考研軟件工程2025年操作系統(tǒng)專項訓(xùn)練試卷（含答案）考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.下列關(guān)于進程與線程的描述中，正確的是________。A.進程是資源分配的基本單位，線程是CPU調(diào)度的基本單位B.進程擁有獨立的地址空間，線程共享進程的地址空間C.創(chuàng)建進程一定比創(chuàng)建線程開銷更大D.線程之間不能直接進行數(shù)據(jù)通信2.采用最短作業(yè)優(yōu)先（SJF）調(diào)度算法，平均等待時間最短，但可能造成________。A.響應(yīng)時間過長B.系統(tǒng)吞吐量降低C.優(yōu)先級反轉(zhuǎn)D.非公平調(diào)度3.下列內(nèi)存管理方式中，會產(chǎn)生外部碎片的是________。A.分頁管理B.分段管理C.固定分區(qū)分配D.可變分區(qū)分配4.下列頁面置換算法中，可能發(fā)生Belady異現(xiàn)象的是________。A.FIFOB.LRUC.OptimalD.Clock5.在操作系統(tǒng)中，用于實現(xiàn)進程同步的信號量機制中，P操作的含義是________。A.請求資源B.釋放資源C.喚醒進程D.檢查死鎖6.死鎖產(chǎn)生的四個必要條件中，不可能由系統(tǒng)設(shè)計或管理手段來破壞的是________。A.互斥條件B.請求與保持條件C.不剝奪條件D.循環(huán)等待條件7.虛擬內(nèi)存的主要目的是________。A.實現(xiàn)內(nèi)存保護B.提高內(nèi)存利用率C.擴大邏輯地址空間D.增強CPU處理速度8.文件系統(tǒng)中，允許文件共享，且可以實現(xiàn)多用戶同時訪問同一個文件的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常是________。A.單級目錄結(jié)構(gòu)B.雙級目錄結(jié)構(gòu)C.樹形目錄結(jié)構(gòu)D.網(wǎng)狀目錄結(jié)構(gòu)9.磁盤調(diào)度算法中，SCAN算法（電梯算法）的特點是________。A.總是優(yōu)先選擇距離當(dāng)前磁頭最近的請求B.磁頭沿一個方向掃描，直到該方向沒有更多請求，再反向掃描C.按照請求到達的先后順序服務(wù)D.總是優(yōu)先服務(wù)優(yōu)先級高的請求10.I/O控制方式中，程序查詢方式的主要缺點是________。A.系統(tǒng)開銷大B.中斷頻率高C.CPU利用率低D.數(shù)據(jù)傳輸速率慢二、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述進程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換的原因。2.簡述死鎖預(yù)防與死鎖避免的主要區(qū)別。3.簡述文件系統(tǒng)實現(xiàn)中，目錄結(jié)構(gòu)的作用。4.簡述中斷驅(qū)動I/O控制方式的基本工作過程。三、計算題（每題6分，共12分）1.假設(shè)有5個進程P0,P1,P2,P3,P4依次進入就緒隊列，系統(tǒng)按FCFS調(diào)度，每個進程的執(zhí)行時間為3個時間單位。計算平均周轉(zhuǎn)時間和帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間（設(shè)初始時刻為0）。2.設(shè)內(nèi)存塊為4個，頁面置換采用LRU算法。主存中已有頁面1,2,3。當(dāng)訪問序列為1,2,3,4,2,1,5,6,2時，計算缺頁次數(shù)。四、綜合應(yīng)用題（每題10分，共20分）1.假設(shè)一個系統(tǒng)中有三種資源A、B、C，資源數(shù)量分別為X、Y、Z?，F(xiàn)有三個進程P1、P2、P3正在運行，它們當(dāng)前占用的資源及最大需求如下表所示：|進程|已占用A|已占用B|已占用C|最大需求A|最大需求B|最大需求C||:---|:-------|:-------|:-------|:---------|:---------|:---------||P1|3|2|2|3|3|2||P2|2|0|1|3|1|2||P3|0|1|4|2|3|3|當(dāng)前系統(tǒng)可用資源數(shù)量為(1,2,2)。