常考计算机操作系统面试习题（二）（中）

目录

24. 操作系统的主要功能有哪些？

25. 文件的属性主要有哪些？

26. 对文件的基本操作主要有哪些？

27. 目录的基本操作有哪些？

28. 目录的逻辑结构有哪些种？

29. 简述银行家算法的Available、Max、Allocation、Need和Request的意义。

30. I/O设备在哪些方面存在差异？

31. 进程控制块（PCB）主要包括哪些信息？

32. 描述基本页面置换算法。

33. 进程的调度主要考虑哪些因素？

34. 描述缺页错误的处理过程。

35. 描述Pentium 4KB分页情况下，32位线性地址到物理地址的转换过程。

36. 程序并发执行为什么会失去封闭性和可再现性？

37. 何谓死锁？产生死锁的原因和必要条件是什么？

38. 分页和分段存储管理有何区别？

39. 简要说明I/O软件的四个层次的基本功能。

40. 假定盘块的大小为1K，硬盘的大小为500MB，采用显示链接分配方式时，其FAT共有多少个表项？

41. OS有哪几大特征？其最基本的特征是什么？

42. 为什么要在操作系统中引入线程？

43. 已知某分页系统，主存容量为64KB，页面大小为1KB。对于一个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。将十进制的逻辑地址1023、2500、3500、4500转换成物理地址：

44. I/O软件的四个层次及对应功能：

45. 在链接式文件中常用哪种链接方式？为什么？

46. 在基于微内核结构的操作系统中，应用了哪些新技术？

47. 已知某分页系统，页面大小为1KB。对于一个4页大的作业，其0、1、2、3页分别被分配到主存的3、2、5、1块中。将逻辑地址1023、2500、3500、4500转换成物理地址：

48. PCB提供了进程管理和进程调度所需的哪些信息？

49. 什么是WIMP技术？它被应用到何种场合？

50. 什么是微内核OS？

51. 为什么要在OS中引入线程？

---

24. 操作系统的主要功能有哪些？

参考答案：

• 存储管理：操作系统负责管理计算机的存储资源，包括主存（RAM）和外部存储设备（如硬盘）。它负责分配内存、回收内存并进行内存保护，确保不同进程的内存不互相干扰。
• 进程管理：操作系统负责管理计算机中的所有进程，包括进程的创建、调度和终止。它还负责进程间的同步和通信，确保资源的合理分配。
• 文件系统管理：操作系统管理文件的存储、访问权限、文件的创建、删除以及文件的组织结构。它提供一个逻辑抽象，允许用户和程序通过文件名而非物理位置访问文件。
• 安全和保护：操作系统提供用户身份验证、访问控制、加密等功能，以确保系统和数据的安全。同时，它还防止恶意软件或未授权的用户对系统造成损害。

25. 文件的属性主要有哪些？

参考答案：

• 文件名：文件的唯一标识符，以可读的字符串形式存在。
• 类型：指明文件的格式或类别，不同的文件系统可能支持不同类型的文件。
• 位置：指文件在存储设备上的物理位置或其在设备上的地址。
• 大小：文件当前占用的空间大小。
• 保护：文件的访问权限，包括读、写、执行等权限。
• 时间、日期、用户标识：文件的创建、修改时间以及访问的记录。用户标识用于文件的访问控制。

讲解：文件属性有助于操作系统管理文件的存储和访问，确保文件的安全性和完整性。文件系统会根据这些属性来优化文件的存取性能和安全性。

26. 对文件的基本操作主要有哪些？

参考答案：

• 创建文件：在磁盘上分配空间并初始化文件。
• 写文件：向文件中写入数据。
• 读文件：从文件中读取数据。
• 在文件内重定位：修改文件中的内容位置。
• 删除文件：从磁盘上移除文件，释放存储空间。
• 截断文件：截断文件的大小，删除超出部分的数据。
• 打开文件：将文件信息加载到内存中，供程序访问。
• 关闭文件：将内存中的文件信息保存到磁盘，释放资源。

