2025年考研軟件工程操作系統(tǒng)試卷（含答案）考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、操作系統(tǒng)的基本特征有哪些？請簡述其中兩個特征及其對操作系統(tǒng)設(shè)計的影響。二、進程與線程有何區(qū)別？在哪些場景下使用線程比使用進程更具優(yōu)勢？三、描述進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的幾種基本狀態(tài)。當進程由運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)時，通常發(fā)生在何種情況？四、比較優(yōu)先級調(diào)度算法和輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法的特點。簡述優(yōu)先級調(diào)度可能帶來的問題以及相應(yīng)的解決方案。五、分頁機制和分段機制在實現(xiàn)內(nèi)存管理方面各有何優(yōu)缺點？簡述分段機制如何解決外部碎片問題。六、虛擬內(nèi)存是什么？它如何幫助克服物理內(nèi)存的限制？簡述頁面置換算法的基本思想，并說明FIFO頁面置換算法的潛在缺點。七、文件系統(tǒng)需要實現(xiàn)哪些基本功能？簡述索引節(jié)點（Inode）在文件系統(tǒng)中的作用。八、解釋什么是磁盤調(diào)度。比較FCFS調(diào)度算法和SSTF調(diào)度算法，說明SSTF算法可能帶來的問題。九、設(shè)備管理中引入緩沖機制的主要原因是什么？簡述緩沖池的工作原理及其優(yōu)缺點。十、什么是死鎖？請列舉產(chǎn)生死鎖的四個必要條件。簡述預(yù)防死鎖、避免死鎖、檢測與解除死鎖三種策略中的任意一種。十一、某計算機系統(tǒng)有5臺打印機，現(xiàn)有3個進程需要使用打印機，每個進程最多需要使用2臺。請設(shè)計一種資源分配策略，避免死鎖的發(fā)生。十二、操作系統(tǒng)提供了哪些系統(tǒng)調(diào)用接口供用戶程序訪問系統(tǒng)資源？請舉例說明兩種不同類型的系統(tǒng)調(diào)用。十三、解釋虛擬機（VM）和容器（Container）的基本概念。比較兩者在資源開銷、啟動速度和系統(tǒng)隔離方面有何不同。試卷答案一、操作系統(tǒng)的基本特征包括：并發(fā)、共享、虛擬、異步。其中，并發(fā)是指多個進程宏觀上同時運行，微觀上交替執(zhí)行；共享是指系統(tǒng)資源被多個進程共同使用。并發(fā)和共享特性使得操作系統(tǒng)需要提供進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、I/O等功能，并需要解決資源分配和進程同步互斥問題，對設(shè)計提出了復(fù)雜性和并發(fā)控制的要求。二、進程是資源分配的基本單位，擁有獨立的地址空間和系統(tǒng)資源；線程是CPU調(diào)度的基本單位，多個線程共享所屬進程的地址空間和資源。使用線程的優(yōu)勢在于：創(chuàng)建和銷毀的開銷小，切換速度快，能更好地實現(xiàn)并發(fā)（尤其在一個地址空間內(nèi)），提高程序響應(yīng)性和系統(tǒng)吞吐量。三、進程的基本狀態(tài)有：運行狀態(tài)、就緒狀態(tài)、阻塞狀態(tài)（或等待狀態(tài)）。進程由運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)，通常發(fā)生在以下情況：時間片用完（在采用時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度時）、進程執(zhí)行了暫停（sleep）或等待I/O操作完成時，CPU被更高優(yōu)先級的進程搶占時等。四、優(yōu)先級調(diào)度算法根據(jù)進程優(yōu)先級分配CPU，優(yōu)先級高的進程優(yōu)先獲得CPU。