考研软件工程2025年操作系统专项训练试卷（含答案）

考研软件工程2025年操作系统专项训练试卷（含答案）考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列关于进程与线程的描述中，正确的是________。A.进程是资源分配的基本单位，线程是CPU调度的基本单位B.进程拥有独立的地址空间，线程共享进程的地址空间C.创建进程一定比创建线程开销更大D.线程之间不能直接进行数据通信2.采用最短作业优先（SJF）调度算法，平均等待时间最短，但可能造成________。A.响应时间过长B.系统吞吐量降低C.优先级反转D.非公平调度3.下列内存管理方式中，会产生外部碎片的是________。A.分页管理B.分段管理C.固定分区分配D.可变分区分配4.下列页面置换算法中，可能发生Belady异现象的是________。A.FIFOB.LRUC.OptimalD.Clock5.在操作系统中，用于实现进程同步的信号量机制中，P操作的含义是________。A.请求资源B.释放资源C.唤醒进程D.检查死锁6.死锁产生的四个必要条件中，不可能由系统设计或管理手段来破坏的是________。A.互斥条件B.请求与保持条件C.不剥夺条件D.循环等待条件7.虚拟内存的主要目的是________。A.实现内存保护B.提高内存利用率C.扩大逻辑地址空间D.增强CPU处理速度8.文件系统中，允许文件共享，且可以实现多用户同时访问同一个文件的文件系统结构通常是________。A.单级目录结构B.双级目录结构C.树形目录结构D.网状目录结构9.磁盘调度算法中，SCAN算法（电梯算法）的特点是________。A.总是优先选择距离当前磁头最近的请求B.磁头沿一个方向扫描，直到该方向没有更多请求，再反向扫描C.按照请求到达的先后顺序服务D.总是优先服务优先级高的请求10.I/O控制方式中，程序查询方式的主要缺点是________。A.系统开销大B.中断频率高C.CPU利用率低D.数据传输速率慢二、简答题（每题5分，共20分）1.简述进程状态及其转换的原因。2.简述死锁预防与死锁避免的主要区别。3.简述文件系统实现中，目录结构的作用。4.简述中断驱动I/O控制方式的基本工作过程。三、计算题（每题6分，共12分）1.假设有5个进程P0,P1,P2,P3,P4依次进入就绪队列，系统按FCFS调度，每个进程的执行时间为3个时间单位。计算平均周转时间和带权周转时间（设初始时刻为0）。2.设内存块为4个，页面置换采用LRU算法。主存中已有页面1,2,3。当访问序列为1,2,3,4,2,1,5,6,2时，计算缺页次数。四、综合应用题（每题10分，共20分）1.假设一个系统中有三种资源A、B、C，资源数量分别为X、Y、Z。现有三个进程P1、P2、P3正在运行，它们当前占用的资源及最大需求如下表所示：|进程|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|当前系统可用资源数量为(1,2,2)。请根据银行家算法，判断系统是否处于安全状态？若要保证系统安全，P3最少还需要获得哪些资源？2.系统中有两个并发执行的进程P和Q。进程P需要执行操作A和B，进程Q需要执行操作C和D。为了确保数据的一致性，操作A必须在操作C之前完成，操作B必须在操作D之前完成。请设计一种使用信号量S1和S2的同步机制，确保上述操作顺序要求得到满足。---试卷答案一、单项选择题1.A解析：进程是资源分配的基本单位，而线程是CPU调度的基本单位。进程拥有独立的地址空间，而线程共享其所属进程的地址空间。创建线程通常比创建进程开销小。线程之间可以直接通过共享内存进行通信。2.C解析：SJF算法虽然能保证平均等待时间最短，提高系统吞吐量，但由于优先总是给最短作业，可能导致长作业等待时间过长，显得不公平，尤其对长作业用户不公平，这称为饥饿（Starvation）或优先级倒置（PriorityInversion）的问题。选项C描述的是优先级倒置的一种情况。3.D解析：在可变分区分配方式下，内存分配和回收时可能会产生不连续的小空闲块，即外部碎片。