计算机操作系统保研面试题整理（自用）

进程是动态的，是程序的一次执行过程，具有一定的生命期；程序是静态的，可长期存在进程具有并发特征，是一个能够独立运行的单位，是作为资源申请和调度单位存在的，能与其他进程并发执行；程序不能作为一个独立进行的单位而并发执行程序和进程之间没有一一对应的关系，一个程序可对应多个进程，一个进程也可包括多个程序进程在并发执行的过程中存在互相制约的关系，但是程序没有

4.3 进程的状态

进程的状态包括以下五种，分别为运行态，就绪态，阻塞态，新建态，退出态。

就绪态的进程通过调度算法从而获得 CPU 时间，转为运行态；而运行态的进程，在分配给它的 CPU 时间片用完之后就会转为就绪态，等待下一次调度；阻塞态是缺少需要的资源从而由运行态转换而来，但是该资源不包括 CPU，缺少 CPU 会让进程从运行态转换为就绪态。

5 线程

5.1 线程的定义

线程是独立调度的基本单位，一个进程中可以有多个线程。

线程是一个“轻量级进程”，是一个基本的 CPU 执行单元，也是程序执行流的最小单元。它可以减小程序在并发执行时所付出的时空开销，提高操作系统的并发性能。

线程共享进程拥有的全部资源，它不拥有系统资源，但是它可以访问进程所拥有的系统资源。线程没有自己独立的地址空间，它共享它所属的进程的空间。

5.2 线程的实现方式

线程的实现方式有两种，一种是用户级线程，另一种是内核级线程。

5.3 进程与线程的区别

资源：进程是资源分配的基本单位；线程不拥有资源，线程可以访问所属进程的资源

调度：线程是独立调度的基本单位，在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换，从一个进程内的线程切换到另一个进程中的线程时，会引起进程切换

系统开销：由于创建或撤销进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、IO 设备等，因此操作系统所付出的开销远大于创建或撤销线程时的开销。类似地，在进行进程切换时，涉及当前执行进程 CPU 环境的保存及新调度进程 CPU 环境的设置。而线程切换时只需保存和设置少量寄存器内容，开销很小。此外，由于同一进程内的多个线程共享进程的地址空间，因此，这些线程之间的同步与通信非常容易实现，甚至无需操作系统的干预

通信：进程间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，而线程间可以通过直接读/写进程数据段（如全局变量）来进行通信

5.4进程间的通信方式有哪些

共享内存区。通过系统调用创建共享内存区。多个进程可以（通过系统调用）连接同一个共享内存区，通过访问共享内存区实现进程之间的数据交换。使用共享内存区时需要利用信号量解决同步互斥问题。

消息传递。通过发送/接收消息，系统调用实现进程之间的通信。直接通信方式。发送进程直接把消息发送给接收进程，并将它挂在接受进程的消息缓冲队列上，接收进程从消息缓冲队列中取得消息。间接通信方式，发送进程把消息发送到某个中间实体（信箱），接收进程从中间实体取得消息。

管道通信。管道是先进先出的信息流，允许多个进程向管道写入数据，允许多个进程从管道读出数据。在读写过程中，操作系统保证数据的写入顺序和读出顺序是一致的。进程通过读写管道文件或管道设备实现彼此之间的通信。

共享文件。利用操作系统提供的文件共享功能实现进程之间的通信。同样需要信号量解决同步互斥问题。

6 调度

6.1 调度的层次

作业调度，又称高级调度。就是内存与辅存之间的调度

中级调度，又称内存调度。引入中级调度是为了提高内存利用率和系统吞吐量，使那些暂时不能运行的进程，调至外存等待，把此时的进程状态称为挂起状态。当他们具备运行条件且内存又稍有空闲时，由中级调度来决定，把外存上的那些已具备运行条件的就绪进程再重新调入内存

进程调度，又称为低级调度。按照某种方法和策略从就绪队列中选取一个进程分配 CPU

6.2 调度算法

先来先服务调度算法（FCFS）：调度最先进入就绪队列的作业。有利于长作业，但不利于短作业。

短作业优先调度算法（SJF）：调度估计运行时间最短的作业。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。

短进程优先调度算法（SPF）：从就绪队列中选择一个估计运行时间最短的进程，将处理机分配给它

优先级调度算法：根据能否抢占进程，可将调度算法分为非剥夺式优先级调度算法和剥夺式优先级调度算法；根据进程创建后其优先级是否可以改变，可分为静态优先级（优先级在创建进程时确定，且在进程的整个运行期间保持不变）和动态优先级（可动态调整优先级）

