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title: "《操作系统》大题总结"
date: 2023-07-06T11:24:18+08:00
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## 第二章大题考察同步互斥，PV问题
### 生产者消费者问题
* 特点
* 进程与进程之间是生产资源-消费资源的关系
* 解决步骤
* 确定有几类进程，每个进程对应一个函数
* 在函数内部用中文描述动作
* 只做一次（不加while）
* 不断重复（加while）
* 在每一个动作之前确定需要什么（注意隐含的互斥条件，如对缓冲区的访问），如有P操作，则必定有V操作
* 所有PV写完之后再定义信号量
* 检查多个P操作连续出现的地方，是否有死锁产生可能
* 某个信号量的PV连续出现（中间没有夹杂着其他的P），不可能产生死锁，连续多个P导致死锁时，可尝试调整P顺序
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``` C
Semaphore mutex1 = 1 //互斥访问F1
Semaphore mutex2 = 1//互斥访问F2
Semaphore empty1 = 10//F1上有几个空位
Semaphore full1 = 0//F1上有几个A
Semaphore empty2 = 10//F2上有几个空位
Semaphore full2 = 0 //F2上有几个B
//A车间
F_A(){
while(1){
生产一个产品A
P(empty1)
P(mutex1)
把A放到货架F1上
V(mutex1)
V(full1)
}
}
//B车间
F_B(){
while(1){
生产一个产品B
P(empty2)
P(mutex2)
把A放到货架F2上
V(mutex2)
V(full2)
}
}
//装配车间的工作描述
F_C(){
while(1){
P(full1)
P(mutex1)
从F1取一个A
V(mutex1)
V(empty1)
P(full2)
P(mutex2)
从F2区一个B
V(mutex2)
V(empty2)
将AB组装成产品
}
}
```
```C
Semaphore well = 1;//用于互斥地访问水井
Semaphore vat = 1;//用于互斥地访问水缸
Semaphore empty = 10;//用于表示水缸中剩余空间能容纳的水的桶数
Semaphore full = 0;//表示水缸中的水的桶数
Semaphore pail = 3;//表示有多少个水桶可以用，初值为3
//老和尚
while(1){
P(full);
P(pail);
P(vat);
从水缸中打一桶水;
V(vat);
V(empty);
喝水
V(pail)
}
//小和尚
while(1){
P(empty);
P(pail);
P(well);
从井中打一桶水
V(well);
P(vat);
将水倒入水缸中
V(vat);
v(full);
v(pail);
}
```
### 理发师问题
* 特点
* 进程之间是服务与被服务的关系
* 主要解法
```C
int num = 0; //有几个顾客等待服务
Semaphore Lock = 1;//互斥访问num
Semaphore rest = 0;//同步信号量，用于实现若没顾客，服务人员休息等待，本质为服务人员排队队列
Seamphore wait = 0;//同步信号量，用于实现，若服务人员都在忙，顾客休息等待，本质为一个让顾客排队的队列
Sever(){
while(1){
P(Lock);
if(num > 0){//有顾客
V(Lock);
V(wait);//唤醒一个顾客
为顾客服务;
}else{ //没顾客
V(Lock);
P(rest);//服务人员休息
}
}
}
Customer(){
P(Lock);
if(num > 等待人数上限（存在无规定人数上限可能）){
V(Lock);
离开这家店;
}else{
num ++;
V(Lock);
V(rest);//唤醒一个正在休息的服务人员
P(wait);//等待被服务
被服务;
}
}
```
```C
Semaphore empty = 10;//空座位的数目
Semaphore mutex = 1;//互斥使用取号机
Semaphore full = 0;//无占用的座位
Semaphore service = 0;//等待叫号
cobegin
{
porcess 顾客i
{
P(empty);//等空位
P(mutex);//申请使用取号机
从取号机获取一个号码;
V(mutex);//取号完毕
V(full);//通知营业员有新顾客
P(service);//等待营业员叫号
接受服务;
}
process 营业员
