计算机考研复试之操作系统四十二问
/*前言：本小白近期在准备帝都某理工科211高校计算机专业复试，因为平时遇到一些专业性问题都会在CSDN寻找解决方案，深感这里是一个技术交流的良好平台也能见识到各路大佬。这是本小白第一次写博客，自身专业水平有限，文章布局排版不够熟悉，如有问题恳请大家批评指正，谢谢！本篇文章我列出了四十二个操作系统基础问题，按照处理机管理、存储器管理、文件管理和设备管理的顺序编写问题，如果觉得有帮助可以点赞收藏，祝愿大家都能考研上岸！*/
ps:以下都是面试题，但是要掌握好操作系统，还是要结合具体计算题和分析题学习。比如进程调度的策略、进程同步互斥关系的PV操作和伪代码、内存中的地址转换（一定要结合计组，计组中对cache的分析更详细，那一块也是重难点）、虚拟存储技术中的页面置换算法、文件系统中的磁盘调度、设备管理中的四种IO控制方式。
/**********************************处理机管理部分************************************/
问题一：请说一下什么是操作系统，它有哪些功能和特征？
操作系统是管理计算机硬件和软件资源的计算机程序，是直接运行在裸机上的系统软件，任何其他软件都得在操作系统的支持下才能运行。操作系统可管理计算机系统资源，主要分为1.处理机管理2.存储器管理3.文件管理4.设备管理。同时，操作系统提供用户与计算机硬件之间的接口，也提供计算机硬件与其他软件之间的接口。操作系统有1.并发2.共享3.虚拟4.异步 这四个特征，其中并发和共享是最主要的两个特征。
问题二：什么是原语？
原语是一种特殊的程序，是最接近硬件的部分，这种程序具有原子性，即要么不运行，一旦运行就运行到底。原语可用于进程同步互斥关系中。
问题三：中断的概念和作用，并说一下“核心态”与“用户态”的转换关系。
中断是指收到中断信号时，CPU立即进入核心态并暂停当前运行的进程，去处理中断。CPU从“用户态”切换到“核心态”的方式只有一种，中断。（这里要注意，系统调用和异常也能使CPU切换到核心态，但是系统调用的切换本质上还是使用了中断，异常情况，如缺页异常，最后也是会发生缺页中断，所以这两种方式归根到底属于中断方式）。而“用户态”切换到“核心态”是通过执行一个特权指令，将程序状态字PSW的标志位设置为“用户态”。
问题四：什么是系统调用？有何作用？并说一下系统调用的过程。
计算机系统中的各种共享资源都由操作系统统一管理，用户进程要使用系统资源时，必须通过系统调用请求操作系统服务。系统调用可保证系统的安全性和稳定性。过程为：传递系统调用参数……执行陷入指令（发生在用户态）……执行系统调用服务程序（发生在核心态）……返回用户程序。
问题五：详细说明一下操作系统的管理功能（4点）
- 处理机管理：处理机管理最基本的是进程控制。进程是系统分配资源的基本单位，因此在作业运行过程中，会进行进程创建、进程调度和撤销进程等操作。进程之间存在同步与互斥关系，操作系统要对它们进行协调工作。比如进程对临界区资源的访问，就要进行互斥操作；进程间因完成某项任务而存在直接制约关系，就要进行同步操作协调顺序。在多个进程相互协调完成任务时，进程之间需要交换信息，这又要求操作系统管理进程通信。进程通信有共享存储、管道通信和消息传递（message）这三种方式。
- 存储器管理：存储器管理主要是对内存空间的管理。内存用来存放数据和指令，因此首先要进行内存分配，对不用的内存空间也要进行回收。分配空间之后，要提供内存保护，不同的进程只允许在自己的空间运行。程序中的地址为逻辑地址，而在内存中存放的地址是物理地址，因此要提供地址映射。操作系统具有虚拟性，虚拟存储器将内存极大“扩充”，因此操作系统也提供了内存扩充技术。
- 文件管理：对不同的文件在逻辑组织关系上进行目录管理，建立目录项，方便查找文件提高速度。文件内部的数据存储，要提供文件存储空间管理，为文件分配磁盘空间。同时还有文件读写的管理和保护功能。
