操作系统常见面试知识点

Posted 2022-12-24 zhangfuxiao

1.请分别简单说一说进程和线程以及它们的区别。

• 进程是具有一定功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，进程是系统进行资源调度和分配的一个独立单位。
• 线程是进程的实体，是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。
• 一个进程可以有多个线程，多个线程也可以并发执行

2.线程同步的方式有哪些

• 互斥量：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。
• 信号量：它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量。
• 事件（信号）：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操作。

3.进程的通信方式有哪些？

主要分为：管道、系统IPC（包括消息队列、信号量、共享存储）、SOCKET

管道主要分为：普通管道PIPE 、流管道（s_pipe）、命名管道（name_pipe）

• 管道是一种半双工的通信方式，数据只能单项流动，并且只能在具有亲缘关系的进程间流动，进程的亲缘关系通常是父子进程
• 命名管道也是半双工的通信方式，它允许无亲缘关系的进程间进行通信
• 信号量是一个计数器，用来控制多个进程对资源的访问，它通常作为一种锁机制。
• 消息队列是消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。
• 信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。
• 共享内存就是映射一段能被其它进程访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但是多个进程可以访问。

4.什么是缓冲区溢出？有什么危害？其原因是什么？

缓冲区溢出是指当计算机向缓冲区填充数据时超出了缓冲区本身的容量，溢出的数据覆盖在合法数据上。

危害有以下两点：

• 程序崩溃，导致拒绝额服务
• 跳转并且执行一段恶意代码

造成缓冲区溢出的主要原因是程序中没有仔细检查用户输入。 

5.什么是死锁？死锁产生的条件？

在两个或者多个并发进程中，如果每个进程持有某种资源而又等待其它进程释放它或它们现在保持着的资源，在未改变这种状态之前都不能向前推进，称这一组进程产生了死锁。通俗的讲就是两个或多个进程无限期的阻塞、相互等待的一种状态。

死锁产生的四个条件（有一个条件不成立，则不会产生死锁）

• 互斥条件：一个资源一次只能被一个进程使用
• 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得资源保持不放
• 不剥夺条件：进程获得的资源，在未完全使用完之前，不能强行剥夺
• 循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的环形等待资源关系

6.进程有哪几种状态？

• 就绪状态：进程已获得除处理机以外的所需资源，等待分配处理机资源
• 运行状态：占用处理机资源运行，处于此状态的进程数小于等于CPU数
• 阻塞状态： 进程等待某种条件，在条件满足之前无法执行

7.分页和分段的区别

• 段是信息的逻辑单位，它是根据用户的需要划分的，因此段对用户是可见的 ；页是信息的物理单位，是为了管理主存的方便而划分的，对用户是透明的。
• 段的大小不固定，有它所完成的功能决定；页大大小固定，由系统决定
• 段向用户提供二维地址空间；页向用户提供的是一维地址空间
• 段是信息的逻辑单位，便于存储保护和信息的共享，页的保护和共享受到限制。

8.操作系统中进程调度策略有哪几种

FCFS(先来先服务)，优先级，时间片轮转，多级反馈

9.说一说进程同步有哪几种机制。

原子操作、信号量机制、自旋锁管程、会合、分布式系统

10.说一说死锁的处理基本策略和常用方法

解决死锁的基本方法如下： 

预防死锁、避免死锁、检测死锁、解除死锁 

解决死锁的常用策略如下： 

鸵鸟策略、预防策略、避免策略、检测与解除死锁 

详解：https://blog.csdn.net/bxyill/article/details/8237339

11.逻辑地址/物理地址/虚拟内存

所谓的逻辑地址，是指计算机用户(例如程序开发者)，看到的地址。例如，当创建一个长度为100的整型数组时，操作系统返回一个逻辑上的连续空间：指针指向数组第一个元素的内存地址。由于整型元素的大小为4个字节，故第二个元素的地址时起始地址加4，以此类推。事实上，逻辑地址并不一定是元素存储的真实地址，即数组元素的物理地址(在内存条中所处的位置)，并非是连续的，只是操作系统通过地址映射，将逻辑地址映射成连续的，这样更符合人们的直观思维。

