2025年成都大学计算机科学与技术专业《操作系统》科目期末试卷及答案

2025年成都大学计算机科学与技术专业《操作系统》科目期末试卷及答案考试时间：120分钟总分：100分姓名：__________学号：__________班级：__________一、选择题（每小题2分，共20分）请将正确选项的代表字母填写在答题纸上对应位置，多选、少选、错选均不得分。在操作系统中，进程可以被描述为（）A.一个应用程序B.一个运行中的程序实例C.系统中的所有程序集合D.硬盘上的文件2.系统调用是（）A.用户程序与操作系统之间的接口B.操作系统内核的一部分C.编译器生成的机器指令D.硬件设备与用户程序的接口3.采用优先级调度算法时，若低优先级进程一直等待，可能会导致（）A.系统吞吐量下降B.短进程等待时间过长C.系统死锁D.进程切换次数减少4.在分页存储管理中，产生“抖动”现象的主要原因是（）A.内存容量不足B.页面置换算法不当C.CPU速度过慢D.进程切换过于频繁5.以下关于死锁的描述中，错误的是（）A.死锁是指两个或多个进程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种相互等待的现象B.死锁产生的必要条件是互斥、占有且等待、非抢占和循环等待C.死锁一旦发生，操作系统只能通过强制剥夺资源来解除D.死锁预防、避免和检测是处理死锁的三种主要策略6.信号量机制中，P操作的主要作用是（）A.创建一个进程B.释放一个资源C.等待一个资源D.请求一个信号量7.在文件系统中，树形文件系统结构的主要优点是（）A.提高了文件访问速度B.简化了文件命名C.减少了磁盘寻道时间D.支持文件共享8.下列哪种文件分配方式最容易实现碎片整理？（）A.连续分配B.链接分配C.索引分配D.顺序分配9.I/O控制方式中，DMA（直接内存访问）的主要优点是（）A.减少了CPU的干预B.提高了I/O速度C.降低了内存使用率D.增加了CPU的负担10.设备独立性软件的主要功能是（）A.管理设备驱动程序B.实现设备分配和回收C.为用户程序提供统一的设备访问接口D.控制设备的具体操作二、简答题（每小题5分，共25分）请将答案写在答题纸上对应位置，要求条理清晰、要点明确，必要时可辅以简要说明。简述进程与线程的区别与联系。解释什么是内存碎片，并简述其产生的原因。什么是虚拟内存？它有哪些优点？简述文件系统实现中，目录结构的作用。什么是I/O中断？它起到什么作用？三、综合应用题（共35分）请将答案写在答题纸上对应位置，要求步骤完整、计算准确、逻辑清晰，必要时可画图辅助说明。（10分）设有三个进程P1、P2、P3，它们的到达时间和执行时间如下表所示。假设系统采用优先级调度算法，优先级由高到低依次为P1、P2、P3。计算每个进程的完成时间和周转时间，并给出平均周转时间。（进程到达时间单位：分钟；执行时间单位：分钟）（12分）假设内存只分给一个进程，初始时内存块大小为100KB，进程请求分配150KB内存。采用最佳适应（BestFit）内存分配算法，描述内存分配过程，并说明最终是否分配成功。如果内存块大小分别为120KB、80KB、200KB，且初始空闲块为120KB，则采用首次适应（FirstFit）算法，描述分配过程，并指出最终空闲块的大小和位置。（13分）考虑以下并发程序片段：四、判断题（每小题2分，共10分）请在答题纸上对应位置填写“√”（正确）或“×”（错误），判断错误不得分。操作系统的最基本特征是并发和共享，两者互为存在条件。（）虚拟内存的核心思想是利用外存来扩充内存，提高内存利用率。（）文件的物理结构中，链接分配方式不会产生外部碎片。（）进程的阻塞状态是指进程因等待某一事件发生而暂时无法继续执行的状态，等待事件发生后会自动转为运行状态。（）设备独立性是指用户程序与具体的物理设备无关，由操作系统统一管理设备接口。（）2025年成都大学计算机科学与技术专业《操作系统》科目期末试卷答案一、选择题（每小题2分，共20分）B解析：进程是操作系统中正在运行的程序实例，是系统资源分配的基本单位。A选项不准确，应用程序是进程运行的基础；C选项是进程的集合，不是单个进程；D选项是进程存放的载体。A解析：系统调用是操作系统提供给用户程序的标准接口，用户程序通过系统调用请求操作系统服务。B选项描述的是内核本身；C选项是编译后的结果；D选项是设备驱动与用户程序的接口。A解析：优先级调度倾向于优先处理高优先级进程，导致低优先级进程长时间等待，系统资源未能充分利用，整体吞吐量（单位时间内完成的进程数）会下降。B解析：分页存储管理中，如果页面置换算法不够智能，频繁地将即将被访问的页面置换出去，导致CPU不断在换入换出页面之间切换，出现CPU利用率低的现象，即抖动。A、C、D都可能导致性能问题，但抖动直接由不当的页面置换引起。C解析：死锁解除方法包括剥夺资源、杀死进程、滚回等，强制剥夺资源只是其中一种可能的方式，并非唯一方法。C解析：P操作（或称wait操作）是进程请求资源时执行的操作，通常会导致进程进入等待状态。B解析：树形结构简化了文件命名规则（如使用路径名），使得用户可以方便地组织和管理大量文件，查找特定文件时只需沿着路径遍历即可。A解析：连续分配会产生内部碎片和外部碎片。内部碎片是分配给进程的内存块比进程请求的大而产生的浪费，外部碎片是内存中存在许多无法满足进程请求的小空闲块。只有连续分配的内存块可以合并，从而整理碎片。A解析：DMA方式下，I/O设备可以直接与内存进行数据交换，无需CPU的每次干预，CPU可以在设备传输期间执行其他任务，从而减少了CPU的等待时间，提高了CPU利用率。C解析：设备独立性软件（设备驱动程序及其管理模块）的主要目的是屏蔽不同物理设备的差异，为用户程序提供统一的设备访问接口，实现设备独立性。二、简答题（每小题5分，共25分）简述进程与线程的区别与联系。