請根據(jù)銀行家算法，判斷系統(tǒng)是否處于安全狀態(tài)？若要保證系統(tǒng)安全，P3最少還需要獲得哪些資源？2.系統(tǒng)中有兩個并發(fā)執(zhí)行的進程P和Q。進程P需要執(zhí)行操作A和B，進程Q需要執(zhí)行操作C和D。為了確保數(shù)據(jù)的一致性，操作A必須在操作C之前完成，操作B必須在操作D之前完成。請設(shè)計一種使用信號量S1和S2的同步機制，確保上述操作順序要求得到滿足。---試卷答案一、單項選擇題1.A解析：進程是資源分配的基本單位，而線程是CPU調(diào)度的基本單位。進程擁有獨立的地址空間，而線程共享其所屬進程的地址空間。創(chuàng)建線程通常比創(chuàng)建進程開銷小。線程之間可以直接通過共享內(nèi)存進行通信。2.C解析：SJF算法雖然能保證平均等待時間最短，提高系統(tǒng)吞吐量，但由于優(yōu)先總是給最短作業(yè)，可能導(dǎo)致長作業(yè)等待時間過長，顯得不公平，尤其對長作業(yè)用戶不公平，這稱為饑餓（Starvation）或優(yōu)先級倒置（PriorityInversion）的問題。選項C描述的是優(yōu)先級倒置的一種情況。3.D解析：在可變分區(qū)分配方式下，內(nèi)存分配和回收時可能會產(chǎn)生不連續(xù)的小空閑塊，即外部碎片。分頁和分段管理將內(nèi)存劃分為固定大小的塊或邏輯單元，避免了外部碎片。固定分區(qū)分配雖然也可能產(chǎn)生碎片，但主要是內(nèi)部碎片。4.A解析：FIFO（先進先出）頁面置換算法在某些特定訪問序列下會發(fā)生Belady現(xiàn)象，即增加內(nèi)存塊數(shù)反而導(dǎo)致缺頁率升高。LRU、Optimal、Clock算法通常不會發(fā)生Belady現(xiàn)象。5.A解析：在信號量機制中，P操作（wait）是進程請求資源操作，當(dāng)進程P執(zhí)行P操作時，它會嘗試減少相應(yīng)信號量S的值。若S>0，則進程繼續(xù)執(zhí)行；若S<=0，則進程阻塞，并放入等待隊列。6.A解析：互斥條件是指資源不能被共享，必須由一個進程獨占。這個條件是資源本身的特性決定的，系統(tǒng)設(shè)計或管理手段通常無法改變資源的互斥屬性。其他三個條件（請求與保持、不剝奪、循環(huán)等待）都與資源分配策略和進程調(diào)度有關(guān)，可以通過系統(tǒng)設(shè)計來避免。7.C解析：虛擬內(nèi)存的主要目的是利用磁盤空間模擬擴展的內(nèi)存，從而使得系統(tǒng)能夠運行比實際物理內(nèi)存容量更大的程序，即擴大邏輯地址空間。提高內(nèi)存利用率、實現(xiàn)內(nèi)存保護和增強CPU處理速度也是虛擬內(nèi)存帶來的好處，但核心目的在于擴展邏輯地址空間。8.C解析：樹形目錄結(jié)構(gòu)（或稱多級目錄結(jié)構(gòu)）允許文件嵌套組織，通過完整的路徑名來標(biāo)識文件，天然支持文件的共享。系統(tǒng)可以通過路徑名解析機制，允許多個目錄下鏈接到同一個文件，從而實現(xiàn)多用戶同時訪問。9.B解析：SCAN算法（電梯算法）的工作方式是，磁頭從當(dāng)前所在位置開始，沿一個方向掃描，服務(wù)該方向上所有等待的請求，直到該方向沒有更多請求，然后改變方向，沿反方向掃描，服務(wù)反方向上的請求。這就像電梯在樓層間移動一樣。10.C解析：程序查詢方式下，CPU需要周期性地主動查詢I/O設(shè)備的狀態(tài)，以判斷是否準(zhǔn)備好進行數(shù)據(jù)傳輸。這種方式浪費了大量CPU時間在無效的查詢上，導(dǎo)致CPU利用率低。二、簡答題1.進程通常有三種基本狀態(tài)：就緒狀態(tài)（Ready）、運行狀態(tài)（Running）、阻塞狀態(tài)（Waiting/Blocked）。進程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換通常由以下事件觸發(fā)：①就緒態(tài)→運行態(tài)：當(dāng)就緒隊列中的進程被調(diào)度程序選中并獲得CPU時。