操作系统面试常考知识点

笔试面试准备合集

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Linux面试常考知识点
操作系统面试常考知识点
C/C++面试常考知识点

一、操作系统基本特征

并发

并发是指宏观上在一段时间内能同时运行多个程序，而并行则指同一时刻能运行多个指令。
并行需要硬件支持，如多流水线、多核处理器或者分布式计算系统。

操作系统通过引入进程和线程，使得程序能够并发运行。

共享

共享是指系统中的资源可以被多个并发进程共同使用。
有两种共享方式：互斥共享和同时共享。
互斥共享的资源称为临界资源，例如打印机等，在同一时刻只允许一个进程访问，需要用同步机制来实现互斥访问。

虚拟

虚拟技术把一个物理实体转换为多个逻辑实体。
主要有两种虚拟技术：时（时间）分复用技术和空（空间）分复用技术。
多个进程能在同一个处理器上并发执行使用了时分复用技术，让每个进程轮流占用处理器，每次只执行一小个时间片并快速切换。
虚拟内存使用了空分复用技术，它将物理内存抽象为地址空间，每个进程都有各自的地址空间。地址空间的页被映射到物理内存，地址空间的页并不需要全部在物理内存中，当使用到一个没有在物理内存的页时，执行页面置换算法，将该页置换到内存中。

异步

异步指进程不是一次性执行完毕，而是走走停停，以不可知的速度向前推进。

二、进程与线程的概念、区别和联系

1、基本概念：

进程是对运行时程序的封装，是操作系统资源分配的基本单位，实现了操作系统的并发；
线程是进程的子任务，是处理器任务调度和执行基本单位，用于保证程序的实时性，实现进程内部的并发；

线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。每个线程都独自占用一个虚拟处理器：独自的寄存器组，指令计数器和处理器状态。每个线程完成不同的任务，但是共享同一地址空间（也就是同样的动态内存，映射文件，目标代码等等），打开的文件队列和其他内核资源。

2、区别：

① 一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。线程依赖于进程而存在。
② 进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享进程的内存。（资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。同一进程中的多个线程共享代码段（代码和常量），数据段（全局变量和静态变量），扩展段（堆存储）。但是每个线程拥有自己的栈段，栈段又叫运行时段，用来存放所有局部变量和临时变量。）
③ 进程是资源分配的最小单位，线程是 CPU调度的最小单位；
④ 系统开销： 由于在创建或撤消进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I/O 设备等。因此，操作系统所付出的开销将显著地大于在创建或撤消线程时的开销。类似地，在进行进程切换时，涉及到整个当前进程 CPU环境的保存以及新被调度运行的进程的 CPU环境的设置。而线程切换只须保存和设置少量寄存器的内容，并不涉及存储器管理方面的操作。可见，进程切换的开销也远大于线程切换的开销。
⑤ 通信：由于同一进程中的多个线程具有相同的地址空间，致使它们之间的同步和通信的实现，也变得比较容易。进程间通信 IPC，线程间可以直接读写进程数据段（如全局变量）来进行通信——需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。有的系统中，线程的切换、同步和通信都无须操作系统内核的干预。
⑥ 进程编程调试简单可靠性高，但是创建销毁开销大；线程正相反，开销小，切换速度快，但是编程调试相对复杂。
⑦ 进程间不会相互影响 ；线程一个线程挂掉将导致整个进程挂掉。
⑧ 进程适应于多核、多机分布；线程适用于多核。

3、联系

（1）一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。
（2）资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。 同一进程中的多个线程共享代码段(代码和常量)，数据段(全局变量和静态变量)，扩展段(堆存储)。但是每个线程拥有自己的栈段，栈段又叫运行时段，用来存放所有局部变量和临时变量。
（3）处理机分给线程，即真正在处理机上运行的是线程。
（4）线程在执行过程中，需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步。