- 设备管理：分为设备处理程序，设备分配和缓冲管理。缓冲管理能解决高速CPU与低速IO设备之间速度不匹配的矛盾。
问题六：操作系统的发展历程是什么？
- 手工阶段2.单道批处理3.多道批处理4.分时操作系统5.实时操作系统6.网络操作系统和分布式操作系统
问题七：什么是管态，什么是目态？
管态又叫核心态，CPU在管态下能执行指令的全集。如果程序在管态下，能访问计算机的一切资源，访问不受限制。目态又称为用户态，CPU在用户态下只能执行非特权指令，不能直接使用系统资源。操作系统区分为管态、目态的目的是为了保证系统的安全稳定性。
问题八：什么是进程？它由什么组成？它有哪几种状态？
进程也称为进程实体，是操作系统分配资源的基本单位，强调的是一个动态的执行过程。它由进程控制块PCB、程序段和数据段组成。进程除了创建和终止之外，有三种状态：就绪态、执行态和阻塞态。
问题九：什么是线程？它和进程有什么区别？线程的实现方式又有哪几种？
线程是一种“轻量级”进程，它不拥有系统资源，仅拥有少量在运行中必不可少的资源，引入线程后，进程是系统资源分配的基本到位，线程是CPU调度的基本单位。一个进程可以包括多个线程，进程结束后，它的所以线程都被销毁，而线程的结束不会影响同一个进程内的其他线程。线程的实现方式分为用户级线程和内核级线程，只有内核级线程才是CPU调度的单位。
问题十：进程通信有哪几种方式，分别详述。
进程通信分为1.共享存储：两个进程对共享空间的访问是互斥的。2.管道通信：管道也是互斥访问的，是在内存区开辟的一个固定大小的缓冲区，管道通信要求，没写满不能读，没读空不能写。3.消息传递：以格式化消息为单位，进程通过“发送消息/接收消息”这一对原语进行数据交换。
问题十一：请说一下处理机调度的三个层次
处理机调度分为高级调度、中级调度和低级调度。高级调度也称为作业调度，决定将作业调度至内存的顺序，分配内存空间，创建相应进程。中级调度是内存调度，将阻塞的进程调出内存，将可以运行的进程重新调入内存，提高了内存利用率和系统吞吐量。低级调度称为进程调度，按照某种策略，把就绪队列中的进程分配处理机资源。
问题十二：调度算法的评价指标有哪几种？
- CPU利用率
- 系统吞吐量
- 周转时间
- 等待时间
- 响应时间
问题十三：常用的调度算法有哪些？（书上标答六种）
- FCFS先来先服务调度算法：简单，但是对短作业不利
- SJF短作业优先调度算法：对长作业不利，可能产生饥饿
- 优先级调度算法：又可分为非抢占式和抢占式，体现在是否剥夺正在执行的进程或作业
- 高响应比优先调度算法：响应比=（等待时间+要求服务时间）/要求服务时间。优先权取决于上述公式，可以随时间动态变化。因此可以消除饥饿，但是会增大开销。
- 时间片轮转调度算法：公平，时间片的选取应该合理
- 多级反馈队列调度算法
问题十四：不同进程之间存在什么关系？
存在同步与互斥关系。同步是直接制约关系，两个或者多个进程为完成某个共同任务，协调先后顺序而等待。互斥是间接制约关系，进程之间因为访问临界区资源而等待，临界区资源只能互斥访问。
问题十五：什么是死锁？死锁产生的原因是什么？产生死锁的必要条件是什么？怎么解决死锁？
死锁指多个进程因竞争资源而造成互相等待，若无外力作用，这些进程将无法向前推进。死锁产生的原因有两点：1.系统资源的竞争2.进程推进顺序非法。死锁产生的四个必要条件：1.互斥条件2.不可剥夺条件3.请求并保持条件4.循环等待条件。解决死锁也有四种方法：1.死锁预防2.死锁避免3.死锁检测4.死锁解除。
问题十六：简述银行家算法工作原理。
银行家算法主要思想是避免系统进入不安全状态（死锁避免）。在每次进行资源分配时，首先检查系统是否有足够的资源满足要求，若有则先进行分配，并对分配后的新状态进行安全性检查。若新状态安全，则正式分配上述资源，否则拒绝分配上述资源。这样就能保证系统始终处于安全状态，避免了死锁的发生。
/*****************************************存储器管理部分**********************************************/
