2025年操作系统基础（操作系统基础答案）

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用户接口 ：联机用户接口、脱机用户接口和图形用户接口。
程序接口：系统调用函数

答：
（1）OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口
（2）OS作为计算机系统资源的管理者
（3）OS实现了对计算机资源的抽象

多道批处理系统、分时系统、实时系统

指允许多个程序同时进入内存，并启动进行交替计算的方法。也即，计算机内存中同时存放了多道程序，均处于开始和结束点之间。

操作系统是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机工作和资源分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境，它是计算机系统的最基本的系统软件。

答：并发、共享、虚拟和异步四个基本特征。最基本的特征是并发。

处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、提供用户接口

答：
基本概念：
（1）足够小的内核；
（2）基于客户/服务器模式
（3）应用“机制与策略分离”原理
（4）采用面向对象技术

基本功能：

（1）进程（线程）管理

（2）低级存储器管理

（3）中断和陷入处理

优点：

（1）提高了系统的可扩展性

（2）增强了系统的可靠性

（3）可移植性强

（4）提供了对分布式系统的支持

（5）融入了面向对象技术

① 进程是程序的一次执行
② 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动
③ 进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配合调度的一个独立单元

程序段、相关的数据段、PCB

阻塞：block
唤醒：wakeup
挂起：Suspend
激活：Active

原语的概念：是由若干条指令组成的,用于完成一定功能的一个过程

（1）间接相互制约关系
多个程序在并发执行时，由于共享系统资源，致使在这些并发执行的程序之间形成相互制约的关系。
间接相互制约关系源于对临界资源的共享。

临界资源：临界资源是一次仅允许一个进程使用的共享资源。各进程采取互斥的方式，实现共享的资源称作临界资源。

临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。

为使多个进程能互斥地访问某临界资源，只需为该资源设置一互斥信号量mutex，并设其初始值为1，然后将各进程访问该资源的临界区CS置于wait（mutex）和signal（mutex）操作之间即可。

（1）空闲让进：临界区空闲时，可以允许一个请求进入临界区的进程立即进入临界区
（2）忙则等待：当已有进程进入临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待
（3）有限等待：对请求访问的进程，应保证能在有限时间内进入临界区
（4）让权等待：当进程不能进入临界区时，应立即释放处理器，防止进程“忙等”状态。

进程通信的类型：

1.共享存储器系统

2.管道通信系统

3.消息传递系统

4.客户机/服务器系统

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位，被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。

S1: a = x+y;
S2: b = z+1;
S3: c = a-b;
S4: w = c+1;

答：其前趋图为：
在这里插入图片描述
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答：
（1）动态性是进程最基本的特性，表现为由创建而产生，由调度而执行，因得不到资源而暂停执行，由撤销而消亡。进程由一定的生命周期，而程序只是一组有序的指令集合，是静态实体。
（2）并发性是进程的重要特征，同时也是OS的重要特征。引入进程的目的正是为了使其程序能够和其他进程的程序并发执行，而程序本身是不能并发执行的。
（3）独立性是指实体是一个能独立运行的基本单位，也是系统中独立获得资源和独立调度的基本单位。对于未建立任何进程的程序，不能作为单独单位参加运算。

PCB是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的记录型数据结构。作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序，成为一个能独立运行的基本单位，成为能与其它进程并发执行的进程。OS是根据PCB对并发执行的进程进行控制和管理的。

答：
（1）就绪状态 -> 执行状态：进程分配到CPU资源
（2）执行状态 -> 就绪状态：时间片用完
（3）执行状态 -> 阻塞转态： I/O请求
（4）阻塞状态 -> 就绪状态： I/O完成

答：
（1）调度性。线程在OS中作为调度和分派的基本单位，进程只作为资源拥有的基本单位。
（2）并发性。进程可以并发执行，一个进程的多个线程也可以并发执行。
（3）拥有资源：进程始终是拥有资源的基本单位，线程只拥有运行时必不可少的资源，本身不拥有系统资源，但它可以访问其隶属进程的资源。
（4）系统开销：由于在创建或撤销进程时，系统都要为其分配或回收资源，如内存空间，I/O设备等。进程切换时所要保存和设置的现场信息，也要明显多于线程。因此，OS在创建，撤销和切换进程时所付出的开销明显大于线程。