分页和分段管理将内存划分为固定大小的块或逻辑单元，避免了外部碎片。固定分区分配虽然也可能产生碎片，但主要是内部碎片。4.A解析：FIFO（先进先出）页面置换算法在某些特定访问序列下会发生Belady现象，即增加内存块数反而导致缺页率升高。LRU、Optimal、Clock算法通常不会发生Belady现象。5.A解析：在信号量机制中，P操作（wait）是进程请求资源操作，当进程P执行P操作时，它会尝试减少相应信号量S的值。若S>0，则进程继续执行；若S<=0，则进程阻塞，并放入等待队列。6.A解析：互斥条件是指资源不能被共享，必须由一个进程独占。这个条件是资源本身的特性决定的，系统设计或管理手段通常无法改变资源的互斥属性。其他三个条件（请求与保持、不剥夺、循环等待）都与资源分配策略和进程调度有关，可以通过系统设计来避免。7.C解析：虚拟内存的主要目的是利用磁盘空间模拟扩展的内存，从而使得系统能够运行比实际物理内存容量更大的程序，即扩大逻辑地址空间。提高内存利用率、实现内存保护和增强CPU处理速度也是虚拟内存带来的好处，但核心目的在于扩展逻辑地址空间。8.C解析：树形目录结构（或称多级目录结构）允许文件嵌套组织，通过完整的路径名来标识文件，天然支持文件的共享。系统可以通过路径名解析机制，允许多个目录下链接到同一个文件，从而实现多用户同时访问。9.B解析：SCAN算法（电梯算法）的工作方式是，磁头从当前所在位置开始，沿一个方向扫描，服务该方向上所有等待的请求，直到该方向没有更多请求，然后改变方向，沿反方向扫描，服务反方向上的请求。这就像电梯在楼层间移动一样。10.C解析：程序查询方式下，CPU需要周期性地主动查询I/O设备的状态，以判断是否准备好进行数据传输。这种方式浪费了大量CPU时间在无效的查询上，导致CPU利用率低。二、简答题1.进程通常有三种基本状态：就绪状态（Ready）、运行状态（Running）、阻塞状态（Waiting/Blocked）。进程状态之间的转换通常由以下事件触发：①就绪态→运行态：当就绪队列中的进程被调度程序选中并获得CPU时。②运行态→就绪态：当前进程时间片用完或遇到中断/系统调用时。③运行态→阻塞态：当前进程需要等待某个事件（如I/O完成、等待资源）发生时。④阻塞态→就绪态：等待的事件发生，进程获得所需资源或I/O完成时。2.死锁预防与死锁避免的主要区别在于出发点不同。死锁预防是通过破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或多个，从系统设计上保证系统不会进入死锁状态。例如，采用资源有序分配法破坏循环等待条件。而死锁避免则是允许死锁发生，但通过某种策略来确保系统始终处于安全状态，即在任何时刻，系统都存在一个资源分配序列，使得所有进程都能最终完成。银行家算法是典型的死锁避免算法。预防是主动阻止，避免是被动管理。3.文件系统中的目录结构用于有效地组织和管理文件。其主要作用包括：①实现文件的命名和识别，每个文件都有一个唯一的名称。②支持文件的按名存取，用户可以通过文件名访问文件，而无需关心文件在存储设备上的物理位置。③支持文件的共享，同一目录下的文件可以被多个用户访问。④支持多级文件组织，文件可以嵌套存储在子目录中，形成树状结构，方便管理和查找。4.中断驱动I/O控制方式的基本工作过程如下：①当I/O设备准备好数据进行传输或发生错误时，会向CPU发出中断请求信号。②CPU在当前指令执行完毕后，响应中断请求，暂停当前工作。③CPU执行中断服务程序（ISR），处理I/O设备的请求或错误。④ISR完成处理后，向CPU发出中断结束信号。⑤CPU收到中断结束信号后，恢复执行被中断的程序。这种方式下，CPU无需持续查询设备状态，大大提高了CPU的利用率。三、计算题1.平均周转时间=(P0周转时间+P1周转时间+P2周转时间+P3周转时间+P4周转时间)/5=(3+3+3+3+3)/5=15/5=3个时间单位。带权周转时间=(P0带权周转时间+P1带权周转时间+P2带权周转时间+P3带权周转时间+P4带权周转时间)/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。