第2章 处理器管理-习题答案

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2023年12月31日发(作者：)

第2章 处理器管理习题

1.1 选择题

1、 下列选项中，不属于进程关键要素的是（ D ）。

A．程序 B．数据和栈

C．进程控制块 D．原语

2、操作系统管理程序运行的状态，具备较高的特权级别，称为（ C ）。

A．用户态 B．目态

C．管态 D．普通态

3、在操作系统中，PSW的中文全称是（ A ）。

A．程序状态字 B．进程标识符

C．作业控制块 D．进程控制块

4、当系统中或系统外发生异步事件时，CPU暂停正在执行的程序，保留现场后转去执行相应事件的处理程序，处理完成后返回断点，继续执行被打断的进程，这一过程称为（ D ）。

A．作业调度 B．页面置换

C．磁盘调度 D．中断

5、以下关于进程的说法，错误的是（ B ）。

A．进程是程序在处理器上的一次执行过程

B．一个进程是由若干作业组成的

C．在线程出现后，进程仍然是操作系统中资源分配的基本单位

D．进程具有创建其他进程的功能

6、在下述关于父进程和子进程的叙述中，正确的是（ D ）。

A．父进程创建了子进程，因此父进程执行完了，子进程才能运行

B．子进程执行完了，父进程才能运行

C．撤消子进程时，应该同时撤消父进程

D．一个子进程只有一个父进程，但一个父进程可以有多个子进程

7、任何两个并发进程之间（ D ）。

A．一定存在互斥关系 B．一定存在同步关系

C．一定彼此独立无关 D．可能存在同步或互斥关系

8、调度程序每次把CPU分配给就绪队列首进程使用一个时间片，就绪队列中的每个进程轮流地运行一个时间片。当这个时间片结束时，强迫一个进程让出处理器，让它排列到就绪队列的尾部，等候下一轮调度。这种进程调度方式称为（ D ）调度。

