《现代操作系统第四版》第三章答案

第三章内存管理习题

1.IBM360有一个设计，为了对2KB大小的块进行加锁，会对每个块分配一个4bit的密钥，这个密钥存在PSW（程序状态字）中，每次内存引用时，CPU都会进行密钥比较。但该设计有诸多缺陷，除了描述中所言，请另外提出至少两条缺点。

A：密钥只有四位，故内存只能同时容纳最多十六个进程；需要用特殊硬件进行比较，同时保证操作迅速。

2.在图3-3中基址和界限寄存器含有相同的值16384，这是巧合，还是它们总是相等？如果这只是巧合，为什么在这个例子里它们是相等的？

A：巧合。基地址寄存器的值是进程在内存上加载的地址；界限寄存器指示存储区的长度。

3.交换系统通过紧缩来消除空闲区。假设有很多空闲区和数据段随机分布，并且读或写32位长的字需要10ns的时间，紧缩128MB大概需要多长时间？为了简单起见，假设空闲区中含有字0，内存中最高地址处含有有效数据。

A：32bit=4Byte===>每字节10/4=2.5ns 128MB=1282^20=2^27Byte 对每个字节既要读又要写，22.5*2^27=671ms

4.在一个交换系统中，按内存地址排列的空闲区大小是10MB，4MB，20MB，18MB，7MB，9MB，12MB，和15MB。对于连续的段请求：

(a) 12MB

(b) 10MB

(c) 9MB

使用首次适配算法，将找出哪个空闲区？使用最佳适配、最差适配、下次适配算法呢？

A：首次适配算法：20MB，10MB，18MB；最佳适配算法：12MB，10MB，9MB；最差适配算法：20MB；18MB；15MB；下次适配算法：20MB；18MB；9MB；

5.物理地址和虚拟地址有什么区别？

A：实际内存使用物理地址。这些是存储器芯片在总线上反应的数字。虚拟地址是指一个进程的地址空间的逻辑地址。因此，具有32位字的机器可以生成高达4GB的虚拟地址，而不管机器的内存是否多于或少于4GB。

6.对下面的每个十进制虚拟地址，分別使用4KB页面和8KB页面计算虚拟页号和偏移量：20000，32768，60000。

A：转换为二进制分别为：0100111000100000 虚拟地址应该是16位1000000000000000 1110101001100000 4KB页面偏移量范围0～4027，需要12位来存储偏移量，剩下4位作为页号；同理8KB页面需要13位来存储偏移量，剩下3位作为页号；所以，4KB | 8KB 页号| 偏移量| 页号| 偏移量20000 | 0100 111000100000 | 010 0111000100000 32768 | 1000 000000000000 | 100 0000000000000 60000 | 1110 101001100000 | 111 0101001100000

7. 使用图3-9的页表，给出下面每个虚拟地址对应的物理地址：

(a) 20

(b) 4100

(c) 8300

A：（a）20+40962=8212 （b）4100=4096+（4100-4096）=4100 （c）8300=64096+（8300-4096*2）=24684

8. Inlel 8086处理器不支持虚拟内存，然而一些公司曾经设计过包含未作任何改动的8086 CPU的分页系统。猜想一下，他们是如何做到这一点的。（提示：考虑MMU的逻辑位置。）

A：他们制作了MMU，并连接在CPU与地址总线之间，这样从处理器进入MMU 的地址全部被视为虚拟地址，并被转换为物理地址，然后被送到地址总线，映射到内存中。

9.为了让分页虚拟内存工作，需要怎样的硬件支持？

A：需要一个MMU能够将虚拟页面重新映射到物理页面。此外，当缺页中断时，需要对操作系统设置陷阱，以便可以获取页面。

10.写时复制是使用在服务器系统上的好方法，它能否在手机上起作用。

A：“写时复制“技术，也就是只有进程空间的各段的内容要发生变化时，才会将父进程的内容复制一份给子进程。如果智能手机支持多重编程，iPhone、Android和Windows手机都支持多重编程，那么支持多个进程。如果进程发出fork()系统调用和页面在父进程和子进程之间共享，则复制对写是有意义的。智

能手机比服务器小，但从逻辑上讲，它并没有什么不同。

11.考虑下面的C程序：

int X[N];

int step = M; //M是某个预定义的常量

for (int i = 0; i < N; i += step) X[i] = X[i] + 1;

a)如果这个程序运行在一个页面大小为4KB且有64 个TLB 表项的机器上时，M和N取什么值会使得内层循环的每次执行都会引起TLB失效?

b)如果循环重复很多遍，结果会和a)的答案相同吗？请解释。

A: a)M必须至少为1024，以确保对X元素的每一次访问都有一个TLB缺失。因为N只影响X访问多少次，N取大于M的任何值都可以。b)M应该至少是1024，以确保对X元素的每次访问都遗漏TLB。但是现在N应该大于64K，以便处理TLB，也就是说，X应该超过256KB。

12.存储页面必须可用的磁盘空间和下列因素有关：最大进程数n，虚拟地址空间的字节数v，RAM的字节数r，给出最坏情况下磁盘空间需求的表达式。这个数量的真实性如何？

A：所有进程的整个虚拟地址空间为nv，这就是页面存储所需的。不过，可以在RAM中存储量为r，因此需要的磁盘存储量仅为nv-r。该量比实际所需的要大得多，因为极少有n个进程实际运行，而且这些进程也极少需要其最大允许的虚

拟内存。

13.如果一条指令执行1ns，缺页中断执行额外的Nns，且每条k指令产生一个缺页，请给出一个公式，计算有效指令时间。

A：(1*(k-1)+(1+N))/k = 1+N/k ns

14.一个机器有32位地址空间和8KB页面，页表完全用硬件实现，页表的每一表项为一个32位字。进程启动时，以每个字100ns的速度将页表从内存复制到硬件中。如果每个进程运行100ms（包含装入页表的时间）用来装人页表的CPU 时间的比例是多少？

A: 32位地址空间构成4GB内存空间，4GB/8KB=512个页面，页表项512项，页表大小512·32=2^14 bit,复制页表的时间=2^14/2^5*10ns = 5120 ns, 时间比例5120ns/100ms=5120·10^(-9) / 100·10^(-3) =51.2% 8KB页面大小，需要13位偏移量，故页号有19位，页面有2^19个，页表项也是2^19个，每项32位字。2^19·100ns/100ms=52.4288%

15.假设一个机器有48位的虚拟地址和32位的物理地址。

a)假设页面大小是4KB，如果只有一级页表，那么在页表里有多少页表项？请解释。

b)假设同一系统有32个TLB表项，并且假设一个程序的指令正好能放入一个页，并且该程序顺序地从有数千个页的数组中读取长整型元素。在这种情况下TLB的效果如何？