第2单元 计算机系统基础知识(21-30)

【例题2-21】 存储分配解决多道作业A 的划分问题。为了实现静态和动态存储分配，需采用地址重定位，即把B 变换成C，静态重定位由D 实现，动态重定位由E 实现。
供选择的答案
A：   ① 地址空间   ② 符号名空间  ③ 主存空间  ④ 虚存空间
B、C：① 页面地址   ② 段地址   ③ 逻辑地址
④ 物理地址   ⑤ 外存地址  ⑥ 设备地址
D、E：① 硬件地址变换机构    ② 执行程序  ③ 汇编程序
④ 连接装入程序     ⑤ 调试程序  
⑥ 编译程序      ⑦ 解释程序
【答案】 A：③  B：③  C：④  D：④  E：①
【解答】 存储分配属于存储管理问题。这里存储管理是针对主存空间（内存）的管理。在多道操作系统中，在内存里存储了多道作业，为了使作业之间彼此不干扰，存储分配为每道作业划分了相应的主存空间。
由于作业的存储空间是由操作系统分配的，事先不确定，所以它在程序中的操作地址不可能是绝对地址（物理地址）的形式、执行时（或执行前）由机器的地址映射机制转化为绝对地址加以执行，即进行操作地址的重定位。地址重定位分为静态重定位和动态重定位两种。动态重定位是指在每条指令执行时由硬件实现的地址转化，静态重定位是指在程序执行前（通常是在装入、连接时）一次完成，一般由软件（如根据分配的内存位置）设置变址寄存器。
【例题2-22】 因争用资源产生死锁的必要条件是互斥、循环等待、不可抢占和A 对于缓冲池（大量缓冲区）的管理，采用生产者-消费者方式解决同步或互斥时，通常需要用B个信号量。
供选择的答案
A：① 请求与释放  ② 释放与保持  ③ 释放与阻塞  ④ 保持与等待
B：① 1  ② 2   ③ 3  ④ 4 
【答案】 A：④  B：③
【解答】 产生死锁的4个必要条件是：
• 互斥。一个资源每次只能分配给一个进程使用。
• 循环等待。在一定条件下，各进程无休止地互相等待。
• 不可抢占。进程只有自动释放资源，其他进程才能获得它。
• 保持与等待。又称部分分配条件，即一个进程已获得一些资源，又因请求其他资源而被阻塞等待。
采用生产者-消费者方式解决同步或者互斥问题时通常需要用：
• 读互斥信号量rmutex，初值为1。
• 用于使读者互斥地访问共享变量readcount。
• 写互斥信号量wmutex，初值为1，用于实现一个写者与其他读者和写者互斥地访问共享对象。
因此通常需要3个信号量。
【例题2-23】 进程是操作系统中的一个重要概念，进程是一个具有一定独立功能的程序在某个数据集合上的一次A。进程是一个B 的概念，而程序是一个C 的概念。进程的最基本状态有D。在一个单处理机中，若有6个用户进程，在非管态的某一时刻，处于就绪状态的用户进程最多有E 个。
供选择的答案
A：① 单独操作  ② 关联操作  ③ 运行活动  ④ 并发活动
B：① 静态   ② 动态   ③ 逻辑   ④ 物理
C：① 物理   ② 逻辑   ③ 逻辑   ④ 静态
D：① 就绪、运行、隐蔽    ② 停止、就绪、运行
③ 运行、就绪、阻塞    ④ 就绪、撤销、运行
E：① 5  ② 6  ③ 1  ④ 4 
【答案】 A：③  B：②  C：④  D：③  E：①
【解答】 本题考查操作系统中的进程知识。
进程和系统进程两类，前者控制用户作业的运行，后者完成系统内部分工的管理工作。
从静态的角度看，进程由程序、数据和进程控制块（JCB）组成；从动态的角度看，进程是计算机状态的一个有序集合。进程是一个具有一定独立功能的程序在某个数据集合上的一次运行，其中可能要涉及多个程序；而一个程序的运行过程中可能有若干进程依次或并行活动。
进程既是一个运行单位，又是一个调度单位和资源使用单位。进程和程序是有区别的。进程是有状态的，而程序没有状态。进程是一个动态的概念，它可以执行、暂停、继续运行，而程序是一个静态的概念，它体现了某个算法，而且多个进程可以共享一个程序。