A．最高响应比优先 B．先来先服务

C．短作业优先 D．时间片轮转

9、若当前进程因时间片用完而让出处理器时，该进程应转变为（ A ）状态。

A．就绪 B．等待

C．运行 D．完成

10、在一个单核单处理器的系统中，若有3个进程，且假定当前时刻有一个进程处于运行态，则处于就绪态的进程最多有（ B ）个。

A．1 B．2

C．3 D．4

11、下列作业调度算法中，（ D ）与作业的运行时间和等待时间有关。

A．先来先服务算法 B．短作业优先算法

C．均衡调度算法 D．最高响应比调度算法

12、一作业 8：00到达系统，估计运行时间为1小时，若9：00开始执行该作业，其响应比是（ A ）。

A．2 B．1

C．3 D．0.5

13、临界区是指并发进程中访问共享变量的（ D ）段。

A．管理信息 B．信息存储

C．数据 D．程序

14、设与某资源关联的信号量初值为3，当前值为-1。若M表示该资源的可用个数，N表示等待该资源的进程数，则M、N分别是（ A ）。

A．0、1 B．1、0

C．1、2 D．2、0

15、设某个信号量S的初值为5。若执行某个V(S)时，发现（ A ）时，则唤醒相应等待队列中等待的一个进程。

A．S的值小于或等于0 B．S的值大于或等于5

C．S的值小于5 D．S的值大于5

16、以下不属于产生死锁原因的是（ B ）。

A．因为系统资源不足

B．采用的进程调度算法效率低下

C．进程运行推进的顺序不合适

D．资源分配不当

17、在多进程的并发系统中，不会因竞争（ C ）而产生死锁。

A．打印机 B．磁带机

C．CPU D．磁盘

18、当每类资源只有一个资源实例时，下列说法中不正确的是（ C ）。

A．有环必死锁 B．死锁必有环

C．有环不一定死锁 D．死锁进程一定全在环中

19、有关死锁的论述中，（ C ）是正确的。

A．系统中仅有一个进程进入了死锁状态

B．多个进程由于竞争CPU而进入死锁

C．多个进程由于竞争互斥使用的资源又互不相让而进入死锁

D．由于进程调用V操作而造成死锁

20、进程-资源分配图是用于（ D ）。

A．死锁的预防

C．死锁的避免

B．解决死锁的静态方法

D．死锁的检测与解除

1.2 填空题

1、Linux操作系统按照事件来源和实现手段将中断分为（ 硬中断 ）、（ 软中断 ）。

2、系统调用是通过（ 中断 ）来实现的；发生系统调用，处理器的状态常从目态变为管态。

3、在Linux系统中，创建进程的原语是（ fork ）。

4、进程的基本三状态模型并不足够描述进程的真实的情况，进程的五状态模型增加了两个状态，包括（ 新建状态 ）和（ 终止状态 ）。

5、系统中进程存在的唯一标志是（进程控制块PCB）。

6、进程上下文包括了进程本身和运行环境，是对进程执行活动全过程的静态描述。进程上下文分成三个部分：（ 用户级上下文（进程的用户地址空间内容） ）、（ 寄存器级上下文（硬件寄存器内容） ）和（ 系统级上下文（与该进程相关的核心数据结构） ）。

7、进程调度方式通常有（ 抢占 ）和（ 非抢占 ）两种方式。

8、若信号量S的初值定义为10，则对S调用执行了16次P操作和15次V操作后，S的值应该为（ 9 ）。

1.3 简答题

1、请简单叙述进程三态模型中的进程状态转化情况。

答：

 就绪态→运行态：当调度程序选择一个新的进程运行时，进程会由就绪态切换到运行态；

 运行态→就绪态：当运行进程用完了获得的时间片时，进程就会被中断，由运行态切换到就绪态，或是因为一高优先级进程处于就绪状态，正在运行的低优先级进程会被中断而由运行态切换到就绪态；

 运行态→等待态：以下几种情况会导致进程会由运行态切换到等待态，例如当一进程必须等待时，或是操作系统尚未完成服务，进程对一资源的访问尚不能进行时，还有初始化I/O且必须等待结果时，在进程间通信时，进程等待另一进程提供输入时等；

 等待态→就绪态：当进程所等待的事件发生时，例如资源申请获得满足时，或是等待的数据或信号到来时，进程就可能由等待态切换到就绪态。

2、进程创建来源于以下事件：提交一个批处理作业；在终端上交互式的登录；操作系统创建一个服务进程；进程孵化新进程；等等。请描述进程的创建过程。

答：

① 系统在进程表中增加一项，并从PCB池中取一个空白PCB；

② 为新进程的进程映像分配地址空间。传递环境变量，构造共享地址空间；

③ 为新进程分配资源，除内存空间外，还有其他各种资源；

④ 查找辅存，找到进程正文段并装到正文区；

⑤ 初始化进程控制块，为新进程分配进程标识符，初始化PSW；

⑥ 加入就绪进程队列，将进程投入运行；

⑦ 通知操作系统的某些模块，如记账程序、性能监控程序。

3、请简述时间片轮转调度算法的工作流程和确定时间片大小需要考虑的因素。

答：

1、时间片轮转调度算法的工作流程：

 系统将所有的就绪进程按先来先服务的原则排成一个队列，每次调度时把CPU分配给队首进程，并令其执行一个时间片。

 当执行的时间片用完时，由系统中的定时器发出时钟中断请求，调度程序停止该进程的执行，并将它送到就绪队列的末尾，等待下一次执行。

 进行进程切换，把处理器分配给就绪队列中新的队首进程。

2、时间片大小的确定要从进程个数、切换开销、系统效率和响应时间等方面考虑：

 时间片取值太小，多数进程不能在一个时间片内运行完毕，切换就会频繁，开销显著增大，从系统效率来看，时间片取大一点好。

 时间片取值太大，随着就绪队列里进程数目增加，轮转一次的总时间增大，对进程的响应速度放慢了。为满足响应时间要求，要么限制就绪队列中进程数量，要么采用动态时间片法，根据负载状况及时调整时间片的大小。

4、有两个优先级相同的并发运行的进程P1和P2，各自执行的操作如下，信号量S1和S2初值均为0，x、y和z的初值为0。

Cobegin

P1：

begin

y:=0;

y:=y+4;