附加：引入线程的好处

（1）易于调度。
（2）提高并发性。通过线程可方便有效地实现并发性。进程可创建多个线程来执行同一程序的不同部分。
（3）开销少。创建线程比创建进程要快，所需开销很少。。
（4）利于充分发挥多处理器的功能。通过创建多线程进程（即一个进程可具有两个或更多个线程），每个线程在一个处理器上运行，从而实现应用程序的并发性，使每个处理器都得到充分运行。

https://www.cnblogs.com/losing-1216/p/5083097.html

三、进程的常见状态、各种状态之间的转换条件

三态模型

一个进程从创建而产生至撤销而消亡的整个生命周期，可以用一组状态加以刻划，根据三态模型，进程的生命周期可分为如下三种进程状态：

1. 运行态(running):占有处理器正在运行
2. 就绪态(ready):具备运行条件，等待系统分配处理器以便运行
3. 等待态(blocked):不具备运行条件，正在等待某个事件的完成
   
   运行状态的进程将由于出现等待事件而进入等待状态，当等待事件结束之后等待状态的进程将进入就绪状态，而处理器的调度策略又会引起运行状态和就绪状态之间的切换。
   引起进程状态转换的具体原因如下：

运行态—→等待态：等待使用资源；如等待外设传输；等待人工干预。
等待态—→就绪态：资源得到满足；如外设传输结束；人工干预完成。
运行态—→就绪态：运行时间片到；出现有更高优先权进程。
就绪态—→运行态：CPU 空闲时选择一个就绪进程。

五态模型

在一个实际的系统里进程的状态及其转换比上节叙述的会复杂一些，例如引入专门的新建态（new）和终止态（exit ）
状态转换图如下所示：

1. 为一个新进程创建必要的管理信息，
2. 让该进程进入就绪态。此时进程将处于新建态，它并没有被提交执行，而是在等待操作系统完成创建进程的必要操作。需要注意的是，操作系统有时将根据系统性能或主存容量的限制推迟新建态进程的提交
   引起进程状态转换的具体原因如下：

NULL—→新建态：执行一个程序，创建一个子进程。
新建态—→就绪态：当操作系统完成了进程创建的必要操作，并且当前系统的性能和虚拟内存的容量均允许。
运行态—→终止态：当一个进程到达了自然结束点，或是出现了无法克服的错误，或是被操作系统所终结，或是被其他有终止权的进程所终结。
终止态—→NULL：完成善后操作。
就绪态—→终止态：未在状态转换图中显示，但某些操作系统允许父进程终结子进程。
等待态—→终止态：未在状态转换图中显示，但某些操作系统允许父进程终结子进程。

七态模型可参考下面链接：
https://blog.youkuaiyun.com/qwe6112071/article/details/70473905

四、进程调度算法

不同环境的调度算法目标不同，因此需要针对不同环境来讨论调度算法。

批处理系统

批处理系统没有太多的用户操作，在该系统中，调度算法目标是保证吞吐量和周转时间（从提交到终止的时间）。

先来先服务 first-come first-serverd（FCFS）

非抢占式的调度算法，按照请求的顺序进行调度。
有利于长作业，但不利于短作业，因为短作业必须一直等待前面的长作业执行完毕才能执行，而长作业又需要执行很长时间，造成了短作业等待时间过长。

短作业优先 shortest job first（SJF）

非抢占式的调度算法，按估计运行时间最短的顺序进行调度。
长作业有可能会饿死，处于一直等待短作业执行完毕的状态。因为如果一直有短作业到来，那么长作业永远得不到调度。

最短剩余时间优先 shortest remaining time next（SRTN）

最短作业优先的抢占式版本，按剩余运行时间的顺序进行调度。 当一个新的作业到达时，其整个运行时间与当前进程的剩余时间作比较。如果新的进程需要的时间更少，则挂起当前进程，运行新的进程。否则新的进程等待。

