2025年計算機(jī)操作系統(tǒng)內(nèi)存管理技術(shù)考試沖刺押題考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列關(guān)于內(nèi)存碎片的說法中，正確的是（）。A.內(nèi)部碎片是由于分配算法不當(dāng)造成的B.外部碎片是由于內(nèi)存分配和回收策略不當(dāng)造成的C.分段方式比分頁方式更容易產(chǎn)生外部碎片D.任何內(nèi)存分配策略都不可避免地會產(chǎn)生碎片2.在采用分頁存儲管理的系統(tǒng)中，地址結(jié)構(gòu)通常包括（）。A.邏輯地址、物理地址、段號、段內(nèi)偏移B.邏輯地址、物理地址、頁號、頁內(nèi)偏移C.段號、段內(nèi)偏移、頁號、頁內(nèi)偏移D.標(biāo)識符、段號、頁號、頁內(nèi)偏移3.下列哪種頁面置換算法會產(chǎn)生Belady異?，F(xiàn)象？（）A.FIFOB.LRUC.Clock/NRUD.最優(yōu)置換算法4.快表（TLB）的主要目的是（）。A.存儲部分頁表項，加速地址映射B.增加物理內(nèi)存容量C.用于虛擬內(nèi)存的按需調(diào)頁D.替代頁表，實現(xiàn)直接地址映射5.請求分頁管理方式與純分頁管理的根本區(qū)別在于（）。A.是否使用頁表B.是否需要硬件支持C.是否按需調(diào)入頁面D.頁面置換算法的選擇6.在虛擬內(nèi)存系統(tǒng)中，進(jìn)程的地址空間（）。A.必須全部裝入物理內(nèi)存B.可以只裝入部分需要的頁面C.大小必須等于物理內(nèi)存的大小D.被分成若干個固定大小的段7.采用最佳適應(yīng)分配算法時，可能會出現(xiàn)（）。A.難以找到足夠大的空閑分區(qū)B.產(chǎn)生很多小的空閑分區(qū)C.增加內(nèi)存碎片D.降低內(nèi)存利用率8.當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生缺頁中斷時，操作系統(tǒng)首先需要（）。A.選擇一個頁面進(jìn)行置換B.將所需頁面從磁盤調(diào)入內(nèi)存C.查找頁表，確認(rèn)是否為無效頁D.向進(jìn)程發(fā)送中斷信號9.下列關(guān)于虛擬內(nèi)存優(yōu)點的描述中，錯誤的是（）。A.可以實現(xiàn)內(nèi)存共享B.可以提供更大的地址空間C.可以提高內(nèi)存利用率D.可以完全避免內(nèi)存碎片10.協(xié)作式內(nèi)存管理方式通常適用于（）。A.所有操作系統(tǒng)B.分時系統(tǒng)C.網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)D.實時操作系統(tǒng)二、填空題（每空1分，共15分）1.內(nèi)存碎片分為________碎片和________碎片。2.分頁機(jī)制將進(jìn)程的地址空間劃分成若干個大小相等的________，將內(nèi)存空間劃分成若干個大小相等的________。3.用于實現(xiàn)邏輯地址到物理地址轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是________。4.頁表項（PTE）通常包含頁號、物理頁框號、有效位、________和________等信息。5.虛擬內(nèi)存的主要實現(xiàn)技術(shù)是________和按需調(diào)頁。6.FIFO頁面置換算法的局部性淘汰原則是指傾向于淘汰________使用過的頁面。7.伙伴系統(tǒng)分配算法是一種基于________的內(nèi)存分配策略。8.引入虛擬內(nèi)存的主要目的是解決________不足的問題，并實現(xiàn)________。9.頁面置換算法的選擇需要考慮的因素包括________、________、實現(xiàn)復(fù)雜度和系統(tǒng)開銷。