讲解：这些操作是文件系统的基本操作，操作系统通过这些操作来管理文件的生命周期，包括如何创建、访问、修改和删除文件。

27. 目录的基本操作有哪些？

参考答案：

• 搜索文件：在目录结构中查找文件。
• 创建文件：向目录中添加新文件。
• 删除文件：从目录中移除文件。
• 列出目录：显示目录中的文件列表。
• 重命名文件：改变文件的名称。
• 跟踪文件系统：维护文件系统的完整性和一致性，跟踪文件的修改。

讲解：目录是文件系统的一部分，负责组织和管理文件的存储。通过这些操作，操作系统可以有效地管理文件及其相关信息。

28. 目录的逻辑结构有哪些种？

参考答案：

• 单级目录：所有文件放在一个目录中，适合小型系统。
• 两级目录：有一个根目录和若干子目录，适用于较大系统。
• 树状目录：采用树形结构，支持多层次的子目录。
• 无环图目录：目录和文件的结构形式可以是图，但没有环路，确保文件的唯一性。
• 通用图目录：目录和文件结构可以形成图形，包括循环依赖关系。

讲解：目录结构决定了文件系统如何组织文件。不同的目录结构有不同的访问效率和灵活性，通常较大的系统采用树状目录结构。

29. 简述银行家算法的Available、Max、Allocation、Need和Request的意义。

参考答案：

• Available：表示系统中每种资源的可用数量。Available[j]表示资源 Rj 有多少实例可用。
• Max：表示每个进程最多可以请求的资源数。Max[i, j]表示进程 Pi 对资源 Rj 的最大请求量。
• Allocation：表示每个进程已经分配的资源数。Allocation[i, j]表示进程 Pi 当前已占用的资源 Rj 实例数。
• Need：表示每个进程仍然需要的资源数。Need[i, j] = Max[i, j] - Allocation[i, j]，即进程 Pi 还需要多少资源 Rj。
• Request：表示进程当前请求的资源数量。Request[i, j]表示进程 Pi 请求的资源 Rj 的实例数。

讲解：银行家算法是一种资源分配和死锁避免算法，主要通过检查系统状态是否安全，来避免死锁的发生。通过 Available、Max、Allocation、Need 和 Request 五个矩阵，系统可以计算是否满足进程的请求，并决定是否分配资源。

30. I/O设备在哪些方面存在差异？

参考答案：

• 数据传输方式：设备支持字符流传输或块传输。
• 访问方式：设备支持顺序访问或随机访问。
• 共享方式：设备可能是专用的或共享的。
• 设备速度：不同I/O设备的处理速度存在差异。
• I/O方向：设备可能支持读写、只读或只写操作。

讲解：I/O设备具有多种差异，这些差异影响到设备的使用方式、性能以及系统资源的调度方式。操作系统根据这些差异来优化资源的使用和调度。

31. 进程控制块（PCB）主要包括哪些信息？

参考答案：

• 进程状态：记录进程的当前状态，如就绪、运行、等待等。
• 程序计数器：保存进程执行的下一条指令的地址。
• CPU寄存器：保存进程在运行期间的CPU寄存器状态。
• CPU调度信息：包括进程的优先级、调度策略等。
• 内存管理信息：包括进程的页表、段表等内存管理信息。
• 计账信息：包括进程的运行时间、已使用的CPU时间等。
• I/O状态信息：记录进程的I/O设备使用情况。

讲解：PCB是操作系统管理进程的重要数据结构，保存了进程运行所需的所有信息，操作系统通过它来调度和控制进程。

---

32. 描述基本页面置换算法。

参考答案：

• 查找所需页面在磁盘上的位置：当进程访问的页面不在内存中时，发生缺页错误。操作系统需要在磁盘中找到该页面。
• 查找空闲页框：如果内存中有空闲的页框，直接将缺页加载到空闲页框中。
• 无空闲页框时使用页面置换算法选择一个“牺牲”页框：若内存已满，操作系统会选择一个页面作为“牺牲”页面进行置换，腾出空间加载新的页面。
• 将“牺牲”页框的内容写回磁盘：如果被替换的页面被修改过，操作系统会将其内容写回磁盘，保持数据的一致性。
• 将所需页加载到新的页框中，并更新页表和帧表：新页面加载完成后，更新相应的页表和帧表，以便后续访问。
• 重启用户进程：页面加载完成后，继续执行进程。