内核级线程:切换由内核控制，当线程进行切换的时候，由用户态转化为内核态。切换完毕要从内核态返回用户态。

低级调度：调度对象是进程。主要功能是根据某种算法，决定就绪队列中的哪个进程获得处理机，并由分派程序将处理机分配给选中的进程。（多道批、分时、实时）

中级调度：调度对象是处于挂起状态的进程。主要功能是决定将哪个挂起状态的进程从外存重新调入内存。

吞吐量：指在单位时间内CPU从存储设备读取、处理、存储信息的量
周转时间：是指作业从被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔
带权周转时间：作业的周转时间和系统为它提供服务的时间之比

答：

高级调度主要任务是根据某种算法，决定将外存上处于后备队列中的哪几个作业调入内存，为它们创建进程、分配必要的资源，并将它们放入就绪队列。
低级调度主要任务是根据某种算法，决定就绪队列中的哪个进程应获得处理机，并由分派程序将处理及分配给被选中的进程。
引入中级调度的目的是，提高内存利用率和系统吞吐量。使那些暂时不能运行的进程不再占用内存资源，将它们调至外存等待，把进程状态改为就绪驻外存状态或挂起状态。

不同点：FCFS调度算法每次都从后备队列中选择一个或多个最先进入该队列的作业，将它们调入内存、分配资源、创建进程、插入到就绪队列。该算法有利于长作业进程，不利于短作业进程。SJF算法每次调度都从后备队列中选择一个或若干个运行时间最短的作业，调入内存中运行。该算法有利于长作业进程，不利于短作业进程。

答：

死锁是指多个进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局，当进程处于这种僵持状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进。
产生死锁的原因：竞争资源和进程推进顺序非法。
其必要条件是：互斥条件、请求和保持条件、不可抢占条件、循环等待条件。

在这里插入图片描述

可以.

首先，Request0(0,1,0)<=Need0(7,4,3),

Request0(0,1,0)<=Available(2,3,0);

分配后可修改得一资源数据表(表略),进行安全性检查，可以找到一个安全序列{P1,P3,P0,P2,P4}, 因此，系统是安全的，可以立即将资源分配给P0。

ProcessAllocationNeedAvailableP000PPPP

答：
（1）利用银行家算法对此时刻的资源分配情况进行分析，可得此时的安全性分析情况：
| Process | Allocation| Need|Available|剩余|
在这里插入图片描述据安全性检查，可以找到一个安全序列{P0, P3, P4, P1, P2}，因此该状态是安全的。

A．Request2(1,2,2,2)<=Need2(2,3，5,6)

B．Request2(1,2,2,2)<=Available(1,6,2,2);

C．系统暂时先假定可以为P2分配资源，修改有关数据，如下图所示：
在这里插入图片描述

D．进行安全性检查，可用资源（0,4，0，0）已经不能满足任何一个进程需要，故系统进入不安全状态，因此，系统不能将资源分配给P2

（1）绝对装入方式,只适用于单道程序环境。
（2）可重定位装入方式，适用于多道程序环境。
（3）动态运行时的装入方式，适用于多道程序环境。

静态链接方式：是指在程序运行前，先将各目标模块及它们所需的库函数，链接成一个完整的装配模块，以后不再拆开的链接方式。
需解决一下两个问题：
① 将相对地址进行修改。
② 变换外部调用符号。

装入时动态链接：是指将用户源程序编译后得到的一组目标模块，在装入内存时采用边装入边链接的链接方式。
优点：
（1）便于修改和更新。
（2）便于实现对目标模块的共享。

运行时动态链接：是指对某些目标模块的链接，是在程序执行中需要该目标模块时，才对它进行的链接。
优点：
（1）加快程序装入过程
（2）节省大量内存空间

页面：分页存储管理将进程的逻辑地址空间分成若干个页，并为各页加以编号。
物理块：把内存的物理地址空间分成若干个块，并为各块加以编号。
页面大小应选择适中，且页面大小应该是2的幂，通常为1KB~8KB。

利用地址变换机构实现从逻辑地址到物理地址的转变换，通过页表来实现从页号到物理块号的变换，将逻辑地址中的页号转换为内存中的物理块号。

（1）页是信息的物理单位，分页是为实现离散分配方式，以消减内存的外零头，提高内存的利用率。段是信息的逻辑单位，它含有一组其意义相对完整的信息。分段的目的是为了能更好地满足用户的需要。
（2）页的大小固定且由系统决定，而段的长度却不固定，决定于用户所编写的程序。
（3）分页的作业地址空间是一维的，分段的作业地址空间是二维的。

