考题预测及解析

首先声明一点：

从长远角度看，前面博客中讲的研究思路更重要
从考试角度看，这篇博客就足够了，因为考点几乎是固定的
另外，这篇博客写于期中考试前，后面再确定期末考试的考点是否与此一致

重点声明

多道程序设计技术，多道程序的优缺点分析；
进程状态转移，状态转移的原因（三状态模型）；
进程同步：PV操作（重点），这里多做几个题目吧；
进程通信：论述消息传递和共享内存的区别；
线程：论述多进程、多线程的优劣；
CPU调度算法（大概五分左右），算（带权）周转时间（多种算法）；
死锁部分（重点）：银行家算法、安全状态的判定；
程序的装入、链接，仔细对比各种方式的区别；
内存管理：空闲内存分配方法，给一个内存映像，写出四种分配方法的结果；
内存管理：分页是一定考的；
虚拟存储器的思想，以及页面置换算法；
IO：不考2333；
磁盘调度算法；
文件系统，计算题；

这些题目和之前博客讲的很多内容都大不相同，这里考的十分具体，大多数都是算法题，当然会有一些理解性的题目。

例题讲解

1.多道程序设计技术

基本思想：将多个程序同时放入内存，使他们共享系统中的资源。
特点：

内存中存放了多个程序，而不是一个；
宏观上并行，给我们的假象是多个程序同时在执行，其实某一时刻只有一个程序在执行；
微观上串行：某一时刻只有一个程序在执行，即多个程序轮流占用CPU，交替执行；

多道程序设计带来的优点：

首先解释三个利用率的提高：CPU, IO, Memory，然后是吞吐量；
将等待IO的时间拿出来执行其他程序，提高了CPU利用率；
可能将多个程序的IO操作集中起来，也提高了IO设备的利用率；
内存中装入多道程序轮流执行，提高了内存的利用率；
将等待IO的时间利用后，提高了系统的吞吐量，降低了程序运行所需要的费用；

多道程序设计带来的缺点：

增加了系统的不确定性，很难确定某一个程序的终止时间；

2.进程同步

先提一个很有意思的问题：解释程序和进程的区别

程序保存在磁盘中，是静态的，而进程在内存中，是动态的概念
程序保存在磁盘中的形式是文件，如exe文件，而进程在内存中的形式是PCB+代码段+数据段+堆区+栈区
loader将程序从磁盘中加载到内存中，并分配PCB以及代码段、数据段、堆、栈后进程才可执行，进程有其生命周期，且进程与程序不是一一对应的。
进程是系统进行资源分配的基本单位，而程序仅仅是静态的指令代码。

此问题能区分科班出身程序员和培训机构出来的程序员，当然这是建立在对操作系统的理解之上的，如果理解了进程的概念自然能明白这个问题。

关于进程的状态转移：
就绪态–>运行态：

CPU有空闲、进程处于就绪状态，此时调度算法将就绪队列中的一个进程调度到CPU上运行

运行态–>就绪态：

时间片用完，被迫暂停执行
也可能因为优先级低被抢占：进程A执行时，某优先级更高的B为就绪态，则进程A会被抢占，强行进入就绪态，优先执行进程B。
此时收回CPU资源，再次执行调度程序。

运行态–>阻塞态：

该进程请求IO
等待某个事件或者请求访问某个临界资源，而该临界资源被其他程序占用
此时收回CPU资源，再次执行调度程序

阻塞态–>就绪态：

阻塞的原因解除，如：IO结束，某被占用的临界资源被释放
将此进程插入到就绪进程队列中，等待再次获得CPU。

练习题：
在一个单处理机的系统中，OS的进程有运行、就绪、阻塞三个基本状态。假如某时刻该系统中有10个进程并发执行，在略去调度程序所占用时间情况下试问：
(1)这时刻系统中处于运行态的进程数最多有几个？最少有几个？
(2)这时刻系统中处于就绪态的进程数最多有几个？最少有几个？
(3)这时刻系统中处于阻塞态的进程数最多有几个？最少有几个？