联系：线程是进程的一部分，一个进程可以包含多个线程，线程不能独立存在，必须依赖于进程；两者都能实现并发执行，都需要操作系统进行调度。（2分）

区别：①资源分配：进程是资源分配的基本单位，线程不拥有独立资源，共享所属进程的资源；②调度单位：线程是调度和执行的基本单位，进程调度开销大于线程；③独立性：进程具有独立的地址空间，线程没有，一个线程崩溃可能导致整个进程崩溃；④切换开销：线程切换无需切换地址空间，开销远小于进程切换。（3分，每点1分，答出3点即可）解释什么是内存碎片，并简述其产生的原因。

内存碎片：指内存中无法被利用的空闲空间，分为内部碎片和外部碎片。内部碎片是分配给进程的内存块大于进程实际需求，导致块内剩余空间无法利用；外部碎片是内存中分散的、无法满足进程请求的小空闲块。（2分）

产生原因：①内存分配方式不合理（如连续分配、动态分区分配）；②进程的频繁创建、撤销和内存回收，导致空闲空间分散；③进程大小与内存块大小不匹配，无法充分利用内存空间。（3分，每点1分）什么是虚拟内存？它有哪些优点？

虚拟内存：是操作系统采用的一种内存管理技术，它将外存（如硬盘）的一部分空间模拟成内存，允许进程访问超出物理内存大小的地址空间，本质是“内存-外存”的交换技术。（2分）

优点：①扩充内存容量，使进程可以运行在比物理内存更大的地址空间；②提高内存利用率，只将进程当前需要的部分调入内存，节省物理内存；③实现进程的隔离，每个进程拥有独立的虚拟地址空间，互不干扰；④简化程序编制，程序员无需考虑物理内存的实际大小。（3分，每点1分，答出3点即可）简述文件系统实现中，目录结构的作用。

①实现文件的按名存取，用户通过目录找到文件对应的物理地址，无需记忆文件的物理位置；（2分）②组织和管理文件，将大量文件按目录分类存放，方便用户查找、创建、删除和修改文件；（1分）③实现文件共享和保护，通过目录权限控制不同用户对文件的访问权限，避免文件被非法访问或修改；（1分）④记录文件的元信息（如文件名、大小、创建时间、存储位置等），为文件管理提供依据。（1分）什么是I/O中断？它起到什么作用？