交互式系统

交互式系统有大量的用户交互操作，在该系统中调度算法的目标是快速地进行响应。

时间片轮转

将所有就绪进程按 FCFS 的原则排成一个队列，每次调度时，把 CPU 时间分配给队首进程，该进程可以执行一个时间片。当时间片用完时，由计时器发出时钟中断，调度程序便停止该进程的执行，并将它送往就绪队列的末尾，同时继续把 CPU 时间分配给队首的进程。

时间片轮转算法的效率和时间片的大小有很大关系：

• 因为进程切换都要保存进程的信息并且载入新进程的信息，如果时间片太小，会导致进程切换得太频繁，在进程切换上就会花过多时间。
• 而如果时间片过长，那么实时性就不能得到保证。
  

优先级调度

为每个进程分配一个优先级，按优先级进行调度。
为了防止低优先级的进程永远等不到调度，可以随着时间的推移增加等待进程的优先级。

多级反馈队列

一个进程需要执行 100 个时间片，如果采用时间片轮转调度算法，那么需要交换 100 次。

多级队列是为这种需要连续执行多个时间片的进程考虑，它设置了多个队列，每个队列时间片大小都不同，例如 1,2,4,8,…。进程在第一个队列没执行完，就会被移到下一个队列。这种方式下，之前的进程只需要交换 7 次。

每个队列优先权也不同，最上面的优先权最高。因此只有上一个队列没有进程在排队，才能调度当前队列上的进程。

可以将这种调度算法看成是时间片轮转调度算法和优先级调度算法的结合。

实时系统

实时系统要求一个请求在一个确定时间内得到响应。
分为硬实时和软实时，前者必须满足绝对的截止时间，后者可以容忍一定的超时。

常见调度算法的计算方法：https://www.cnblogs.com/kxdblog/p/4798401.html

调度算法优缺点：https://blog.youkuaiyun.com/leex_brave/article/details/51638300

五、线程实现方式

线程的3种实现方式

六、协程

操作系统之协程

七、进程同步与互斥

基本概念

同步：多个进程因为合作产生的直接制约关系，使得进程有一定的先后执行关系。
互斥：多个进程在同一时刻只有一个进程能进入临界区。
临界资源：是指一个时间段内只允许一个进程使用的资源。许多物理设备（如摄像头、打印机）都是属于临界资源。此外，很多变量，数据、内存缓冲区都是临界资源。
临界区：对临界资源进行访问的那段代码。
对临界资源的访问，必须互斥的进行。进程互斥指一个进程访问某个临界资源时，另一个进程想要访问这个临界资源必须要等当前访问临界资源的进程访问结束，释放该资源之后，才可以访问。

do{
      entry section;  //进入区，负责检查是否可以进入临界区，如可以进入，
                     //则设置正在访问临界区的标识，以阻止其他进程同时进入临界区
      critical section; // 临界区，访问临界资源的那段代码
      exit section;//退出区，负责解除正在访问临界资源的标识
      remainder section;// 保留区，做一些其他处理。
} while

为了互斥访问临界资源，每个进程在进入临界区之前，需要先进行检查。

同步、异步、阻塞与非阻塞

同步、异步、阻塞与非阻塞

同步、互斥和通信关系

在多道程序设计系统中，同一时刻可能有许多进程，这些进程之间存在两种基本关系：竞争关系和协作关系。
进程的互斥、同步、通信都是基于这两种基本关系而存在的。
为了解决进程间竞争关系（间接制约关系）而引入进程互斥；
为了解决进程间松散的协作关系( 直接制约关系)而引入进程同步；
为了解决进程间紧密的协作关系而引入进程通信。

竞争关系

系统中的多个进程之间彼此无关，它们并不知道其他进程的存在，并且也不受其他进程执行的影响。例如，批处理系统中建立的多个用户进程， 分时系统中建立的多个终端进程。由于这些进程共用了一套计算机系统资源，因而， 必然要出现多个进程竞争资源的问题。当多个进程竞争共享硬设备、存储器、处理器 和文件等资源时，操作系统必须协调好进程对资源的争用。