②運行態(tài)→就緒態(tài)：當(dāng)前進程時間片用完或遇到中斷/系統(tǒng)調(diào)用時。③運行態(tài)→阻塞態(tài)：當(dāng)前進程需要等待某個事件（如I/O完成、等待資源）發(fā)生時。④阻塞態(tài)→就緒態(tài)：等待的事件發(fā)生，進程獲得所需資源或I/O完成時。2.死鎖預(yù)防與死鎖避免的主要區(qū)別在于出發(fā)點不同。死鎖預(yù)防是通過破壞死鎖產(chǎn)生的四個必要條件中的一個或多個，從系統(tǒng)設(shè)計上保證系統(tǒng)不會進入死鎖狀態(tài)。例如，采用資源有序分配法破壞循環(huán)等待條件。而死鎖避免則是允許死鎖發(fā)生，但通過某種策略來確保系統(tǒng)始終處于安全狀態(tài)，即在任何時刻，系統(tǒng)都存在一個資源分配序列，使得所有進程都能最終完成。銀行家算法是典型的死鎖避免算法。預(yù)防是主動阻止，避免是被動管理。3.文件系統(tǒng)中的目錄結(jié)構(gòu)用于有效地組織和管理文件。其主要作用包括：①實現(xiàn)文件的命名和識別，每個文件都有一個唯一的名稱。②支持文件的按名存取，用戶可以通過文件名訪問文件，而無需關(guān)心文件在存儲設(shè)備上的物理位置。③支持文件的共享，同一目錄下的文件可以被多個用戶訪問。④支持多級文件組織，文件可以嵌套存儲在子目錄中，形成樹狀結(jié)構(gòu)，方便管理和查找。4.中斷驅(qū)動I/O控制方式的基本工作過程如下：①當(dāng)I/O設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)進行傳輸或發(fā)生錯誤時，會向CPU發(fā)出中斷請求信號。②CPU在當(dāng)前指令執(zhí)行完畢后，響應(yīng)中斷請求，暫停當(dāng)前工作。③CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序（ISR），處理I/O設(shè)備的請求或錯誤。④ISR完成處理后，向CPU發(fā)出中斷結(jié)束信號。⑤CPU收到中斷結(jié)束信號后，恢復(fù)執(zhí)行被中斷的程序。這種方式下，CPU無需持續(xù)查詢設(shè)備狀態(tài)，大大提高了CPU的利用率。三、計算題1.平均周轉(zhuǎn)時間=(P0周轉(zhuǎn)時間+P1周轉(zhuǎn)時間+P2周轉(zhuǎn)時間+P3周轉(zhuǎn)時間+P4周轉(zhuǎn)時間)/5=(3+3+3+3+3)/5=15/5=3個時間單位。帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間=(P0帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間+P1帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間+P2帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間+P3帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間+P4帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間)/5=[(3-0)/3+(3-0)/3+(3-0)/3+(3-0)/3+(3-0)/3]/5=[1+1+1+1+1]/5=5/5=1。平均周轉(zhuǎn)時間=3，帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間=1。2.當(dāng)前內(nèi)存頁：1,2,3。訪問序列：1,2,3,4,2,1,5,6,2。缺頁序列：-1：已在內(nèi)存，不缺頁。-2：已在內(nèi)存，不缺頁。-3：已在內(nèi)存，不缺頁。-4：缺頁。內(nèi)存替換頁面1（LRU）。內(nèi)存：2,3,4。缺頁次數(shù)=1。-2：已在內(nèi)存，不缺頁。-1：缺頁。內(nèi)存替換頁面3（LRU）。內(nèi)存：2,4,1。缺頁次數(shù)=2。