V(S1);

z:=y+3;

P(S2);

y:=z+y

end

Coend

试问P1、P2并发执行后，x、y、z的值有几种可能，各为多少？

答：

1：x=12，y=11，z=19。

2：x=12，y=23，z=19。

3：x=12，y=11，z=7。

5、为什么说最高响应比优先作业调度算法是对先来先服务以及短作业优先这两种调度算法的折中？

答：

先来先服务的作业调度算法，重点考虑的是作业在后备作业队列里的等待时间，因此对短作业不利；短作业优先的调度算法，重点考虑的是作业所需的CPU时间，因此对长作业不利。

最高响应比优先作业调度算法，总是在需要调度时，考虑作业已经等待的时间和所需运行时间之比，即：

1 +（作业已等待时间 / 作业所需CPU时间）

比值的分母是一个不变的量。随着时间的推移，一个作业的“已等待时间”会不断发生变化，也就是分子在不断地变化。

显然，短作业比较容易获得较高的响应比。这是因为它的分母较小，只要稍加等待，整个比值就会很快上升。另一方面，长作业的分母虽然很大，但随着它等待时间的增加，比值也会P2：

begin

x:=2;

x:=x+6;

P(S1);

x:=x+y;

V(S2);

z:=z+x;

end

逐渐上升，从而获得较高的响应比。

可见最高响应比优先作业调度算法，既照顾到了短作业的利益，也照顾到了长作业的利益，是对先来先服务以及短作业优先这两种调度算法的一种折中。

6、请对比操作系统中“死锁”和“饥饿”问题。

答：

 死锁是因进程竞争资源，但系统拥有资源的数量有限，或并发进程推进的顺序不当而造成的一种永远等待资源的僵局。

 饥饿是指每个资源占用者都在有限时间内释放占用的资源，但申请进程仍然长时间得不到资源的现象，常常是策略不公平的体现。

7、一个计算机有6台设备X，有n个进程竞争使用，每个进程最多需要两台。n最多为多少时，系统不存在死锁的危险？

答：

由于每个进程最多需要两台设备X，考虑极端情况：每个进程已经都申请了一台。那么只要还有一台空闲，就可以保证所有进程都可以完成。也就是说当有条件：n+1=6（即n=5）时，系统就不存在死锁的危险。

8、3个进程P1、P2和P3并发工作。进程P1需用资源S3和S1；进程P2需用资源S1和S2；进程P3需用资源S2和S3。

（1）若对资源分配不加限制，会发生死锁情况，请画出发生死锁时，3个进程和3个资源之间的进程资源分配图。

（2）为保证进程正确工作，应采用怎样的资源分配策略。

答：

（1）不加限制会出现死锁情况：

P2S1P1P3S2S3

（2）可以采用的方法有多种，下面是几种可行的方法：

 分配资源时，一次性分配该进程运行过程中所需的所有资源。破坏了死锁的必要条件之一“请求和保持条件”。

 申请资源时，如果不能立即获得新的资源，则释放已经获得的资源。破坏死锁的必要条件之一“不可剥夺条件”。

 对所有的资源进行编号，每个进程在申请资源时，严格按照资源编号递增的次序申请资源。这种方法是破坏了死锁的必要条件之一“环路等待条件”。

1.4 解答题

1、某系统有三个作业：

作业

1

2

3

到达时间

8.8

9.0

9.5

所需CPU时间

1.5

0.4

1.0

系统确定在它们全部到达后，开始采用响应比高者优先调度算法，并忽略系统调度时间。试问对它们的调度顺序是什么？各自的周转时间是多少？请写出计算过程，并填写下面表格。

答：

三个作业是在9.5时全部到达的。这时它们各自的响应比如下：

作业1的响应比 =（9.5 – 8.8）/ 1.5 = 0.46

作业2的响应比 =（9.5 – 9.0）/ 0.4 = 1.25

作业3的响应比 =（9.5 – 9.5）/ 1.0 = 0

因此，最先应该调度作业2运行，因为它的响应比最高。它运行了0.4后完成，这时的时间是9.9。再计算作业1和3此时的响应比：

作业1的响应比 =（9.9 – 8.8）/ 1.5 = 0.73

作业3的响应比 =（9.9 – 9.5）/ 1.0 = 0.40

因此，第二个应该调度作业1运行，因为它的响应比最高。它运行了1.5后完成，这时的时间是11.4。第三个调度的是作业3，它运行了1.0后完成，这时的时间是12.4。整个实施过程如下。