资源竞争出现了两个控制问题：

一个是死锁 （deadlock ）问题，一组进程如果都获得了部分资源，还想要得到其他进程所占有的资源，最终所有的进程将陷入死锁。
另一个是饥饿（starvation ）问题，这是指这样一种情况：一个进程由于其他进程总是优先于它而被无限期拖延。

操作系统需要保证诸进程能互斥地访问临界资源，既要解决饥饿问题，又要解决死锁问题。
进程的互斥（mutual exclusion ）是解决进程间竞争关系( 间接制约关系) 的手段。 进程互斥指若干个进程要使用同一共享资源时，任何时刻最多允许一个进程去使用，其他要使用该资源的进程必须等待，直到占有资源的进程释放该资源。

协作关系

某些进程为完成同一任务需要分工协作，由于合作的每一个进程都是独立地以不可预知的速度推进，这就需要相互协作的进程在某些协调点上协调各自的工作。当合作进程中的一个到达协调点后，在尚未得到其伙伴进程发来的消息或信号之前应阻塞自己，直到其他合作进程发来协调信号或消息后方被唤醒并继续执行。这种协作进程之间相互等待对方消息或信号的协调关系称为进程同步。

进程间的协作可以是双方不知道对方名字的间接协作，例如，通过共享访问一个缓冲区进行松散式协作；也可以是双方知道对方名字，直接通过通信机制进行紧密协作。
允许进程协同工作有利于共享信息、有利于加快计算速度、有利于实现模块化程序设计。

进程的同步（Synchronization）是解决进程间协作关系( 直接制约关系) 的手段。

进程同步指两个以上进程基于某个条件来协调它们的活动。一个进程的执行依赖于另一个协作进程的消息或信号，当一个进程没有得到来自于另一个进程的消息或信号时则需等待，直到消息或信号到达才被唤醒。

不难看出，进程互斥关系是一种特殊的进程同步关系，即逐次使用互斥共享资源，也是对进程使用资源次序上的一种协调。

https://blog.youkuaiyun.com/weixin_41413441/article/details/80548683

Linux 下常见的进程同步方法

进程同步方法及优缺点

临界区，互斥量，信号量，事件的区别

管程

【操作系统】 管程机制

生产者-消费者问题

有一群生产者进程在生产产品，并将这些产品提供给消费者进程进行消费，生产者进程和消费者进程可以并发执行，在两者之间设置了一个具有n个缓冲区的缓冲池，生产者进程需要将所生产的产品放到缓冲区中（+1操作），消费者进程可以从缓冲区取走产品消费（-1操作）。

产生问题：当两者并发执行时可能出差错，如下图：

当执行生产者+1和消费者-1操作之后，缓冲区的值从10变为了11。

代码：进程同步之生产者-消费者问题（C++）

哲学家进餐问题

有5个哲学家，他们的生活方式是交替的思考和进餐，哲学家们共同使用一张圆桌，分别坐在5张椅子上，圆桌上有5只碗和5只筷子。平时哲学家们只进行思考，饥饿时则试图取靠近他们的左右两只筷子，只有两只筷子都被拿到的时候才能进餐，否则等待，进餐完毕后，放下左右筷子进行思考。

产生问题：

八、进程间通信（IPC）

进程同步：控制多个进程按一定顺序执行；
进程通信：进程间传输信息。
进程通信是一种手段，而进程同步是一种目的。也可以说，为了能够达到进程同步的目的，需要让进程进行通信，传输一些进程同步所需要的信息。

每个进程各自有不同的用户地址空间,任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程之间要交换数据必须通过内核,在内核中开辟一块缓冲区,进程A把数据从用户空间拷到内核缓冲区,进程B再从内核缓冲区把数据读走,内核提供的这种机制称为进程间通信。

进程间通信主要有：

1. 管道pipe：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
2. 命名管道FIFO：有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。
3. 消息队列MessageQueue：消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
4. 共享存储SharedMemory：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号两，配合使用，来实现进程间的同步和通信。
5. 信号量Semaphore：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
6. 套接字Socket：套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同及其间的进程通信。
7. 信号 ( sinal ) ： 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。