-5：缺頁。內(nèi)存替換頁面2（LRU）。內(nèi)存：4,1,5。缺頁次數(shù)=3。-6：缺頁。內(nèi)存替換頁面4（LRU）。內(nèi)存：1,5,6。缺頁次數(shù)=4。-2：缺頁。內(nèi)存替換頁面1（LRU）。內(nèi)存：5,6,2。缺頁次數(shù)=5。總?cè)表摯螖?shù)=5。四、綜合應(yīng)用題1.系統(tǒng)可用資源=(1,2,2)。計算每個進程還需要的資源（Max-Allocation）：P1:(3-3,3-2,2-2)=(0,1,0)P2:(3-2,1-0,2-1)=(1,1,1)P3:(2-0,3-1,3-4)=(2,2,-1)P3的最大需求大于可用資源，P3無法立即運行。檢查是否有安全序列：選擇一個安全的分配序列需要滿足：對于序列中每個進程Pi，(Available+Allocated[i])>=Need[i]。嘗試讓P1運行：Available+P1.Need=(1,2,2)+(0,1,0)=(1,3,2)。滿足(1>=0,3>=1,2>=0)。分配P1資源，Available變?yōu)?1,2,2)-(0,1,0)=(1,1,2)。檢查其他進程：-P2:(1,1,2)+(1,1,1)=(2,2,3)。滿足(2>=1,2>=1,3>=1)。分配P2資源，Available變?yōu)?1,1,2)-(1,1,1)=(0,0,1)。檢查其他進程：-P3:(0,0,1)+(2,2,-1)=(2,2,0)。滿足(2>=2,2>=2,0>=-1)。分配P3資源，Available變?yōu)?0,0,1)-(2,2,-1)=(-2,-2,2)。此時可用資源為負，表示P3無法安全運行。嘗試讓P2運行：Available+P2.Need=(1,2,2)+(1,1,1)=(2,3,3)。滿足(2>=1,3>=1,3>=1)。分配P2資源，Available變?yōu)?1,1,2)-(1,1,1)=(0,0,1)。檢查其他進程：-P1:(0,0,1)+(0,1,0)=(0,1,1)。滿足(0>=0,1>=1,1>=0)。分配P1資源，Available變?yōu)?0,0,1)-(0,1,0)=(-1,-1,1)。此時可用資源為負，表示P1無法安全運行。嘗試讓P3運行：Available+P3.Need=(1,2,2)+(2,2,-1)=(3,4,1)。滿足(3>=2,4>=3,1>=-1)。分配P3資源，Available變?yōu)?1,2,2)-(2,2,-1)=(-1,0,3)。此時可用資源為負，表示P3無法安全運行。由于無法找到一個包含所有進程的安全序列，系統(tǒng)可能處于不安全狀態(tài)。但是，根據(jù)銀行家算法，只要存在一個安全序列，系統(tǒng)就是安全的。上述嘗試表明P3單獨運行可能導(dǎo)致系統(tǒng)進入不安全狀態(tài)。要保證系統(tǒng)安全，需要確保在分配給P3之前，系統(tǒng)有足夠的可用資源滿足P3的需求以及其他進程的安全需求。當(dāng)前可用(1,2,2)，P3需要(2,2,-1)。如果系統(tǒng)需要保證P3能安全運行，那么在P3運行前，系統(tǒng)至少需要額外提供P3.Need=(2,2,-1)。即至少需要(3,4,1)的資源。但是當(dāng)前系統(tǒng)總資源為(X+1,Y+2,Z+2)，需要滿足X+1>=3,Y+2>=4,Z+2>=1。即X>=2,Y>=2,Z>=-1。由于Z必須為非負，所以Z>=1。同時，系統(tǒng)還需要滿足其他進程在可用資源增加后的安全狀態(tài)。結(jié)論是，當(dāng)前系統(tǒng)在(1,2,2)可用資源下，無法保證P3安全運行，系統(tǒng)處于不安全狀態(tài)。若要保證P3安全，可能需要增加系統(tǒng)總資源或推遲P3的運行。2.為了滿足A在C之前，B在D之前，可以使用兩個信號量S1和S2。初始化：S1=1,S2=0。進程P執(zhí)行：voidprocessP(){do{//執(zhí)行操作A//...}while(true);P1=S1;//進入操作A后，申請S1，若S1=0則阻塞，等待Q釋放S1do{//執(zhí)行操作B//...}while(true);V(S2);//執(zhí)行完B后，釋放S2}進程Q執(zhí)行：voidprocessQ(){do{P2=