操作系统五六章补充题

1、某文件系统为一级目录结构，文件的数据一次性写入磁盘，已经写入的文件不能修改，但是可以多次创建新文件。请回答以下问题：1）在连续、链式、索引三种文件的数据块组织方式中，哪种更适合？请说明理由。2）为了快速找到文件，对于FCB，是集中存储好，还是与对应的文件数据块连续存储好？请说明理由。解答：1）连续更合适。因为一次性写入不存在插入问题，连续的数据块组织方式完全可以满足一次性写入磁盘。同时连续文件组织方式减少了其他不必要的空间开销，而连续的组织方式顺序查找读取文件的速度是最快的。2）为了快速找到文件，FCB是集中存储好。目录是存在磁盘上的，所以检索目录的时候需要访问磁盘，速度很慢：集中存储是将文件控制块的一部分数据分解出去，存在另一个数据结构中，而在目录中仅留下文件的基本信息和指向该数据结构的指针，这样就有效缩短了目录的容量，减少了目录在磁盘中的块数，于是检索目录时读取次哦的次数也就减少了，于是加快了目录检索的速度。2、某计算机存储器按字节编址，虚拟（逻辑）地址空间大小为16MB，主存（物理）地址空间为1MB，页面大小为4KB：Cache采用直接映射方式，共8行；主存与Cache中间交换的块大小为32B。系统运行到某一时刻时，页表的部分内容和Cache的部分内容为下图所示，图中页框号及标记字段的内容为十六进制形式。虚页号有效位页框号……0106……1104……2115……3102……40--……512B……60--……7132……页表的部分内容行号有效位标记……01020……10--……2101D……31105……41064……5114D……60--……7127A……Cache的部分内容请回答下列问题：1）虚拟地址共有几位，哪几位表示虚页号？物理地址有几位，哪几位表示页框号（物理页号）？2）使用物理地址访问Cache时，物理地址应该划分为哪几个字段？要求说明每个字段的位数及在物理地址中的位置。3）虚拟地址001C60H所在的页面是否在主存中？如在，则该虚拟地址对应得物理地址是什么？访问该地址时是否Cache命中？要说明理由。4）假定为该机配置一个4路组相联的TLB，共可以存放8个页表项，若当前内容（十六进制）如下图所示，则此时虚拟地址024BACH所在的页面是否存在主存中？请说明理由。解答：1）24位，前12位；20位，前8位2）主存字块标记（12位），Cache字块标记（3位）,字块内地址（5位）物理地址20位，其中块大小为32B=25B，故块内地址为5位，Cache共8=23行，故块标记为3位，20-5-3=12，故主存字块标记为12位。3）在主存中，004C60H；不命中，因为没有04CH的标记字段001C60H中虚页号为001H=1，经过查找页表知道其有效位是1，在内存中；该页对应的页框号为04H，故物理地址为004C60H；物理地址为004C60H在直接映射方式下，对应的行号为4，有效位是1，但是标记为是064H不等于04CH,故不命中。4）在，012的那个标记是对的思路：标记11位，组地址1位，页内地址12位，前12位是000000100100，组地址为0，第0组存在标记为012的页，其页框号为1F，故024BACH所在的页面在内存中。3、假设一个文件系统使用索引结构（索引仅包含磁盘块号）组织文件内容块，每块的大小为16KB，磁盘空间为1GB。现在假设一个目录中包含3个文件，其大小分别为10KB，1089KB，129MB，请问这些文件总共在磁盘中占用了多大的空间？（不计其目录项占据的空间）解答：一个文件占用的磁盘空间是和采用的索引结构密切相关的，解决这类问题是一定要设计合适的索引结构。1GB的磁盘空间共有1GB/16KB=65536块，在此设索引块中每个索引项需要16位，因此一个索引块最多有1K个索引项，最大索引16MB。10KB大小的文件占用一个数据块，占用磁盘空间为16KB；1089KB的文件共需要一个索引块和69个数据块，占用空间为69x16+16=1120KB；129MB的文件需要1个一级索引块和9个二级索引块以及129MB/16KB=8256个数据块，共需要磁盘空间=（1+9+8256）x16=132256KB。当然，还可以采用其他方法来设计索引结构。4、旋转型存储设备上的信息优化分布能够减少若干输入/输出服务的总时间。例如，有10个记录A,B…J存放在磁盘的某一个磁道上，假定这个磁道划分成10个扇区，每个扇区存放一个记录，安排如下表所示：扇区12345678910记录号ABCDEFGHIJ现在要从该磁道中顺序将A~J这10个记录读出，如果磁盘旋转一周需要时间20ms，处理程序每读出1个记录后花4ms的时间进行处理，试问处理完这10个记录需要的总时间是多少（从找到A开始计算）？