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述分段存儲管理和分頁存儲管理的區(qū)別。2.簡述快表（TLB）的工作原理及其作用。3.簡述產(chǎn)生抖動（Thrashing）現(xiàn)象的原因及其后果。4.簡述伙伴系統(tǒng)分配算法的基本思想。四、計算題（每題10分，共20分）1.某系統(tǒng)采用分頁存儲管理，頁表采用二級頁表結(jié)構(gòu)。邏輯地址空間為64MB（按字節(jié)編址），物理內(nèi)存分為4MB，頁表大小為1024項。若頁面大小為4KB，請計算：a.一級頁表和二級頁表分別需要多少項？b.邏輯地址0x1F2A3B的頁號和頁內(nèi)偏移是多少？（分別在一級和二級頁表中查找）c.若物理內(nèi)存地址為0x1500C0，其對應(yīng)的邏輯地址的頁號和頁內(nèi)偏移是多少？2.假設(shè)系統(tǒng)為某個進(jìn)程分配了4個物理頁框，該進(jìn)程的頁面引用串為：1,2,3,4,1,2,5,1,2,3,4,5。請分別用FIFO和LRU頁面置換算法計算缺頁次數(shù)，并簡要分析兩種算法的性能差異。五、分析題（10分）某操作系統(tǒng)采用請求分頁管理方式，物理內(nèi)存有3個頁框。當(dāng)進(jìn)程訪問頁面的序列為：P1,P2,P3,P1,P4,P2,P1,P5,P6時，請使用Clock/NRU置換算法（假設(shè)時鐘指針初始指向第一個未修改位）計算缺頁次數(shù)，并簡述算法的基本工作過程。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.A4.A5.C6.B7.C8.C9.D10.B二、填空題1.內(nèi)部,外部2.頁面,頁框（或物理塊）3.頁表4.裝入位（或有效位/存在位）,訪問位（或修改位）5.請求調(diào)頁6.久未使用（或最近最少使用）7.鏈表8.物理內(nèi)存,地址空間隔離9.缺頁率,系統(tǒng)開銷三、簡答題1.解析思路：對比分段和分頁的基本劃分單位、地址空間劃分方式、共享與保護(hù)機(jī)制。*答案要點：*劃分單位：分段以邏輯意義（如程序段、數(shù)據(jù)段）為單位，分頁以物理單位（頁）為單位。*地址空間：分段地址空間二維（段號+段內(nèi)偏移），分頁地址空間一維（頁號+頁內(nèi)偏移）。*共享：段易于共享（如代碼段），頁共享不如段方便。*保護(hù)：段提供邏輯保護(hù)，頁提供物理保護(hù)。2.解析思路：描述快表的功能和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及它如何加速地址映射過程。*答案要點：*功能：存儲近期最常用頁面的頁號和對應(yīng)的物理頁框號。*數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：通常是一個高速緩存，按硬件實現(xiàn)，容量較小。*工作原理：CPU訪問邏輯地址時，首先在快表中查找。若找到（TLBHit），直接獲取物理頁框號，完成地址映射，速度極快。若未找到（TLBMiss），則需要訪問頁表，并在找到對應(yīng)PTE后，將此頁信息存入快表（替換舊的條目），然后繼續(xù)按PTE指向的物理頁框號完成映射。3.解析思路：分析抖動現(xiàn)象產(chǎn)生的條件，以及其對系統(tǒng)性能的影響。*答案要點：*產(chǎn)生原因：當(dāng)系統(tǒng)分配給一個或多個進(jìn)程的物理頁框數(shù)很少，以至于進(jìn)程運(yùn)行時頻繁發(fā)生缺頁中斷，并且這些缺頁中斷的頁面很快又會被訪問，導(dǎo)致系統(tǒng)大部分時間都在進(jìn)行頁面調(diào)入調(diào)出操作，CPU時間被消耗在管理內(nèi)存上，而非進(jìn)程計算。*后果：系統(tǒng)性能急劇下降，響應(yīng)時間變長，吞吐量降低，用戶體驗很差。表現(xiàn)為CPU頻繁空閑，磁盤活動異常繁忙。4.解析思路：描述伙伴系統(tǒng)如何通過合并相鄰空閑塊來分配和回收內(nèi)存。