进程的基本状态有就绪、运行和阻塞3种。阻塞态是指一个进程由于某种原因不具备运行条件时所处的状态，这时它必须等待，引起等待的条件一旦消失，进程便具备了运行的条件，阻塞态转变为就绪态；就绪态是指一个进程具备了运行的条件，但由于没有占有处理机而不能运行时所处的状态，一旦处于就绪态的进程轮到该进程占有处理机的时间片或处理机空闲，其状态就转变为运行态，投入运行；运行态是指一个进程正占用着处理机时所处的状态，这时，处理机正在执行该进程的程序。运行过程中，进程会因时间片己到等非资源请求原因退出运行态转变为就绪态，因资源请求原因而不具备运行条件时，该进程的状态就要转变为阻塞态。
由于只有占有处理机进程才能处于运行态，所以在一个单处理机中，非管态的某一时刻，系统中处于就绪态或阻塞态的进程可能有多个，但处于运行态的进程最多只有一个，也有可能是0个（系统死锁），这样处于就绪态的进程数只能是进程总数减l，不可能出现全部处于就绪态而无运行态进程的情况。
【例题2-24】 信号量是操作系统中用做互斥和同步机制的一个共享的整数变量。信号量仅可以由初始化、唤醒（SIGNA1）和等待（WAIT）三种操作访问。
对于给定的信号量S，等待操作WAIT（S）（又称P操作）定义为：
IF  S>0  THEN  A  ELSE  挂起调用的进程
唤醒操作SIGNA1（S）（又称V操作）定义为：
IF（存在等待的进程）THEN（唤醒这个进程）ELSE B
给定信号量S，可以定义一个临界区来确保其互斥，即保证在同一时刻这个临界区只能够被一个进程执行。当S被初始化为1时，代码段定义了一个临界区。
C；
　{临界区}
D
这样的临界区实际上是将共享数据和对这些数据的操作一起封装起来、通过其互斥机制一次只允许一个进程进入，这种临界区通常称为E。
供选择的答案
A、B、C、D：① S：=0   ② S：=S+1   ③ S：=S–1 
④ S：=1   ⑤ SIGNA1（S+1） ⑥ WAIT（S–1）
⑦ SIGNA1（S） ⑧ WAIT（S）
E：① 模块  ② 类程  ③ 管程  ④ 线程
【答案】A：③  B：②  C：⑧  D：⑦  E：③
【解答】 信号量是操作系统中用作互斥和同步机制的一个共享整数变量，除初始化外，仅能通过两个标准的原子操作（Atomic Operation）——wait（S）和signal（S）来访问。对于给定的信号量S，等待操作为：若S > 0，则S：= S–1，禁止其他进程访问此临界资源，否则将挂起调用的进程。唤醒操作为：若存在等待的进程，则唤醒它，否则S：=S+1，允许其他进程访问此临界资源。
每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区（Critical Section）。显然，若能保证每个进程互斥地进入自己的临界区，就能实现它们对临界资源的互斥访问。这样，每个进程在进入临界区以前应先检查自己要访问的临界资源是否正在被访问，若没有被访问，则可进入临界区，访问该资源，并设置信号量，表示资源正在被访问，否则应等待（挂起），这个操作即Wait（S）。当其访问完临界资源，退出临界区时，检查若有进程被挂起（即在等待访问此临界资源），则唤醒该进程，否则应当恢复信号量，以使其他进程将来能访问此临界资源，这个操作即signal（S）。
引入信号量机制的目的是为了消除与时间有关的错误，但如果在使用wait（S）和signal（S）操作时出现错误，同样也会出现与时间有关的错误。为了解决这种问题，Dijkstra在1971年提出，把所有进程对某一种临界资源的同步操作都集中起来，构成一个所谓的“秘书”进程，凡是要访问此临界资源的进程都要先报告“秘书”，由“秘书”来实现各进程的同步。后来，“秘书”进程思想又进一步发展为管程的概念，即“一个管程定义了一个数据结构和能为并发进程所执行（在此数据结构上）的一组操作，这组操作能同步改变管程中的数据”。
