操作系统硕士研究生入学考试模拟试题及参考答案

操作系统硕士研究生入学考试模拟试题及参考答案一、单项选择题（每小题2分，共40分）1.在操作系统中，负责对进程进行调度和分派CPU的组件是（）。A.进程控制块B.作业调度程序C.进程调度程序D.设备驱动程序2.下列关于进程和线程的叙述中，正确的是（）。A.线程是资源分配的基本单位，进程是调度的基本单位B.线程是调度的基本单位，进程是资源分配的基本单位C.进程和线程都是资源分配的基本单位D.进程和线程都是调度的基本单位3.某计算机系统采用二级页表的分页存储管理方式，虚拟地址长度为32位，按字节编址，页大小为4KB，页表项大小为4B。则该系统用户进程的页目录表中最多包含（）个表项。A.1024B.512C.256D.10244.在信号量机制中，若信号量S的当前值为-3，则表示系统中（）。A.有3个等待该资源的进程B.有3个可用的资源实例C.有3个进程在执行P操作D.有3个进程在执行V操作5.下列磁盘调度算法中，可能会产生“饥饿”现象的算法是（）。A.先来先服务（FCFS）B.最短寻道时间优先（SSTF）C.扫描算法（SCAN）D.循环扫描算法（C-SCAN）6.采用动态分区分配方式管理内存时，为了实现地址映射，系统需要配置（）。A.重定位寄存器和界限寄存器B.页表和页表基址寄存器C.段表和段表基址寄存器D.位示图7.文件系统采用多级索引组织方式时，如果设索引节点中有10个直接地址项、1个一级间接地址项、1个二级间接地址项和1个三级间接地址项。假设盘块大小为4KB，每个盘块号占4B，则该索引节点可表示的文件最大长度为（）。A.4KB+1MB+256MB+64GBB.40KB+4MB+1GB+256GBC.40KB+4MB+256GB+64TBD.10*4KB+1024*4KB+1024^2*4KB+1024^3*4KB8.在I/O控制方式中，通道技术是一种重要的硬件支持。通道指令通常存放在（）中。A.内存B.通道控制器C.CPU寄存器D.磁盘缓冲区9.死锁预防是破坏产生死锁的四个必要条件之一。若采用“资源有序分配”策略，则是破坏了（）条件。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10.在分段存储管理中，逻辑地址由（）组成。A.段号和段内位移B.页号和页内位移C.区号和区内位移D.卷号和卷内位移11.虚拟存储器的容量受（）的限制。A.物理内存大小和外存容量之和B.物理内存大小C.地址空间大小D.外存容量12.若系统中有5个进程，每个进程都需要3个同类资源R。系统当前时刻该类资源的可用数为6。为了确保系统不会发生死锁，则系统最多允许（）个进程同时运行并申请资源。A.2B.3C.4D.513.在操作系统中，用户程序在进行I/O操作时，通常使用（）。A.内存直接访问B.系统调用C.库函数D.软件中断14.引入缓冲技术的主要目的是（）。A.解决CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾B.节省内存C.提高CPU利用率D.扩充外存容量15.假设某计算机系统的时钟中断频率为100Hz，每当时钟中断发生时，中断处理程序会调用调度程序检查当前进程的时间片是否用完。若时间片为10ms，则（）。A.每秒发生100次调度B.每秒发生10次调度C.只有当进程运行满10ms时才发生调度D.调度发生的频率与时间片无关16.在SPOOLing技术中，为了将独占设备改造为共享设备，系统必须建立（）。A.输入井和输出井B.输入缓冲区和输出缓冲区C.假脱机输入进程和假脱机输出进程D.JCB表17.下列关于系统调用的叙述中，错误的是（）。A.系统调用是操作系统内核提供给用户程序的接口B.系统调用通过陷入指令（trap）进入内核态C.库函数（如printf）最终是通过系统调用完成实际功能的D.系统调用可以在用户态直接执行18.某文件系统采用成组链接法管理空闲盘块。若每组包含100个盘块号，当前空闲盘块栈中剩余50个盘块号，当系统申请一个盘块时，需要进行的操作是（）。