另一个重要概念是虚拟内存。操作系统读写内存的速度可以比读写磁盘的速度快几个量级。但是，内存价格也相对较高，不能大规模扩展。于是，操作系统可以通过将部分不太常用的数据移出内存，“存放到价格相对较低的磁盘缓存，以实现内存扩展。操作系统还可以通过算法预测哪部分存储到磁盘缓存的数据需要进行读写，提前把这部分数据读回内存。虚拟内存空间相对磁盘而言要小很多，因此，即使搜索虚拟内存空间也比直接搜索磁盘要快。唯一慢于磁盘的可能是，内存、虚拟内存中都没有所需要的数据，最终还需要从硬盘中直接读取。这就是为什么内存和虚拟内存中需要存储会被重复读写的数据，否则就失去了缓存的意义。

注意：虚拟内存不只是“用磁盘空间来扩展物理内存”的意思——这只是扩充内存级别以使其包含硬盘驱动器而已。把内存扩展到磁盘只是使用虚拟内存技术的一个结果，它的作用也可以通过覆盖或者把处于不活动状态的程序以及它们的数据全部交换到磁盘上等方式来实现。对虚拟内存的定义是基于对地址空间的重定义的，即把地址空间定义为“连续的虚拟内存地址”，以借此“欺骗”程序，使它们以为自己正在使用一大块的“连续”地址。而这个地址也就是虚拟地址。

现代计算机中有一个专门的转译缓冲区(Translation Lookaside Buffer，TLB)，用来实现虚拟地址到物理地址的快速转换。

与内存／虚拟内存相关的还有如下两个概念：

1) Resident Set

当一个进程在运行的时候，操作系统不会一次性加载进程的所有数据到内存，只会加载一部分正在用，以及预期要用的数据。其他数据可能存储在虚拟内存，交换区和硬盘文件系统上。被加载到内存的部分就是resident set。

2) Thrashing

由于resident set包含预期要用的数据，理想情况下，进程运行过程中用到的数据都会逐步加载进resident set。但事实往往并非如此：每当需要的内存页面(page)不在resident set中时，操作系统必须从虚拟内存或硬盘中读数据，这个过程被称为内存页面错误(page faults)。当操作系统需要花费大量时间去处理页面错误的情况就是thrashing。

12.页面置换算法

请求调页，也称按需调页，即对不在内存中的“页”，当进程执行时要用时才调入，否则有可能到程序结束时也不会调入。而内存中给页面留的位置是有限的，在内存中以帧为单位放置页面。为了防止请求调页的过程出现过多的内存页面错误（即需要的页面当前不在内存中，需要从硬盘中读数据，也即需要做页面的替换）而使得程序执行效率下降，我们需要设计一些页面置换算法，页面按照这些算法进行相互替换时，可以尽量达到较低的错误率。

FIFO算法
先入先出，即淘汰最早调入的页面。

OPT(MIN)算法
选未来最远将使用的页淘汰，是一种最优的方案，可以证明缺页数最小。

可惜，MIN需要知道将来发生的事，只能在理论中存在，实际不可应用。

LRU(Least-Recently-Used)算法
用过去的历史预测将来，选最近最长时间没有使用的页淘汰(也称最近最少使用)。
LRU准确实现：计数器法，页码栈法。

由于代价较高，通常不使用准确实现，而是采用近似实现，例如Clock算法。

内存抖动现象：
页面的频繁更换，导致整个系统效率急剧下降，这个现象称为内存抖动（或颠簸）。抖动一般是内存分配算法不好，内存太小引或者程序的算法不佳引起的。

Belady现象：
对有的页面置换算法，页错误率可能会随着分配帧数增加而增加。

FIFO会产生Belady异常。

栈式算法无Belady异常，LRU，LFU（最不经常使用），OPT都属于栈式算法。

13.动态链接库和静态链接库的区别

解答：静态链接库是.lib格式的文件，一般在工程的设置界面加入工程中，程序编译时会把lib文件的代码加入你的程序中因此会增加代码大小，你的程序一运行lib代码强制被装入你程序的运行空间，不能手动移除lib代码。

