操作系统八股

一、内存管理

1.虚拟内存空间：为了在多进程环境下，使得进程之间的内存地址不受影响，相互隔离，于是操作系统就为每个进程独⽴分配⼀套虚拟地址空间。每个程序只关⼼⾃⼰的虚拟地址就可以，实际上⼤家的虚拟地址都是⼀样的，但分布到物理地址内存是不⼀样的。

2.内存交换技术：每个进程都有⾃⼰的虚拟空间，⽽物理内存只有⼀个，所以当启⽤了⼤量的进程，物理内存必然会很紧张，于是操作系统会通过内存交换技术，把不常使⽤的内存暂时存放到硬盘（换出），在需要的时候再装载回物理内存（换⼊）。

3.虚拟地址映射到物理地址（系统维护）

每一个进程都有4GB的虚拟地址空间！！！

1）内存分段：虚拟地址是通过段表与物理地址进行映射的

内存分段是根据程序的逻辑⻆度，分成了栈段、堆段、数据段、代码段等，这样可以分离出不同属性的段，同时是⼀块连续的空间。每一个段在段表中都有一个项，在这一项找到段的基地址在加上偏移量，于是就能找到物理内存的地址

缺点：但是每个段的⼤⼩都不是统⼀的，这就会导致内存碎⽚和内存交换效率低的问题（硬盘访问速度比较慢，这里如果出现内存碎片，就需要使用内存交换技术，那么这么一块数据写到硬盘时候，效率低下）。

2）内存分页  把虚拟空间和物理空间分成⼤⼩固定的⻚，比如在linux下每一个页是4K，因此不会产生细小的内存碎片。同时在内存交换的时候，写入硬盘也就是一页或者几个页，提高了交换的效率。

如果只有一级分页：需要覆盖整个4GB的话，需要100万个页，每个页表项4个字节，那么需要4MB的内存来存储页表。

多级页表：

以二级页表为例：首先我的一级页表可有1024个，内存仅需要4K，那么二级页表只有在需要的时候才创建。每一个一级页表上的一个页对应一个二级页表，所以二级页表也有1024个。那么总的对应起来一共也是100万个。 只是二级在创建的时候才使用。

1024个二级也是4MB，但是请注意，这是最极端的情况，就是虚拟内存表中4GB的数据同时都用到了。

缺点：多级页表，寻址的时候需要多层表的参与，时间开销大。根据程序局部性原理，在CPU中加入了TLB，复杂缓存最近常被访问的页表项，大大提高了地址的转换速度。

3）段页式内存管理  组合起来

第⼀次访问段表，得到⻚表起始地址；

第⼆次访问⻚表，得到物理⻚号；

第三次将物理⻚号与⻚内位移组合，得到物理地址。

4）Linux主要用分页管理。

另外，Linxu 系统中虚拟空间分布可分为⽤户态和内核态两部分，其中⽤户态的分布：代码段、全局变量、BSS（为初始的全局）、函数栈、堆内存、映射区。

二、进程和线程

1.进程：运行中的程序

1）单核CPU中某一瞬间只能运行一个线程，但是1秒中期间，可能运行多个进程，产生并行的错觉（这种是至多CPU同时处理的感觉），实际上是并发（交替进行）。

2）进程的状态：

就绪：可运⾏，由于其他进程处于运⾏状态⽽暂时停⽌运⾏；  等待CPU资源

阻塞：该进程正在等待某⼀事件发⽣（如等待输⼊/输出操作的完成）⽽暂时停⽌运
⾏，这时，即使给它CPU控制权，它也⽆法运⾏；

运行：该时刻进程占⽤ CPU

就绪--》 运行：就是指此时被进程的调度器选中

运行-》就绪：配分的时间片用完了

运行-》阻塞：等待某个时间 比如I/O

阻塞-》就绪：就是等待时间完成，但是需要CPU资源调度，所以是就绪

请注意阻塞无法直接运行   需要就绪 然后 运行

3）PCB进程控制块--这是进程存在的唯一标识

包含进程标识符、进程当前状态、优先级、有缘虚拟地址空间信息 以及CPU中各个寄存器的值

每个PCB组织

利用链表方式：实现就绪队列 阻塞队列

4）进程上下文切换：一个进程切换到另外一个进程

CPU 上下⽂切换就是先把前⼀个任务的 CPU 上下⽂（CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下⽂到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运⾏新任务。

