計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)測(cè)試2025年卷考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、操作系統(tǒng)中的“死鎖”是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程在執(zhí)行過程中，因爭(zhēng)奪資源而造成的一種相互等待的現(xiàn)象，若無外力作用，這些進(jìn)程都將無法向前推進(jìn)。請(qǐng)判斷下列關(guān)于死鎖的敘述是否正確，并簡(jiǎn)要說明理由。1.死鎖產(chǎn)生的必要條件包括互斥、占有并等待、非搶占和循環(huán)等待。2.死鎖與饑餓（Starvation）是同一個(gè)概念。3.使用資源剝奪法可以預(yù)防死鎖。4.死鎖避免算法與死鎖預(yù)防算法在實(shí)現(xiàn)上沒有本質(zhì)區(qū)別。二、簡(jiǎn)述進(jìn)程與線程的區(qū)別與聯(lián)系。三、說明操作系統(tǒng)提供哪些機(jī)制來管理進(jìn)程間的通信（IPC）？請(qǐng)列舉至少三種常見的IPC機(jī)制。四、什么是虛擬內(nèi)存？采用虛擬內(nèi)存技術(shù)主要解決了操作系統(tǒng)的哪些問題？簡(jiǎn)述頁(yè)式虛擬內(nèi)存管理的基本原理。五、解釋“時(shí)間片輪轉(zhuǎn)”調(diào)度算法的基本思想。在采用該算法時(shí)，如何衡量其性能？請(qǐng)簡(jiǎn)述至少兩種影響其性能的關(guān)鍵因素。六、在單道程序系統(tǒng)環(huán)境下，為什么需要使用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序？設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要功能是什么？七、文件系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)哪些基本功能？請(qǐng)簡(jiǎn)述文件共享和文件保護(hù)通常采用哪些方法。八、假設(shè)某系統(tǒng)中有3個(gè)進(jìn)程P0、P1、P2，它們各自需要請(qǐng)求4、3、2個(gè)資源R。系統(tǒng)當(dāng)前可供分配的資源數(shù)量為6個(gè)。請(qǐng)檢查當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)是否存在死鎖。如果不存在死鎖，系統(tǒng)是否可以安全地執(zhí)行所有進(jìn)程？請(qǐng)說明理由（無需列出安全序列，只需說明是否可能）。九、解釋什么是“抖動(dòng)”（Thrashing）。在發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的性能通常會(huì)表現(xiàn)出什么特點(diǎn)？簡(jiǎn)要說明操作系統(tǒng)可以采取哪些措施來緩解抖動(dòng)現(xiàn)象。十、進(jìn)程P1和P2需要按以下順序訪問共享變量data：P1需要先讀data，然后寫data；P2需要先寫data，然后讀data。如果僅使用Test-and-Swap（或Compare-and-Swap）指令，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的同步機(jī)制（如使用信號(hào)量或偽代碼描述），確保data的訪問是正確的，防止出現(xiàn)競(jìng)態(tài)條件。試卷答案一、1.錯(cuò)誤。死鎖產(chǎn)生的必要條件是互斥、占有并等待、非搶占和循環(huán)等待。敘述中“占有并等待”對(duì)應(yīng)正確，“非搶占”對(duì)應(yīng)正確，“循環(huán)等待”對(duì)應(yīng)正確。但互斥是死鎖產(chǎn)生的必要條件之一，缺少了互斥前提，其他條件無法導(dǎo)致死鎖。因此該敘述整體為錯(cuò)誤。2.錯(cuò)誤。死鎖是指多個(gè)進(jìn)程因爭(zhēng)奪資源而陷入相互等待，無法繼續(xù)執(zhí)行的狀態(tài)。饑餓是指一個(gè)進(jìn)程因長(zhǎng)期無法獲得所需資源而無法執(zhí)行，即使系統(tǒng)中有可用資源。死鎖是多個(gè)進(jìn)程的交互行為，而饑餓通常是一個(gè)進(jìn)程單獨(dú)的問題。兩者概念不同。3.正確。資源剝奪法通過強(qiáng)制剝奪某個(gè)或某些進(jìn)程占有的資源，分配給其他進(jìn)程，從而打破循環(huán)等待條件，是預(yù)防死鎖的一種方法。4.錯(cuò)誤。死鎖避免算法（如銀行家算法）通過資源分配前的檢查，確保系統(tǒng)始終處于安全狀態(tài)，從而避免死鎖的發(fā)生。