{
while(1){
P(full);//没有顾客则休息
V(empty);//离开座位
V(service);//叫号
为顾客服务;
}
}
}
```
### 哲学家问题
* 特点
* 只有一类进程，要占用多种资源才能运行
* 关键点
* 限制申请资源的顺序（不通用，不建议使用）
* 如规定单号哲学家先取左筷子，双号先取右筷子
* 限制并发进程数（通用，但并发度不高，不建议使用）
* 如规定同一时间只能有一个哲学家就餐（禁止并行）
* 让进程一口气取得所有资源，再开始运行（很通用且并发度高，建议使用）
* 如哲学家只有能够取得两个筷子的时候才会就餐
* 解法
* 定义大锁
* 定义资源数
* 一口气拿所有资源
* 做进程该做的事
* 一口气归还所有资源
```C
Semaphore Lock = 1;//互斥信号量，定义大锁
int a = 9;
int b = 3;
int c = 6;
process(){
while(1)
{
P(Lock);
if(所有资源都拿够){
所有资源int值减少;//题目会告知，每种资源所需量
取xxx资源//一口气拿走所有资源
V(Lock);//拿完资源，解锁
break;//跳出while循环
}
V(Lock);//资源不足，解锁，再次循环尝试获取
}
做进程该做的事（如哲学家进食）
P(Lock);
归还所有资源，所有资源int值增减
V(Lock);
}
```
通常解
```C
Semaphore bowl;//协调哲学家对碗的使用
Semaphore chopsticks[n];//协调哲学家对筷子的使用
for(int i = 0; i < n ;i++)
{
chopsticks[i] = 1;//设置两名哲学家之间筷子的数量
}
bowl = min(n-1,m);//bowl 小于等于 n-1，确保不产生死锁
cobegin
{
while(1){ //哲学家i的程序
思考;
P(bowl);//取碗
P(chopsticks[i]);//取左边筷子
P(chopsticks[(i+1)%n]);//取右边筷子
就餐;
V(chopsticks[i]);
V(chopsticks[(i+1)%n]);
V(bowl);
}
}
```
暴力解（考试建议解法）
```C
Semaphore Lock = 1;
int bowl = m;
int chopstick[n];
for(int i = 0;i < n ; i++)
{
chopstick[i] = 1;
}
philopher()
{
while(1){//一次性拿下所有资源
P(Lock);
if(bowl <= 0)
{
V(Lock);
continue;
}
if(!(chopstick[i] == 1 && chopstick[(i+1)%n]==1))
{
V(Lock);
continue;
}
bowl --;
chopstick[i] = 0;
chopstick[(i+1)%n] = 0;
V(Lock);
}
进餐
P(Lock);//归还所有拿的资源
bowl ++;
chopstick[i] = 1;
chopstick[(i+1)%n] = 1;
V(Lock);
}
```
### 读者写者问题
* 特点
* 同类进程不互斥，异类进程互斥
* 避免写者饥饿
* 读写公平法
* 写者优先法
* 如何实现
* 第一进程用之前负责上锁，最后一个进程用完之后负责解锁
```C
Semaphore Lock = 1;//资源锁
int count = 0;//同类进程计数器
Semaphore mutex = 1;//对count 互斥访问
homie(){
P(mutex);
if(count ==0)
{
P(Lock);
}
count ++;
V(mutex);
使用资源;
if(count == 1)
{
V(Lock);
}
count --;
V(mutex);
}
```
实现同类互斥，异类也互斥
```C
solo(){
P(Lock);//使用前上锁
使用资源;
V(Lock);//用完了解锁
}
```
（1）
```C
Semaphore bridge = 1;
NtoS(){
P(bridge);
通过桥;
V(bridge);
}
StoN(){
P(bridge);
通过桥；
V(bridge);
}
```
（2）
```C
int countSN = 0;//表示从S到N的汽车数量
int countNS = 0;//表示从N到S的汽车数量
Semaphore mutexSN = 1;//保护countSN
Semaphore mutexNS = 1;//保护countNS
Semaphore bridge = 1;//互斥地访问桥
StoN(){//南到北
P(mutexSN);
//第一个进程上锁
if(countSN==0)
P(bridge);
count ++;