其特點是能保證高優(yōu)先級進程的響應(yīng)，但可能導(dǎo)致低優(yōu)先級進程饑餓（即長時間得不到CPU）。輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法（RoundRobin）將就緒進程按FCFS原則排成隊，每次讓隊首進程執(zhí)行一個時間片，時間片用完則讓出CPU。其特點是各進程公平共享CPU，但平均等待時間可能較長。優(yōu)先級調(diào)度可能帶來的問題是饑餓，解決方案包括：采用優(yōu)先級提升策略（讓低優(yōu)先級進程運行時間過長后提升其優(yōu)先級）、確保所有進程最終都能獲得CPU時間（如最小優(yōu)先級算法）。五、分頁機制將邏輯地址空間劃分成大小相等的頁，物理地址空間劃分成大小相等的頁框，通過頁表進行地址映射。優(yōu)點是消除了外部碎片（因為物理內(nèi)存分配是以頁框為單位），實現(xiàn)了邏輯地址到物理地址的動態(tài)映射。缺點是引入了內(nèi)部碎片（分配給進程的最后一個頁框可能未完全利用），且頁表本身會消耗內(nèi)存空間。分段機制按邏輯意義劃分地址空間（如代碼段、數(shù)據(jù)段），段長可變。優(yōu)點是符合程序的邏輯結(jié)構(gòu)，便于保護與共享（按段保護與共享），也消除了外部碎片。解決外部碎片問題通常通過“拼接”（Coalescing）或“移動”（Compaction）等技術(shù)，即將相鄰的空閑碎片合并成一個較大的空閑區(qū)域。六、虛擬內(nèi)存是一種讓用戶感覺擁有比實際物理內(nèi)存更大的內(nèi)存容量的技術(shù)。它通過使用輔助存儲器（如硬盤）來擴展主存空間，將部分不常用的內(nèi)存內(nèi)容暫時移出到輔助存儲器，從而為當前需要運行的程序提供更大的地址空間?；舅枷胧菍⑦M程的地址空間與物理內(nèi)存分開，由操作系統(tǒng)負責將地址空間中的部分內(nèi)容映射到物理內(nèi)存中，當需要時再進行換入換出。頁面置換算法用于決定當物理內(nèi)存不足，需要運行新頁面或置換舊頁面時，選擇哪個頁面進行置換。FIFO（先進先出）算法按頁面進入內(nèi)存的先后順序進行置換，其潛在缺點是可能產(chǎn)生Belady異常，即增加物理內(nèi)存容量反而導(dǎo)致缺頁率升高。七、文件系統(tǒng)需要實現(xiàn)的基本功能包括：文件創(chuàng)建與刪除、文件讀寫、文件目錄管理、文件共享與保護、文件存儲管理（空間分配與回收）等。索引節(jié)點（Inode）是文件系統(tǒng)中的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它不存儲文件名或文件內(nèi)容，而是存儲了與文件相關(guān)的元信息，如文件類型、權(quán)限、所有者、數(shù)據(jù)塊在磁盤上的地址、文件大小等。操作系統(tǒng)通過讀取Inode來獲取文件信息，并進行文件操作。八、磁盤調(diào)度是指決定磁盤臂（頭）移動順序和訪問磁盤上不同cylinder、track、sector的策略，目的是減少磁頭移動距離，提高磁盤I/O效率。FCFS（先來先服務(wù)）算法按請求到達的順序服務(wù)，簡單但可能效率低下，特別是當多個請求集中在磁盤的一小部分區(qū)域時，磁頭需要來回移動很遠。SSTF（最短尋找時間優(yōu)先）算法總是選擇當前磁頭移動距離最近的請求先服務(wù)。SSTF算法的優(yōu)點是能快速響應(yīng)請求，減少平均尋道時間。潛在問題是可能引發(fā)“饑餓”（Starvation），即某個距離當前磁頭較遠的請求可能長時間得不到服務(wù)。九、設(shè)備管理中引入緩沖機制的主要原因是：緩和CPU與I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，提高CPU和I/O設(shè)備的利用率，平滑I/O請求的峰值，提高系統(tǒng)吞吐量。