I/O中断：指当I/O设备完成数据传输或出现异常时，主动向CPU发送中断信号，请求CPU暂停当前任务，转而处理I/O相关事务的机制。（2分）

作用：①提高CPU利用率，CPU无需一直等待I/O设备完成操作，可在I/O传输期间执行其他任务；（2分）②及时响应I/O设备的请求，处理I/O异常（如传输错误），保证I/O操作的正常进行；③实现CPU与I/O设备的并行工作，提升系统整体效率。（1分，答出1点即可）三、综合应用题（共35分）（10分）解：优先级调度算法（优先级P1>P2>P3），调度过程如下：

①0时刻：P1到达，系统无其他进程，调度P1执行，执行时间6分钟；（2分）

②1时刻：P2到达，因P1优先级更高，P2进入就绪队列等待；（1分）

③2时刻：P3到达，因P1优先级更高，P3进入就绪队列等待；（1分）

④6时刻：P1执行完毕（完成时间=6），此时就绪队列中有P2、P3，调度优先级更高的P2执行，执行时间3分钟；（2分）

⑤9时刻：P2执行完毕（完成时间=9），调度P3执行，执行时间8分钟；（1分）

⑥17时刻：P3执行完毕（完成时间=17）。（1分）

各进程周转时间=完成时间-到达时间：

P1周转时间=6-0=6分钟；P2周转时间=9-1=8分钟；P3周转时间=17-2=15分钟；（1分）

平均周转时间=（6+8+15）/3=29/3≈9.67分钟。（1分）（12分）解：

（1）初始内存块100KB，进程请求150KB（最佳适应算法）：（6分）

最佳适应算法的核心是选择与进程请求大小最接近的空闲块进行分配。（2分）

当前仅存在1个空闲块（100KB），进程请求150KB，100KB<150KB，无法满足分配需求，因此分配失败。（4分）

（2）内存块分别为120KB、80KB、200KB，初始空闲块120KB，进程请求150KB（首次适应算法）：（6分）

首次适应算法的核心是从空闲块列表的起始位置开始，选择第一个能满足请求的空闲块进行分配。（2分）

①检查第一个空闲块120KB，120KB<150KB，无法分配；（1分）

②检查第二个空闲块80KB，80KB<150KB，无法分配；（1分）

③检查第三个空闲块200KB，200KB≥150KB，分配150KB给进程；（1分）

④分配后，该空闲块剩余大小=200KB-150KB=50KB，位置在原200KB空闲块的末尾（即起始地址+150KB处）。（1分）（13分）解：

（1）程序功能：创建两个线程，每个线程循环1000次，每次对共享变量counter执行加1操作，最终输出counter的最终值，试图实现counter=2000的结果。（3分）

（2）预期输出结果：小于或等于2000（大概率小于2000）。（2分）

原因：counter是共享变量，两个线程并发执行时，会出现“竞态条件”。counter+=1本质是“读取-修改-写入”三个原子操作，未加互斥锁时，两个线程可能同时读取counter的旧值，分别修改后写入，导致两次加1操作只实现一次有效累加（如线程1读取counter=0，线程2也读取counter=0，两者都修改为1并写入，最终counter=1，而非2），因此最终结果会小于预期的2000。（4分）

（3）互斥锁的工作原理：互斥锁本质是一种同步机制，用于保证同一时刻只有一个线程能进入临界区（操作共享数据的代码段）。（2分）

具体工作过程：①线程执行pthread_mutex_lock(&lock)时，若锁未被占用，则获取锁，进入临界区操作counter；若锁已被占用，则线程阻塞，等待锁释放；（1分）②线程执行完counter+=1后，调用pthread_mutex_unlock(&lock)释放锁，唤醒阻塞在该锁上的线程，使其可以获取锁进入临界区；（1分）③通过这种方式，确保两个线程不会同时操作counter，避免竞态条件，保证counter的累加操作正确，最终输出2000。四、判断题（每小题2分，共10分）√解析：并发是多个进程/线程在同一时间间隔内执行，共享是多个进程/线程共用系统资源，两者互为前提，没有