//注意：存储器管理部分，和计算机组成原理中的存储器章节高度吻合，复习本章时要与计算机组成原理结合起来分析
问题十七：操作系统内存管理的功能有哪些？
- 内存空间的分配与回收。（由操作系统完成内存空间的分配和管理，使程 序员减轻负担，只用关心编程本身的东西）
- 地址转换。（多道程序环境下，程序的逻辑地址和物理地址可能不一致， 因此存储管路必须提供地址变换功能，把逻辑地址转为物理地址）
- 内存空间的扩充。（利用虚拟存储技术或者自动覆盖技术，从逻辑上扩充 内存）
- 存储保护。保证各道作业在自己的存储空间内运行，互不干扰。（具体如 何保护，可采取重定位寄存器和界地址寄存器来实现这种保护。重定位寄存 器含最小的物理地址值，界地址寄存器包含逻辑地址的最大值。界地址寄存 器主要用来比较逻辑地址是否越界，如果没有越界，则和重定位寄存器相加， 即逻辑地址 加上重定位寄存器的地址，得到物理地址）
问题十八：覆盖与交换的区别。
覆盖技术用于同一个程序或者进程中，交换技术用于不同进程或者作业之间进行。覆盖思想是，将内存分为一个固定区和若干个覆盖区，将需要常驻内存的短放在固定区，而不常用的段放在覆盖区。在需要调用时，将外存中的段调入覆盖区，覆盖原有的段。覆盖技术的缺点是，对用户和程序员不透明，该技术已经逐渐淘汰。交换技术是指，内存空间紧张时，系统将某些进程暂时换出内存，并把外存中已经具备运行条件的进程换入内存。
问题十九：动态重定位是什么？如何实现？
程序执行过程中，要访问指令或数据的地址。首先得到的是逻辑地址，需要转换成物理地址去存储器寻找，引入了动态重定位，这也是用的最多的方式。具体实现时，需要设置一个重定位寄存器，用来存放程序在内存中的起始地址。程序执行时，要访问的物理地址=程序逻辑地址+重定位寄存器中的地址，实现动态重定位。
问题二十：在操作系统内存管理中请问连续分配方式有哪几种？请详述它们的特点。
内存空间的连续分配方式有三种：1.单一连续分配2.固定分区分配3.动态分区分配。单一连续分配优点是简单、无外部碎片，可以采用覆盖技术，不用采取其他技术支持。缺点是只能用于单用户、单任务的操作系统，有内部碎片，存储器利用率极低。固定分区分配时，分区大小可以相等也可以不等，此分配方式会产生内部碎片。动态分区分配不预先划分内存，而是在进程装入内存时，根据进程大小动态的分配内存，因此系统中的分区大小和数目是可变的。动态分区分配方式不存在内部碎片，只会产生外部碎片。外部碎片可采用紧凑技术处理。动态分区分配方式有四种分配算法：1.首次适应算法2.最佳适应算法3.最坏适应算法4.邻近适应算法。其中首次适应算法和邻近适应算法都是按照地址递增顺序分配，首次适应算法每次分配之后，又从头开始寻找空间。最佳适应算法按内存空间大小递增的顺序分配。最坏适应算法按照内存空间大小递减顺序分配，因此很容易导致大内存被很快消耗。
问题二十一：内存管理中非连续分配方式有哪些？介绍一下它们的特点。
- 页式存储管理2.段式存储管理3.段页式存储管理。页是信息的物理单位，大小是由系统分配的且固定不变，分页的作业地址是一维的；而段是信息的逻辑单位，满足用户需要，长度不固定，取决于用户编写的程序，段地址空间是二维的。段页式存储管理则结合以上两种方式，逻辑上采取分段，物理上采取分页方式。
补充：在没有快表的情况下，页式存储至少需要访存两次，段式存储少需要访存两次，段页式存储少需要访存三次（段表、页表、存储器）
问题二十二：请简述页面置换算法有哪几种，分别介绍一下。
- 最佳置换算法OPT：这是理想化的算法，是观察的未来页面使用情况，因此实际中此算法不存在。
- 先进先出置换算法FIFO：按照页面进入内存的先后顺序来决定调出内存的顺序。
- 最近最久未使用置换算法LRU：将最近长时间未访问的页面调出。需增大开销，为每个页面设置访问字段，记录页面被访问以来经历的时间。调出时，把记录时间最长的页面调出。
- 时钟置换算法CLOCK：为页面设置访问位和修改位，按照时钟顺序依次访问并按规则修改标记。