V(mutexSN);
过桥；
P(mutexSN);
//最后一个进程解锁
countSN--;
if(countSN==0)
V(bridge);
V(mutexSN);
}
NtoS(){//北到南
P(mutexNS);
if(countNS==0)
P(bridge);
countNS++;
V(mutexNS);
过桥;
P(mutexNS);
countNS--;
if(countNS ==0)
V(bridge);
V(mutexNS);
}
```
```C
Semaphore room = 1;
Semaphore mutex1 = 1;
Semaphore mutex2 = 1;
Semaphore mutex3 = 1;
int count1 = 0;
int count2 = 0;
int count3 = 0;
P1(){
P(mutex1);
count1 ++;
//第一个上锁
if(count1 == 1)
{
P(room);
}
V(mutex1);
看影片1;
P(mutex1);
count1 --;
//最后一个解锁
if(count1 == 0)
{
V(room);
}
V(mutex1);
}
P2(){
P(mutex2);
count2 ++;
//第一个上锁
if(count2 == 1)
{
P(room);
}
V(mutex2);
看影片2;
P(mutex2);
count2 --;
//最后一个解锁
if(count2 == 0)
{
V(room);
}
V(mutex2);
}
P3(){
P(mutex3);
count3 ++;
//第一个上锁
if(count3 == 1)
{
P(room);
}
V(mutex3);
看影片3;
P(mutex3);
count3 --;
//最后一个解锁
if(count3 == 0)
{
V(room);
}
V(mutex3);
}
```
## 第三章大题，考察请求分页，基本分页，页面置换问题
* 各概念间的推导计算
* 一级页表+TLB+请求分页
* 二级页表+请求分页+TLB
* 页目录号的位数表示的大小（表示有多少个目录项）* 每个目录项的大小 = 页目录表的大小
* 页目录表的起始地址 + 页目录号 * 页目录项的长度 = 页目录项的物理地址
* 示例图中挖掘隐藏信息
* 熟悉各类常见图示
* 注意：TLB组相联映射、全相联映射的图示画法
* 深入理解组相联映射，全相联映射方式下查询TLB的原理区别
* 基于地址转化过程的分析
* 熟悉各种状况下地址转化的过程
* 一级页表+虚拟内存+TLB
* 二级页表+虚拟内存+TLB
TLB+二级页表+Cache(全相联映射)
TLB+二级页表+Cache(2路组相联映射)
TLB + 二级页表 + Cache(直接映射)
---
（1）
页的大小 = 块的大小 = $2^{12}$ = 4 KB
页表的大小 = $2^{20} \times 4B$ = 4 MB
（2）
页目录号 = (((unsigned int)(LA))>>22) & 0x3FF
页表索引 = (((unsigned int)(LA))>>12) & 0x3FF
（3）
00008000H其页号为0008 $\rightarrow$ 页号为8 $\rightarrow$ 对应页表第8个页表项
第8个页表项物理地址 = 00200000H + 8 $\times$ 页表项的字节数
= 00200000H + 8 $\times$ 4 = 00200020H
第9个页表项及其物理地址 = 00200000H + 8 $\times$ = 00200024H
页框号1 = 00900000H，页框号2 = 00900000H + 8KB = 00901000H
代码2起始物理地址 = 00901000H
页的大小 = 4KB = $2^{12}$B，页面位移比虚拟地址低12位
访问2362H即 0010 0011 0110 0010 其对应页号为2
访问快表10ns $\rightarrow$初始快表空$\rightarrow$访问页表100ns得到页框号$\rightarrow$ 合成物理地址后访问主存100ns
共 10 + 100 + 100 = 210 ns
访问1565H即 0001 0101 0110 0101 其对应页号为2
访问快表10ns ,空$\rightarrow$访问页表100ns,空$\rightarrow$ 缺页中断处理$10^8$ns $\rightarrow$访问快表10ns$\rightarrow$合成物理地址后访问主存100ns
共 10 + 100 + $10^8$ + 10 + 100 = 100000220 ns
访问25A5H即 0010 0101 1010 0101 其对应页号为2
访问快表10ns $\rightarrow$合成物理地址后访问主存100ns