【例题2-25】 A 是操作系统中可以并行工作的基本单位，也是核心调度及资源分配的最小单位，它由B 组成，它与程序的重要区别之一是：C。
在SMP系统中，操作系统还提供了D 机制，它是E 的最小单位。
供选择的答案
A： ① 作业    ② 过程  ③ 函数  ④ 进程
B： ① 程序、数据和标示符   ② 程序、数据和PCB
③ 程序、标示符和PCB   ④ 数据、标示符和PCB
C： ① 程序可占用资源，而它不可  ② 程序有状态，而它没有
③ 它有状态，而程序没有   ④ 它能占有资源，而程序不能
D： ① 约束   ② 线程   ③ 共享    ④ 分时
E： ① 存储器分配 ② 资源分配  ③ 处理器分配  ④ 网络结点分配
【答案】 A：④  B：②  C：③  D：②  E：③
【解答】 进程是一个程序关于某个数据集的一次运行。也就是说，进程是运行中的程序，是程序的一次运行活动。相对子程序，进程是一个动态的概念，而程序是静态的概念，是指令的集合。因而进程具有动态性和并发性。
进程是一个动态的概念，在操作系统中，引入数据结构——PCB（进程控制块）来标记进程。PCB是进程存在的惟一标志，PCB描述了进程的基本情况。从静态的观点看，进程由程序、数据和进程控制块组成。
对称多处理器系统SMP是由若干同构甚至相同的处理器构成一个系统，其操作系统提供了线程（Thread）机制以发挥多个处理器的作用。在多线程系统中，一个进程可以由一个或多个线程构成。进程是资源分配的基本单位，而线程是处理器分配的最小单位。
【例题2-26】 虚拟存储管理系统的基础是程序的A 理论。这个理论的基本含义是指，程序在执时往往会B 访问内存储。程序的A 表现在C 和D 上。C 是指最近被访问的存储单元可能马上又要被访问。D 是指马上被访问的单元，而其附近的单元也可能马上被访问。
根据这个理论，DENNING提出了工作集理论。工作集是进程运行时被频繁地访问的页面集合。在进程运行时，如果它的工作页面都在E 器内，能够使该进程有效地运行，否则会出现频繁的页面调入调出现象。
供选择的答案
A：    ① 局部性   ② 全局性  ③ 动态性  ④ 虚拟性  
B：    ① 频繁地   ② 均匀地  ③ 不均匀地  ④ 全面地  
C、D：① 数据局部性  ② 空间局部性 ③ 时间局部性
④ 数据全局性  ⑤ 空间全局性 ⑥ 时间全局性
E：① 外部存储  ② 主存储  ③ 辅助存储  ④ 虚拟存储
【答案】 A：①  B：③  C：③  D：②  E：②
【解答】 本题考查虚拟存储管理系统知识。
虚拟存储管理系统的基础是程序的局部性原理。所谓程序局部性原理是指程序在执行时所呈现的局部性规律，即在一段较短的时间内，程序的执行仅限于某个部分。相应地，它所访问的存储器空间也局限在某个空间。局部性原理又表现为两个方面：
（1）时间局限性。如果某条指令被执行，则不久以后该指令很可能再次被执行；如果某条数据结构被访问，则不久以后该数据结构很对能再次被访问。产生时间局限性的主要原因是程序中有大量的循环操作。
（2）空间局限性。一旦程序访问了某个内存单元，不久以后，其附近的内存单元也要被访问，即程序在一段时间内所访问的存储器空间可能集中在一定的范围之内，其最常见情况就是程序的顺序执行。
工作集是指，在某段时间间隔内，进程所要访问的页面集合。虽然程序只需少量的几页内存就可以运行，但为了使程序能有效地运行，必须使程序的工作集全部在内存（主存储器）当中，否则会使进程在运行中频繁出现缺页中断，从而出现频繁的页面调入调出    现象。