A.直接从栈顶取出一个盘块号B.先把栈底的一个盘块号读入内存，再从栈顶取出C.先把栈中所有盘块号读入内存，再从栈顶取出D.申请失败，需进行特殊处理19.在实时系统中，最主要的调度目标是（）。A.周转时间短B.响应时间快C.吞吐量高D.CPU利用率高20.临界区是指（）。A.进程中访问临界资源的代码段B.进程中访问共享资源的代码段C.进程中执行I/O操作的代码段D.进程中执行内核操作的代码段二、填空题（每空2分，共20分）1.操作系统的基本功能包括：处理器管理、存储器管理、设备管理、________管理和网络与通信管理。2.进程的三种基本状态是：运行态、________和阻塞态。3.在分页存储管理系统中，逻辑地址到物理地址的映射是通过________来实现的。4.若某进程在运行过程中因等待I/O操作而阻塞，则当I/O操作完成后，该进程将被唤醒并插入到________队列中。5.文件逻辑结构分为两类：流式文件和________文件。6.在银行家算法中，为了判断系统是否处于安全状态，需要引入一个向量________。7.设备管理中常用的数据传输控制方式有：程序控制方式、中断控制方式、DMA方式和________方式。8.在UNIX/Linux系统中，文件描述符0、1、2分别代表标准输入、标准输出和________。9.页面置换算法中，Belady异常现象可能发生在________算法中。10.衡量操作系统性能的指标主要有：周转时间、吞吐量、________和资源利用率。三、简答题（每小题8分，共40分）1.简述进程与程序的主要区别。2.简述分页存储管理方式和分段存储管理方式的主要区别。3.简述死锁产生的四个必要条件。4.简述SPOOLing系统的组成及其工作原理。5.简述局部性原理及其在虚拟存储器中的应用。四、综合应用题（共50分）1.（10分）设有三个进程P1、P2、P3，它们共享一个缓冲区B。P1进程负责不断地向缓冲区B写入数据；P2进程负责不断地从缓冲区B中读取数据并进行处理；P3进程负责定期统计缓冲区B中的数据个数并输出。请使用信号量机制（P、V操作）实现这三个进程的同步与互斥。2.（12分）某计算机系统采用请求分页存储管理，页面大小为4KB，用户地址空间为32位。某进程的页表如下表所示（有效位为1表示页在内存，为0表示页不在内存）：页号有效位页框号访问位修改位013001171120---31500...............假设系统采用LRU（最近最久未使用）页面置换算法，当前分配给该进程的物理页框数为3（分别存放页0、页1、页3）。此时进程依次访问以下逻辑地址：0x1234,0x2A5C,0x3F00,0x1A4B,0x2B00。请给出这些逻辑地址对应的物理地址，并详细描述每次访问过程中的缺页中断处理情况（包括是否缺页、是否发生置换、置换哪一页、页表变化等）。3.（13分）假设某磁盘组有200个柱面，编号为0~199。当前磁头正在第100号柱面服务，移动方向向磁道号增加的方向。现有一系列磁盘请求，请求的柱面号序列为：45,12,180,89,145,167,30,102。请分别采用SSTF（最短寻道时间优先）和SCAN（电梯调度算法，假设磁头移动方向为从小到大，到达最大磁道后反向）算法，计算磁头移动的总磁道数（寻道长度），并画出磁头移动轨迹。4.（15分）某系统采用可变分区分配方式管理内存，内存空间初始状态为空闲，地址范围为0~1000KB。现有以下作业请求序列：1.作业A申请300KB；2.作业B申请200KB；3.作业C申请400KB；4.作业D申请150KB；5.作业B释放；6.作业E申请200KB；7.作业F申请100KB；8.作业A释放；9.作业G申请400KB。请分别采用首次适应算法和最佳适应算法，处理上述作业请求序列。要求：(1)画出每次分配或回收后内存的分区使用情况示意图。(2)说明作业G的申请是否成功，若成功，分配的起始地址是多少；若不成功，说明原因。五、参考答案与解析一、单项选择题1.C解析：进程调度程序（低级调度）的主要功能是根据一定的调度算法从就绪队列中选择一个进程，并将处理机分配给它。