把在装入时对目标程序中指令和数据地址的修改过程称为重定位。

答：
多次性、对换性、虚拟性。
最本质的特征是虚拟性。

（1）状态位（存在位）P：它用于指示该页是否已调入内存，供程序访问时参考。
（2）访问字段A：用于记录本页在一段时间内被访问的次数，或记录本页最近已有多长时间未被访问，提供给置换算法（程序）在选择换出页面时参考。
（3）修改位M：标识该页再调入内存后是否被修改过。
（4）外存地址：用于指出该页在外存上的地址，通常是物理块号，供调入该页时参考。

（1）**置换算法
（2）先进先出页面置换算法(FIFO）
（3）最近最久未使用置换算法（LRU）
（4）最少使用置换算法（LFU）

答：
M=3时，采用FIFO页面置换算法的缺页次数为9次，缺页率为75%；M=4时，采用FIFO页面置换算法的缺页次数为10次，缺页率为83%。
由此可见，增加分配给作业的内存块数，反而增加了缺页次数，提高了缺页率，这种现象被称为是Belady现象。

段名、段长、段基址、存取方式、访问字段、修改位、存在位、增补位、外存始址

虚拟存储器的定义：指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统。
虚拟存储器有以下三个主要特征：
1）多次性，是指无需在作业运行时一次性地全部装入内存，而是运行被分成多次调入内存运行。
2）对换性，是指无需在作业运行时一直常驻内插，而是运行在作业的运行过程中，进行换进和换出。
3）虚拟性，是指从逻辑上扩充内存的容量，使用户所看到的内插容量，远大于实际的内存容量。

答：

中断处理程序：用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完后恢复现场，并返回到被中断的进程
设备驱动程序：与硬件直接有关，用来具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作
设备独立性软件：用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命令、设备保护，以及设备分配与释放等。
用户层I/O软件：用于实现用户与I/O设备交互

答：
为了提高OS的可适应性和可扩展性，在现代OS中都毫无例外地实现了设备独立性，也称设备无关性。
基本含义：应用程序独立于具体使用的物理设备。为了实现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备两概念。在应用程序中，使用逻辑设备名称来请求使用某类设备；而系统在实际执行时，还必须使用物理设备名称。

优点：

设备分配时的灵活性
易于实现I/O重定向（用于I/O操作的设备可以更换（即重定向），而不必改变应用程序。

程序I/O方式：适用于早期的计算机系统中，并且是无中断的计算机系统；
中断驱动I/O控制方式：普遍用于现代的计算机系统中；
DMA I/O控制方式：适用于I/O设备为块设备时在和主机进行数据交换的一种I/O控制方式；
I/O通道控制方式：当I/O设备和主机进行数据交换是一组数据块时通常采用I/O通道控制方式，但此时要求系统必须配置相应的通道及通道控制器。

答：多道程序并发执行后，可利用其中的一道程序来模拟脱机输入时外围控制机的功能，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上；

再利用另一道程序来模拟脱机输出时外围控制机的功能，将高速磁盘上的数据传送到输出设备上，这样就可以在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出操作，这时外围操作与CPU对数据的执行同时进行。

答：
1、由输出进程在输出井中为之申请一空闲盘块区，并将要打印的数据送入其中；
2、输出进程再为用户进程申请一张空白的用户打印表，并将用户的打印要求填入其中，再将该表挂到请求打印队列上。
3、一旦打印机空闲，输出进程便从请求打印队列的队首取出一张请求打印表，根据表中的要求将要打印的数据从输出井传送到内存缓冲区，再由打印机进行打印。

答：
磁盘访问时间由寻道时间Ts、旋转延迟时间Tr、传输时间Tt三部分组成。
　　（1）Ts是启动磁臂时间s与磁头移动n条磁道的时间和，即Ts=m×n+s。
　　（2）Tr是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。硬盘15000r/min时Tr为2ms；软盘300或600r/min时Tr为50~100ms。
　　（3）Tt是指数据从磁盘读出或向磁盘写入经历的时间。Tt的大小与每次读/写的字节数b和旋转速度有关：Tt=b/rN。

目前常用的磁盘调度算法有先来先服务、最短寻道时间优先及扫描等算法。
（1）先来先服务算法优先考虑进程请求访问磁盘的先后次序；
（2）最短寻道时间优先算法优先考虑要求访问的磁道与当前磁头所在磁道距离是否最近；
（3）扫描算法考虑欲访问的磁道与当前磁道间的距离，更优先考虑磁头当前的移动方向。

I/O通道是一种特殊的处理机。它具有执行I/O指令的能力，并通过执行通道程序来控制I/O操作。

（1）缓和CPU和I/O设备间速度不匹配的矛盾；
（2）减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制；
（3）解决数据粒度不匹配的问题；
（4）提高CPU和I/O设备之间的并行性