问题二十三：什么是Belady异常？
在页面置换算法中，仅先来先服务置换算法会发生Belady异常，指的是，分配更多的物理块时，缺页次数不减小反而增大的异常情况。
问题二十四：什么是抖动 （颠簸）？
在页面置换算法中，刚调入内存的页面马上又被调出；刚调出内存的页面马上又调入内存。发生频繁的页面调度行为占用了大量CPU工作时间的现象称为抖动。
问题二十五：简述局部性原理。
局部性原理又分为时间局部性和空间局部性。时间局部性是指程序中的某条指令一旦执行，不久后该指令可能再次执行；某数据被访问后，不久后又会被访问。原因是程序中有大量的循环操作。空间局部性是指，一旦程序访问了某个存储单元，不久后，其附近的存储单元也将会被访问。这是因为指令是顺序存放、顺序执行的，数据也一般是以向量、数组等形式存储的。
问题二十六：虚拟存储器的特征是什么？
1.多次性：作业在运行时无须一次性调入内存，可允许多次调入2.对换性：作业运行时无须常驻内存，可进行换入换出。3.虚拟性：从逻辑上扩充内存容量，使用户看到的内存容量远大于实际的内存容量。
问题二十七：虚拟内存技术的实现有哪几种方式？需要的硬件支持有哪些？
虚拟内存的实现有以下三种方式：1.请求分页存储管理2.请求分段存储管理3.请求段页式存储管理。它们一般需要硬件支持：1.一定容量的内存和外存2.页表机制（段表机制）作为主要的数据结构3.中断机构，当用户程序要访问的部分尚未调入内存时，则产生中断4.地址变换机构，将逻辑地址转为物理地址。 ps:看完本题记得再回头看二十一题
问题二十八：请简述缺页中断原理。
在请求分页系统中，每当所要访问的页面不在内存时，便产生一个缺页中断，请求操作系统将所缺的页调入内存。此时应将缺页的进程阻塞，若内存中有空闲块，则分配一个块，并修改页表中的相应页表项。若此时内存中没有空闲块，则要淘汰某页。缺页中断属于内部中断。
问题二十九：操作系统中，请简述一个地址翻译的过程。
得到一个逻辑地址，先去快表中找页表项内容。若快表没命中，则去页表找对应项。得到物理块号后，先去cache中找是否有对应的物理地址，若cache没命中，再去主存中找，如果主存缺页，最后去外存中找。
/***************************************文件管理部分********************************************/
问题三十：文件逻辑结构和文件物理结构有何区别？
文件逻辑结构是从用户观点出发看到的文件的组织形式，就是说在文件的内部，数据逻辑是如何组织起来的。文件物理结构是指文件在外存上的存储组织形式。
问题三十一：按照逻辑结构，文件可划分为哪两种？
按照逻辑结构，文件可划分为无结构文件和有结构文件。其中有结构文件又可分为顺序文件、索引文件、索引顺序文件。顺序文件有顺序存储和链式存储两种方式，顺序存储可直接访问，链式存储不可直接访问但是易扩展（这里可回忆一下数据结构顺序表和链表知识）。索引文件，即建立一个索引表。文件的每条记录对应一个索引项。索引表本身就是一个顺序文件，支持直接访问。索引顺序文件同样会建立一个索引表，不同的是，文件的一组记录对应一个索引项。
问题三十二：文件目录结构指的是什么，由什么组成？
文件目录结构指多个文件之间在逻辑上是如何组织的。文件目录结构由文件控制块（FCB）组成，一个FCB就是一个文件目录项。FCB包括文件的基本信息和存取控制信息、使用信息等。有些系统将文件描述信息和文件名分开。文件描述信息单独形成一个称为索引节点的数据结构。因此文件目录项中只包含了文件名和索引节点指针，使文件目录项长度大幅减小，磁盘空间能放更多的目录项。
问题三十三：文件目录结构有哪些？
文件目录结构有单级目录结构、两级目录结构、树级目录结构和无环图目录结构。在树级目录结构中，从根目录出发的是绝对路径，从当前目录出发的是相对路径。无环图目录结构方便的实现了文件共享。（在共享结点处设置一个count，增加共享时，count+1，删除结点时，count-1） ps:目前用的最多的文件目录结构是树形结构。
