操作系统面试题

最新推荐文章于 2025-04-10 15:07:54 发布

微笑的眼泪2021

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进程和线程

进程是系统进行资源调度和分配的基本单位。
线程是进程的子任务,是CPU调度和分派的基本单位。
一个程序至少有一个进程,一个进程至少
有一个线程,线程依赖进程的存在。
进程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。
线程自己基本上不拥有系统资源,
只拥有一点在运行中必不可少的资源
(如程序计数器,一组寄存器和栈)

程序计数器的作用

PC寄存器是用来存储指向下一条指令的地址，
也即将将要执行的指令代码。
由执行引擎读取下一条指令。

进程间的通信的几种方式

管道（pipe）及命名管道（named pipe）：
其实就是在内存中开辟的一块大小固定的缓冲区，
半双工通信，管道可用于具有亲缘关系的父子进程间的通信，
有名管道除了具有管道所具有的功能外，
它还允许无亲缘关系进程间的通信，
写满时不能再写，读空时不能再读，
没写满时不能读，没读空时不能写；
信号（signal）：
信号用于通知接收进程某个事件已经发生；
可以在任何时候发给某一进程，
而无需知道该进程的状态
消息队列：消息队列是消息的链接表，
它克服了上两种通信方式中信号量有限的缺点，
具有写权限得进程可以按照一定得规则
向消息队列中添加新信息；
对消息队列有读权限得进程则可以从消息队列中读取信息；
共享内存：
可以说这是最有用的进程间通信方式。
它使得多个进程可以访问同一块内存空间，
不同进程可以及时看到对方进程中
对共享内存中数据得更新。
这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等；
信号量：主要作为进程之间及同一种进程的
不同线程之间得同步和互斥手段；
套接字：这是一种更为一般得进程间通信机制，
它可用于网络中不同机器之间的进程间通信，
应用非常广泛。

几种方式的比较：

管道：速度慢、容量有限
消息队列：容量收到系统限制，
且要注意第一次读的时候，
要考虑上一次没有读完数据的问题。
信号量：不能传递复杂信息，只能用来同步。
共享内存：能够很容易控制容量，速度快，但要保持同步，
比如一个进程在写的时候，另一个进程要注意读写的问题
相当于线程中的线程安全。

线程间通信

(1)同步
多个线程通过synchronized通讯，类似于共享内存

(2)while轮询
线程A不断改变条件，线程B不断查看条件是否满足需求
从而实现通讯。
效率不高，因为B一直在查看，没做别的

(3)wait/notify
进入阻塞，而不是像轮询一样一直占用CPU资源

(4)管道通信
通过管道，将一个线程的消息发送个另一个线程

什么是死锁？死锁产生的条件？

1). 死锁的概念
　　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。
2). 死锁产生的四个必要条件

互斥：至少有一个资源必须属于非共享模式，
即一次只能被一个进程使用；若其他申请使用该资源
，那么申请进程必须等到该资源被释放为止；

占有并等待：一个进程必须占有至少一个资源，
并等待另一个资源，而该资源为其他进程所占有；

非抢占：进程不能被抢占，
即资源只能被进程在完成任务后自愿释放

循环等待：若干进程之间形成一种头尾相接的环形等待资源关系

死锁的处理基本策略和常用方法

解决死锁的基本方法主要有
预防死锁、避免死锁、检测死锁、解除死锁、鸵鸟策略等。

1.死锁预防：

只要确保死锁发生的四个必要条件中至少有一个不成立

打破互斥条件：允许进程同时访问某些资源。
但是，有些资源是不能被多个进程所共享的，
这是由资源本身属性所决定的，
因此，这种办法通常并无实用价值。
打破占有并等待条件：可以实行资源预先分配策略
(进程在运行前一次性向系统申请它所需要的全部资源，
若所需全部资源得不到满足，则不分配任何资源，
此进程暂不运行；只有当系统能满足当前进程所需的全部资源时，
才一次性将所申请资源全部分配给该线程)
或者只允许进程在没有占用资源时才可以申请资源
（一个进程可申请一些资源并使用它们，
但是在当前进程申请更多资源之前，
它必须全部释放当前所占有的资源）
但是这种策略也存在一些缺点：
在很多情况下，无法预知一个进程执行前所需的全部资源，
因为进程是动态执行的，不可预知的；
同时，会降低资源利用率，导致降低了进程的并发性。
打破非抢占条件：允许进程强行从占有者哪里夺取某些资源。
也就是说，但一个进程占有了一部分资源，
在其申请新的资源且得不到满足时，
它必须释放所有占有的资源以便让其它线程使用。
这种预防死锁的方式实现起来困难，会降低系统性能。
打破循环等待条件：实行资源有序分配策略。
对所有资源排序编号，所有进程对资源的请求
必须严格按资源序号递增的顺序提出，
即只有占用了小号资源才能申请大号资源，
这样就不回产生环路，预防死锁的发生。