切换：虚拟内存  栈 全局变量 内核堆栈 寄存器

2.线程：

1）进程是资源分配的单位，线程是CPU调度的单位

进程线程区别：

进程拥有完整的资源平台，但是线程只独享不可少的资源，如寄存器和栈

因此线程能够减少并发执行的时间和空间开销

3.调度;选择⼀个进程运⾏这⼀功能是在操作系统中完成的，通常称为调度程序（scheduler）。

3.进程间通信

每个进程的用户地址空间是独立的，不能互相访问，但是内核空间每个进程是共享的，所以进程之间通信需要通过内核。

1）管道：

匿名管道：返回两个文件描述符，一个读一个写  仅存在于内存 不存在于文件系统

条件：通信范围是父子关系的进程 因为没有实体

子进程会复制父进程的文件描述符

有名管道：可以实现无关系的进程通信  创建一个设备文件

缺点：前⾯说到管道的通信⽅式是效率低的，因此管道不适合进程间频繁地交换数据。、

并且一个管道只能实现 一端读 一端写  单项的

2）消息队列

A 进程要给 B 进程发送消息，A 进程把数据放在对应的消息队列后就可以正常返回了，B 进程需要的时候再去读取数据就可以了。

两个进程之间的通信就像平时发邮件⼀样，你来⼀封，我回⼀封，可以频繁沟通了。

缺点：⼀是通信不及时，⼆是附件也有⼤⼩限制（内核消息体有最大长度的限制）

三消息队列通信过程中，存在⽤户态与内核态之间的数据拷⻉开销

3）共享内存：

共享内存的机制，就是拿出⼀块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中。这样这个进程写⼊的东⻄，另外⼀个进程⻢上就能看到了，都不需要拷⻉来拷⻉去，传来传去，⼤⼤提⾼了进程间通信的速度。

多个进程同时修改一个共享内存，容易冲突 

但是可以使用信号量来进行保护资源  实现进程间的同步

4）信号  信号是进程间通信机制中唯⼀的异步通信机制 ，因为可以在任何时候发送信号给某⼀进程

SIGINT 信号，表示终⽌该进程

SIGTSTP 信号，表示停⽌该进程，但还未结束

SIGKILL 信号，⽤来⽴即结束该进程；

处理方式：默认 捕捉 忽略

5）套接字socket:这是跨网络与不同主机上的进程之间的通信

一个是监听的套接字，后面accept会生成用于传输数据的socket

 本地 socket 被⽤于在同⼀台主机上进程间通信的场景

而对于线程只要是共享变量都可以做到线程间通信，关注的不是通信方式，而是多线程竞争贡献资源的问题。

4.死锁：

• 两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺共享资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁

几种场景：

忘记释放锁

重复加锁

多线程多锁，抢占锁资源：线程 A 和 线程 B，然后有两个互斥锁，分别是 mutex_A 和
mutex_B。线程A获取锁顺序显示锁A  然后想去争取锁B  但是线程B是获取锁B 然后获取锁A

可以看到线程 B 在等待互斥锁 A 的释放，线程 A 在等待互斥锁 B 的释放，双⽅都在等待对⽅资源的释放，很明显，产⽣了死锁问题。

死锁只有同时满⾜互斥、持有并等待、不可剥夺、环路等待这四个条件的时候才会发⽣。

解决死锁：破坏上面其中一个条件就可以   资源有序分配法

线程 A 和 线程 B 获取资源的顺序要⼀样，当线程 A 是先尝试获取资源 A，然后尝试获取资源 B 的时候，线程 B 同样也是先尝试获取资源 A，然后尝试获取资源 B。也就是说，线程 A 和 线程 B 总是以相同的顺序申请⾃⼰想要的资源。