操作系统复习（七）

一些题目

记一些我忘记的题目。

重定位

1. 什么叫重定位？
将程序地址空间中的逻辑地址（虚拟地址） 转换为物理内存中的物理地址的过程。

2. 动态重定位的特点：

• 转换时机：在程序运行时（指令执行时）动态完成地址转换，而非加载时。
• 硬件依赖：需依赖MMU（内存管理单元） 和重定位寄存器（基址寄存器） 支持。
• 灵活性高：程序在内存中可移动（换进换出），且允许程序非连续存放或仅部分装入。
• 性能代价：每次访存都需进行地址转换，增加了运行时开销（硬件会通过TLB加速优化）。
• 支持共享：多个进程可动态映射到同一物理地址，便于代码共享和进程隔离。

动态链接

1. 什么是动态链接？
将程序中对库函数的链接推迟到**程序运行时（或加载时）**才完成，而非编译链接阶段。这使得多个进程可共享同一份动态库（如.dll或.so）的物理代码副本。

2. 用何种内存分配方法实现？
采用分页式（或段页式）虚拟内存分配方法。

• 原因：分页支持非连续分配和按需调页，允许动态库作为独立模块映射到进程的虚拟地址空间，且仅在需要时才将对应页面调入物理内存，并通过内存映射机制实现进程间共享同一份物理页框。

页错误

主要是第二问，我之前没有思考过这个问题。

（1）为什么引入缺页中断？
由于请求分页存储管理采用按需调页策略，程序运行时并不预先将所有页面装入内存。当CPU访问的逻辑页面不在物理内存（页表有效位为0）时，指令无法继续执行，必须由缺页中断介入，将所需页面从磁盘调入内存，从而打破“程序必须完全装入才能运行”的限制，实现虚拟内存。

（2）缺页中断的实现由以下4部分组成及实现方法：

组成部分	实现方法
① 硬件陷阱与现场保护	CPU的MMU检测到缺页后，自动触发中断，将程序计数器（PC）、CPU状态等压入内核栈，并切换至核心态，转入缺页中断处理程序。
② 地址合法性检查	中断程序检查引发缺页的虚拟地址是否在进程的逻辑地址空间内。若非法（越界），则终止进程；若合法，继续下一步。
③ 页面调入（含置换）	分配空闲物理页框；若无空闲，调用页面置换算法（如LRU）换出牺牲页。同时发起磁盘I/O操作，将目标页从交换区或文件读入该物理页框。
④ 更新页表并恢复现场	磁盘I/O完成后，修改页表项，将有效位置为1，填入物理页框号。恢复CPU上下文（寄存器），重新执行引发缺页的那条指令，此时访问命中。

程序分段

5、假定有一个求n!程序被两个进程所共享，求n!程序如下：
  int fun(int n)
{    
        if (n==0||n==1) 			
             return 1;		
        else 			
             return fun(n-1)*n;	
}
若系统采用段式管理，应如何安排程序？ 为什么？

在段式管理下，应将程序代码（fun函数的指令）单独作为一个纯代码段，且两个进程共享该代码段；同时为每个进程分别设立独立的私有堆栈段和数据段（用于存放参数n、返回地址及临时变量）。

原因如下：

1. 段式管理以段为共享单位：段式存储管理中，每个段是一个逻辑独立的实体，系统允许不同进程的段表项指向同一物理段。因此可将只读的代码指令放入一个段中，供两个进程映射到相同的物理内存区域。
2. 代码具有可重入性（纯代码）：fun函数在执行过程中不会修改自身指令，属于纯代码。共享同一份物理代码副本不会互相干扰，能节省大量内存空间。
3. 执行上下文必须私有：递归程序严重依赖堆栈保存每层调用的返回地址和局部变量n。若共享堆栈段，两个进程的调用序列会互相覆盖，导致计算结果错乱。因此，堆栈段和数据段必须物理分开，每个进程各有一份。

FIFO和LRU

在访问序列呈现“顺序循环” 的情况下，FIFO 和 LRU 两种置换算法发生缺页时被置换的页完全一样。

核心条件：访问串中的页面按固定顺序循环出现，且在单个周期内每个页面最多只被访问一次。这使得页面进入内存的顺序（FIFO依据）与其最近被访问的时间顺序（LRU依据）完全同步。

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举例说明：

假设系统分配给进程的物理块数为 3，访问串为：

1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4…

我们模拟前几步，对比两种算法的置换行为（初始内存为空）：

步骤	访问页	FIFO队列（尾进）	FIFO置换页	LRU栈（顶新）	LRU置换页
1	1	[1] 缺	—	[1] 缺	—
2	2	[1,2] 缺	—	[2,1] 缺	—
3	3	[1,2,3] 缺	—	[3,2,1] 缺	—
4	4	[2,3,4] 缺	1	[4,3,2] 缺	1
5	1	[3,4,1] 缺	2	[1,4,3] 缺	2
6	2	[4,1,2] 缺	3	[2,1,4] 缺	3

结果：从第4步开始，每一步发生缺页时，两种算法淘汰的页面完全相同（依次为 1, 2, 3, 4…）。

原因：在此类循环访问串中，页面被装入内存的“年龄”顺序与其被访问的“新旧”顺序始终保持一致，因此两种算法决策等同。