进程间通信——附C代码

进程间通信的方式

九、线程间通信

线程间的通信有两种情况：
1、一个进程中的线程与另外一个进程中的线程通信，由于两个线程只能访问自己所属进程的地址空间和资源，故等同于进程间的通信。
2、同一个进程中的两个线程进行通信。

Linux/Unix 多线程通信

十、子进程继承父进什么

子进程自父进程继承什么或未继承什么

十一、死锁

必要条件

1. 互斥：某种资源一次只允许一个进程访问，即该资源一旦分配给某个进程，其他进程就不能再访问，直到该进程访问结束。
2. 占有且等待：一个进程本身占有资源（一种或多种），同时还有资源未得到满足，正在等待其他进程释放该资源。
3. 不可抢占：别人已经占有了某项资源，你不能因为自己也需要该资源，就去把别人的资源抢过来。
4. 循环等待：存在一个进程链，使得每个进程都占有下一个进程所需的至少一种资源。

死锁的产生原因及解锁方法

处理方法

主要有以下四种方法：

• 鸵鸟策略
• 死锁检测与死锁恢复
• 死锁预防
• 死锁避免

1、鸵鸟策略

把头埋在沙子里，假装根本没发生问题。
因为解决死锁问题的代价很高，因此鸵鸟策略这种不采取任务措施的方案会获得更高的性能。
当发生死锁时不会对用户造成多大影响，或发生死锁的概率很低，可以采用鸵鸟策略。
大多数操作系统，包括 Unix，Linux 和 Windows，处理死锁问题的办法仅仅是忽略它。

2、死锁检测与死锁恢复

不试图阻止死锁，而是当检测到死锁发生时，采取措施进行恢复。

每种类型一个资源的死锁检测

上图为资源分配图，其中方框表示资源，圆圈表示进程。资源指向进程表示该资源已经分配给该进程，进程指向资源表示进程请求获取该资源。
图 a 可以抽取出环，如图 b，它满足了环路等待条件，因此会发生死锁。

每种类型一个资源的死锁检测算法是通过检测有向图是否存在环来实现，从一个节点出发进行深度优先搜索，对访问过的节点进行标记，如果访问了已经标记的节点，就表示有向图存在环，也就是检测到死锁的发生。

每种类型多个资源的死锁检测

上图中，有三个进程四个资源，每个数据代表的含义如下：

• E 向量：资源总量
• A 向量：资源剩余量
• C 矩阵：每个进程所拥有的资源数量，每一行都代表一个进程拥有资源的数量
• R 矩阵：每个进程请求的资源数量

进程 P1 和 P2 所请求的资源都得不到满足，只有进程 P3 可以，让 P3 执行，之后释放 P3 拥有的资源，此时 A = (2 2 2 0)。P2 可以执行，执行后释放 P2 拥有的资源，A = (4 2 2 1) 。P1 也可以执行。所有进程都可以顺利执行，没有死锁。

算法总结如下：
每个进程最开始时都不被标记，执行过程有可能被标记。当算法结束时，任何没有被标记的进程都是死锁进程。

• 寻找一个没有标记的进程 Pi，它所请求的资源小于等于 A。
• 如果找到了这样一个进程，那么将 C 矩阵的第 i 行向量加到 A 中，标记该进程，并转回 1。
• 如果没有这样一个进程，算法终止。

死锁恢复

• 利用抢占恢复
• 利用回滚恢复
• 通过杀死进程恢复

3、死锁预防

1) 破坏占有且等待条件
方法1：所有的进程在开始运行之前，必须一次性地申请其在整个运行过程中所需要的全部资源。
优点：简单易实施且安全。
缺点：因为某项资源不满足，进程无法启动，而其他已经满足了的资源也不会得到利用，严重降低了资源的利用率，造成资源浪费。使进程经常发生饥饿现象。
方法2：该方法是对第一种方法的改进，允许进程只获得运行初期需要的资源，便开始运行，在运行过程中逐步释放掉分配到的已经使用完毕的资源，然后再去请求新的资源。这样的话，资源的利用率会得到提高，也会减少进程的饥饿问题。