作业调度程序负责从后备队列中选择作业调入内存。进程控制块（PCB）是进程的描述符。设备驱动程序负责控制I/O设备。2.B解析：在引入线程的操作系统中，进程是资源分配的基本单位，线程是独立调度的基本单位（CPU分配的基本单位）。同一进程内的线程共享进程的资源。3.A解析：页大小为4KB=B，所以页内偏移量占12位。逻辑地址32位，则页号占32−12=204.A解析：信号量S的值表示系统中该类资源的可用数量。当S<0时，其绝对值表示因等待该资源而阻塞的进程数量，即5.B解析：SSTF算法总是优先处理距离磁头当前最近的请求，这可能导致距离磁头较远的请求长期得不到服务，从而产生“饥饿”现象。FCFS、SCAN和C-SCAN算法在公平性上优于SSTF，通常能保证请求在有限时间内得到服务。6.A解析：动态分区分配方式下，系统为每个进程分配一个连续的内存空间。硬件需要设置重定位寄存器（存放作业在内存中的起始地址）和界限寄存器（存放作业的长度），用于CPU在执行指令时进行地址越界检查和动态重定位。7.D解析：盘块大小4KB，盘块号占4B，则一个盘块可存放4K直接地址：10*4KB。一级间接：1*1024*4KB。二级间接：1*1024*1024*4KB。三级间接：1*1024*1024*1024*4KB。选项D正确。8.A解析：通道程序由一系列通道指令组成，这些通道指令存放在内存中。当CPU启动通道后，通道从内存中读取通道指令并执行，控制I/O设备与内存之间的数据传输，从而实现CPU与I/O设备的并行操作。9.D解析：资源有序分配策略规定所有进程必须严格按照资源编号的递增顺序申请资源。这样就破坏了循环等待条件，因为不可能出现高编号进程等待低编号资源，而低编号进程又在等待高编号资源的情况。10.A解析：分段存储管理中，逻辑地址被划分为段号和段内位移量两部分。段号用于查找段表，段内位移量用于在段内寻址。11.C解析：虚拟存储器的容量取决于计算机的地址结构，即逻辑地址空间的大小。例如，32位系统的虚拟地址空间最大为4GB，这与物理内存大小或外存容量无关（虽然物理内存和外存是实现虚拟存储器的物质基础）。12.A解析：这是一个典型的死锁避免（银行家算法思想）或死锁预防的应用题。设n为进程数，m为资源总数，k为每个进程所需资源数。最坏情况下，所有进程都申请了k−1个资源且未完成，此时剩余资源R=即m−所以最多允许2个进程同时运行。13.B解析：用户程序运行在用户态，不能直接执行I/O指令等特权指令。I/O操作属于特权操作，必须通过系统调用陷入内核态，由操作系统代为完成。14.A解析：引入缓冲的主要目的是缓解CPU与I/O设备之间速度差异过大的矛盾，提高CPU和I/O设备的并行性，从而提高系统效率。15.C解析：时钟中断频率为100Hz，即每10ms发生一次时钟中断。每次中断时，操作系统会检查当前进程的时间片是否用完。如果时间片设为10ms，那么理论上每次时钟中断发生时，时间片刚好用完（假设进程一直在运行），从而触发调度。但如果进程阻塞或中断，时间片可能未用完。选项C描述最为准确，只有当进程连续运行满10ms时，时钟中断处理程序才会发现时间片到期并触发调度。16.A解析：SPOOLing（SimultaneousPeripheralOperationsOnLine）技术，即假脱机技术。它需要在磁盘上开辟输入井和输出井，用于存放从输入设备输入的数据和向输出设备输出的数据，从而将独占设备改造为共享设备。17.D解析：系统调用是操作系统内核提供的接口，必须在内核态下执行。用户程序通过陷入指令（trap）从用户态切换到内核态来执行系统调用。选项D说系统调用可以在用户态直接执行是错误的。18.B解析：成组链接法中，空闲盘块号栈通常保存在内存中（作为超级块的一部分）。当栈中还有盘块号时，直接从栈顶取出。当栈空时（即栈中只剩下一个指针指向下一组盘块时），需要将栈底指针指向的物理盘块读入内存，这组盘块中包含了下一批空闲盘块号。题目说栈中剩余50个，说明栈不空，直接取出即可。修正：题目描述“每组包含100个盘块号”，通常栈满时为100个。