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操作系统课程在线实验试题集

一、在线实验试题集的设计理念与原则

操作系统在线实验试题集的构建，绝非简单的题目堆砌，其背后蕴含着深刻的教学思想与设计智慧。

1.1系统性与递进性原则

试题集应全面覆盖操作系统的核心知识点，如进程管理、内存管理、文件系统、设备管理等，并按照知识点的内在逻辑与学生认知规律，设计从基础到综合、从验证到设计的递进式实验序列。避免知识点的孤立呈现，强调模块间的联系与系统整体观的培养。

1.2理论与实践紧密结合原则

每个实验题目都应明确其对应的理论知识点，通过具体的操作和观察，使学生能够将书本上的抽象概念（如进程状态、PCB、页表、inode等）与实际系统行为联系起来，深化对理论的理解与运用。

1.3启发性与探究性原则

试题设计应避免简单的步骤驱动，多设置开放性、探究性问题。鼓励学生主动思考“为什么”，引导他们通过实验现象反推原理，或针对特定问题设计解决方案，培养其科学探究精神和创新意识。

1.4真实性与工程性原则

在条件允许的情况下，尽量采用贴近真实的操作系统环境（如Linux、FreeBSD等）或成熟的模拟平台。实验内容应反映操作系统设计与实现中的典型问题和常用技术，培养学生的工程实践能力和系统调试能力。

1.5可操作性与安全性原则

在线实验平台需提供稳定、一致的实验环境。试题描述应清晰、准确，给出明确的实验目标、前置知识要求和操作提示。同时，必须考虑实验过程中的系统安全性，防止学生的误操作对平台或其他用户造成影响，必要时采用沙箱或虚拟机隔离技术。

二、核心实验模块与典型试题设计

基于操作系统课程的核心内容，在线实验试题集可划分为以下几个主要模块，并设计相应的典型试题。

2.1进程管理与调度

本模块旨在使学生理解进程的概念、生命周期、状态转换、进程控制原语以及调度算法的实现与性能影响。

*典型试题示例1：进程状态观测与创建控制

*实验目标：观察进程在不同状态间的转换；理解fork()系统调用的工作原理及子进程与父进程的关系。

*实验内容：

1.使用`ps`、`top`或自定义工具（如基于`/proc`文件系统）观察系统中不同进程的状态（运行、就绪、睡眠等）及其变化。

2.编写一段包含fork()调用的C程序，分析输出结果，解释子进程的创建过程、PID分配以及父子进程共享与私有资源的情况。

3.在程序中加入wait()或waitpid()调用，观察其对父进程状态及僵尸进程产生的影响。

*考察点：进程状态、PCB、fork()、wait()、进程树、资源共享。

*典型试题示例2：进程调度算法模拟与性能比较

*实验目标：理解并实现常见的进程调度算法（如FCFS、SJF、RR、优先级调度等）；比较不同调度算法在平均周转时间、平均等待时间等指标上的性能差异。

*实验内容：

1.在给定的在线模拟平台或编程框架下，实现至少两种调度算法。

2.针对一组预设的进程（包含到达时间、服务时间、优先级等参数），运行所实现的调度算法，记录并计算相关性能指标。

3.分析不同算法在不同负载特征下的优劣，并思考改进策略。

*考察点：调度算法原理、性能评价指标、算法实现能力。

2.2进程同步与死锁

本模块聚焦于并发进程间的协作与竞争问题，使学生掌握同步机制的原理与应用，理解死锁产生的条件及预防、避免方法。

*典型试题示例3：经典同步问题的实现与验证（如生产者-消费者问题）

*实验目标：掌握信号量（或管程）机制在解决进程同步与互斥问题中的应用；理解临界区管理的重要性。

*实验内容：

1.在支持多线程/多进程的在线编程环境中，使用信号量（如POSIXsemaphore）实现一个简单的生产者-消费者模型（如基于缓冲区的物品生产与消费）。

2.故意省略某些同步操作，观察程序运行时可能出现的错误（如数据不一致、死锁），并分析原因。

3.验证正确实现的同步机制能否保证程序的正确运行。

*考察点：信号量、互斥、同步、临界区、经典同步问题建模。

2.3内存管理

本模块旨在帮助学生理解内存分配策略、地址映射机制、虚拟内存技术以及页面置换算法的原理与效果。

*典型试题示例4：分页式虚拟内存地址转换模拟

*实验目标：深入理解分页系统中逻辑地址到物理地址的转换过程；理解页表、页内偏移、页框等概念。

*实验内容：

1.给定一页表结构（包含页号、页框号、有效位等）和一组逻辑地址，手工计算或编程模拟其对应的物理地址。

2.若页表中存在无效页或发生缺页中断，分析系统应如何处理。

3.改变页表大小或页面大小，观察对地址转换及内存利用率的影响。

*考察点：分页机制、地址转换、页表、缺页中断。

*典型试题示例5