参考答案：
（1）运行态最多有1个，最少有0个。
（2）就绪态最多有9个，最少有0个。
（3）阻塞态最多有10个，最少有0个。

信号量的PV操作：
信号量的定义：

struct semaphore{int value;struct PCB *queue;
}
void wait(semaphore s)
{s.value-=1;if(s.value<0)block(s.queue);//当前进程进入阻塞态，并加入阻塞队列
}
void signal(semaphore s)
{s.value=s.value+1;if(s.value>=0)wakeup(s.queue);//从阻塞队列中唤醒一个进程
}

心烦，学期末大家都在图书馆，搞的图书馆wifi压根不能用，而且还没流量了，想骂人^ - ^,图片也他喵的传不上来，最近这Google Chrome也犯浑，卡的一批…

吃水果问题：
桌上有一空盘，只允许存放一个水果。爸爸专向盘中放橙子，妈妈专向盘中放苹果，女儿专等吃橙子，儿子专等吃苹果。规定当盘空时一次只能放一个水果供吃者自用，请用PV操作实现爸爸、妈妈、女儿、儿子四个并发进程的同步。

semaphore s1=1；//s1表示盘的状态：1为空；0为满。
semaphore s2=s3=0；//s2和s3分别表示橙子和苹果的个数。
father（）
{while（1）；{P(s1);放入橙子；V(s2);}
}
mother（）
{while（1）；{P(s1);放入苹果；V(s3);}
}
daughter（）
{while（1）；{P（s2）；从盘中取出橙子；V(s1)}}
son（）
{while（1）；{P（s3）；从盘中取出苹果；V(s1)}
}

笼子问题：
有一只笼子，每次只能放一只动物，猎手向笼子中放猴子，农民向笼子中放猪，动物园等待买笼中的猴子，饭店等待买笼中的猪，试用PV操作写出他们能同步执行的程序。

semaphore s1=1；//初始状态下，笼子为空。
semaphore s2=s3=0；//初始状态下猴子和猪的个数。
hunter（）
{while（1）；{P(s1);放猴子；V(s2);}
}
famer（）
{while（1）；{P(s1);放猪；V(s3);}
}
zoo（）
{while（1）；{P（s2）；
取猴子；V(s1)}}
Restaurant（）
{while（1）；{P（s3）；
取猪；V(s1)}
}

关于PV操作：将P操作理解成申请，将V操作理解成通知，那么上述问题非常简单；

3.进程调度相关

周转时间定义：从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔
周转时间=在外存上等待被调入的时间+在就绪队列上等待调度的时间+在CPU上执行的时间+进程等待IO操作完成的时间。

带权周转时间：周转时间/实际服务时间

调度算法有：先来先服务、短作业优先、时间片轮转调度、

看下先来先服务与短作业优先的计算例题：

思路很简单，计算也很简单，这里的短作业优先是非抢占式的。

还有最短剩余时间优先调度，需要每一时刻都计算各个进程的剩余时间

优先级调度算法：给每个进程赋予一个优先级，如果单纯考这个算法的话，会很简单，也就让根据优先级排个序（我们课上约定最小整数对应最大优先级）

对上述算法做改进，衍生出：高响应比优先级调度

引入动态优先权=（等待时间+要求服务时间）/（要求服务时间）
当然也有抢占式和非抢占式版本，非抢占式版本做题比较简单，抢占式的话，大概率不会考，因为计算变得十分复杂。

多级队列调度算法：

笔者手上没有具体题目，如果要考的话，出题也不怎么好处
其基本思想是，将就绪队列划分成多个队列，如前台队列、后台队列
每一个队列都有独立的调度算法，如前台使用轮转调度，后台使用先到先服务。