共 10 + 100 = 110 ns
（2）
1565H = 0001 0101 0110 0101
页号为1，产生缺页中断，驻留集 = 2，从页表淘汰1个页面
使用LRU淘汰页号0 $\rightarrow$ 1565H对应页框号为101H
物理地址 = 101565H
（1）
页的大小 = 1KB = $2^{10}$B
逻辑地址低10位为页偏移
17CAH $\rightarrow$ 0001 0111 1100 1010
页号为 000101 = 5
（2）
根据FIFO，置换页号0，对应页框号7
物理地址为 0001 1111 1100 1010 = 1FCAH
（3）
根据clock 置换页号2，对应页框号2
物理地址为 0000 1011 1100 1010 = 0BCAH
（1）
0页对应空闲页第3个，即页框号 = 1
（2）
11>10,说明此时发生第三轮扫描
第二轮中32,15,41,均未被访问，处于空闲页表中
此时重新访问第一页，则页框号32被重新放回驻留集
（3）
2页从未被访问，此时空闲链为41,15，取其头41，即页框号41
（4）
适合，程序的时间局部性越好，从空闲页框链表中重新取回的机会越大，该策略优势越明显
（1）
页的大小 = $2^{12}$B
页框大小 = $2^{12}$B
虚拟地址空间大小 = $2^{10} \times 2^{10}$ = $2^{20}$页
（2）
页目录所占页数 = $\frac{2^{10} \times 4B}{2^{12}} = 1$
页表所占页数 = $\frac{2^{10} \times 2^{10} \times 4B}{2^{12}} = 2^{10}$
共占 $2^{10} + 1 = 1025$页
（3）
0100 0000H对应页目录号 0000 0001 00 = 4
0111 2048H对应页目录号 0000 0001 00 = 4
访问的是同一个二级页表，即供访问一个二级页表
（1）
页目录号 = 6（10位） 页内索引 = 6（10位）偏移 = 8（12位）
所以十六进制为 0000 0001 1000 0000 0110 0000 0000 1000
= 01806008H
(2)
物理地址
进程切换时，地址空间发生了改变，对应页目录块及始址也改变 $\rightarrow$ PDBR改变
同一进程线程切换时，地址空间不变，线程的页目录不变$\rightarrow$ PDBR不改变
（3）
使用位$\rightarrow$访问字段
修改位$\rightarrow$修改字段
（1）
页面大小 = $2^{12} = 4KB$
一个页可以存$\frac{4KB}{4} = 1024$个数组 = a数组的一行
a按行优先方式存放，10800000H，虚页号为10800H
a[0]行存放在10800H的页面中 a[1]行存放在10801H的页面中
a[1][2]的虚拟地址为 10801000H + 4 $\times$ 2 = 10801008H
10801008H = 0001 0000 1000 0000 0001 0000 0000 1000
页目录号 = 0001000010 = 042H
页号 = 0000000001 = 001H
页目录项物理地址 = 00201000H + 4 $\times 42$H = 00201108H
物理地址 003010000 + 001H $\times 4$ = 00301004H
（2）
必须连续，不一定连续
（3）
按行遍历局部性更好。每个页面正好放一整行的元素
按行存放说明一行元素存放在同一页面中，局部性也就更好
## 第四章大题：混合文件索引
显式链表分配法（FAT文件系统，即DOS）
混合索引法（Unix文件系统）
### 考题
（1）
连续存放更合适，磁盘寻道时间更短，文件随机访问效率更高
加入字段<起始块号，块数>
（2）
FCB集中存放，文件数据集中存放
这样在随机查找文件名时，只需访问FCB对应的块，可减少磁头移动和磁盘IO访问次数
（1）
磁盘块总数 = $\frac{4TB}{1KB} = \frac{4 \times 2^40}{2^10} = 2^32$
块号至少占 $\frac{32}{8} = 4B$
512B的索引区能够容纳$\frac{512B}{4B} = 128$个索引项
文件最大长度 = 1KB $\times$ 128 = 128KB
（2）
索引项 = $\frac{504B}{6B} = 84$个
单个文件最大长度 = $2^{16} \times 1KB + 84 \times 1KB = 84KB + 2^{26}B$
起始块号占4B，块数占4B
起始块号可寻址$2^{32}$个块，共4TB即整个系统空间
块数可表示$2^{32}$个块，共4TB
（1）
dir目录文件
|文件名|簇号|
|---|---|
|dir1|48|
dir1 目录文件
|文件名|簇号|