剩余50个，说明栈未满，直接弹出即可。但若栈中只有1个（即下一组的索引），则需读盘。根据题目“剩余50个”，直接取即可。再次审题：选项A最符合。若栈中只剩一个（特殊值），才读盘。此处剩余50，直接取。选项A正确。19.B解析：实时系统最主要的目标是保证对外部事件的及时响应，即在规定的时间内完成处理。因此，响应时间快是其首要目标。20.A解析：临界区是指进程中访问临界资源（一次仅允许一个进程使用的共享资源）的那段代码。为了互斥访问，临界区必须互斥执行。二、填空题1.文件2.就绪态3.页表4.就绪5.记录式6.工作向量或Available7.通道8.标准错误9.FIFO(先进先出)10.响应时间三、简答题1.简述进程与程序的主要区别。动态性vs静态性：进程是程序的一次执行过程，具有动态性（创建、运行、消亡）；程序是指令的集合，是静态的文件。生命周期：进程是暂时的，程序是永久的。并发性：进程是系统进行资源分配和调度的独立单位，多个进程可以并发执行；程序本身不能并发执行（除非作为多个进程实例）。组成：进程由程序、数据和PCB（进程控制块）组成；程序仅包含代码和数据。对应关系：一个程序可以对应多个进程（如多次打开浏览器）；一个进程至少包含一个程序。2.简述分页存储管理方式和分段存储管理方式的主要区别。目的不同：分页是为了解决内存碎片问题，提高内存利用率；分段是为了满足用户的逻辑需求，方便编程、编译和共享保护。信息单位不同：页是信息的物理单位，大小固定且由系统决定；段是信息的逻辑单位，长度不固定且由用户决定。地址空间维度：分页作业的地址空间是一维的（线性地址）；分段作业的地址空间是二维的（段号，段内位移）。共享与保护：分段易于实现段的共享和保护；分页实现共享和保护相对复杂（通常通过段页式实现）。3.简述死锁产生的四个必要条件。互斥条件：资源是独占资源，进程互斥使用。请求与保持条件：进程在持有部分资源的同时，申请新的资源。不剥夺条件：资源不能被强行剥夺，只能由进程主动释放。循环等待条件：存在进程资源的环形等待链→→4.简述SPOOLing系统的组成及其工作原理。组成：1.输入井和输出井：在磁盘上开辟的缓冲区域，用于存放输入数据和待输出数据。2.输入缓冲区和输出缓冲区：内存中用于缓和CPU与磁盘速度差异的区域。3.输入进程和输出进程：模拟外围机控制I/O的进程。工作原理：当用户进程请求输入时，系统并非直接从输入机读取，而是由输入进程将数据从输入机预先读入输入井。当用户进程需要计算时，直接从输入井读取数据。输出时，用户进程将数据写入输出井，由输出进程负责将数据从输出井输出到输出设备。这样就实现了独占设备的虚拟化，使得多个进程可以并发地使用“虚拟”设备。5.简述局部性原理及其在虚拟存储器中的应用。局部性原理：指程序在执行时呈现出时间局部性和空间局部性。时间局部性：一条指令被执行后，可能在不久的将来再次被执行；一个数据被访问后，可能在不久的将来再次被访问。空间局部性：程序执行时，若访问了某个存储单元，其附近的单元也可能很快被访问。应用：虚拟存储器利用局部性原理，仅将作业当前频繁使用的部分页面（或段）调入内存，其余部分留在外存。当访问到不在内存的页面时，通过缺页中断将其调入。这样使得大作业能在较小的物理内存中运行，从逻辑上扩充了内存容量。四、综合应用题1.PV操作实现同步与互斥这是一个典型的生产者-消费者模型的变体，包含一个生产者P1，一个消费者P2，以及一个观察者P3。需要定义的信号量：`mutex`：互斥信号量，初值为1，用于互斥访问缓冲区B。`full`：同步信号量，初值为0，表示缓冲区中已有的数据数量。`empty`：同步信号量，初值为N（假设缓冲区容量为N），表示缓冲区空闲位置数量。