讲解：页面置换算法是虚拟内存管理的一部分，它解决了内存不足时如何选择一个页面进行替换的问题。常见的页面置换算法有最近最少使用（LRU）算法、先进先出（FIFO）算法等。

33. 进程的调度主要考虑哪些因素？

参考答案：

• CPU利用率：进程调度应尽量保证CPU高效利用，避免CPU闲置。
• 吞吐量：指单位时间内操作系统能够完成的进程数。吞吐量越高，操作系统的效率越好。
• 周转时间：从进程提交到完成所经过的时间。周转时间越短，意味着系统响应更快。
• 等待时间：进程在就绪队列中等待调度的时间总和。减少等待时间有助于提升系统响应性。
• 响应时间：从进程发出请求到首次得到响应的时间。响应时间较短时，用户体验更好。

讲解：进程调度的目标是最大化系统的效率和用户体验。通过平衡这些因素，操作系统能够提供更好的性能，避免过度负载某个进程或资源。

34. 描述缺页错误的处理过程。

参考答案：

1. 查看进程页表，确定是否为无效引用：
   • 如果是无效引用（比如访问一个不存在的地址），操作系统会终止进程。
   • 如果仅仅是页面不在内存中，则继续处理。
2. 获取空闲页框：操作系统查找内存中未被占用的空闲页框。如果没有空闲页框，则需要执行页面置换。
3. 将所需页加载到页框中：加载缺失的页面到内存中。
4. 更新页表，将有效位设为“V”：更新页表项，标记该页面为有效。
5. 重启指令：页面加载完成后，进程重新执行发生缺页错误的指令。

讲解：缺页错误处理是虚拟内存管理的核心内容。操作系统通过这种机制实现了虚拟内存的扩展，即使内存空间不足，程序也能像在足够大的内存中一样运行。

35. 描述Pentium 4KB分页情况下，32位线性地址到物理地址的转换过程。

参考答案：

1. 逻辑地址结构：在IA-32体系结构中，32位线性地址由三个部分组成：
   • 高10位：页目录索引，用于定位页目录项。
   • 中间10位：页表索引，用于定位页表项。
   • 低12位：页内偏移，用于定位具体数据。
2. 转换过程：
   • 使用页目录索引查找页目录，获取页表的物理地址。
   • 使用页表索引查找页表，获取页框号。
   • 最后将页框号与页内偏移合并，得到物理地址。

讲解：分页机制通过将地址空间划分为固定大小的页，简化了内存管理，增强了内存的利用率。Pentium架构使用分层的页表结构，允许支持更大规模的内存管理。

36. 程序并发执行为什么会失去封闭性和可再现性？

参考答案：

• 失去封闭性：
  • 程序并发执行时，共享资源可能被其他程序修改，导致程序运行环境的不稳定，从而失去封闭性。例如，程序A和程序B都访问同一共享变量，A修改该变量后，B的行为可能会受到影响。
• 失去可再现性：
  • 并发执行时，程序的运行顺序和调度依赖于操作系统调度的顺序，可能不同的执行顺序导致不同的执行结果。即使初始条件相同，程序的执行结果也可能不同。

讲解：并发编程面临的问题之一就是如何保证程序的封闭性和可再现性。操作系统通过锁、信号量等同步机制来避免这些问题，确保并发程序的正确性。

37. 何谓死锁？产生死锁的原因和必要条件是什么？

参考答案：

• 死锁：是指一组进程中的每个进程都在等待其他进程释放资源，从而进入一种无法恢复的状态。

• 产生死锁的原因：

  • 竞争不可抢占资源：进程持有某资源并请求其他资源，但被阻塞。
  • 竞争可消耗资源：进程间对同一资源的争夺。
  • 进程推进顺序不当：进程请求资源的顺序导致死锁。

• 死锁的必要条件：

  1. 互斥条件：资源只能由一个进程独占。
  2. 请求和保持条件：进程持有资源并同时请求其他资源。
  3. 不可抢占条件：资源不能被强行抢占，必须等待。
  4. 循环等待条件：进程间形成一个循环的等待链。