*答案要點：*思想：將內(nèi)存劃分成大小為2^k的塊（k為整數(shù)），按塊進(jìn)行管理。空閑塊按大小分類鏈接成鏈表。*分配：申請內(nèi)存時，系統(tǒng)查找大小最接近且足夠大的空閑塊。若找到，直接分配。若未找到，則查找更大的塊，將其分成兩個大小為2^(k-1)的子塊，分別鏈接到對應(yīng)大小的空閑鏈表頭部，并將較小的子塊分配給用戶。*回收：當(dāng)內(nèi)存塊被回收時，系統(tǒng)查找其大小相同的空閑鏈表，看是否有相鄰的空閑塊。若有，則將它們合并成一個更大的空閑塊，并放入對應(yīng)大小的空閑鏈表。重復(fù)此過程，直到無法合并。四、計算題1.解析思路：計算頁表項數(shù)量、地址劃分、以及地址轉(zhuǎn)換過程。*答案要點：a.邏輯地址空間：64MB=2^26字節(jié)，頁面大小：4KB=2^12字節(jié)。每級頁表包含的頁表項數(shù)=(邏輯地址空間大小/頁面大小)=2^26/2^12=2^14=16384項。二級頁表結(jié)構(gòu)，每級頁表項數(shù)相同，故一級頁表和二級頁表各有16384項。b.邏輯地址0x1F2A3B轉(zhuǎn)換：*頁面大小4KB=2^12字節(jié)，頁內(nèi)偏移=地址&(頁大小-1)=0x1F2A3B&0xFFF=0x2A3B。*頁號=地址/頁大小=0x1F2A3B/0x1000=0x1F2A。*在二級頁表中查找一級頁表項，需要將頁號分解為一級頁表索引和二級頁表索引。0x1F2A轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制0011111100101010。假設(shè)按高10位一級索引，低10位二級索引劃分，則一級頁表索引=0x3E，二級頁表索引=0x2A。邏輯地址0x1F2A3B的頁號對應(yīng)一級頁表索引0x3E和二級頁表索引0x2A。c.物理內(nèi)存地址0x1500C0轉(zhuǎn)換：*物理內(nèi)存大小4MB=2^22字節(jié)，頁大小4KB=2^12字節(jié)。物理地址的頁內(nèi)偏移=地址&0xFFF=0x1500C0&0xFFF=0xC0。*物理地址的頁號=地址/頁大小=0x1500C0/0x1000=0x150。0x150轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制000101000000。同樣假設(shè)索引劃分，則一級頁表索引=0x14，二級頁表索引=0x00。物理地址0x1500C0對應(yīng)的頁號是0x150，一級頁表索引0x14，二級頁表索引0x00。2.解析思路：模擬FIFO和LRU算法處理頁面引用串，記錄缺頁次數(shù)。*答案要點：*物理頁框數(shù)F=4，頁面引用串R={1,2,3,4,1,2,5,1,2,3,4,5}。*FIFO算法：*初始:[-,-,-,-](P1,P2,P3,P4)->引用串開始，4次缺頁。*1:[1,-,-,-]->缺頁，P1裝入。*2:[1,2,-,-]->缺頁，P2裝入。*3:[1,2,3,-]->缺頁，P3裝入。*4:[1,2,3,4]->缺頁，P4裝入(FIFO淘汰最久未使用的-，即P1)。*1:[2,3,4,1]->P1在，不缺頁。*2:[2,3,4,1]->P2在，不缺頁。*5:[3,4,1,5]->缺頁，P5裝入(FIFO淘汰P2)。*1:[4,1,5,1]->P1在，不缺頁。*2:[4,1,5,2]->缺頁，P2裝入(FIFO淘汰P4)。*3:[1,5,2,3]->缺頁，P3裝入(FIFO淘汰P1)。*4:[5,2,3,4]->缺頁，P4裝入(FIFO淘汰P1)。*5:[2,3,4,5]->缺頁，P5裝入(FIFO淘汰P1)。*FIFO缺頁次數(shù)：4+1+1+1+1=10次。*LRU算法：*初始:[-,-,-,-](P1,P2,P3,P4)->引用串開始，4次缺頁。*1:[1,-,-,-]->缺頁，P1裝入。*2:[1,2,-,-]->缺頁，P2裝入。