伪代码如下：```csemaphoremutex=1;semaphorefull=0;semaphoreempty=N;//假设缓冲区大小为N//P1进程：生产者voidP1(){while(true){produceanitemx;P(empty);//申请空闲缓冲区P(mutex);//进入临界区writextoB;V(mutex);//离开临界区V(full);//增加满缓冲区计数}}//P2进程：消费者voidP2(){while(true){P(full);//申请满缓冲区P(mutex);//进入临界区readanitemyfromB;V(mutex);//离开临界区V(empty);//增加空闲缓冲区计数consumey;}}//P3进程：统计者voidP3(){while(true){P(full);//只有当有数据时才能统计（或者可以设计为定期统计，若为空则不统计）//题目要求“定期统计”，若此时缓冲区为空，是否阻塞？//通常这类题目隐含P3也是消费者行为，或者P3不需要消费数据，只是读取。//若P3不消费数据，则不需要P(empty)/V(empty)。//但为了防止P3在P1写入时读取（数据不一致），需要互斥。//方案一：P3作为特殊消费者，只看不取（这在标准PV中很难实现，因为一旦读了，P2就不能读了）。//方案二：P3作为监控者，不需要P(full)，只要mutex即可，但要注意“定期”。//如果P3不阻塞，则：P(mutex);count=get_count(B);printcount;V(mutex);//但为了严谨，假设P3需要等待有数据才统计：//P(full);//P(mutex);//...//V(mutex);//V(full);//注意：这里不能V(empty)，因为P3没拿走数据。}}```修正与完善：P3比较特殊。它不取出数据，只是统计。如果P3执行P(full)，那么它会消耗一个“满”信号量，导致P2可能无法获取数据。如果P3不执行P(full)，那么当缓冲区空时，P3可能统计出0，这符合“定期统计”。因此，P3的逻辑应该是：1.睡眠一段时间（定期）。2.P(mutex)3.统计并输出。4.V(mutex)这样P3不会影响P1和P2的同步。最终代码：```csemaphoremutex=1;semaphorefull=0;semaphoreempty=N;voidP1(){while(1){生产数据x;P(empty);P(mutex);写入B;V(mutex);V(full);}}voidP2(){while(1){P(full);P(mutex);从B读取y;V(mutex);V(empty);消费y;}}voidP3(){while(1){sleep(一段时间);//定期P(mutex);统计B中数据个数并输出;V(mutex);}}```2.请求分页存储管理计算页大小=4KB=4096B=B。逻辑地址结构：高20位页号，低12位页内偏移。初始内存状态（3个页框）：页0->框3页1->框7页3->框5（假设LRU链表顺序，最近使用的在前：假设初始顺序为0,1,3）访问序列分析：1.访问0x1234页号=0x1234/查页表：页4不在内存（有效位0，题目未给出，假设为0）。缺页。内存已满（3页），需要置换。LRU置换：假设初始顺序0,1,3，置换最久未使用的页3（框5）。更新页表：页4装入框5，有效位1。内存状态变为：页0(框3),页1(框7),页4(框5)。LRU顺序：4,0,1。物理地址=框5*4096+0x234=0x5000+0x234=0x5234。2.访问0x2A5C页号=0x2A查页表：页10不在内存。缺页。置换LRU尾部页1（框7）。更新页表：页10装入框7。内存状态：页0(框3),页4(框5),页10(框7)。LRU顺序：10,4,0。物理地址=框7*4096+0xA5C=0x7000+0xA5C=0x7A5C。3.访问0x3F00页号=0x3F查页表：页3不在内存（刚才被置换出去了）。缺页。置换LRU尾部页0（框3）。更新页表：页3装入框3。内存状态：页3(框3),页4(框5),页10(框7)。LRU顺序：3,10,4。物理地址=框3*4096+0xF00=0x3000+0xF00=0x3F00。4.访问0x1A4B页号=0x1A查页表：页6不在内存。缺页。置换LRU尾部页4（框5）。更新页表：页6装入框5。