【例题2-27】 在段页式管理的存储器中，主存等分为A、程序按逻辑模块分成B。D在多道程序环境下，每道程序还需要一个C 作为用户标志号。每道程序都有对应的D 。一个逻辑地址包括C x、段号s、页号p和页内地址d四个部分。
假设总长度为22位的逻辑地址格式分配如下：21~20位x；19~14位s；13~1位p；10~0位d。若x，s，p，d均以二进制数表示，其转换成的物理地址为E。
供选择的答案
A、B、C：① 段  ② 页  ③ 基  ④ 模块  ⑤ 区域
⑥ 段号 ⑦ 页号  ⑧ 基号  ⑨ 模块号 ⑩ 区域号
D：① 一个段表和一个页表  ② 一个段表和一组页表
③ 一组段表和一个页表   ④ 一组段表和一组页表
E： ①    ② 
③      ④ 
【注】 式中（Y），表示Y单元地址中的内容。
【答案】 A：②  B：①  C：⑧  D：②  E：④
【解答】 本题涉及存储管理知识，主要考查段页式存储管理。段页式存储管理综合了段式与页式管理的特点，用分段方法分配管理作业，用分页方法分配管理内存主存被划分为定长的页，段页式系统中的虚地址的形式是（段号、页号、位移）。系统为每个进程建立一个段表，为每个段建立一个页表。也就是说，先将程序按逻辑模块（主程序、子程序和数据段等）分为若干段，再将每个段分为若干页。
对于多道程序环境，每道程序有一个基号与其他程序相区分，每道程序可以有多个段，但只有一个段表，每个程序可以有多个页表。在段页式存储体系中，逻辑地址与物理地址的转换：首先由基号和段号得到段表的地址再访问段表得到页表的地址，再由页表得到物理块的地址，此时得到的地址是高11位的地址，因此需乘以211再加上页内地址，才得到真正的物理地址。
【例题2-28】 由于内存大小有限，为使得一个或多个作业能在系统中运行，常需要外存来换取内存。其中以作业为单位对内外存进行交换的技术称为A 技术，在作业内部对内外存进行交换的技术称为B 技术。用外存换内存是以牺牲程序运行时间为代价的。为提高CPU有效利用率，避免内外存的频繁交换，B 技术常用某种C 来选择换出内存的页面，它的基础是程序的D。据此，操作系统可根据E 来改善系统的性能，E 是一个进程在定长的执行时间区间内涉及到的页面的集合。
供选择的答案
A、B：① SPOOLING  ② SWAPPING  ③ 虚拟存储
④ 虚拟机   ⑤ 进程管理   ⑥ 设备管理
C：① 页面分配策略 ② 页面标志策略  ③ 页面淘汰策略  ④ 段设置策略
D：① 完整性  ② 局部性   ③ 递归性   ④ 正确性
E：① 工作集  ② 页面集   ③ 段号集   ④ 元素集
【答案】  A：②  B：③  C：③  D：②  E：① 
【解答】 SWAPPING技术是对换技术的一种，用于解决由于内存不足而无法运行多道程序的问题，它以整个进程（作业）为单位进行对换，被对换到外存的作业将在一段时间内停止运行，这种对换广泛应用于分时系统中。所以问题A选择②。
对于一道作业来说，受内存容量的限制，作业进程能得到的内存空间会小于作业所需的空间。为使作业能在系统中运行，需要采用作业内部的对换技术，在作业内部以“页”或“段”为单位进行部分对换，即在内存中保留作业进程的一部分，而在外存放置作业进程的副本。作业运行时可以随机地访问在内存的那部分程序和数据，一旦访问不在内存的程序或数据时，就腾出部分暂时不用的内存区域，将它们的内容调出至外存，再将所要访问的那些内容调入内存。实现作业内部的部分对换，从而允许作业的地址空间大于实际分配的内存区域，这就是虚拟存储技术。所以问题B选择③。
虚拟存储技术中一个重要问题是如何选择页面置换算法，即如何淘汰页面，以避免内外存的频繁交换，降低系统性能，所以问题C选择③。
虚拟存储管理系统的基础是程序的局部性原理。所谓程序局部性原理是指程序在执行时所呈现的局部性规律，即在一段较短的时间内，程序的执行仅限于某个部分。相应地，它所访问的存储器空间也局限于某个空间。