作业

1

2

3

到达时间

8.8

9.0

9.5

所需CPU时间

1.5

0.4

1.0

开始时间

9.9

9.5

11.4

完成时间

11.4

9.9

12.4

周转时间

2.6

0.9

2.9

作业的调度顺序是2→1→3。各自的周转时间为：作业1为0.9；作业2为2.6；作业3为2.9。

2、有一个具有两道作业的批处理系统，作业调度采用短作业优先的非抢式调度算法，进程调度采用以优先数为基础的抢占式调度算法，在下表所示的作业序列中，作业优先数即为进程优先数，优先数越小优先级越高。

作业 到达时间 所需CPU时间 优先数

A

B

C

D

10:00

10:20

10:30

10:50

40分钟

30分钟

50分钟

20分钟

5

3

4

6

列出所有作业进入内存时间及结束时间，并计算平均作业周转时间。

答：

(1)每个作业运行将经过两个阶段：作业调度(SJF算法)和进程调度(优先数抢占式)。另外，批处理最多容纳2道作业，更多的作业将在后备队列等待。

a) 10:00，作业A到达并投入运行。

b) 10:20，作业B到达且优先权高于作业A，故作业B投入运行而作业A在就绪队列等待。

c) 10:30，作业C到达，因内存中已有两道作业，故作业C进入作业后备队列等待。

d) 10:50，作业B运行结束，作业D到达，按短作业优先算法，作业D被装入内存进入就绪队列。而由于作业A的优先级高于作业D，故作业A投入运行。

e) 11:10，作业A运行结束，作业C被调入内存，且作业C的优先级高于作业D，故作业C投入运行。

f) 12:00，作业C运行结束，作业D投入运行。

g) 12:20，作业D运行结束。

各作业周转时间为：作业A 70，作业B 30，作业C 90，作业D 90。

(2) 平均作业周转时间为70分钟。

作业

A

B

C

D

进入内存时间

10:00

10:20

11:10

10:50

运行结束时间

11:10

10:50

12:00

12:20

作业周转时间

70

30

90

90

平均作业周转时间

70

3、有一个垃圾分拣机器人系统，拥有两个机器手臂，可分别自动在垃圾箱里面分拣可回收易拉罐和塑料瓶。设分拣系统有二个进程P1和P2，其中P1驱动左臂拣易拉罐；P2驱动右臂拣塑料瓶。规定每个手臂每次只能拣一个物品；当一个手臂在拣时，不允许另一个手臂去拣；当一个手臂拣了一个物品后，必须让另一个手臂去拣。试用信号量和P、V操作实现两进程P1和P2能并发正确执行的程序。

答：

实质上是两个进程的同步问题，设信号量S1和S2分别表示可拣易拉罐和塑料瓶，不失一般性，若令先拣易拉罐。

var S1,S2:semaphore; S1:=1;S2:=0;

cobegin

{

process P1

begin

repeat

P(S1);

拣易拉罐

V(S2);

until false;

end

process P2

begin

repeat

P(S2);

拣塑料瓶

V(S1);

until false;

end

}

coend.