2) 破坏不可抢占条件
当一个已经持有了一些资源的进程在提出新的资源请求没有得到满足时，它必须释放已经保持的所有资源，待以后需要使用的时候再重新申请。这就意味着进程已占有的资源会被短暂地释放或者说是被抢占了。
该种方法实现起来比较复杂，且代价也比较大。释放已经保持的资源很有可能会导致进程之前的工作实效等，反复的申请和释放资源会导致进程的执行被无限的推迟，这不仅会延长进程的周转周期，还会影响系统的吞吐量。
3) 破坏循环等待条件
可以通过定义资源类型的线性顺序来预防，可将每个资源编号，当一个进程占有编号为i的资源时，那么它下一次申请资源只能申请编号大于i的资源。
4) 破坏互斥条件
例如假脱机打印机技术允许若干个进程同时输出，唯一真正请求物理打印机的进程是打印机守护进程。

4、死锁避免

在程序运行时避免发生死锁。

安全状态

图 a 的第二列 Has 表示已拥有的资源数，第三列 Max 表示总共需要的资源数，Free 表示还有可以使用的资源数。从图 a 开始出发，先让 B 拥有所需的所有资源（图 b），运行结束后释放 B，此时 Free 变为 5（图 c）；接着以同样的方式运行 C 和 A，使得所有进程都能成功运行，因此可以称图 a 所示的状态时安全的。

定义：如果没有死锁发生，并且即使所有进程突然请求对资源的最大需求，也仍然存在某种调度次序能够使得每一个进程运行完毕，则称该状态是安全的。

安全状态的检测与死锁的检测类似，因为安全状态必须要求不能发生死锁。下面的银行家算法与死锁检测算法非常类似，可以结合着做参考对比。

单个资源的银行家算法

一个小城镇的银行家，他向一群客户分别承诺了一定的贷款额度，算法要做的是判断对请求的满足是否会进入不安全状态，如果是，就拒绝请求；否则予以分配。

上图 c 为不安全状态，因此算法会拒绝之前的请求，从而避免进入图 c 中的状态。

多个资源的银行家算法

上图中有五个进程，四个资源。左边的图表示已经分配的资源，右边的图表示还需要分配的资源。最右边的 E、P 以及 A 分别表示：总资源、已分配资源以及可用资源，注意这三个为向量，而不是具体数值，例如 A=(1020)，表示 4 个资源分别还剩下 1/0/2/0。

检查一个状态是否安全的算法如下：

查找右边的矩阵是否存在一行小于等于向量 A。如果不存在这样的行，那么系统将会发生死锁，状态是不安全的。
假若找到这样一行，将该进程标记为终止，并将其已分配资源加到 A 中。
重复以上两步，直到所有进程都标记为终止，则状态时安全的。
如果一个状态不是安全的，需要拒绝进入这个状态。

附：重量级锁、自旋锁、轻量级锁、偏向锁等各种锁

十二、虚拟内存及优点

虚拟内存的目的是为了让物理内存扩充成更大的逻辑内存，从而让程序获得更多的可用内存。

为了更好的管理内存，操作系统将内存抽象成地址空间。每个程序拥有自己的地址空间，这个地址空间被分割成多个块，每一块称为一页。这些页被映射到物理内存，但不需要映射到连续的物理内存，也不需要所有页都必须在物理内存中。当程序引用到不在物理内存中的页时，由硬件执行必要的映射，将缺失的部分装入物理内存并重新执行失败的指令。

从上面的描述中可以看出，虚拟内存允许程序不用将地址空间中的每一页都映射到物理内存，也就是说一个程序不需要全部调入内存就可以运行，这使得有限的内存运行大程序成为可能。例如有一台计算机可以产生 16 位地址，那么一个程序的地址空间范围是 0~64K。该计算机只有 32KB 的物理内存，虚拟内存技术允许该计算机运行一个 64K 大小的程序。