*3:[1,2,3,-]->缺頁，P3裝入(LRU淘汰最久未使用的-，即P1)。*4:[2,3,4,-]->缺頁，P4裝入(LRU淘汰最久未使用的P1)。*1:[3,4,1,-]->缺頁，P1裝入(LRU淘汰最久未使用的P2)。*2:[4,1,2,-]->缺頁，P2裝入(LRU淘汰最久未使用的P3)。*5:[1,2,5,-]->缺頁，P5裝入(LRU淘汰最久未使用的P4)。*1:[2,5,1,-]->P1在，不缺頁。*2:[5,1,2,-]->P2在，不缺頁。*3:[1,2,3,-]->缺頁，P3裝入(LRU淘汰最久未使用的P5)。*4:[2,3,4,-]->缺頁，P4裝入(LRU淘汰最久未使用的P5)。*5:[3,4,5,-]->缺頁，P5裝入(LRU淘汰最久未使用的P2)。*LRU缺頁次數(shù)：4+1+1+1+1+1+1+1=12次。*性能分析：對于此引用串，F(xiàn)IFO的缺頁次數(shù)（10）少于LRU（12），說明在此特定序列下FIFO表現(xiàn)更好。這體現(xiàn)了FIFO存在Belady異常，即增加物理頁框數(shù)有時反而會導(dǎo)致缺頁次數(shù)增加。LRU通常能提供更好的性能，因為它傾向于淘汰最近最少使用的頁面。五、分析題解析思路：描述Clock/NRU算法的核心思想（結(jié)合時鐘指針和NRU位），模擬處理頁面引用串，記錄缺頁次數(shù)。*答案要點：*基本工作過程：*系統(tǒng)為每個頁框設(shè)置一個NRU位（NotRecentlyUsed），通常有3位，表示頁面狀態(tài)：00=空閑，01=修改位為0（未修改），10=修改位為1（已修改），11=最近剛使用過（未修改或已修改）。*系統(tǒng)維護(hù)一個時鐘指針，指向當(dāng)前檢查的頁框。*當(dāng)發(fā)生缺頁中斷時，系統(tǒng)遍歷所有頁框，檢查時鐘指針?biāo)疙摽虻腘RU位。根據(jù)NRU位的狀態(tài)和時鐘指針的移動規(guī)則（通常是從指針開始，順時針檢查，找到第一個滿足替換條件的頁框）來決定是否替換該頁框的頁面。*替換條件（優(yōu)先級從高到低）：1.NRU=11（最近剛使用過）->將時鐘指針順時針移動一位，檢查下一個頁框。2.NRU=10（已修改）->將該頁框的頁面寫回磁盤（如果被修改過），然后將時鐘指針順時針移動一位。3.NRU=01（未修改）->將該頁框的頁面寫回磁盤（如果被修改過），然后將時鐘指針順時針移動一位。4.NRU=00（空閑）->直接替換該頁框的頁面，無需寫回磁盤，將時鐘指針指向下一個頁框。*一旦找到滿足替換條件的頁框，就進(jìn)行替換操作，并將新調(diào)入的頁面設(shè)置NRU=11，然后停止遍歷。如果遍歷完所有頁框都沒有找到滿足條件的頁框（即所有頁框都被認(rèn)為是最近使用過的），則需要進(jìn)行“抖動處理”，即隨機(jī)選擇一個頁框進(jìn)行替換，并將該頁框設(shè)為NRU=11。*模擬計算缺頁次數(shù)：*假設(shè)物理頁框數(shù)F=3。頁面引用串R={1,2,3,4,1,2,5,1,2,3,4,5}。初始頁框狀態(tài)：[NRU=00,NRU=00,NRU=00]。*P1(引用):[1,-,-]->缺頁。遍歷：[00,00,00]->都空閑，替換第一個。->[NRU=11(1),NRU=00(2),NRU=00(3)]。缺頁次數(shù)=1。*P2(引用):[1,2,-]->不缺頁。->[NRU=11(1),NRU=11(2),NRU=00(3)]。*P3(引用):[1,2,3]->不缺頁。->[NRU=11(1),NRU=11(2),NRU=11(3)]。*P4(引用):[1,2,4]->缺頁。遍歷：[11,11,11]->進(jìn)入循環(huán)，執(zhí)行抖動處理。隨機(jī)替換一個，假設(shè)替換P3。->[NRU=11(1),NRU=11(2),NRU=00(4)]。寫回P3？假設(shè)未修改。->缺頁次數(shù)=2。*P1(引用):[1,2,4]->不缺頁。->[NRU=11(1),NRU=11(2),NRU=11(4)]。