讲解：死锁是并发系统中常见的问题，操作系统可以通过预防、避免、检测等方式来处理死锁，保证系统的正常运行。

38. 分页和分段存储管理有何区别？

参考答案：

• 分页：

  • 分页是基于物理内存的划分，内存被划分为固定大小的页，每个页面的大小是固定的。
  • 地址空间是一维的，采用页表来管理虚拟地址到物理地址的映射。

• 分段：

  • 分段是基于程序的逻辑结构划分，内存被划分为不同大小的段（如代码段、数据段、堆栈段）。
  • 地址空间是二维的，既包含段号也包含段内地址。

讲解：分页和分段是两种不同的内存管理方式。分页简化了内存管理的实现，但可能导致内存碎片问题；分段则根据程序的逻辑结构进行管理，具有更高的灵活性，但实现复杂度较高。

---

39. 简要说明I/O软件的四个层次的基本功能。

参考答案：

• 用户层I/O软件：提供与用户交互的接口，允许用户通过库函数或系统调用进行I/O操作。它为用户提供一个便捷的抽象层，不需要关心底层设备的细节。
• 设备独立性软件：提供设备无关性，使应用程序无需知道具体硬件设备的细节。它负责对设备进行缓冲、映射等操作，以确保不同类型设备能统一处理。
• 设备驱动程序：直接与硬件设备进行交互，发送控制命令并处理设备的具体操作。它们控制设备的操作并管理硬件的状态。
• 中断处理程序：负责处理由硬件设备产生的中断请求。当设备完成I/O操作时，它会产生中断信号，中断处理程序响应该信号，完成后续处理（如更新缓冲区、通知进程等）。

讲解：I/O软件的多层设计使得操作系统可以将硬件操作与应用程序逻辑分离，从而提高了系统的可移植性和设备管理的灵活性。每一层都扮演着不同的角色，使得系统能更高效、稳定地运行。

40. 假定盘块的大小为1K，硬盘的大小为500MB，采用显示链接分配方式时，其FAT共有多少个表项？

参考答案：

• 硬盘的大小为500MB，1MB = 1024KB，所以硬盘的大小为500 × 1024 = 512000KB。
• 盘块的大小为1KB，所以硬盘的总盘块数为512000个。
• 每个盘块有一个表项，因此FAT中共有512000个表项。

讲解：FAT（文件分配表）是用来管理磁盘空间的。每个表项指向磁盘上的一个盘块，操作系统通过FAT管理文件在磁盘上的存储位置。在显示链接分配方式下，每个文件占用的每个盘块都有一个表项，FAT表的大小直接取决于磁盘的总大小和盘块大小。

41. OS有哪几大特征？其最基本的特征是什么？

参考答案：

• 并发性：操作系统能够支持多个进程或线程并发执行。
• 共享性：操作系统管理和调度资源，使得多个进程能够共享计算机的硬件资源。
• 虚拟性：操作系统通过虚拟内存、虚拟设备等机制，使得应用程序能够透明地访问硬件资源，提升了系统的使用效率和安全性。
• 异步性：操作系统通过中断和事件驱动机制，使得进程的执行不依赖于固定的时间序列，从而实现高效的资源管理。

最基本的特征：并发性和共享性是操作系统的最基本特征。通过并发执行和资源共享，操作系统能够在有限的硬件资源下高效地管理多个进程，确保系统的高效运行。

讲解：操作系统通过这些基本特征提供对硬件的高效管理和抽象，允许多个进程共享计算机资源，并且确保每个进程的独立性和安全性。

42. 为什么要在操作系统中引入线程？

参考答案：

• 引入线程是为了在进程内部实现更细粒度的并发执行。线程是进程的基本执行单位，进程内部可以有多个线程，每个线程可以并发地执行任务。
• 引入线程可以减少进程之间的时空开销，因为线程共享进程的资源，如内存和文件描述符等，避免了进程间切换的开销。
• 引入线程能显著提高系统的响应性和吞吐量，尤其在多核处理器环境下，线程能充分利用多核CPU的并行处理能力。