磁盘访问时间由寻道时间 Ts、旋转延迟时间 Tr、传输时间 Tt 三部分组成。

答：
最底层是对象及其属性，文件管理系统管理的对象如下：文件，目录，磁盘（磁带）存储空间。
中间层是对对象进行操纵和管理的软件集合，最高层是文件系统的接口。

所谓“打开”，是指系统将指名文件的属性（包括该文件在外存上的物理位置），从外存拷贝到内存打开文件表的一个表目中，并将该表目的编号（或称为索引号）返回给用户。换而言之，“打开”就是在用户和指定文件之间建立起一个链接。此后，用户可通过该链接直接得到文件信息，从而避免了再次通过目录检索文件，即当用户再次向系统发出文件操作请求时，系统根据用户提供的索引号可以直接在打开文件中查找到文件信息。

答：
文件的逻辑结构：这是从用户观点出发所观察到的文件组织形式，即文件是由一系列的逻辑记录组成的，是用户可以直接处理的数据及其结构，它独立于文件的物理特性，又称为文件组织。
文件的物理结构：又称为存储结构。这是指系统将文件存储在外存上所形成的一种存储组织形式，是用户不能看见的。

答：
路径名：在树形结构目录中，从根目录到任何数据文件都只有一条唯一的通路。在该路径上，从树的根（即主目录）开始，把全部目录文件名与数据文件名依次地用“/”连接起来，即构成该数据文件唯一的路径名。
当前目录：当一个文件系统有多级时，每访问一个文件，都要使用从树根开始，直到数据文件为止，是相当麻烦的事，可为每个进程设置一个“当前目录“，又称“工作目录“。此时各文件所使用的的路径名只需从当前目录开始，逐级经过中间的目录文件，最后到达要访问的数据文件。把这一路径上的全部目录文件名与数据文件名用“/”连接形成路径名。

答：按名存取

答：
1、连续组织方式
2、链接组织方式
3、索引组织方式

答：
优点：
（1）顺序访问容易

（2）顺序访问速度快

缺点：
1.要求为一个文件分配连续的存储空间
2.必须事先知道文件的长度
3.不能灵活地删除和插入记录
4.对于动态增长的文件，容易造成空间长期空闲

答：首先将逻辑文件的字节偏移量转换为逻辑块号和块内偏移量,就是将[字节偏移量]/[盘块大小]，商为逻辑块号，余数是块内偏移量。在FCB中，第0-9个地址为直接地址，第10个为一次间接地址，第11个地址为二次间接地址，第12个地址为三次间接地址。再将文件的逻辑块号转换为物理块号。使用多重索引结构，在索引节点中根据逻辑块号通过直接索引或间接索引找到对应的物理块号。
（1）9999/1024=9余783，则逻辑块号为9，直接索引第9个地址得到物理块号，块内偏移地址为783。
（2）18000/1024=17余592，则逻辑块号为10<17<10+256，通过一次间接索引在第10个地址可得到物理块号，块内偏移地址为592。
（3）/1024=410余160，则逻辑块号为10+256<410，通过二次间接索引在第11个地址可得到一次间址，再由此得到二次间址，再找到物理块号，其块内偏移地址160。

以索引结构存放的文件叫做索引文件。要引入多级索引文件主要是为了检索方便，快速查找到文件。

在这里插入图片描述
答：
分配两个盘块的过程如下：

⑴ 顺序扫描位示图，从中找到第一个值为0的二进制位，得到行号i=3，列号j=3。

⑵ 将找到的二进制位转换成对应盘块号。盘块号为：b=（3-1）*16+3=35；

⑶ 修改位示图，令map[3，3]=1，并将该盘块分配出去。

类似地，可使用相同的方法找到第二个值为0的二进制位，得到行号i=4，列号j=7，其对应的盘块号为55，令map[i，j]=1，并将该盘块分配出去。

（1）位示图需多少个字？
（2）第i字第j位对应的块号是多少？
（3）给出申请/归还一块的工作流程。

答：

（1）500/32=16（向上取整）
（2）对应的块号为：32*（i-1)+j
（3）申请：自左向右、自上而下扫描位示图，跳过字位为1的位，找到第一个字位为0的位，根据它是第i行第j位算出对应的块号，将其分配出去，并将对应字位置1.
归还：根据块号，算出相应的i、j，并将其字位清0

命令接口和图形化用户接口支持用户直接通过终端来使用计算机系统，程序接口提供给用户在编制程序时使用，网络用户接口是面向网络应用的接口。

2025年操作系统基础（操作系统基础答案）

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