多级反馈队列调度算法：

也不怎么会考
一个进程在多个队列之间移动，使用CPU越多，优先级越低
比如划分成Q0, Q1, Q2
某个进程在Q0执行一段时间后转移到Q1，再执行一段时间转移到Q2
基本思想是这样的

4.进程通信

这里来一个开放性题目，老师说考的概率很大；

论述对比两种进程通信方式：消息传递和共享内存（实现难度、使用难度、适用范围）

共享内存实现比较简单，基本思想是在内核开辟一部分空间，让多个进程之间共享该空间。而消息传递的实现比较复杂，需要管理维护消息队列；
共享内存的最大缺点：需要程序员自己管理同步和互斥问题，当共享变量变得多起来以后，极易容易出现死锁问题；
消息传递：不需要程序员自己管理同步和互斥问题，正因如此，比较适合解决复杂问题；
由于消息传递实现机制比较复杂，其不适合频繁使用，如需要进程间传递大量数据，应使用共享内存；

5.线程相关

多进程VS多线程

进程由PCB进行管理，线程由TCB进行管理；
PCB所占空间大于TCB，所以创建进程和进程切换所需要的开销大于线程，这也是引入多线程的原因，而且线程的内存占用也少于进程；
进程是计算机分配资源的基本单位，线程是调度的基本单位，即OS会给进程分配资源，线程使用进程的资源，线程接受调度，同时一个进程内可有多个线程；
线程之间会相互影响，一个线程崩溃可能会使其他线程也崩溃，但是进程之间是隔离的，不会受此影响；
进程需要考虑通信机制，数据共享复杂，而线程共享进程的一些数据，使得数据共享变得十分容易；
COW技术可使进程创建开销变小；
多进程切换时会频繁刷新快表，而多线程则可更好利用快表；

6.死锁相关

银行家算法输入：

可利用资源向量Available，Available[j]=k表示Rj有k个资源可用
最大需求矩阵Max Max(i,j)=k表示进程i需要Rj的最大数目是k
分配矩阵Allocation Allocation(i,j)=k表示进程i当前已经分得Rj类资源的数目为k
需求矩阵Need

算法描述：

Work表示系统当前资源数目初值 Work=Avaliable
Finish:进程能否顺序完成初值Finish[i]=true
寻找能满足下述条件的进程i：Finish[i]=true, Need[i,j]<Work[j]
如找到则：Finish[i]=true, Work[j]+=Allocation[i,j]
一直找下去，如果所有进程均已结束则安全，否则不安全。

也就是说银行家算法其实是用来判断当前状态是否是安全状态的；
建议找个题目做做！

7.程序装入链接

他们的具体含义就不说了，直接看程序装入链接

可能考点：分析静态链接和动态链接的优劣（生成文件大小、模块升级、模块兼容性、运行效率）

静态链接生成的可执行文件较大，动态链接产生的可执行文件较小
动态链接容易对模块进行升级，不需要重新编译即可完成升级只需要替换文件即可。而静态链接需要重新编译。
动态链接虽然容易升级，但是可能会造成版本不兼容，如果采用静态链接方式的话，能借助编译器减缓版本不兼容问题。
静态链接启动时间长，动态链接启动时间短。
静态链接一次装入即可，运行时动态链接需要在运行时装入，可能影响运行效率。

8.内存管理相关

分页必考，下题容易做错：
已知某分页系统，主存容量为64K，页面大小为1K，对一个4页大的作业，其0、1、2、3页分别被分配到主存的2、4、6、7块中。

1.将十进制的逻辑地址1023、2500、3500、4500转换成物理地址
- 首先计算1023对应的物理地址
  - 1023对应的页内偏移为1023%1024=1023
  - 物理页框2对应的初始地址为：2048
  - 2048+1023=3071
  - 注意1KB=1024B，这是错点；
- 计算2500对应的物理地址
  - 2500对应的页内偏移为2500%1024=452
  - 2500/1024=2表示其在2号页里
  - 对应物理页框6
  - 物理页框6的起始地址：6*1024=6144
  - 6144+452=6596
- 其他的就不算了
- 4500/1024=4越界

