2、3页分配的物理块号为4、6、3、2，而该用户作业的长度为6页，试将十六进制的逻辑地址0A5C、103C、1A5C转换成物理地址。

参考答案：

• 0A5C：逻辑地址0A5C的页号为2，2号页装入3号块，物理地址为000111001011100，转换成十六进制为0E5C。
• 103C：逻辑地址103C的页号为4，页号合法，但该页未装入内存，故产生缺页中断。
• 1A5C：逻辑地址1A5C的页号为6，页号非法，故产生越界中断。

讲解：通过将虚拟地址转换为物理地址，操作系统根据页表映射关系，将逻辑页面号映射到物理块。缺页中断和越界中断分别表示该页未在内存中和访问了非法页。

66. 为什么在双缓冲情况下，系统对一块数据的处理时间为max(T, C)？

参考答案：

• 在双缓冲情况下，数据的读取和处理可以并行进行。一个缓冲区用于从I/O控制器接收数据，另一个缓冲区用于处理数据。
• T：数据从I/O控制器到缓冲区的传输时间。
• C：数据从缓冲区到工作区的传输时间。
• 在双缓冲模式下，当一个缓冲区传输数据时，另一个缓冲区可供CPU进行处理。因此，系统的处理时间为 max(T, C)，即取数据传输时间与处理时间的最大值。

讲解：双缓冲机制通过使用两个缓冲区来同时进行数据的传输和处理，减少了CPU的空闲时间，提高了效率。系统处理数据的时间主要由两个阶段中的较长时间决定。

67. 系统如何利用访问控制表和访问权限表来实现对文件的保护？

参考答案：

• 访问控制表：按文件对象划分，每个对象（如文件）都有一个访问控制表，记录哪些用户或进程（域）对该文件有何种权限。例如，表项可能包含“用户A可以读取该文件”或“用户B可以修改该文件”的信息。
• 访问权限表：按用户（域）划分，为每个用户建立一个访问权限表，记录该用户对不同文件对象的权限。每项记录该用户对文件操作的权限，如读、写、执行等。

讲解：通过访问控制表和访问权限表，操作系统能够有效管理和控制用户对文件的访问权限，确保文件的安全性。访问控制表通常是按照文件组织的，而访问权限表则是按照用户或域来管理的。两者结合使用能够在操作系统中实现灵活且高效的权限管理。

68. 假定盘块的大小为2KB，硬盘的大小为256MB，采用显示链接分配方式时，其FAT共有多少个表项？如果文件A占用硬盘的8、10、14、12四个盘块，试画出文件A中各盘块间的链接情况及FAT的情况。

参考答案：

• 硬盘大小为256MB，盘块大小为2KB，则硬盘的总盘块数为： 256 MB2 KB=256×10242=131072 个盘块\frac{256 \, \text{MB}}{2 \, \text{KB}} = \frac{256 \times 1024}{2} = 131072 \, \text{个盘块}
• 因此，FAT中共有131072个表项。
• 假设文件A占用的盘块为8、10、14、12，FAT中的链式结构如下：
  • FAT[8] -> 10
  • FAT[10] -> 14
  • FAT[14] -> 12
  • FAT[12] -> EOF（表示文件的结束）

讲解：显示链接分配方式通过使用FAT（文件分配表）来记录文件各个盘块的分配情况。每个表项指向下一个盘块的位置，直到文件的末尾（EOF）。该方法简单且容易实现，广泛应用于传统文件系统如FAT文件系统。

69. 文件系统的模型可分为三层，试说明其每一层所包含的基本内容。

参考答案：

1. 磁盘存储层（物理层）：

   • 包含文件、目录、磁盘存储空间等。它负责物理存储和文件的管理。这个层次是直接与硬盘设备交互的。
   • 主要任务：管理文件的存储空间，维护文件的物理存储结构。

2. 文件管理层（逻辑层）：

   • 处理文件的基本操作，如创建、删除、修改和读取文件。它还涉及目录的管理和文件的保护机制。
   • 主要任务：提供文件操作接口，管理文件的逻辑结构。

3. 应用层：

   • 通过用户接口提供文件操作和访问。包括命令行界面（CLI）和图形用户界面（GUI）。它支持用户与文件系统之间的交互。
   • 主要任务：为用户提供文件系统的接口，支持各种用户操作和应用程序的调用。

讲解：文件系统的多层设计使得系统能够清晰地分工：物理层负责实际的硬盘操作，逻辑层提供文件操作功能，应用层则使得最终用户能够轻松地访问和管理文件。通过这样的层次化设计，操作系统可以灵活、清晰地处理文件系统的各项任务。

70. 什么是基于顺序搜索的动态分区分配算法？它可以分为哪几种？

参考答案：

• 顺序搜索的动态分区分配算法：这种算法将所有空闲分区链接成一个链表，依次检查空闲分区，寻找满足作业需求的空间进行分配。其主要思想是通过顺序搜索来寻找足够大小的空闲区域，并将该区域分配给作业。

• 分类：

  1. 首次适应算法：从链表头开始查找，找到第一个足够大的空闲分区进行分配。
  2. 循环首次适应算法：与首次适应算法类似，但是每次从上次查找到的位置开始搜索，避免从头部重新开始查找，减少重复搜索。
  3. 最佳适应算法：遍历所有空闲分区，选择最合适的（即大小最接近需求的）空闲分区进行分配，减少碎片。
  4. 最坏适应算法：选择最大的空闲分区进行分配，目的是防止剩余空间过小，导致新的作业无法分配。

讲解：基于顺序搜索的动态分区分配算法通过不同策略选择空闲分区来分配给作业。不同的策略有不同的优缺点，如首次适应较简单但可能导致内存碎片，而最佳适应能够有效减少碎片但搜索时间较长。

71. 某虚拟存储器的用户空间共有32个页面，每页1KB，主存16KB。假定某时刻系统为用户的第0、1、2、3页分配的物理块号为4、5、3、2，而该用户作业的长度为6页，试将以下逻辑地址0、2500、3500、4500转换成物理地址。

参考答案：

• 0：页号为0，0号页装入4号块，物理地址 = 4×1KB = 4096。
• 2500：页号为2，2号页装入3号块，物理地址 = 3×1KB + 452 = 3524。
• 3500：页号为3，3号页装入2号块，物理地址 = 2×1KB + 428 = 2476。
• 4500：页号为4，产生缺页中断。

讲解：逻辑地址转换为物理地址需要根据页表将逻辑页号映射到物理块号。在这种情况下，页号与块号之间的映射关系被给定，缺页中断表明某些页不在内存中。

72. 在进程调度中，何谓静态和动态优先级？确定静态优先级的依据是什么？

参考答案：

• 静态优先级：在进程创建时设定，并在整个执行过程中保持不变。它通常由操作系统或用户根据进程的性质和重要性设定。

• 动态优先级：在进程运行过程中可以根据某些条件（如等待时间、CPU占用时间等）动态调整。它反映了进程的当前状态，目的是确保高优先级的进程能得到及时处理。

• 静态优先级的确定依据：

  1. 进程类型：如交互进程、批处理进程等。
  2. 进程对资源的需求：例如，资源需求较少的进程可能会赋予较高优先级。
  3. 用户要求：用户可以指定进程的优先级。

讲解：静态优先级有助于确保某些关键任务能够优先得到处理，而动态优先级则确保系统根据实际需求调整进程的调度策略。