|---|---|
|file1|100|
|file2|200|
（2）
簇号2B = 16位 $\rightarrow$ FAT表允许$2^{15}$个表项
FAT最大长度 = $2^{16} \times 2B = 128KB$
文件最大长度 = $2^{16} \times 4KB = 256MB$
（3）
106存放在100号表项中
108存放在106号表项中
（4）
先访问dir1，即第48个簇
得到file1的第一个簇号，在FAT中查找file1的第5000个字节所在簇号，最后访问该簇号（4KB = 4096B < 5000B）
即访问48号簇，106号簇
（1）
把文件前29条前移，移动一条记录读出和存回磁盘各一次访盘
共访盘 $29 \times 2 +1 = 59$次
F的文件控制区的起始块号和文件长度内容会发生改变
（2）
找到系统第29块，访盘29次
把29的下块地址给新块，把新块存回磁盘，访盘一次，
修改内存第29块的下块地址字段，再存回磁盘，访盘一次
共29 + 1 + 1 = 31 次
4B即32位，可寻址$2^{32} = 4G$块存储块，每块大小1KB = 1024B
其中4B为指针，1020B为数据
文件长度为$1020B \times 4G = 4080GB$
（1）
1个簇最多有$\frac{4KB}{4B} = 1024$个地址项
直接地址8个：$8 \times 4KB$ 二级地址1个：$2^{20}\times4KB$
一级地址1个：$2^{10} \times 4KB$ 三级地址1个：$2^{30} \times 4KB$
最大文件长度 = 32KB + 4MB + 4GB + 4TB
（2）
最多索引结点数 = $\frac{2^20 \times 4KB}{64B} = 2^{26} = 64M$个
$\frac{5600B}{4KB} > 1 \rightarrow $ 一个图像占两个簇
$\frac{512M}{2} = 256M \rightarrow $可存放256M个文件
但索引结点数64M < 256M
所以最多存放64M个图像文件
（3）
$6KB < 8\times 4KB$
$F_1$采用直接索引$\rightarrow$只要访问索引结点的直接地址项
$32KB < 40KB < 32KB + 4MB$
$F_2$采用一级索引$\rightarrow$ 还需读一级索引表
所以两者不相同
## 第五章
### 大题
（1）
用位图表示磁盘的空闲空间，每位表示一个磁盘块的空闲状态
共需$\frac{16384}{32} = 512$个字$=512 \times 4B = 2KB$,正好可以放在系统提供的内存中
（2）
磁盘访问序列为$120 \rightarrow 30 \rightarrow 50 \rightarrow 90$
移动磁道数分别为 20,90,20,40
移动磁道时间 = $1ms \times (20 + 90 + 20 + 40) = 170ms$
一次旋转时间 = $\frac{60}{6000} = 0.01s = 10ms$
总的旋转延迟 = $4 \times \frac{1}{2} \times(一次旋转时间) = 4\times 5ms = 20ms$
总读取时间 = $4 \times \frac{10ms}{100} = 4 \times 0.1ms = 0.4ms$
总时间 = 170ms+20ms+0.4ms = 190.4ms
（3）
FCFS(先来先服务调度算法)更高效
Flash半导体存储器不需要考虑寻道时间和旋转延迟
可直接按IO请求的先后顺序服务
（1）
容量 = $300 \times 10 \times 200 \times 512B = 3 \times 10^5KB$
（2）
85号柱面对应簇号 85000~85999（一个簇有2个扇区）
访问次序为 $100260 \rightarrow 101660 \rightarrow 110560 \rightarrow 60005$
（3）
$\frac{200 \times 10}{2} = 1000$
$100 \times 1000 = 100000$
$100530 - 100000 = 530$
$\frac{530}{100} = 5$
$30 \times 2 = 60$
柱面号1000，磁头号5，扇区号60
将簇号转换成磁盘物理地址的过程由磁盘驱动程序完成
（1）
ROM中的引导程序$\rightarrow$磁盘引导程序$\rightarrow$分区引导程序$\rightarrow$OS的初始化程序
（2）
磁盘的物理格式化$\rightarrow$对磁盘分区$\rightarrow$逻辑格式化$\rightarrow$OS的安装
（3）
磁盘扇区的划分$\rightarrow$磁盘的物理格式化$\rightarrow$文件根目录的建立$\rightarrow$逻辑格式化操作