问题三十四：文件共享有哪几种方式？
文件共享分为硬链接和软链接。硬链接指文件的索引指针指向索引节点，即用户目录项链接到共享文件上。软链接是指，只有文件的拥有者才索引节点指针指向索引节点。而共享该文件的其他用户只有该文件的路径名，并不拥有指向其索引节点的指针。硬链接的查找速度比软链接快。
问题三十五：文件保护有哪几种方式？
- 口令保护2.加密保护3.访问控制
问题三十六：文件分配方式有哪几种？（为文件分配磁盘块的方式有哪些）
- 连续分配。即要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。
- 链接分配。（显式链接和隐式链接）隐式链接可理解为链表，中间的指针对用户透明。显示链接把链接指针显示地存放在一张表中，称为文件分配表FAT。（注意：一个磁盘仅设置一张FAT，开机时将FAT读入内存，并常驻内存）
- 索引分配。系统会为每个文件建立一张索引表索，索引表记录了文件各个逻辑块对应的物理块。如果文件太大导致索引表太长。可以采取链接方案、多层索引和混合索引的方式。
问题三十七：文件存储空间的管理有哪些？
- 空闲表法（把空闲块组织成表）2.空闲链表法（把空闲块组织成链表）3.位示图法（利用二进制的每位记录空闲块）4.成组链接（空闲表和空闲链表相结合的方法）
问题三十八：在磁盘上进行一次读写操作需要哪几部分时间？哪部分时间最长？
分为寻道时间、延迟时间和传输时间三部分。寻道时间是磁头移动到指定的磁道所需要的时间。延迟时间是磁头定位到某一磁道的扇区所需要的时间。寻到时间因为要移动磁头，所以花费时间最久。
问题三十九：磁盘管理的调度算法有哪些？
- 先来先服务。根据进程请求访问磁盘的先后顺序来调度。
- 最短寻找时间优先。优先处理的磁道是与当前磁头最近的磁道，可以保证每次寻道时间最短，但不能保证总的时间最短。缺点是容易产生饥饿。
- 扫描算法。扫描时到达一端才掉头，然后转向向另一头扫描。注意扫描方向
- 循环扫描算法。只有磁头朝某个方向移动时才会响应请求，移动到头后立即让磁头返回起点，返回中途不响应任何请求。注意扫描方向
注意：3和4，都有一种改进的算法，分别是LOOK和C-LOOK，它们的特点是不用移动到两端，因此性能得到了提升。
/*************************************设备管理部分*******************************************/
问题四十：IO控制方式有哪些？
- 程序直接控制方式。计算机从外部设备读取数据到存储器，每次读一个字。CPU一直在轮询检查，长期处于忙等状态。
- 中断驱动方式。CPU和IO设备并行工作，当IO完成后，控制器发送一个中断信号给CPU，CPU处理中断，读取数据。
- DMA方式（直接存储器存取方式）。数据流直接在外设和内存之间传输，数据传送的单位是“块”。CPU仅在传输数据开始和结束时才干预。
- 通道方式。通道是一种专门的硬件，可识别并执行通道指令。数据只有在读写完成之后，才发送中断信号。硬件并行程度高。
问题四十一：SPOOLing技术指的是什么？SPOOLing系统有哪几部分组成？
SPOOLing技术又称为假脱机技术。该技术利用专门的外围控制机，将低速的IO设备上的数据传送到高速磁盘上，同时使外部设备同时联机操作。SPOOLing系统的特点有：提高了IO的速度；将独占设备改造为共享设备；实现了虚拟设备功能。
SPOOLing系统由三部分组成：1.输入井和输出井2.输入缓冲和输出缓冲3.输入进程和输出进程。
问题四十二：引入缓冲区的目的是什么？
- 缓和CPU和IO设备速度不匹配的矛盾
- 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制
- 解决数据单元大小不匹配的问题
- 提高CPU和IO设备之间的并行性
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