緩沖池工作原理：設(shè)置一個或多個緩沖區(qū)，當CPU需要讀寫數(shù)據(jù)時，若緩沖區(qū)空閑則直接在緩沖區(qū)操作；若緩沖區(qū)忙，則CPU或I/O進程需要等待。緩沖區(qū)可按固定緩沖區(qū)（FIFO緩沖隊列）或可變緩沖區(qū)（緩沖池）方式管理。優(yōu)點是能提高CPU和設(shè)備利用率，改善系統(tǒng)性能。缺點是增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，且緩沖區(qū)數(shù)量有限，可能無法完全解決速度不匹配問題，且存在緩沖區(qū)分配和同步問題。十、死鎖是指兩個或多個進程在執(zhí)行過程中，因爭奪資源而造成的一種相互等待對方資源而又不能得到對方資源，導(dǎo)致所有相關(guān)進程都停滯不前的一種狀態(tài)。產(chǎn)生死鎖的四個必要條件是：互斥（Mutex）——資源不能被共享，一次只有一個進程可以使用；占有并等待（HoldandWait）——進程至少占有一個資源，并請求其他進程占有的資源；非搶占（NoPreemption）——資源不能被強制剝奪，只能由占有它的進程自愿釋放；循環(huán)等待（CircularWait）——存在一個進程資源的循環(huán)等待鏈，每個進程等待下一個進程占有的資源。預(yù)防死鎖策略是通過破壞死鎖的四個必要條件之一來實現(xiàn)。例如，破壞“占有并等待”條件，要求進程申請所有所需資源后再開始執(zhí)行；破壞“循環(huán)等待”條件，規(guī)定所有進程按資源編號順序申請資源。十一、一種避免死鎖的資源分配策略是采用資源分配圖并檢查是否形成環(huán)路。系統(tǒng)初始狀態(tài)不應(yīng)形成環(huán)路。當前狀態(tài)若要分配資源給進程P，需進行“安全性檢查”：模擬資源分配，判斷系統(tǒng)是否會進入一個安全狀態(tài)（存在一個進程執(zhí)行序列，每個進程在獲得所需全部資源后執(zhí)行完成，并釋放所有資源，最終所有進程都能完成）。如果安全，則允許分配；否則，拒絕分配，進程P需等待。具體到本例：初始狀態(tài)，資源=5（打印機），進程=3（P1,P2,P3），每個進程最多需2臺。可以按以下順序分配：先給P1分配1臺，P1就緒。然后給P2分配1臺，P2就緒。此時P1和P2各占1臺，還剩3臺。檢查P1和P2是否都能獲得剩余資源（各需1臺）：可以，系統(tǒng)進入安全狀態(tài)（P1完成釋放2臺，P2完成釋放2臺，P3獲得全部資源完成）。此時可以給P3分配2臺。P3完成釋放2臺。最終所有進程完成，未發(fā)生死鎖。另一種策略是設(shè)置最大需求限制，例如規(guī)定每個進程最多只能同時使用1.5臺打印機（系統(tǒng)有5臺，3個進程最多占用4.5臺，不超過5臺），這樣總能保證有資源分配給就緒進程。十二、操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用接口供用戶程序訪問系統(tǒng)資源，是用戶程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核之間的橋梁。系統(tǒng)調(diào)用類型多樣，按功能可分為：進程管理類（創(chuàng)建、終止、同步等）、文件系統(tǒng)類（打開、關(guān)閉、讀、寫、創(chuàng)建等）、設(shè)備管理類（請求分配、釋放設(shè)備、啟動設(shè)備等）、進程通信類（管道、消息隊列、共享內(nèi)存等）、信息維護類（時間設(shè)置、錯誤檢測等）。例如，`open()`和`read()`是文件系統(tǒng)類系統(tǒng)調(diào)用，分別用于打開文件和讀取文件內(nèi)容。十三、虛擬機（VM）是在物理硬件之上運行的一個軟件層（Hypervisor），它模擬了完整的硬件環(huán)境（CPU、內(nèi)存、磁盤、網(wǎng)絡(luò)接口等），可以在一個物理主機上運行多個相互獨立的客戶操作系統(tǒng)，每個客戶操作系統(tǒng)都認為自己獨占了整個硬件。容器（Container）是一種輕量級的虛擬化技術(shù)，