动态链接库是程序运行时动态装入内存的模块，格式*.dll，在程序运行时可以随意加载和移除，节省内存空间。

在大型的软件项目中一般要实现很多功能，如果把所有单独的功能写成一个个lib文件的话，程序运行的时候要占用很大的内存空间，导致运行缓慢；但是如果将功能写成dll文件，就可以在用到该功能的时候调用功能对应的dll文件，不用这个功能时将dll文件移除内存，这样可以节省内存空间。

14.中断

所谓的中断就是在计算机执行程序的过程中，由于出现了某些特殊事情，使得CPU暂停对程序的执行，转而去执行处理这一事件的程序。等这些特殊事情处理完之后再回去执行之前的程序。中断一般分为三类：

由计算机硬件异常或故障引起的中断，称为内部异常中断；
由程序中执行了引起中断的指令而造成的中断，称为软中断（这也是和我们将要说明的系统调用相关的中断）；
由外部设备请求引起的中断，称为外部中断。简单来说，对中断的理解就是对一些特殊事情的处理。
与中断紧密相连的一个概念就是中断处理程序了。当中断发生的时候，系统需要去对中断进行处理，对这些中断的处理是由操作系统内核中的特定函数进行的，这些处理中断的特定的函数就是我们所说的中断处理程序了。

另一个与中断紧密相连的概念就是中断的优先级。中断的优先级说明的是当一个中断正在被处理的时候，处理器能接受的中断的级别。中断的优先级也表明了中断需要被处理的紧急程度。每个中断都有一个对应的优先级，当处理器在处理某一中断的时候，只有比这个中断优先级高的中断可以被处理器接受并且被处理。优先级比这个当前正在被处理的中断优先级要低的中断将会被忽略。

典型的中断优先级如下所示：

机器错误 > 时钟 > 磁盘 > 网络设备 > 终端 > 软件中断
当发生软件中断时，其他所有的中断都可能发生并被处理；但当发生磁盘中断时，就只有时钟中断和机器错误中断能被处理了。
15.系统调用

在讲系统调用之前，先说下进程的执行在系统上的两个级别：用户级和核心级，也称为用户态和系统态(user mode and kernel mode)。

程序的执行一般是在用户态下执行的，但当程序需要使用操作系统提供的服务时，比如说打开某一设备、创建文件、读写文件等，就需要向操作系统发出调用服务的请求，这就是系统调用。

Linux系统有专门的函数库来提供这些请求操作系统服务的入口，这个函数库中包含了操作系统所提供的对外服务的接口。当进程发出系统调用之后，它所处的运行状态就会由用户态变成核心态。但这个时候，进程本身其实并没有做什么事情，这个时候是由内核在做相应的操作，去完成进程所提出的这些请求。

系统调用和中断的关系就在于，当进程发出系统调用申请的时候，会产生一个软件中断。产生这个软件中断以后，系统会去对这个软中断进行处理，这个时候进程就处于核心态了。

那么用户态和核心态之间的区别是什么呢？（以下区别摘至《UNIX操作系统设计》）

用户态的进程能存取它们自己的指令和数据，但不能存取内核指令和数据（或其他进程的指令和数据）。然而，核心态下的进程能够存取内核和用户地址
某些机器指令是特权指令，在用户态下执行特权指令会引起错误
对此要理解的一个是，在系统中内核并不是作为一个与用户进程平行的估计的进程的集合，内核是为用户进程运行的。

16.IO多路复用

基本概念
IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，它就通知该进程。IO多路复用适用如下场合：

当客户处理多个描述字时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。
当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。
如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。
如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。
如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。
与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

常见的IO复用实现
select(Linux/Windows/BSD Unix), epoll(Linux)，kqueue(BSD/Mac OS X)

 

参考：https://blog.csdn.net/qq_32690999/article/details/78069414#请分别简单说一说进程和线程以及它们的区别