2.死锁避免：

死锁避免的基本思想是动态地检测资源分配状态，
以确保循环等待条件不成立，从而确保系统处于安全状态。
所谓安全状态是指：如果系统能按某个顺序为每个进程分配资源
不超过其最大值），那么系统状态是安全的，换句话说就是，如果存在一个安全序列，那么系统处于安全状态。
资源分配图算法和银行家算法是两种经典的死锁避免的算法，
其可以确保系统始终处于安全状态。
其中，资源分配图算法应用场景为每种资源类型只有一个实例
(申请边，分配边，需求边，不形成环才允许分配)，
而银行家算法应用于每种资源类型可以有多个实例的场景。

3.死锁解除

死锁解除的常用两种方法为进程终止和资源抢占。
所谓进程终止是指简单地终止一个或多个进程以打破循环等待，
包括两种方式：终止所有死锁进程和一次只终止一个进程直到取消死锁循环为止；
所谓资源抢占是指从一个或多个死锁进程那里抢占一个或多个资源，
此时必须考虑三个问题：
(I). 选择一个牺牲品
(II). 回滚：回滚到安全状态
(III). 饥饿（在代价因素中加上回滚次数，回滚的越多则越不可能继续被作为牺牲品，避免一个进程总是被回滚）

银行家算法

在这里插入图片描述

【银行家算法】

数据结构

可利用资源向量Available。
这是一个含有m个元素的数组，
其中的而每一个元素代表一类可利用资源数目，
其初始值是系统中所配置的该类全部可用资源的数目，
其数值随该类资源的分配和回收而动态的改变。
最大需求矩阵Max。这是一个n*m的矩阵，
它定义了系统中n个进程中的每一个进程对m类资源的最大需求。
如果Max[i,j]=K；则表示进程i需要Rj类资源的最大数目为K。
分配矩阵Allocation。
这也是一个n*m的矩阵，
它定义了系统中每一类资源当前已分配给每一进程的资源数。
如果Allocation[i,j]=K，
则表示进程i当前已分得Rj类资源的数目为K。
需求矩阵Need。
这也是一个n*m的矩阵，
用以表示每一个进程尚需的各类资源数。
如果Need[i,j]=K,则表示进程i还需要Rj类资源K个，方能完成任务。

上述三个矩阵间存在下述关系：Need[i,j]=Max[i,j]-Allocation[i,j]

系统执行安全性算法，检查此次资源分配后系统是否处于安全状态。
若安全，才正式将资源分配给进程Pi，以完成本次分配；
否则，将本次的试探分配作废，恢复原来的资源分配状态
，让进程Pi等待。

安全性算法模块

设置两个向量

①　工作向量:Work=Available
(表示系统可提供给进程继续运行所需要的各类资源数目)

②　Finish:表示系统是否有足够资源分配给进程
(True:有;False:没有).初始化为False

若Finish[i]=False&&Need<=Work,则执行3;否则执行4(i为资源类别)
进程P获得第i类资源,则顺利执行直至完成，并释放资源: Work=Work+Allocation; Finish[i]=true;转2
若所有进程的Finish[i]=true,则表示系统安全;否则,不安全!

思想

允许进程动态地申请资源，系统在每次实施资源分配之前，
先计算资源分配的安全性，
若此次资源分配安全（
即资源分配后，系统能按某种顺序来为每个进程分配其所需的资源
，直至最大需求，使每个进程都可以顺利地完成）
便将资源分配给进程，否则不分配资源，让进程等待。

【安全序列】与【系统安全】

所谓系统是安全的，是指系统中的所有进程能够按照某一种次序分配资源，
并且依次地运行完毕，
这种进程序列{P1，P2，…，Pn}就是安全序列。
如果存在这样一个安全序列，则系统是安全的；
如果系统不存在这样一个安全序列，则系统是不安全的。
防止死锁的思路也就有了，
我们能不能用一个算法去找有没有安全序列来作为我们的参考，
只要系统按照这个安全序列去分配资源，
就可以预防死锁发生呢？