4. 桌上有一只空盘子，允许存放一只水果。爸爸可向盘中放苹果和桔子，儿子专等着取盘中的桔子然后吃掉，女儿专等着取盘中的苹果然后吃掉。规定盘子一次只能放一只水果，盘子中水果没有被取走时，爸爸不可放新水果；盘子中没有水果时，女儿和儿子来取水果时将需等待。请用信号量和P、V原语实现爸爸、儿子、女儿3个并发进程的同步。

答：

设置3个信号量：

int S=1;//盘子是否为空，开始为空

int Sa=0;// 盘子是否有苹果

int Sb=0;// 盘子是否有桔子

Cobegin

Father()

{

While(1)

{

P(S);

水果放入盘中；

If(放入的是桔子) V(Sb);

Else V(Sa);

}

Son()

{

While(1)

{

P(Sb);

从盘中取出桔子；

V(S);

吃桔子；

}

}

Daughter()

{

While(1)

{

P(Sa);

从盘中取出苹果；

V(S);

吃苹果；

}

}

Coend

5、内存中有一组缓冲区被多个生产者进程、多个消费者进程共享使用，总共能存放10个数据，生产者进程把生成的数据放入缓冲区，消费者进程从缓冲区中取出数据使用。缓冲区满时生产者进程就停止将数据放入缓冲区，缓冲区空时消费者进程停止取数据。数据的存入和取出不能同时进行，试用信号量及P、V操作来实现该方案。

答：

semaphore mutex, empty, full;

mutex=1; //互斥信号量

empty=10; //生产者进程的同步信号量

full=0; //消费者进程的同步信号量

cobegin

process Pi //生产者进程

{

while (1) {

生产数据x;

P(empty) //看看是否还有空间可放

P(mutex); //互斥使用

放入;

V(full); ///增1(可能唤醒一个消费者)

V(mutex);

}

}

process Cj //消费者进程

{

while (1) {

P(full) //看看是否有数据

P(mutex); //互斥使用

取出;

V(emtpy); //增1(可能唤醒一个生产者)

V(mutex);

}

}

coend

6、假定系统有三个并发进程read, move和print共享缓冲器B1和B2。进程read负责从输入设备上读信息，每读出一个记录后把它存放到缓冲器B1中。进程move从缓冲器B1中取出一记录，加工后存入缓冲器B2。进程print将B2中的记录取出打印输出。缓冲器B1和B2每次只能存放一个记录。要求三个进程协调完成任务，使打印出来的与读入的记录的个数，次序完全一样。请用信号量和P、V操作，写出它们的并发程序。

答：

begin SR, SM1, SM2, SP:semaphore;

B1,B2:record;

SR:=1;SM1:=0;SM2:=1;SP:=0

cobegin

process read

X:record;

begin R: (接收来自输入设备上一个记录)

X:=接收的一个记录；

P(SR)；

B1:=X;

V(SM1);

goto R;

end;

Process move

Y:record;

begin

M:P(SM1);

Y:=B1;

V(SR)

加工 Y

P(SM2)；

B2:=Y;

V(SP);

goto M;

end;

Process print

Z:record;

begin

P:P(SP);

Z:=B2;

V(SM2)

打印Z

goto P;

end;

coend;

end;

7、用银行家算法避免系统死锁：

进程

P1

P2

P3

P4

P5

当前系统资源总量为A类6个、B类3个、C类个4、D类2个。

（1）系统是否安全？请分析说明理由。

（2）若进程B请求(0,0,1,0)，可否立即分配？请分析说明理由。

答：

(1)

由已知条件可得Need和Avaiable矩阵如下：

进程 分配矩阵 尚需矩阵(Need) 可用资源数向量(Avaiable)

P1 3 0 1 1 1 1 0 0 1 0 2 0

P2 0 1 0 0 0 1 1 2

P3 1 1 1 0 3 1 0 0

P4 1 1 0 1 0 0 1 0

P5 0 0 0 0 2 1 1 0

利用银行家算法对此时刻的资源分配情况进行分析如下表：

进程

P4

P1

P2

P3

P5

Work

1 0 2 0

2 1 2 1

5 1 3 2

5 2 3 2

6 3 4 2

Need

0 0 1 0

1 1 0 0

0 1 1 2

3 1 0 0

2 1 1 0

Allocation

1 1 0 1

3 0 1 1

0 1 0 0

1 1 1 0

0 0 0 0

Work+Allocation Finish

2 1 2 1

5 1 3 2

5 2 3 2

6 3 4 2

6 3 4 2

true

true

true

true

true

已占有资源数

A B C D

0 1 0 0

1 1 1 0

1 1 0 1

最大需求数

A B C D

0 2 1 2

4 2 1 0

1 1 1 1

3 0 1 1 4 1 1 1

0 0 0 0 2 1 1 0

从上述分析可知，存在一个安全序列D，A，B，C，E，（答案不唯一），故当前系统是否安全的。

（2）若进程B请求(0,0,1,0)，试分配并修改相应的数据结构，则系统状态变为：

进程 分配矩阵 尚需矩阵(Need) 可用资源数向量(Avaiable)