为了缩短处理时间，应进行优化分布，试问应该如何安排这10个记录？并计算优化后的总的处理时间是多少（从找到记录A开始）？解答：1）没有优化时，需要的总时间是6+9x22=204ms2）优化方案扇区12345678910记录号AHEBIFCJGD优化后需要的总时间：10x(2+4)=60ms5、为什么磁盘调度算法通常不考虑旋转延迟？解答：大多数磁盘并没有将旋转位置信息输出给主机，因此在大多数情况下操作系统在进行磁盘调度时无法得到旋转信息，也就没有办法在调度算法中考虑它的影响。即使是磁盘系统可以提供旋转位置信息，但是由于磁盘依然在旋转，因此这个信息到达主机时往往是不准确的，而且处理时间也往往是变化的，所以操作系统在进行调度时获得的旋转位置信息是不正确的。另外，磁盘请求往往是以逻辑块的形式作为参数，而逻辑块和物理块之间的映射比较复杂，若在调度中计算这种映射会大大增加系统开销。总之，无论是从可行性上还是从性能上进行考虑，调度算法都不考虑磁盘旋转的位置。6、一个软盘的扇区安排采用如下图（c）所示的形式。这个软盘的每个磁道有8个扇区，每个扇区可以存放512B数据，软盘的旋转速率为300rpm，如果旋转臂已经在合适的位置了，那么顺序读完一个磁道上的扇区需要多长时间？如果扇区安排使用图（a）和图（b）呢？解答：旋转延迟为60000÷300=200ms，假设处理数据的速度为kB/ms。则：在（a）图中读取一个磁道的时间是8x（200÷（512/k）x200ms。在（b）图中为：8x（400÷（512/k）x200ms在（c）图中为：8x（600÷（512/k）x200ms7、某个文件系统管理一个4GB多的磁盘，它可以管理一个大小为4GB的文件，也可以管理一个包含4000个10KB文件的目录树。但是在测试中，如果顺序读取4GB的大文件，只需要2min，而当遍历4000个10KB的文件时几乎需要运行1h，请分析引起这种性能差异的原因。解答：顺序读取磁盘上的一个文件，几乎没有旋转延迟和寻找时间；而读取多个文件则需要大量的寻找时间和旋转延迟（包括文件块和目录块）。8、在设备子系统中，引入缓冲可以有效改善CPU和I/O设备之间的速度不匹配的矛盾，但是也可能损失CPU与I/O设备之间的带宽，请问为什么？解答：使用缓冲的主要原因是因为主存的带宽一般都远远高于I/O设备的带宽，主存和CPU之间的带宽差小于CPU和I/O设备之间的带宽差，因此可以使用缓存来改善CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾。但是这种改善是以减少I/O次数为基础的，如果缓存命中率低，那么管理缓存所带来的开销可能比缓存得到的收益还要高，此时CPU与I/O设备的带宽就受到了损失。例如：1）个人计算机上视频和音频播放器就是一个典型的例子。因为这些文件都是顺序访问的，缓存命中率永远为0，此时缓存是损害CPU和I/O设备之间带宽的主要原因。2）高速网络适配器。目前高速网络适配器的带宽都达到了Gb级别，几乎与CPU的带宽相当，是高于主存带宽的，此时不存在CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾，因此内存访问成了瓶颈。为了解决视频和音频等多媒体数据的处理，现代操作系统中都提供了无缓冲（或者称“直接”）的I/O方式。9、某用户文件共有10个逻辑记录，每个逻辑记录的长度为480个字符，现在把该文件放到磁带上，若磁带的记录密度是800字符/英寸，块与块之间的间隙为0.6英寸，回答下面的问题：1）不采用记录的成组操作时磁带的空间利用率是多少？2）采用成组操作且块因子为5时磁带空间的利用率是多少？3）当按上述方式（成组）把文件存放到磁带后，用户要求每读一个记录到他的工作区，当对该记录处理完毕后再读下一个记录到工作区中，直至10个记录处理结束。系统应该如何为用户服务？解答：1）利用率为50%2）利用率为83%3）设置长度为2400字符的主存缓冲区；找到该文件的存放位置，启动磁带机读出第一块内容存入主存缓冲器；进行记录的分解，按照用户要求依次把主存缓冲区中的5个记录传送到用户工作区中；启动磁带机读第二块内容存入主存缓冲区，把6~10号记录按照用户要求依次传送到用户工作区。10、某文件共占10个磁盘块，现在要把该文件磁盘块逐个读入主存缓冲区，并送入用户区进行分析。假设一个缓冲区与一个磁盘块大小相同，把一个文件磁盘块读入缓冲区的时间是100us，将缓冲区的数据传送到用户区的时间是50us，CPU对一个数据块进行分析的时间为50us，若在单缓冲区和双缓冲区的结构下，读入并分析完成该文件的时间分别是多少？解答：