进程的几种状态

在这里插入图片描述

创建状态：进程在创建时需要申请一个空白PCB，
向其中填写控制和管理进程的信息，完成资源分配。
如果创建工作无法完成，比如资源无法满足，
就无法被调度运行，把此时进程所处状态称为创建状态
就绪状态：进程已经准备好，已分配到所需资源，
只要分配到CPU就能够立即运行
执行状态：进程处于就绪状态被调度后，进程进入执行状态
阻塞状态：正在执行的进程由于某些事件
（I/O请求，申请缓存区失败）
而暂时无法运行，进程受到阻塞。
在满足请求时进入就绪状态等待系统调用
终止状态：进程结束，或出现错误，
或被系统终止，进入终止状态。
无法再执行

线程有几种状态？

新建(NEW)：新创建了一个线程对象。
可运行(RUNNABLE)：
线程对象创建后，其他线程(比如main线程）
调用了该对象的start()方法。
该状态的线程位于可运行线程池中，
等待被线程调度选中，获取cpu 的使用权。
运行(RUNNING)：可运行状态(runnable)的线程获得了cpu 时间片（timeslice），执行程序代码。
阻塞(BLOCKED)：
阻塞状态是指线程因为某种原因放弃了cpu 使用权，
也即让出了cpu timeslice，暂时停止运行。
直到线程进入可运行(runnable)状态，
才有机会再次获得cpu timeslice 转到运行(running)状态。

阻塞的情况分三种：
(一). 等待阻塞：
运行(running)的线程执行o.wait()方法，
JVM会把该线程放入等待队列(waitting queue)中。
(二). 同步阻塞：
运行(running)的线程在获取对象的同步锁时，
若该同步锁被别的线程占用，
则JVM会把该线程放入锁池(lock pool)中。
(三). 其他阻塞：
运行(running)的线程执行Thread.sleep(long ms)或t.join()方法，
或者发出了I/O请求时，JVM会把该线程置为阻塞状态。
当sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、
或者I/O处理完毕时，线程重新转入可运行(runnable)状态。
5. 死亡(DEAD)：线程run()、main() 方法执行结束，
6. 或者因异常退出了run()方法，则该线程结束生命周期。
7. 死亡的线程不可再次复生。

在给定的时间点上，一个线程只能处于一种状态。
在这里插入图片描述

（内存管理）分页和分段有什么区别？

段式存储管理是一种符合用户视角的内存分配管理方案。
　　在段式存储管理中，将程序的地址空间划分为若干段（segment），
　　如代码段，数据段，堆栈段；这样每个进程有一个二维地址空间，
　　相互独立，互不干扰。
　　段式管理的优点是：没有内碎片
　　（因为段大小可变，改变段大小来消除内碎片）。
　　内部碎片是已经被分配出去的的内存空间
　　大于请求所需的内存空间
　　
　　但段换入换出时，会产生外碎片
　　外部碎片是指还没有分配出去，
　　但是由于大小太小而无法分配给
　　申请空间的新进程的内存空间空闲块。
　　（比如4k的段换5k的段，会产生1k的外碎片）

页式存储管理方案
　　是一种用户视角内存与物理内存相分离的内存分配管理方案。
　　在页式存储管理中，将程序的逻辑地址划分为固定大小的页（page），
　　而物理内存划分为同样大小的帧，
　　程序加载时，可以将任意一页放入内存中任意一个帧，
　　这些帧不必连续，从而实现了离散分离。
　　页式存储管理的优点是：
　　没有外碎片（因为页的大小固定），
　　但会产生内碎片（一个页可能填充不满）。

两者的不同点：

目的不同：分页是由于系统管理的需要而不是用户的需要，
它是信息的物理单位；
分段的目的是为了能更好地满足用户的需要，
它是信息的逻辑单位，
它含有一组其意义相对完整的信息；
大小不同：页的大小固定且由系统决定，
而段的长度却不固定，
由其所完成的功能决定；
地址空间不同：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；
信息共享：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；
内存碎片：
页式存储管理的优点是没有外碎片（因为页的大小固定），
但会产生内碎片（一个页可能填充不满）；
而段式管理的优点是没有内碎片
（因为段大小可变，改变段大小来消除内碎片）。
但段换入换出时，会产生外碎片
（比如4k的段换5k的段，会产生1k的外碎片）。