而死鎖預(yù)防算法通過破壞死鎖產(chǎn)生的必要條件之一（如采用資源一次性申請(qǐng)、資源剝奪或不可搶占等策略），從根本上避免死鎖的產(chǎn)生。兩者在實(shí)現(xiàn)原理和目標(biāo)上存在本質(zhì)區(qū)別。二、進(jìn)程是操作系統(tǒng)中資源分配和調(diào)度的基本單位，擁有獨(dú)立的地址空間和系統(tǒng)資源（如打開的文件、擁有的信號(hào)量等）。進(jìn)程的切換通常涉及上下文切換，開銷較大。線程是進(jìn)程中的一個(gè)執(zhí)行單元，是CPU調(diào)度的基本單位。線程共享其所屬進(jìn)程的地址空間和資源，切換開銷較小。線程主要用于提高程序的并發(fā)執(zhí)行能力。進(jìn)程可以包含多個(gè)線程。兩者聯(lián)系在于，線程是進(jìn)程的一部分，進(jìn)程是線程的容器。三、操作系統(tǒng)管理進(jìn)程間通信（IPC）的機(jī)制主要有：1.管道（Pipe）:用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間單向通信，數(shù)據(jù)以字節(jié)流形式傳輸。2.消息隊(duì)列（MessageQueue）:允許多個(gè)進(jìn)程讀寫同一消息隊(duì)列，實(shí)現(xiàn)異步通信，消息具有類型和優(yōu)先級(jí)。3.共享內(nèi)存（SharedMemory）:允許多個(gè)進(jìn)程共享同一塊內(nèi)存區(qū)域，通信效率高，但需要自行同步。4.信號(hào)量（Semaphore）:主要用于進(jìn)程同步，也可以用于進(jìn)程間通信（如經(jīng)典的生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題）。5.信號(hào)（Signal）:用于發(fā)送異步通知，通常用于處理異步事件或進(jìn)程間簡(jiǎn)單的交互。四、虛擬內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的一種內(nèi)存管理技術(shù)，它將邏輯地址空間（虛擬地址）與物理地址空間（物理地址）分開，使得每個(gè)進(jìn)程都有地址空間上的連續(xù)性，而物理內(nèi)存則可以是不連續(xù)且被多個(gè)進(jìn)程共享的。采用虛擬內(nèi)存主要解決了：1.內(nèi)存容量限制:使得程序可以使用的地址空間遠(yuǎn)大于實(shí)際物理內(nèi)存大小。2.內(nèi)存碎片問題:將不連續(xù)的物理內(nèi)存分配給進(jìn)程，減少了外部碎片。3.內(nèi)存保護(hù):為每個(gè)進(jìn)程提供獨(dú)立的地址空間，防止進(jìn)程間互相干擾。頁(yè)式虛擬內(nèi)存管理的基本原理是：將進(jìn)程的邏輯地址空間和物理內(nèi)存空間都劃分成固定大小的塊，邏輯塊稱為“頁(yè)”（Page），物理塊稱為“頁(yè)框”（Frame）。操作系統(tǒng)通過頁(yè)表（PageTable）將進(jìn)程的邏輯頁(yè)映射到物理頁(yè)框上。當(dāng)進(jìn)程訪問的邏輯頁(yè)不在物理內(nèi)存中時(shí)，發(fā)生缺頁(yè)中斷，操作系統(tǒng)將所需的頁(yè)從磁盤調(diào)入內(nèi)存（可能需要替換已有頁(yè)）。CPU通過頁(yè)表查找機(jī)制，將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址。五、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（RoundRobin）調(diào)度算法的基本思想是：將所有就緒進(jìn)程按FCFS原則排成一個(gè)隊(duì)列，調(diào)度程序每次從隊(duì)列中選擇隊(duì)首進(jìn)程，讓其占用CPU一個(gè)固定的時(shí)間片（TimeQuantum）。時(shí)間片用完后，若進(jìn)程仍未執(zhí)行完畢，則將其移至就緒隊(duì)列末尾，并重新將隊(duì)首進(jìn)程調(diào)度執(zhí)行。如果進(jìn)程在時(shí)間片內(nèi)阻塞（如等待I/O），則立即切換到另一個(gè)就緒進(jìn)程執(zhí)行。衡量時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法性能的主要指標(biāo)是時(shí)間片大小。時(shí)間片過大，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程周轉(zhuǎn)時(shí)間變長(zhǎng)，系統(tǒng)吞吐量下降（因?yàn)槊總€(gè)進(jìn)程需要更長(zhǎng)時(shí)間才能完成）。