Linux的虚拟内存详解（MMU、页表结构）

虚拟内存的优点

1. 扩大地址空间；
2. 内存保护：每个进程运行在各自的虚拟内存地址空间，互相不能干扰对方。虚存还对特定的内存地址提供写保护，可以防止代码或数据被恶意篡改。
3. 公平内存分配。采用了虚存之后，每个进程都相当于有同样大小的虚存空间。
4. 当进程通信时，可采用虚存共享的方式实现。
5. 当不同的进程使用同样的代码时，比如库文件中的代码，物理内存中可以只存储一份这样的代码，不同的进程只需要把自己的虚拟内存映射过去就可以了，节省内存。
6. 虚拟内存很适合在多道程序设计系统中使用，许多程序的片段同时保存在内存中。当一个程序等待它的一部分读入内存时，可以把 CPU 交给另一个进程使用。在内存中可以保留多个进程，系统并发度提高。
7. 在程序需要分配连续的内存空间的时候，只需要在虚拟内存空间分配连续空间，而不需要实际物理内存的连续空间，可以利用碎片。

内存的代价

1. 虚存的管理需要建立很多数据结构，这些数据结构要占用额外的内存。
2. 虚拟地址到物理地址的转换，增加了指令的执行时间。
3. 页面的换入换出需要磁盘 I/O，这是很耗时的。
4. 如果一页中只有一部分数据，会浪费内存。

十三、程序的内存布局

十四、页面置换算法

在程序运行过程中，如果要访问的页面不在内存中，就发生缺页中断从而将该页调入内存中。此时如果内存已无空闲空间，系统必须从内存中调出一个页面到磁盘对换区中来腾出空间。

页面置换算法和缓存淘汰策略类似，可以将内存看成磁盘的缓存。在缓存系统中，缓存的大小有限，当有新的缓存到达时，需要淘汰一部分已经存在的缓存，这样才有空间存放新的缓存数据。

页面置换算法的主要目标是使页面置换频率最低（也可以说缺页率最低）。

页面置换算法

十五、分页、分段及区别

分段和分页机制

存储器管理——分页、分段存储方式

分段，分页与段页式存储管理

分页与分段的区别：
对程序员的透明性：分页透明，但是分段需要程序员显式划分每个段。
地址空间的维度：分页是一维地址空间，分段是二维的。
大小是否可以改变：页的大小不可变，段的大小可以动态改变。
出现的原因：分页主要用于实现虚拟内存，从而获得更大的地址空间；分段主要是为了使程序和数据可以被划分为逻辑上独立的地址空间并且有助于共享和保护。

十六、页式存储管理

1、如何分页和分块

页式存储管理中有两个名词：“ 页 ”和“ 块 ”，其中的“块”是针对硬件来说的，就是把存储器分成若干相等大小的区，每个区就称为一个块。对应的，在程序中，逻辑地址进行“分页”，其大小和每个块相一致。
　　事实上，页面的大小是由块的大小自然决定的。对于程序来说，其逻辑地址还是和原来一样采用连续的地址。只是 按照块的位数取其前面数位做为页号 .
　　分配空间时，根据作业长度可以确定它的页面数，根据这个页面数在主存中分配相应的块数，只要是空闲块就可以放入，即使不是相邻的。并把分配情况记在“页表”中，根据页表可以找到相对应的页号与块号，就得出绝对地址了。

2、采用页式管理

采用页式管理，使主存空间充分利用，页不必为了得到连续空间而进行移动。 可以提高系统效率。

3、页表的构造与作用

每个被装入主存的作业都有一张 页表 ，指出该作业逻辑地址中的页号与所占用的主存块号之间的对应关系。页表的长度由作页拥有的页面数决定，行号对应为页号，行中记录的是主存中的块号。
　　页表是硬件进行地址转换的依据，每执行一条指令时按逻辑地址中的页号查找页表并转换成绝对地址。
　　在多道程序设计系统中，进入主存的每个作业都有一张页表，由一个硬件“页表控制寄存器”来记录每个作业的页表所在位置和长度以便作业转换时同时转换页表。