讲解：线程使得操作系统能够更细粒度地管理并发，提高资源利用率。在现代操作系统中，线程是一种轻量级的执行单元，相比进程，线程的创建、销毁和切换更加高效。

43. 已知某分页系统，主存容量为64KB，页面大小为1KB。对于一个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。将十进制的逻辑地址1023、2500、3500、4500转换成物理地址：

参考答案：

• 逻辑地址1023：页号为0，页内偏移为1023。物理地址 = 2×1K + 1023 = 2048 + 1023 = 3071。
• 逻辑地址2500：页号为2，页内偏移为452。物理地址 = 6×1K + 452 = 6144 + 452 = 6596。
• 逻辑地址3500：页号为3，页内偏移为428。物理地址 = 7×1K + 428 = 7168 + 428 = 7596。
• 逻辑地址4500：页号为4，越界，发生越界中断。

讲解：分页系统将虚拟地址分为页面号和页内偏移，通过页表将虚拟页号映射到物理页框。每个虚拟页都有一个对应的物理页框。分页系统有助于简化内存管理和提高内存的利用率。

44. I/O软件的四个层次及对应功能：

参考答案：

• 向设备寄存器写命令：设备驱动程序负责直接与硬件设备进行交互，发送控制命令到设备寄存器。
• 检查用户是否有权使用设备：设备独立性软件负责管理设备访问权限，确保用户对设备的操作符合权限要求。
• 将二进制整数转换成ASCII码格式打印：用户层软件提供接口，将数据从二进制格式转换为用户可以理解的格式，如ASCII字符。
• 缓冲管理：设备独立性软件通过管理I/O缓冲区，确保数据的顺利传输。

讲解：I/O软件的四个层次在操作系统中各自承担不同的角色。它们使得操作系统能够高效地处理硬件设备的输入输出操作，同时也为应用程序提供了简洁、统一的I/O接口。

45. 在链接式文件中常用哪种链接方式？为什么？

参考答案：

• 显式链接方式：常用于链接式文件系统中，在显式链接中，文件的每个记录都指向下一个记录的位置。

理由：显式链接方式允许在内存中快速查找记录，显著提高检索速度。与隐式链接方式不同，显式链接适用于随机访问，能有效减少磁盘访问次数，提高文件的访问效率。

讲解：显式链接和隐式链接是两种不同的文件链接方式。在显式链接中，文件记录直接通过指针链接到下一条记录，适合需要频繁访问的场合。隐式链接则适合顺序访问，但效率较低。

---

46. 在基于微内核结构的操作系统中，应用了哪些新技术？

参考答案：

• 足够小的内核：微内核操作系统将内核的功能最小化，只保留最基本的功能，如进程调度、内存管理和低级别的硬件抽象。其他功能（如文件管理、网络协议等）则由用户空间的服务来处理。
• 基于B/S模式：许多微内核系统采用客户端/服务器架构，将操作系统的部分功能外包到用户空间的服务器中，这样可以提高系统的灵活性和扩展性。
• 机制与策略分离：在微内核中，操作系统的核心负责提供机制（例如进程管理、内存管理等），而具体的策略（例如调度算法、安全策略）则交给用户空间的服务模块来实现。通过这种分离，操作系统可以更加灵活地应对不同需求。
• 采用面向对象技术：微内核操作系统可能使用面向对象的技术来组织和管理系统资源，提高模块化和可扩展性。

讲解：微内核结构的主要优势是其模块化特性，可以实现高可扩展性和灵活性。相比传统的单体内核，微内核更容易实现操作系统的稳定性和安全性，因为大部分功能都运行在用户空间，不容易对系统核心造成影响。

47. 已知某分页系统，页面大小为1KB。对于一个4页大的作业，其0、1、2、3页分别被分配到主存的3、2、5、1块中。将逻辑地址1023、2500、3500、4500转换成物理地址：