時(shí)間片過小，會(huì)增加上下文切換的頻率，增加系統(tǒng)開銷，降低效率。影響其性能的關(guān)鍵因素還包括：1.進(jìn)程的平均CPUBurstLength:CPU密集型進(jìn)程對(duì)時(shí)間片大小不敏感，I/O密集型進(jìn)程希望時(shí)間片較小以便盡快阻塞。2.進(jìn)程數(shù)量:進(jìn)程數(shù)過多時(shí)，即使時(shí)間片較小，上下文切換開銷也會(huì)顯著增加。3.上下文切換開銷:開銷越小，采用較小時(shí)間片時(shí)性能越好。六、在單道程序系統(tǒng)環(huán)境下（即系統(tǒng)同時(shí)只能運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程），CPU是唯一的處理資源。如果此時(shí)沒有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，操作系統(tǒng)將無法直接控制和管理各種硬件設(shè)備（如磁盤、顯示器、鍵盤等）。應(yīng)用程序無法通過操作系統(tǒng)提供的統(tǒng)一接口（如系統(tǒng)調(diào)用）來請(qǐng)求和執(zhí)行對(duì)硬件的操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)與硬件之間的橋梁，它實(shí)現(xiàn)了設(shè)備特有的操作細(xì)節(jié)，將硬件的操作轉(zhuǎn)換為操作系統(tǒng)可識(shí)別的接口，使得操作系統(tǒng)能夠管理設(shè)備資源，并為應(yīng)用程序提供訪問設(shè)備的統(tǒng)一方式。其主要功能包括：設(shè)備初始化和關(guān)閉、處理設(shè)備中斷、執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序命令、管理設(shè)備隊(duì)列、實(shí)現(xiàn)設(shè)備與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。七、文件系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的基本功能包括：1.文件創(chuàng)建與刪除:提供創(chuàng)建新文件、刪除現(xiàn)有文件的功能。2.文件讀寫:提供讀寫文件內(nèi)容的功能。3.文件目錄管理:管理文件的命名、屬性和指向文件數(shù)據(jù)塊的信息。4.文件空間管理:管理磁盤空間的使用，分配和回收磁盤塊。5.文件保護(hù):防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和修改。文件共享通常采用的方法有：1.利用操作系統(tǒng)提供的共享機(jī)制:如使用信號(hào)量（Semaphore）實(shí)現(xiàn)文件鎖，或利用系統(tǒng)調(diào)用（如Unix的`open`系統(tǒng)調(diào)用中的`O_SHLOCK`/`O_EXLOCK`）進(jìn)行文件加鎖。2.命名文件（SymbolicLinks）:允許多個(gè)路徑名指向同一個(gè)文件。3.網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）:在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下共享文件。文件保護(hù)通常采用的方法有：1.訪問控制列表（ACL）:為文件或目錄指定哪些用戶或組可以執(zhí)行哪些操作（讀、寫、執(zhí)行）。2.權(quán)限位（ModeBits）:（如Unix中的rwx權(quán)限）設(shè)置文件所有者、所屬組和其他用戶的權(quán)限。3.文件加密:對(duì)文件內(nèi)容進(jìn)行加密，即使被非法訪問也無法理解。八、檢查死鎖：系統(tǒng)可用資源=6，進(jìn)程請(qǐng)求=P0(4),P1(3),P2(2)。總需求=4+3+2=9>可用資源=6，因此不可能所有進(jìn)程同時(shí)獲得所需資源。當(dāng)前無進(jìn)程在運(yùn)行，所以無進(jìn)程占有資源。檢查是否存在死鎖循環(huán)：需要看是否存在一個(gè)進(jìn)程集合{P0,P1,P2}，其中每個(gè)進(jìn)程P[i]等待的資源R[i]被集合中另一個(gè)進(jìn)程P[j]占有。P0需要4個(gè)R，P1需要3個(gè)R，P2需要2個(gè)R。系統(tǒng)只有6個(gè)R。*假設(shè)P0占有部分R，P1占有部分R，P2占有部分R，它們互相等待對(duì)方占有的R，形成循環(huán)。例如，P0占1個(gè)R，等待P1占的3個(gè)R；P1占2個(gè)R，等待P2占的2個(gè)R；P2占3個(gè)R，等待P0占的1個(gè)R。