面试题：操作系统

什么是操作系统？

• 本质是一个运行在计算机上的软件程序，管理计算机硬件与软件资源的程序
• 屏蔽硬件的复杂性，提供接口使用计算机硬件
• OS内核是核心部分，负责内存管理、硬件设备管理、文件系统管理、应用程序管理等

什么是系统调用

• 用户态：用户态运行的进程或可以直接读取用户程序的数据
• 系统态：简答理解为系统态运行的进程几乎可以访问计算机的任何资源，不受限制
• 我们的程序基本都在用户态运行，当需要使用OS提供的系统态下的功能时，通过系统调用去使用
• 调用功能有：

1. 设备管理，完成设备启动、请求、释放
2. 文件管理，目录及文件的读、写、创建、删除
3. 进程控制：进程的创建、撤销、阻塞、唤醒
4. 进程通信：实现进程之间的消息传递
5. 内存管理：内存的分配、回收

进程的状态

• 创建状态：尚未创建或者正在创建
• 就绪状态：准备所有的了，就等CPU
• 运行状态：正在运行
• 阻塞状态：等待资源中
• 结束状态：运行结束或中断

进程通信方式

• 管道/匿名管道：管道是半双工的，当需要通信时建立两个管道；父子进程、兄弟进程之间的通信；本质上是一个特殊的文件，只存在内存中；从管道末尾写入，管道头读取
• 有名管道：匿名管道没有名字，只能用于有亲属关系的进程通信；有名管道以文件形式存在，并且有一个路径名与其相关；管道的名字（路径名）存在文件系统中，内容存在内存中；严格遵守FIFO
• 信号Signal：Linux中进程通信机制，信号可以发送给任意一个进程
• 消息队列：消息链表，存放在内存中，遵守FIFO，消息队列属于内核管理（存于内核内存），只有重启内核才会真正删除
• 信号量Semaphores：信号量是一个计数器，用于多进程对共享数据的访问
• 共享内存：多个进程可以访问同一块内存空间，例如互斥锁和信号量等
• 套接字Sockets：用于客户端和服务器之间的网络进程通信

线程同步方式

• 互斥量（Mutex）：采取互斥对象机制，只有拥有互斥对象才能访问共享资源，比如Synchironized和Lock
• 信号量：信号量，允许多个线程同时访问同一资源，但是又数量限制
• 事件：wait、notify，使用通知方式，Condition类

进程调度算法

• FCFS先来先服务算法，公平
• SJF短作业优先算法，照顾短作业，忽略长作业
• RR时间片轮转调度算法
• 优先级调度算法，分为抢占式和非抢占式，优先级有静态和动态之分

1. 非抢占式：处理机一旦分配给优先级最高的进程后，那么就一直执行直至完毕
2. 抢占式：处理机执行过程中，如果出现优先级更高的进程，那么执行优先级更好的进程

• 多级反馈队列

1. 设置多个就绪队列，每个队列赋予不同优先级，时间片也不一样，优先级高则时间片小
2. 每个队列都采用FCFS算法，如果某个线程在分配的时间片没有执行完毕，那么转到下一个优先级的对尾排队等候执行
3. 按照队列优先级执行，一定先执行高优先级的任务

内存管理

• 内存管理分为连续分配管理和非连续分配管理
• 连续分配管理是指一个用户程序分到连续的内存空间，比如块式管理
• 非连续分配管理允许一个用户程序使用不相邻离散的内存空间，比如页式管理、段式管理和段页式管理
• 块式管理：将内存分为几块，块的大小可以静态设置也可以动态调整，每个程序占一块，容易造成块碎片
• 页式管理：将程序内存分为大小相等的页，页比较小，一个程序可以占多个页，提高内存利用率，减少碎片，可以存在二级、多级页表；每页连续
• 段式管理：可以将作业（程序）按照不同功能分段，每个段大小可以不一样，按照每个程序段来决定段大小，相对于页式管理，段式管理中的每一个段都有实际功能意义；每段连续
• 段页式管理：简单来说，先将用户程序分成若干个段，然后每个段中分为若干页

快表和多级页表

• 快表：提高了虚拟地址到物理地址的转换速度；增设一个具有并行查询能力的特殊高速缓存器（快表），用来存放当前访问的页表项；
• 如果查询的时候能再页表项找到，那么Ok；
• 如果找不到，再去内存中找，找到了记得放到快表中
• 多级页表：避免将全部页表放在内存中占用过多空间，特别是不需要的表项，查询时，一级级往下查

分页机制和分段机制的异同点

• 分页和分段机制都是为了提高内存利用率，减少内存碎片；段和页都是离散存储，但是内部都是连续的
• 页的大小固定，段的不固定
• 分页仅是满足管理内存的需要，段式逻辑单位（体现为代码段、数据段等满足用户需要）

页面置换算法

• OPT页面置换算法（最佳页面置换算法，Optmal）：选择淘汰的页面是以后永远不使用的，或者以后长时间不用的，但是现在还没有实现
• FIFO先进先出置换算法：总是淘汰最先进入内存的页面
• LRU最近最久未使用页面置换算法：每个页面赋予一个访问字段，用来记录每次被访问的时间，当淘汰页面时，选择最早被访问的页面
• LFU最少使用页面置换算法，选择被使用次数最少的页面作为淘汰页

逻辑地址和物理地址

• 逻辑地址是编程语言上使用的地址，由操作系统决定
• 物理地址是真正的内存地址

CPU寻址是什么？

• CPU使用的是虚拟寻址方式，需要将虚拟地址转换为物理地址
• 完成虚拟地址转换为物理地址的硬件是CPU总一个叫做内存管理单元（MMU）的硬件

为什么需要虚拟地址空间？

• 如果没有虚拟内存空间，那么所有操作都直接访问物理内存
• 直接访问物理内存，容易造成操作系统崩溃
• 直接访问物理内存，运行多个程序比较困难，使用虚拟地址可以隔离开每个程序，不至于发生冲突
• 提升内存使用效率，使用虚拟地址，一个程序可以使用不相邻的内存，且逻辑上可以增大内存区域（将超过内存的数据暂时存到硬盘）

什么是虚拟内存

• 虚拟内存内存管理的一种技术，定义连续的虚拟地址空间，并将内存扩展到硬盘空间
• 为每个进程提供一个私有的地址空间，让进程觉得自己独占内存并且使用的是连续的内存，能有效的管理内存

局部性原理

• 时间局部性：程序中某条指令一旦执行，不久后可能还要执行；某个数据被访问后，不久后可能还要被访问（因为程序中存在大量循环）
• 空间局部性：一旦访问了某个存储单元，那么不久后其附近的存储单元也将被访问，即一段时间内访问的地址可能在一定范围内（存在大量链表、数组）