P1 3 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0

P2 0 1 1 0 0 1 0 2

P3 1 1 1 0 3 1 0 0

P4 1 1 0 1 0 0 1 0

P5 0 0 0 0 2 1 1 0

利用银行家算法对此时刻的资源分配情况进行分析如下表：

进程

P4

P1

P2

P3

Work

1 0 1 0

2 1 1 1

5 1 2 2

5 2 3 2

Need

0 0 1 0

1 1 0 0

0 1 0 2

3 1 0 0

Allocation

1 1 0 1

3 0 1 1

0 1 1 0

1 1 1 0

Work+Allocation Finish

2 1 1 1

5 1 2 2

5 2 3 2

6 3 4 2

true

true

true

true

P5 6 3 4 2 2 1 1 0 0 0 0 0 6 3 4 2 true

从上述分析可知，存在安全序列D，A，B，C，E，（答案不唯一）故系统仍是否安全的，因此可以立即分配。

8、假定系统中有五个进程{P0、P1、P2、P3、P4}和三种类型资源{A、B、C}，A、B、C资源的总数量分别为10、5、7。各进程的最大需求、T0时刻资源分配情况如下所示。

进程

P0

P1

P2

P3

P4

资源最大需求量

A B C

7 5 3

3 2 2

9 0 2

2 2 2

4 3 3

已分配资源量

A B C

0 1 0

2 0 0

3 0 2

2 1 1

0 0 2

（1）T0时刻是否安全？若安全，请说明理由，并给出一个可能的安全序列。若不安全，请说明理由。

（2）若接下来P4继续请求资源(3,2,1)，则系统是否允许并响应该请求？若允许，请说明理由，并给出一个可能的安全序列。若不允许，请说明理由。

答：

（1）T0时刻是安全的。因为此时，系统中的剩余资源量为（3,3,2）。此时，可以满足P1或P3的全部剩余资源请求。假设先满足P1的请求，则P1运行结束后，将资源返还操作系统，则系统中的剩余资源量为(5,3,2)。此时，可以满足P3或P4的要求。假设接下来先满足P3的要求，则P3运行结束后，将资源返还操作系统，则系统中的剩余资源量为(7,4,3)。此时，将可以满足P0或P2或P4的任意一个的资源请求。无论分配给谁，都不会发生死锁。于是，安全序列为P1、P3、（后面的进程顺序任意）。当然，还能形成其它安全序列——P1、P4、P3、（后面的进程顺序任意）；P3、P1、（后面的进程顺序任意）；P3、P4、P1、（后面的进程顺序任意）。

（2）系统可以允许该请求。因为当将P4所需资源分配给P4后，系统剩余资源为(0,1,1)。此时，剩余资源仅能满足P3的所有资源请求。假设将资源分配给P3，则当P3运行结束后，将资源返还操作系统，则系统中的剩余资源量为(2,2,2)，可以满足P1或P4的剩余资源请求。于是，假设把资源分配给P1，则当P1运行结束并归还资源后，系统剩余资源量为(4,2,2)；然后，再满足P4，把资源分配给P4，则当P4运行结束并归还资源后，系统剩余资源量为(7,4,5)；此时，将可以满足P0或P2或P4的任意一个的资源请求。无论分配给谁，都不会发生死锁。于是，安全序列为P3、P1、P4、P0、P2和P3、P1、P4、P2、P0。当然，还能形成其它安全序列——P3、P4、P1、P0、P2和P3、P4、P1、P2、P0。

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