高响应比优先调度算法：把响应比作为优先权，其中响应比 = (等待时间 + 要求服务时间) / 要求服务时间 = 响应时间 / 要求服务时间，主要是为了解决 SJF 中长作业可能会饿死的问题，因为随着等待时间的增长，响应比也会越来越高

时间片轮转调度算法：当某个进程执行的时间片用完时，调度程序便停止该进程的执行，并将它送就绪队列的末尾，等待分配下一时间片再执行。然后把处理机分配给就绪队列中新的队首进程，同时也让它执行一个时间片。这样就可以保证就绪队列中的所有进程，在一给定的时间内，均能获得一时间片处理机执行时间。

多级反馈队列调度算法：设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。第一个队列的优先级最高，第二个队列次之，其余各队列的优先权逐个降低。该算法赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各不相同，在优先权越高的队列中，为每个进程所规定的执行时间片就越小。当一个新进程进入内存后，首先将它放入第一队列的末尾，按 FCFS 原则排队等待调度。当轮到该进程执行时，如它能在该时间片内完成，便可准备撤离系统；如果它在一个时间片结束时尚未完成，调度程序便将该进程转入下一个队列的队尾。仅当前 i -1 个队列均空时，才会调度第 i 队列中的进程运行。

7 进程同步

7.1 临界资源与临界区

临界资源即一次仅允许一个进程使用的资源，临界区即对临界资源进行访问的代码。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。

7.2 同步与互斥

同步即多个进程按一定顺序执行；互斥即多个进程在同一时刻只有一个进程能进入临界区。同步是在对临界区互斥访问的基础上，通过其它机制来实现有序访问的。

7.3 信号量

它允许多个线程同一时刻访问同一资源，但是需要限制同一时刻访问此资源的最大线程数目。

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。

7.4 管程

管程是由一组数据以及定义在这组数据之上的对这组数据的操作组成的软件模块，这组操作能初始化并改变管程中的数据和同步进程。事实上，管程是一个抽象类，拥有成员变量，以及对成员变量进行操作的成员函数。

在一个时刻只能有一个进程使用管程。进程在无法继续执行的时候不能一直占用管程，必须将进程阻塞，否者其它进程永远不能使用管程。

管程引入了条件变量以及相关的操作：wait() 和 signal() 来实现同步操作。对条件变量执行 wait() 操作会导致调用进程阻塞，把管程让出来让另一个进程持有。signal() 操作用于唤醒被阻塞的进程。

9 死锁

9.1 死锁的定义

多个进程因竞争资源而造成的一种僵局（互相等待），若无外力作用，这些进程都将无法向前推进。

9.2 死锁的原因

资源竞争；进程推进顺序不当

9.3 死锁产生的必要条件

互斥：一个资源一次只能被一个进程所使用。

不剥夺：一个资源仅能被占有它的进程所释放，而不能被别的进程强制剥夺。

请求与保持：指进程占有自身本来拥有的资源并要求其他资源。

循环等待：存在进程资源的循环等待链，链中每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求。

9.4 怎么处理死锁？

即死锁的处理策略：可分为预防死锁、避免死锁和死锁的检测及解除。

9.4.1、预防死锁：破坏四个必要条件之一

1.破坏互斥条件

即允许进程同时访问某些资源。但是，有的资源是不允许被同时访问的，像打印机等等。所以，这种办法并无实用价值。

2.破坏不可剥夺条件

当一个进程已占有了某些资源，它又申请新的资源，但不能立即被满足时，它必须释放所占有的全部资源，以后再重新申请。这就相当于该进程占有的资源被隐蔽地强占了。这种预防死锁的方法实现起来困难，会降低系统性能。

3.破坏请求与保持条件

可以实行资源预先分配策略。即进程在运行前，一次性地向系统申请它所需要的全部资源。

4.破坏循环等待条件：实行顺序资源分配法

首先给系统中的资源编号，规定每个进程，必须按编号递增的顺序请求资源，同类资源一次申请完。

9.4.2、避免死锁

银行家算法【在动态分配资源的过程中，银行家算法防止系统进入不安全状态，从而避免死锁】 银行家算法：

当进程首次申请资源时，要测试该进程对资源的最大需求量，如果系统现存的资源可以满足它的最大需求量则按当前的申请量分配资源，否则就推迟分配。

当进程在执行中继续申请资源时，先测试该进程已占用的资源数与本次申请资源数之和是否超过了该进程对资源的最大需求量。若超过则拒绝分配资源。若没超过则再测试系统现存的资源能否满足该进程尚需的最大资源量，若满足则按当前的申请量分配资源，否则也要推迟分配。

