带你通过字节跳动面试---操作系统复习

并发和并行

并发：

• 同一时刻只能运行一条指令。在宏观上看起来是多个程序同时运行，但微观上是多个程序的指令交替着运行的。并发不能提高计算机的性能，只能提高效率。

并行：

• 同一时刻可以运行多条指令。无论从宏观还是微观，都是一起执行的。比如多核 ，多个程序分别运行在不同的核上，互不影响。并行确实提高了计算机的效率。

用户态和内核态区别

操作系统两种 状态：

• 核心态：运行操作系统程序

• 用户态：运行用户程序

操作系统的指令划分：

• 特权指令：只能由操作系统使用，用户不能使用的指令。

• 非特权指令：用户程序可以使用的指令。

特权级：

• 相当于内核态， 相当于用户态

• 不同的特权级别可以运行不同的指令

区别：

1. 内核态和用户态是操作系统的两种运行级别。用户态拥有最低的特权级，内核态拥有较高的特权级。

2. 处于用户态时，进程能够访问到的内存空间和对象受到限制，其所占有的处理机是可以被抢占的。

3. 处于内核态时，进程能够访问所有的内存空间和对象，且所占有的处理机是不可以被抢占的。

操作系统为什么要分内核态和用户态

为了安全。在 中，如果有些指令用错会使系统崩溃，所以用户程序是不可信的，无论程序员是否有意，都可能把系统弄崩溃。

分了内核态和用户态之后，操作系统对内核级别指令进行封装，然后为用户提供系统服务。用户进行系统调用后，操作系统进行一系列的检查验证，确保调用是安全的，在进行相应的操作。

用户态到内核态的转化

通过三种方式：系统调用、异常、外围设备的中断。

• 系统调用

• • 这是用户主动要求从用户态切换到内核态的一种方式。用户进程通过系统调用申请使用操作系统提供的服务以完成工作。

• 异常

• • 当 在执行处于用户态的程序时，发生了不可预料的异常，这时当前运行的进程会切换到处理相关异常的程序中，也就转到了内核态，最常见的是缺页异常。

• 外围设备的中断

• • 当外围设备完成用户请求的操作时之后，会向 发出相应的中断信号，这时 会停止下一条要执行的指令而转去处理中断。如果 先前执行的指令是用户态程序的指令，也就完成了用户态到内核态的转化。

微内核与宏内核

宏内核：除了最基本的进程、线程管理、内存管理之外，还把文件系统、驱动、网络等都集成在内核中。比如 。

• 优点：效率高

• 缺点：稳定性差，一些 可能使整个系统崩溃，将修改和维护的代价提高

微内核：内核中只有最基本的进程、线程管理、内存管理，文件系统、驱动、网络等由用户态守护进程实现。比如 。

• 优点：稳定性好，驱动等错误只会让相应的进程停止工作，不会使系统崩溃。

• 缺点：效率低。

系统调用是什么，系统调用举例

系统调用由操作系统提供，运行在内核态，指运行在用户态的程序向操作系统请求更高特权级的服务。系统调用提供了用户态和内核态之间的接口。例如在程序中打开文件、向文件进行写操作都是系统调用。

进程和线程的概念

进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程。进程是系统进行资源分配的单位，实现的操作系统的并发。

线程是比进程更小的能独立运行的单位，是 调度的基本单位，实现了进程内部的并发。线程成为了程序执行流的最小单位。

进程状态转换图

1. 创建状态：进程正在被创建。

2. 就绪状态：进程已经分配到了除 之外的所有资源，只要分配到 就可以开始运行。

3. 运行状态：进程已经获得 ，正处于运行状态。

4. 阻塞状态：正在执行的进程正在等待某一事件而暂时不能运行。

5. 终止状态：进程运行完毕，操作系统完成撤销进程的相关工作，并将 归还给系统。

当有多个进程请求资源时，就会造成内存资源紧张，所以操作系统还存在一种挂起操作：将进程交换到外存去，使进程进入挂起状态。

1. 活动就绪：进程在内存，处于就绪状态，还需要 。

2. 静止就绪：进程在外存，处于就绪状态，还需要调入到内存和 。

3. 活动阻塞：进程在内存，但由于某种原因被阻塞了。

4. 静止阻塞：进程在外存，但由于某种原因被阻塞了。

进程切换

1. 切换页目录，使用新进程的虚拟地址空间。

2. 保存当前的 环境、硬件上下文，并导入新进程的的 环境、硬件上下文。

进程和线程的区别

1. 一个线程属于一个进程，依赖于进程而存在。一个进程可以包括多个线程，但至少包括一个线程。

2. 进程是系统资源分配的最小单位，线程是 调度的最小单位。

3. 不同进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而同一进程内多个线程共享进程内存。所以一个线程的意外会造成同一进程内其他线程的终止，而进程之间不会互相影响。

4. 进程切换时，涉及整个程序的 环境保存和新调度进程的 环境配置。线程切换时，只需要保存少量内容，所以进程切换的系统开销更大。

5. 进程通信时，由于它的空间独立性决定了它的通信需要通过操作系统。而线程通信时，由于多线程同享内存导致了线程之间的通信比较容易，不需要通过操作系统。

有了进程为什么还要线程

进程可以提高系统的并发性和资源的利用率，但还是存在一些缺点的：

1. 比如一个进程一时间只能做一件事。比如只有进程的话 无法同时完成传输文件、视频聊天。

2. 进程在执行过程中被阻塞时，整个进程就会挂起，那么进程中有些不依赖于等待资源的工作也不会执行。比如浏览器想要打印某个页面时，打印机被占用，那么浏览器也无法提供别的服务。

为了解决这些缺点，所以引入了线程作为进程内并发执行的更小单元，从而减少程序在并发执行过程中所付出的时空开销。

进程之间的同步方式

各个进程拥有自己独立的内存空间，为了保证安全，一个进程不可以直接访问另一个进程的内存空间。但进程之间的通信是必不可少的，所以有以下方式完成进程之间的通信：

1. 管道通信

• 管道通信分为普通管道和命名管道。普通管道可用于有亲缘关系进程之间的通信，命名管道还允许无亲缘关系进程之间的通信。

• 管道上数据是单方向传输的，想要完成双向通信需要两个管道。

• 消息

• • 将通信的数据封装在消息中，通过消息来完成通信。消息的通信方式有两种：

  1. 直接通信方式，将消息直接发送给对方进程。

  2. 间接通信方式，双方都通过共享中间实体来完成对消息的法松和接收。

• 信号量

• • 信号量本质上是一个计数器，用来完成进程的互斥和同步，比如 操作。

• 共享内存

• • 不同进程可以访问同一块内存，共享内存是临界资源。共享内存直接从内存中读取数据，不需要从用户态到内核态的切换，是最快的一种方式。

  线程之间的同步方式

  1. 临界区：多线程访问公共资源，速度快。

  2. 互斥量：控制多个进程对他们之间共享资源的互斥访问。由于资源只有一个，所以不能被多个线程同时访问。

  3. 信号量：允许多个线程访问同一资源，但同一时刻访问该资源的线程有最大的数目限制。

  线程之间哪些是共享的

  1. 堆区，堆是进程开辟出来的，多线程共享这部分资源。

  2. 全局变量和静态变量，和特定线程无关，所以也是共享的。

  3. 文件等公共资源，使用这些公共资源的线程必须同步。

  线程需要保存哪些上下文

  线程在切换过程中，需要保存当前线程