内存状态：页3(框3),页6(框5),页10(框7)。LRU顺序：6,3,10。物理地址=框5*4096+0xA4B=0x5000+0xA4B=0x5A4B。5.访问0x2B00页号=0x2B查页表：页10在内存（框7）。不缺页。更新LRU：将页10移至头部。内存状态：页3(框3),页6(框5),页10(框7)。LRU顺序：10,6,3。物理地址=框7*4096+0xB00=0x7000+0xB00=0x7B00。总结：0x1234->0x5234(缺页，置换页3)0x2A5C->0x7A5C(缺页，置换页1)0x3F00->0x3F00(缺页，置换页0)0x1A4B->0x5A4B(缺页，置换页4)0x2B00->0x7B00(命中)3.磁盘调度算法当前磁头位置：100，方向：增加。请求序列：45,12,180,89,145,167,30,102。(1)SSTF(最短寻道时间优先)从100开始，寻找距离最近的。距离100最近的是102(距离2)。当前102，剩余：45,12,180,89,145,167,30。最近的是89(距离13)。当前89，剩余：45,12,180,145,167,30。最近的是45(距离44)。当前45，剩余：12,180,145,167,30。最近的是30(距离15)。当前30，剩余：12,180,145,167。最近的是12(距离18)。当前12，剩余：180,145,167。最近的是145(距离133)。当前145，剩余：180,167。最近的是167(距离22)。当前167，剩余：180。最近的是180(距离13)。SSTF访问序列：100->102->89->45->30->12->145->167->180SSTF移动磁道数：|=2(2)SCAN(电梯调度算法)当前100，方向增加。先处理大于100的请求（升序），然后反向处理小于100的请求（降序）。大于100的请求：102,145,167,180。小于100的请求：89,45,30,12。SCAN访问序列：100->102->145->167->180->(到达最大磁道199或反向)->89->45->30->12注：SCAN通常走到请求的最大端即可，或者走到磁盘边界。题目未给边界，通常走到当前方向最远的请求即可反向。序列：100->102->145->167->180->89->45->30->12SCAN移动磁道数：|=24.动态分区分配内存总大小：0~1000KB。首次适应算法（FF）：按地址顺序查找第一个足够大的空闲区。1.A申请300KB：分配[0,300)。空闲区[300,1000)。2.B申请200KB：分配[300,500)。空闲区[500,1000)。3.C申请400KB：分配[500,900)。空闲区[900,1000)。4.D申请150KB：[900,1000)大小100KB，不够。FF查找失败？通常FF会继续找，但后面没空间了。D申请失败，等待。内存状态：A(0-300),B(300-500),C(500-900),空闲(900-1000)。D阻塞。5.B释放：回收[300,500)。与相邻空闲区合并？左边A(占用)，右边C(占用)。产生新空闲区[300,500)。空闲区链表：[300,500),[900,1000)。6.E申请200KB：FF找到[300,500)，分配[300,500)。内存状态：A(0-300),E(300-500),C(500-900),空闲(900-1000)。7.F申请100KB：FF找到[900,1000)，分配[900,1000)。内存状态：A(0-300),E(300-500),C(500-900),F(900-1000)。内存全满。8.A释放：回收[0,300)。左边无，右边E(占用)。空闲区[0,300)。空闲区：[0,300)。9.G申请400KB：FF查找[0,300)不够。后面无空闲区。结果：G申请失败。最佳适应算法（BF）：查找能满足大小的最小空闲区。1.A申请300KB：分配[0,300)。空闲[300,1000)。2.B申请200KB：分配[300,5