這種狀態(tài)是可能存在的（只要各進(jìn)程占有的R加上它們各自需要的R不超過6個(gè)）。因此，當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)可能存在死鎖。檢查是否可以安全執(zhí)行：根據(jù)銀行家算法，需要找到一個(gè)安全序列{P0,P1,P2}。假設(shè)安全序列為{P0,P1,P2}：初始狀態(tài)：可用=6，P0需=4，P1需=3，P2需=2。1.安排P0：P0最多還需要4個(gè)R，可用資源6>=4，可以分配。P0完成，釋放資源4?？捎米?yōu)?+4=10。2.安排P1：P1最多還需要3個(gè)R，可用資源10>=3，可以分配。P1完成，釋放資源3。可用變?yōu)?0+3=13。3.安排P2：P2最多還需要2個(gè)R，可用資源13>=2，可以分配。P2完成，釋放資源2?？捎米?yōu)?3+2=15。序列{P0,P1,P2}是一個(gè)安全序列。因此，系統(tǒng)可以安全地執(zhí)行所有進(jìn)程。九、抖動(dòng)（Thrashing）是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)存頁(yè)面在高速緩存和主存之間頻繁地來回移動(dòng)的現(xiàn)象。這通常發(fā)生在虛擬內(nèi)存系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)分配給進(jìn)程的可用物理頁(yè)框數(shù)量不足以滿足其運(yùn)行需求時(shí)（即系統(tǒng)處于“瓶頸”狀態(tài)）。導(dǎo)致進(jìn)程頻繁發(fā)生缺頁(yè)中斷，操作系統(tǒng)不斷在進(jìn)程之間切換，試圖將所需頁(yè)調(diào)入內(nèi)存，但由于可用頁(yè)框稀缺，剛調(diào)入的頁(yè)很快又被其他進(jìn)程的缺頁(yè)所置換出去，導(dǎo)致CPU大部分時(shí)間都花在處理缺頁(yè)中斷和上下文切換上，而真正用于執(zhí)行用戶指令的時(shí)間極少，系統(tǒng)整體性能急劇下降，用戶感覺系統(tǒng)運(yùn)行極慢。發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的性能特點(diǎn)表現(xiàn)為：*CPU利用率可能很高，但大部分時(shí)間用于無效的頁(yè)面調(diào)度和上下文切換，而非有用計(jì)算。*系統(tǒng)吞吐量顯著下降。*命中率（PageHitRate）非常低。*用戶感覺響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，系統(tǒng)不穩(wěn)定。緩解抖動(dòng)現(xiàn)象的措施包括：1.增加物理內(nèi)存容量。2.減少進(jìn)程數(shù)量，或?yàn)檫M(jìn)程分配更少的虛擬內(nèi)存大小（減慢抖動(dòng)速度但可能影響性能）。3.調(diào)整頁(yè)面大小（在一定范圍內(nèi)增大頁(yè)面可能減少頁(yè)面置換次數(shù)）。4.優(yōu)化頁(yè)面置換算法（選擇合適的算法可能減少抖動(dòng)）。5.減少進(jìn)程對(duì)內(nèi)存的隨機(jī)訪問模式，采用更連續(xù)的訪問方式。十、使用信號(hào)量機(jī)制：定義信號(hào)量S=1，表示data目前可用（未被P1或P2修改）。P1:wait(S);//P1獲取S，S減為0，表示data被占用read(data);//讀取datasignal(S);//P1釋放S，S加為1，表示data可用wait(S);//P1再次獲取S，確保在寫之前data未被P2修改write(data);//寫入datasignal(S);//P1釋放S，表示data已寫入完成P2:wait(S);//P2獲取S，S減為0，表示data被占用write(data);//寫入datasignal(S);//P2釋放S，S加為1，表示data可用wait(S);//P2再次獲取S，確保在讀之前data未被P1修改read(data);//讀取data（注意：此方案假設(shè)信號(hào)量wait和signal是原子操作。）使用Test-and-Swap（CAS）偽代碼：定義共享變量data和lock_bit（初始為0）。P1:lock();//while(lock_bit!=0){/*busy-wait*/}read(data);//讀取datalock();//while(lock_bit!=0){/*busy-wait*/}write(data);//寫入dataP2:lock();//while(lock_bit!=0){/*busy-wait*/}write(data);//寫入datalock();//while(lock_b