4、快表的构造与作用

快表 就是页表的一部分克隆，每行中有页号及其对应的块号，整个快表存放在一个小容量的高速缓存中，访问时快表和内存同时进行查找，因为快表速度很快，而常用的页都登记在快表中，因此可以大大加快执行速度。

5、采用页式管理的地址转换过程

（为什么不直接用块分配表来记录而要用位示图呢，因为主存块很多，这样可以节省空间，提高效率。位示图就是用一个位（0或1）来表示一个块的使用状态，一个字32位，可以表示32块。按顺序排列，只需一小段内存就可以记录主存中大量的块状态）

6、利用位示图实现页式存储空间的分配和回收

页式存储管理把主存空间分成大小固定的许多块，在装业作业时，如何知道主存中哪些块已使用，哪些还未用，可以用位示图来表示。

块号=字号×字长＋位号
字号=[i/字长]（即块号i除以字长取整）
位号=i %字长（即块号i除以字长取余）

十七、段式存储管理

1、段式存储中段的划分

段式管理 是根据人们对 程序 中需要 分段编制 的要求出发而提供的。它提供给用户编程时使用的逻辑地址由“段号”和“段内地址”两部分组成，其形式和页式管理相同。但是实际上是不同的：
　　
页式存储管理提供连续逻辑地址由系统自动分页，段式存储管理中的作业分段是由用户决定的，每段独立编程，因此段间的逻辑地址是不连续的。

2、段式存储空间的分配

这种分配方法和可变分区管理方式的分配方法相同，所不同的是：
可变分区管理方式中是为每个作业分一个区，而段式管理是为一个作业中的每个段分一个连续的空间。（段式管理更细）。

3、段表的构造与作用

段表 由 段号 、 本段限长 和 起始地址 三部分组成，由于每一行记录的行号可以对应程序的段号，因此段号实际上被省略，不占存储空间。
与其他管理方式一样，段表记录的信息用于地址转换和存储保护。段表的表目起到了基址/限长寄存器的作用。

4、段式存储管理的地址转换

这个转换过程如同可变分区方式的地址转换，但是由段表的表目替代了基址/限长寄存器。
绝对地址=根据段号找到段表中的起始地址+段内地址 （如果段内地址超过限长则产生“地址越界”程序性中断事件达到存储保护）
多道程序设计系统中，每个进入主存的作业都建立了段表，因此还有一个硬件“段表控制寄存器”来记录每个作业的段表在主存中的位置和长度。

十八、分页和分段存储管理区别

主要区别表现在以下三个方面：

1. 页是信息的物理单位，分页是为实现离散分配方式，以消减内存的外零头，提高内存的利用率。段则是信息的逻辑单位，它含有一组其意义相对完整的信息。分段的目的是为了能更好地满足用户的需要。
2. 页的大小固定且由系统决定；而段的长度却不固定，决定于用户所编写的程序。
3. 分页的地址空间是一维的，程序员只需利用一个记忆符，即可表示一个地址；而分段的作业地址空间是二维的，程序员在标识一个地址时，既需给出段名，又需给出段内地址。

十九、静态链接与动态链接

编译工作的四个过程：

1. 预处理，生成.i的文件（如宏、#include、预编译指令#ifdef等）
2. 将预处理后的文件转换成汇编语言，生成.s文件（词法分析、语法分析和语义分析等）
3. 汇编变为目标代码(机器代码)生成.o的文件：
4. 连接目标代码,生成可执行程序；

gcc/g++编译的四个过程

静态链接和动态链接两者最大的区别就在于链接的时机不一样，静态链接是在形成可执行程序前，而动态链接的进行则是在程序执行时，下面来详细介绍这两种链接方式。

动态链接与静态链接与优缺点

未完待续…

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