参考答案：

• 逻辑地址1023：页号为0，页内偏移为1023。物理地址 = 3×1KB + 1023 = 3072 + 1023 = 4095。
• 逻辑地址2500：页号为2，页内偏移为452。物理地址 = 5×1KB + 452 = 5120 + 452 = 5572。
• 逻辑地址3500：页号为3，页内偏移为428。物理地址 = 1×1KB + 428 = 1024 + 428 = 1452。
• 逻辑地址4500：页号为4，超出了分配的页数，发生越界中断。

讲解：在分页系统中，逻辑地址由页号和页内偏移组成。操作系统通过页表将页号映射到物理内存的页框号，然后将页框号与页内偏移结合，得到物理地址。

48. PCB提供了进程管理和进程调度所需的哪些信息？

参考答案：

• 进程标识符：唯一标识一个进程。
• 处理机状态信息：包括程序计数器、CPU寄存器等，保存进程的执行状态。
• 进程状态：记录进程当前的状态，例如就绪、运行、等待等。
• 进程优先级：指明进程调度的优先级，操作系统根据优先级来决定进程的调度顺序。
• 等待CPU时间和阻塞原因：记录进程等待CPU的时间以及进程被阻塞的原因。
• I/O状态信息：记录进程在进行I/O操作时的相关信息。

讲解：PCB（进程控制块）是操作系统用于管理进程的核心数据结构。通过它，操作系统能够跟踪进程的执行状态、调度信息以及资源使用情况，是进程调度和管理的基础。

49. 什么是WIMP技术？它被应用到何种场合？

参考答案：

• WIMP技术包括：窗口（Windows）、图标（Icons）、菜单（Menus）、鼠标（Pointing device）。
  • 窗口：提供图形化的界面，允许用户在屏幕上同时打开多个应用程序窗口。
  • 图标：图形化表示文件、应用程序等对象，便于用户理解和操作。
  • 菜单：提供操作选项，用户可以通过菜单进行交互。
  • 鼠标：用来指向、选择和操作界面元素的输入设备。

应用场合：WIMP技术广泛应用于图形用户界面（GUI）的操作环境中，尤其是个人计算机和移动设备上的操作系统。它通过图形化的界面提高了用户与计算机系统的交互效率。

讲解：WIMP技术改变了人们与计算机互动的方式，提供了更直观、更友好的用户体验。它使得计算机的使用更加便捷，成为现代操作系统和应用程序的标准交互方式。

50. 什么是微内核OS？

参考答案：

• 微内核操作系统是将操作系统的核心功能最小化，仅包含最基本的功能，如进程调度、内存管理、低级硬件抽象等。其他功能，如文件管理、网络协议等，通常由用户空间的服务提供。
• 基于客户/服务器模式：微内核采用客户/服务器模式，操作系统的核心功能作为客户与服务器之间的通信桥梁存在。
• 机制与策略分离：微内核操作系统将“机制”与“策略”分开，操作系统核心提供基本的机制，而特定策略（如调度策略）则交给用户空间来定义。
• 采用面向对象技术：微内核系统通常使用面向对象的方法来管理资源和模块化服务。

讲解：微内核操作系统具有高度的模块化和灵活性，能够更容易实现操作系统的扩展和定制。由于其最小化的设计，微内核系统通常更加稳定和安全，因为大多数系统功能运行在用户空间而非内核空间。

51. 为什么要在OS中引入线程？

参考答案：

• 提高并发性：进程内部的多个线程可以并发执行，提高程序的执行效率，尤其在多核处理器上能够更好地利用硬件资源。
• 减少进程之间的时空开销：与进程相比，线程是轻量级的。线程共享进程的内存和资源，因此线程之间的切换比进程切换更加高效。
• 更好的响应性：多线程可以提高应用程序的响应性，允许多个任务同时进行而不互相阻塞。
• 提高系统吞吐量：线程的引入使得操作系统能够更高效地利用CPU，特别是对于I/O密集型或计算密集型任务。

讲解：线程是进程中的基本执行单位。通过引入线程，操作系统能够将复杂的任务划分成多个小的、独立执行的部分，这不仅减少了进程间切换的开销，还能提升并发性能，尤其是在多核计算机上，线程的并行执行使得系统性能大幅提升。

---