虚拟内存

虚拟内存允许执行进程不必完全在内存中。
虚拟内存的基本思想是：
每个进程拥有独立的地址空间，
这个空间被分为大小相等的多个块，
称为页(Page)，
每个页都是一段连续的地址。
这些页被映射到物理内存，
但并不是所有的页都必须在内存中才能运行程序。
当程序引用到一部分不在物理内存中的地址空间时
由操作系统负责将缺失的部分装入物理内存
并重新执行。
这样，对于进程而言，
逻辑上就有很大的内存空间，
虚拟内存实际上可以比物理内存大。
如果虚拟内存的页并不存在于物理内存中
会产生缺页中断，从磁盘中取得缺的页放入内存，
如果内存已满，
还会根据某种算法将磁盘中的页换出。

页面置换算法

FIFO先进先出算法：在操作系统中经常被用到，
比如作业调度（主要实现简单，很容易想到）；
LRU（Least recently use）最近最少使用算法：
根据使用时间到现在的长短来判断；
LFU（Least frequently use）最少使用次数算法：
根据使用次数来判断；
OPT（Optimal replacement）最优置换算法：
理论的最优，理论；就是要保证置换出去的是不再被使用的页，
或者是在实际内存中最晚使用的算法。

逻辑地址、物理地址、虚拟内存

物理地址：它是地址转换的最终地址，
进程在运行时执行指令和访问数据最后都要
通过物理地址从主存中存取，
是内存单元真正的地址。
逻辑地址：是指从应用程序角度看到的内存地址，又叫相对地址。
编译后，每个目标模块都是从 0 号单元开始编址，
称为该目标模块的相对地址或逻辑地址。
不同进程可以有相同的逻辑地址，
因为这些相同的逻辑地址可以映射到主存的不同位置。
用户和程序员只需要知道逻辑地址。
虚拟内存：虚拟内存是一些系统页文件，
存放在磁盘上，每个系统页文件大小为 4K，
物理内存也被分页，每个页大小也为 4K，
这样虚拟页文件和物理内存页就可以对应，
实际上虚拟内存就是用于物理内存的临时存放的磁盘空间。
页文件就是内存页，物理内存中每页叫物理页，
磁盘上的页文件叫虚拟页，
物理页+虚拟页就是系统所有使用的页文件的总和。

颠簸

颠簸本质上是指频繁的页调度行为，
具体来讲，进程发生缺页中断，这时，必须置换某一页。
然而，其他所有的页都在使用，
它置换一个页，但又立刻再次需要这个页。
因此，会不断产生缺页中断，导致整个系统的效率急剧下降，
这种现象称为颠簸（抖动）。

内存颠簸的解决策略包括：
如果是因为页面替换策略失误，
可以修改替换算法来解决这个问题；
如果是因为运行的程序太多，
造成程序无法同时将所有频繁访问的页面调入内存，
则要降低多道程序的数量；
否则，还剩下两个办法：
终止该进程或增加物理内存容量。

虚拟内存的应用与优点

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。
虚拟内存的使用可以带来以下好处：
在内存中可以保留多个进程，
系统并发度提高

解除了用户与内存之间的紧密约束，
进程可以比内存的全部空间还大

操作系统中进程调度策略有哪几种？

FCFS(先来先服务，队列实现，非抢占的)：
先请求CPU的进程先分配到CPU
SJF(最短作业优先调度算法)：
平均等待时间最短，但难以知道下一个CPU区间长度
优先级调度算法(可以是抢占的，也可以是非抢占的)：
优先级越高越先分配到CPU，相同优先级先到先服务，
存在的主要问题是：低优先级进程无穷等待CPU，
会导致无穷阻塞或饥饿；解决方案：老化
时间片轮转调度算法(可抢占的)：
队列中没有进程被分配超过一个时间片的CPU时间，
除非它是唯一可运行的进程。
如果进程的CPU区间超过了一个时间片，
那么该进程就被抢占并放回就绪队列。
多级队列调度算法：
将就绪队列分成多个独立的队列，
每个队列都有自己的调度算法，
队列之间采用固定优先级抢占调度。
其中，一个进程根据自身属性被永久地分配到一个队列中。
多级反馈队列调度算法：
与多级队列调度算法相比，
其允许进程在队列之间移动：
若进程使用过多CPU时间，
那么它会被转移到更低的优先级队列；
在较低优先级队列等待时间过长的进程会被转移到更高优先级队列，
以防止饥饿发生。