分段不知道考不考，目前的OS实现都绕开了分段，个人感觉考的可能性不大；

还有一个考点，空闲内存分配算法，具体看内存管理：

首次适应
循环首次适应
最佳适应
最坏适应

9.虚拟存储管理

局部性原理、请求页式存储管理、页面置换算法

为什么称为虚拟存储器？

通过仅将部分程序调入内存运行的方式，使一个很大的程序，可以在较小的内存空间上运行。
如果每个程序都装入一部分运行的话，还可以使内存同时装入更多的进程并发执行，提高系统吞吐量
进程换进换出是操作系统完成的，用户并不知道，所以是从逻辑上对内存容量进行了扩充。而这个感觉是虚拟的，所以称为虚拟存储器。

页面置换算法：

最佳置换算法：选择在最长时间内不被访问的页面，仅仅在理论层面研究，因为其选择在未来时间内最长时间不被访问的页面，但是OS没办法预测未来访问顺序鸭。
先进先出置换算法：这个还是最简单的思想
最近最久未使用置换算法（LRU）：计算t值最大的页予以淘汰
Clock置换算法：设置一个访问位，如被访问则置1，当发生缺页中断时，检查头指针指向的页面，若R=0则换出，否则设置R=0，检查下一页。

10.磁臂调度算法

访问磁道顺序：55，58，39，18，90，160，150，38
当前磁头处于100号磁道上

先来先服务：

寻道距离：45+3+19+21+72+70+10+112+20=372

最短寻道时间优先：

寻道顺序：90，58，55，39，38，18，150，160
寻道距离：10+32+3+16+1+20+132+10=224

电梯调度算法—SCAN

沿着某个方向移动，直到该方向没有请求，逆转方向
假设先沿着磁道增加的方向移动，访问顺序：150，160，90，58，55，39，38，18
移动距离：50+10+70+32+3+16+1+20=202

循环扫描算法—CSCAN

只沿一个方向移动，没有逆转的操作
访问顺序：150，160，18，38，39，55，58，90

总结：

先来先服务：永远是最公平的，但是低效
最短寻道时间：高效、但是不公平，容易产生饥饿
电梯调度算法：折中的方案
循环扫描算法：也是折中的方案，能够降低最坏情况下的时延

11.文件系统

练习1：
一个文件有64M，磁盘每个盘块的大小为1KB，每个盘块号占2B，则这个文件的索引块有几个？需要几级索引？

先算该文件需要多少个盘块：64M/1K=64K个盘块
一个盘块号占2B，64K个盘块需要占用：64Kx2B=128KB
128KB需要的盘块为：128个
一级索引不好管理
引入二级索引，一个一级盘块可寻址：1KB/2Bx1KB=512KB
一个二级索引块可寻址：1KB/2Bx512KB=256MB数据
所以需要引入二级索引

练习2：
文件系统采用混合的方式管理存储文件的物理块，设块的大小为512B，每个块号占3B，如果不考虑逻辑块号在物理块中所占的位置，求一级索引、二级索引和三级索引可寻址的文件最大长度。

一个块可装512B/3B=170个索引
一个一级索引块可寻址：512B/3Bx512B=85KB
一个二级索引块可寻址：512B/3Bx85K=14MB
一个三级索引块可寻址：512B/3Bx14MB=2.3GB

练习3：
有一磁盘共有10个盘面，每个盘面上有100个磁道，每个磁道有16个扇区，每个扇区512字节。假定文件分配以扇区为单位，若使用位示图来管理磁盘空间，问：

磁盘容量的大小是：10x100x16x512B=7.8MB
位图所占用的空间是：10x100x16/8=2000B，2000B/512B=3.9, 所以至少需要4个扇区来保存位图
若空白文件目录的每个表目占5B，什么时候空白文件目录占用空间大于位图：没弄懂啥意思。

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