安全序列：

是指系统能按某种进程推进顺序（P1, P2, P3, …, Pn），为每个进程 Pi 分配其所需要的资源，直至满足每个进程对资源的最大需求，使每个进程都可以顺序地完成。这种推进顺序就叫安全序列【银行家算法的核心就是找到一个安全序列】。

系统安全状态 ：

如果系统能找到一个安全序列，就称系统处于安全状态，否则，就称系统处于不安全状态

9.4.3、死锁的检测和解除

即在死锁产生前不采取任何措施，只检测当前系统有没有发生死锁，若有，则采取一些措施解除死锁。

死锁的检测：

根据死锁定理：S 为死锁的条件是当且仅当 S 状态的资源分配图是不可完全简化的，该条件称为死锁定理。

死锁的解除：

1、资源剥夺：挂起某些死锁进程，并抢占它的资源，将这些资源分配给其他死锁进程。（但应该防止被挂起的进程长时间得不到资源）；

2、撤销进程：强制撤销部分、甚至全部死锁进程并剥夺这些进程的资源；

3、进程回退：让一个或多个进程回退到足以避免死锁的地步。

10 存储器管理

10.1 程序执行过程

编译：由编译程序将用户源代码编译成若干个目标模块链接：由链接程序将编译后形成的一组目标模块，以及所需库函数链接在一起，形成一个完整的装入模块装入：由装入程序将装入模块装入内存运行

10.2 逻辑地址与物理地址

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。

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。

10.3 虚拟内存

虚拟内存技术：允许将一个作业分多次调入内存。可以用分页式、分段式、段页式存储管理来实现。

基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序的一部分装入内存，而其余部分留在外存，就可以启动程序执行。在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统将所需要的部分调入内存，然后继续执行程序。另一方面，操作系统将内存中暂时不使用的内容换出到外存上，从而腾出空间放入将要调入内存的信息。这样，系统就好像为用户提供了一个比实际内存大得多的存储器，称为虚拟存储器。

10.4内存分配

10.4.1内存连续分配

1、单一连续分配：分为系统区和用户区，系统区供给操作系统使用，用户区供给用户使用，内存中永远只有一道程序。

2、固定分区分配：最简单的一种多道程序管理方式，它将用户内存空间划分为若干个固定大小的区域，每个分区只装入一道作业。【方法一：分区大小相等；方法二：分区大小不等】

3、动态分区分配：又称为可变分区分配，是一种动态划分内存的方法。这种分区方法不预先将内存划分，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态的建立分区，并使分区的大小正好适合进程的需要。因此系统中分区的大小和数目是可变的

10.4.2非连续分配

1、分页

用户程序的地址空间被划分为若干固定大小的区域，称为“页”。相应地，内存空间分成若干个物理块，页和块的大小相等。可将用户程序的任一页放在内存的任一块中，实现了离散分配，由一个页表来维护它们之间的映射关系。

2、分段

分段的做法是把作业的地址空间被划分为若干个段，每个段是一组完整的逻辑信息。每个段的长度可以不同，可以动态改变。

3、段页式

在段页式系统中，作业的地址空间首先被分成若干个逻辑段，每段都有自己的段号，然后将每段分成若干固定大小的页。对内存空间的管理仍然和分页存储管理一样，将其分成若干和页面大小相同的存储块，对内存的分配以存储块为单位。

4、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示划分每个段 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

10.5页面置换算法

1、最佳置换算法（Opt）：即选择那些永不使用的，或者是在最长时间内不再被访问的页面置换出去。（它是一种理想化的算法，性能最好，但在实际上难于实现）；

2、先进先出置换算法 FIFO：总是淘汰最先进入内存的页面；

3、最近最久未使用置换算法 LRU（Least Recently Used）：即选择最近最久未使用的页面予以淘汰。

4、时钟（Clock）置换算法：该算法为每个页面设置一位访问位，将内存中的所有页面都通过链接指针链成一个循环队列。当某页被访问时，其访问位置“1”。在选择一页淘汰时，就检查其访问位，如果是“0”，就选择该页换出；若为“1”，则重新置为“0”，暂不换出该页，在循环队列中检查下一个页面，直到访问位为“0”的页面为止。