平均周转时间=3，带权周转时间=1。2.当前内存页：1,2,3。访问序列：1,2,3,4,2,1,5,6,2。缺页序列：-1：已在内存，不缺页。-2：已在内存，不缺页。-3：已在内存，不缺页。-4：缺页。内存替换页面1（LRU）。内存：2,3,4。缺页次数=1。-2：已在内存，不缺页。-1：缺页。内存替换页面3（LRU）。内存：2,4,1。缺页次数=2。-5：缺页。内存替换页面2（LRU）。内存：4,1,5。缺页次数=3。-6：缺页。内存替换页面4（LRU）。内存：1,5,6。缺页次数=4。-2：缺页。内存替换页面1（LRU）。内存：5,6,2。缺页次数=5。总缺页次数=5。四、综合应用题1.系统可用资源=(1,2,2)。计算每个进程还需要的资源（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资源，P3无法立即运行。检查是否有安全序列：选择一个安全的分配序列需要满足：对于序列中每个进程Pi，(Available+Allocated[i])>=Need[i]。尝试让P1运行：Available+P1.Need=(1,2,2)+(0,1,0)=(1,3,2)。满足(1>=0,3>=1,2>=0)。分配P1资源，Available变为(1,2,2)-(0,1,0)=(1,1,2)。检查其他进程：-P2:(1,1,2)+(1,1,1)=(2,2,3)。满足(2>=1,2>=1,3>=1)。分配P2资源，Available变为(1,1,2)-(1,1,1)=(0,0,1)。检查其他进程：-P3:(0,0,1)+(2,2,-1)=(2,2,0)。满足(2>=2,2>=2,0>=-1)。分配P3资源，Available变为(0,0,1)-(2,2,-1)=(-2,-2,2)。此时可用资源为负，表示P3无法安全运行。尝试让P2运行：Available+P2.Need=(1,2,2)+(1,1,1)=(2,3,3)。满足(2>=1,3>=1,3>=1)。分配P2资源，Available变为(1,1,2)-(1,1,1)=(0,0,1)。检查其他进程：-P1:(0,0,1)+(0,1,0)=(0,1,1)。满足(0>=0,1>=1,1>=0)。分配P1资源，Available变为(0,0,1)-(0,1,0)=(-1,-1,1)。此时可用资源为负，表示P1无法安全运行。尝试让P3运行：Available+P3.Need=(1,2,2)+(2,2,-1)=(3,4,1)。满足(3>=2,4>=3,1>=-1)。分配P3资源，Available变为(1,2,2)-(2,2,-1)=(-1,0,3)。此时可用资源为负，表示P3无法安全运行。由于无法找到一个包含所有进程的安全序列，系统可能处于不安全状态。但是，根据银行家算法，只要存在一个安全序列，系统就是安全的。上述尝试表明P3单独运行可能导致系统进入不安全状态。要保证系统安全，需要确保在分配给P3之前，系统有足够的可用资源满足P3的需求以及其他进程的安全需求。当前可用(1,2,2)，P3需要(2,2,-1)。如果系统需要保证P3能安全运行，那么在P3运行前，系统至少需要额外提供P3.Need=(2,2,-1)。即至少需要(3,4,1)的资源。但是当前系统总资源为(X+1,Y+2,Z+2)，需要满足X+1>=3,Y+2>=4,Z+2>=1。即X>=2,Y>=2,Z>=-1。由于Z必须为非负，所以Z>=1。同时，系统还需要满足其他进程在可用资源增加后的安全状态。结论是，当前系统在(1,2,2)可用资源下，无法保证P3安全运行，系统处于不安全状态。若要保证P3安全，可能需要增加系统总资源或推迟P3的运行。2.为了满足A在C之前，B在D之前，可以使用两个信号量S1和S2。初始化：S1=1,S2=0。进程P执行：voidprocessP(){do{//执行操作A//...}while(true);P1=S1;//进入操作A后，申请S1，若S1=0则阻塞，等待Q释放S1do{//执行操作B//...}while(true);V(S2);//执行完B后，释放S2}进程Q执行：voidprocessQ(){do{P2=