进程同步与互斥

互斥：
指某一个资源同时只允许一个访问者对其进行访问，
具有唯一性和排它性。
但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的
同步：是指在互斥的基础上（大多数情况下），
通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。
大多数情况下，同步已经实现了互斥，
特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。
少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源。
同步：体现的是一种协作性。互斥：体现的是排它性。

同步、异步、阻塞、非阻塞的区别

同步和互斥

同步体现的是一种协作性，互斥体现的是一种排他性
同步：就是并发的线程在一些关键点上可能需要互相等待与互通信息，
这种相互制约的等待与互通信息称为进程（线程）同步。
互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，
具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，
即访问是无序的。

同步、异步【关注的是消息通信机制】

同步：就是指调用者会主动等待调用的返回结果。
异步：就是指调用者不会主动等待调用结果，
而是在调用发生后，
被调用者通过状态、通知来通知调用者。

阻塞、非阻塞【关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态】

阻塞：是指调用结果返回前，当前线程会被挂起，即阻塞。
非阻塞：是指即使调用结果没返回，也不会阻塞当前线程。

进程同步有哪几种机制:

信号量机制
一个信号量只能置一次初值，
以后只能对之进行p操作或v操作。
由此也可以看到，信号量机制必须有公共内存，
不能用于分布式操作系统，这是它最大的弱点。
自旋锁

旋锁是为了保护共享资源提出的一种锁机制。
调用者申请的资源如果被占用，
即自旋锁被已经被别的执行单元保持，
则调用者一直循环在那里看是否该自旋锁的保持着已经释放了锁，
自旋锁是一种比较低级的保护数据结构和代码片段的原始方式，
可能会引起以下两个问题;
（1）死锁
（2）过多地占用CPU资源

管程
信号量机制功能强大，但使用时对信号量的操作分散，
而且难以控制，读写和维护都很困难。
因此后来又提出了一种集中式同步进程——管程。
其基本思想是将共享变量和对它们的操作集中在一个模块中，
操作系统或并发程序就由这样的模块构成。
这样模块之间联系清晰，便于维护和修改，易于保证正确性。
会合

进程直接进行相互作用

分布式系统

由于在分布式操作系统中没有公共内存，
因此参数全为值参，而且不可为指针。

线程同步的方式

临界区：使用临界区对象。
拥有临界区对象的线程可以访问被保护起来的资源或代码段，
其他线程若想访问，则被挂起，
直到拥有临界区对象的线程放弃临界区对象为止
【只用于同一进程】
互斥量 Synchronized/Lock：
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 Semphare：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
信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，
指针指向等待该信号量的下一个进程。
信号量的值 S 与相应资源的使用情况有关。
当 S 大于 0 时，表示当前可用资源的数量；
当 S 小于 0 时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。
注意，信号量的值仅能由 PV 操作来改变。
执行一次 P 操作意味着请求分配一个单位资源，
因此S的值减1；当 S < 0 时，表示已经没有可用资源，
请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。
而执行一个 V 操作意味着释放一个单位资源，
因此 S 的值加 1；若 S < 0，表示有某些进程正在等待该资源，
因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。
事件(信号)，Wait/Notify：
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

局部性原理

(1). 时间上的局部性：最近被访问的页在不久的将来还会被访问；

(2). 空间上的局部性：内存中被访问的页周围的页也很可能被访问。

中断和轮询

中断的定义
指在计算机执行期间，
系统内发生任何非寻常的或非预期的急需处理事件，
使得CPU暂时中断当前正在执行的程序而
转去执行相应的事件处理程序，
待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行
或调度新的进程执行的过程
轮询的定义
定时对各种设备轮流询问一遍有无处理要求

临界区和冲突解决

临界资源的定义:
一次仅允许一个进程使用的资源
临界区的定义:
每个进程中访问临界资源的那段程序
解决冲突:
如果有若干进程要求进入空闲的临界区，一次仅允许一个进程进入
任何时候，处于临界区内的进程不可多于一个
进入临界区的进程要在有限时间内退出，
以便其它进程能及时进入自己的临界区
如果进程不能进入自己的临界区，则应让出CPU，
避免进程出现“忙等”现象