程序局部性有两方面的含义：时间局部性，即如果一条指令被执行，则在不久以后可能再次被执行，产生时间局限性的主要原因是程序中有大量的循环操作；空间局部性，即一旦程序访问了某个内存单元，不久以后，其附近的内存单元也要被访问。程序在一段时间内所访问的存储器空间可能集中在一定的范围之内，其最常见的情况就是程序的顺序执行。所以问题D选择②。
操作系统可以利用工作集模型来改善系统的性能，工作集是指在某段时间间隔内，进程所要访问的页面集合。虽然程序只需少量的几页内存就可以运行，但为了使程序有效地运行，必须使程序的工作集全部在内存（主存储器）当中，否则会使进程在运行中频繁出现缺页中断，从而出现频繁的页面调入调出现象。所以问题E选择①。
【例题2-29】 在文件存储设备管理中，有三类常用的空闲块管理方法。即位图向量法、空闲块链表链接法和A。
供选择的答案
A：① 一级目录法 ② 多级自录法  ③ 分区法  ④索引法
【答案】 A：④
【解答】 文件存储设备管理也就是操作系统的辅存管理，其目的是要有效地进行存储空间管理。由于文件存储设备分成许多大小相同的物理块，并以块为单位交换信息。因此，文件存储设备的管理实质上是对空闲块的组织和管理。
有三种不同的空闲块管理方法，它们是位图法、链接法和索引法。
（1）位图法。位图法使用一个向量描述整个磁盘。向量的每一位表示一个物理块的状态，如0表示空闲块，而1表示该块已使用。位图法易于找到一个或连续几个空闲块，适合每一种文件分配方法；另外，位图法本身很小，易于全部放入主存。
（2）链接法。链接法使用链表把空闲块组织在一起，当申请者需要空闲块时，分配程序从链首开始摘取所需的空闲块；反之，管理程序把回收的空闲块逐个挂入队尾。这个方法适用于每一种文件分配方法。空闲块链的链接方法可以是如上述按释放的先后顺序链接，也可以按空闲块区（连续n个空闲块）的大小顺序链接。后者有利于获得连续的空闲块的请求，但在分配请求和回收空闲块时系统开销多一些。
（3）索引法。类似文件分配方法，索引法把空闲块作为一个文件并采用索引技术。为了更加有效，索引可以基于空闲块区而不是仅仅基于单个物理块。这样，磁盘上每一个空闲块区都对应于索引表中的一个条目，这个方法能有效支持每一种文件分配方法。索引法和链接法配合的索引块链接方法如下图所示。

图:索引法和链接法配合的索引块链接方法

【例题2-30】 有一磁盘组共有10个盘面，每个盘面上有100个磁道，每个磁道有16个扇区。假定分配以扇区为单位，若使用位示图管理磁盘空间，位示图需要占用A 字节。若空白文件目录的每个表目占用5个字节，当B 时空白文件目录大于位示图。
供选择的答案
A：① 2 000   ② 16 000  ③ 4 000   ④ 400
B：② 大于2 000  ② 大于400  ③ 大于16 000 ④ 大于4 000
【答案】 A：○1  B：○2  
【解答】 空白文件目录是管理磁盘空间的一种方法，该方法将存储设备上的每个连续空闲区看作一个空白文件。系统为所有空白文件单独建立一个目录，每个空白文件在这个目录中占一个表目。表目的内容至少包括第一个空白块的地址（物理块号）、空白块的      数目。
位示图是另一种常用的管理磁盘空间的方法，该方法通过建立一张位示图来反映整个存储空间的分配情况。其中，每一个二进制位都对应一个物理块，当某位为1时表示该块已被分配，当某位为0时，表示该块空闲。
由题目所给条件可知，磁盘组扇区总数为：16×100×10=16 000
因此，使用位示图描述扇区状态需要的位数为：16 000位=2 000字节
又由题目所给条件可知，空白文件目录的每个表目占需要占5个字节，由上述计算知位示图需要占2 000字节，2 000字节可存放表目数为：2000/5=400
所以当空白区数目大于400时，空白文件目录大于位示图。