八股文面试攻略三：操作系统

一、进程线程

1、进程与线程的区别

进程是操作系统资源分配的基本单位。线程是CPU调度的基本单位。

每个进程有独立的内存空间、数据段、代码段等。而线程是共享进程的大部分资源，共享内存、共享全局变量。但是线程有自己的线程栈、PC、寄存器。

进程创建和切换成本高但安全性好；线程轻量、切换快但共享资源可能线程不安全。适合作为应用隔离用进程，适合并发执行用线程。

进程有就绪、阻塞和运行三种状态。

线程有新建、就绪、运行、阻塞和终止五种状态。

2、操作系统中进程与线程切换过程

进程切换 = 从一个进程切换到另一个进程，需要切换整个进程上下文，包括内核态资源。

具体步骤如下：

1. 保存当前进程上下文
2. 修改进程状态
3. 切换虚拟内存：进程切换需要切换地址空间，这是进程切换最昂贵的一步。
4. 切换内核栈：每个进程有独立的内核栈，线程才共享进程栈。
5. 恢复新进程的CPU上下文
6. 挑战到新进程继续执行。

进程切换需要切换页表、虚拟内存、内核栈等“重量级资源”，代价昂贵。

线程切换 = 在同一进程内切换不同线程运行。

具体步骤：

1. 保存当前线程的寄存器上下文
2. 修改线程状态
3. 切换到用户态栈
4. 恢复新线程的寄存器、PC
5. 挑战到新线程继续执行。

线程切换不切换虚拟内存，是轻量级的调度操作。

3、描述整个系统的调用过程

系统调用是用户程序请求内核为其执行某些特权操作（如读文件、创建进程、网络收发）的一种机制。如read、write、fork、send等

用户态程序 不能直接操作硬件或修改内核资源，必须通过系统调用。

1. 用户程序调用库函数
2. 触发CPU陷入（从用户态切换到内核态）
3. 内核根据系统调用找到对应的内核函数
4. 内核执行系统调用逻辑
5. 内核准备返回值，恢复上下文
6. 执行sysret/iret返回用户态

用户态调用库函数 → 执行 syscall 指令 → CPU 陷入内核态 →内核根据系统调用号调对应内核函数 → 完成操作 → 返回用户态。

TLB 是存放虚拟页号与物理帧号映射关系的高速缓存，用来加速页表查询。

4、后台进程有什么特点，如果设计一个进程是后台进程需要考虑什么？

后台进程是指在后台长期运行、不依赖终端、无需人工交互的进程，用于提供系统服务或定时任务等功能。Linux 中典型后台进程称为守护进程。

后台进程的主要特点：

• 不依赖终端/ 无控制台 
• 长期运行、寿命较长
• 独立运行，不受用户会话影响
• 资源占用稳定、单一职责明显
• 守护进程通常在后台循环执行
• 通常运行在较低权限保障安全性

设计一个后台程序考虑以下问题：

1. 正确“后台化”
2. 日志管理：后台程序没有终端输出，所以日志非常重要
3. 错误处理/异常处理：后台进程不能因为一个异常就崩掉
4. 避免资源泄露
5. 进程与服务管理
6. 信号处理
7. 配置热加载
8. 后台任务调度
9. 权限安全性
10. 高可用设计

5、进程之间的通讯方式有哪些？

1. 管道：半双工，只能用于 有亲缘关系的进程（父子进程），内核负责维护管道缓冲区。
2. 有名管道：有名字（文件节点），可以用于 无亲缘关系进程通信
3. 消息队列：内核维护消息队列，适合多个进程并发使用，消息有类型，支持随机读写，但是有长度限制。
4. 共享内存：多个进程映射同一块物理内存，速度最快。需要配合 信号量 / 互斥锁 来同步读写。适合高性能通讯（进程间传输大量信息）
5. 信号量：计数器，常用于“PV 操作”。避免竞争条件
6. 信号：进程管理、异常处理，如子进程退出通知父进程。
7. 套接字：本地进程通信、远程通信
8. 内存映射文件（mmap）：将文件映射到多个进程的地址空间
9. RPC：大型系统服务通信

6、操作系统中进程调度方式的策略

进程调度（Process Scheduling）是操作系统决定 哪个进程（或线程）获得 CPU 使用权 的核心机制。

• 先来先服务
• 最短作业优先
• 优先级调度
• 时间片轮转
• 多级队列调度
• 多级反馈队列
• 实时调度

7、线程同步的方式

多个线程访问共享资源时，采用特定机制来避免出现数据竞争（race condition）、脏读、死锁等问题。保证同一时刻只有一个线程访问共享数据／保证访问顺序。

1. 互斥锁
2. 读写锁
3. 自旋锁
4. 信号量
5. 条件变量
6. 原子操作

8、CAS是一种什么样的同步机制

是一种无锁（lock-free）的原子同步机制

它是乐观锁的实现方式，由 CPU 原子指令支持，效率高，不会阻塞，常用于无锁队列、原子变量和高并发场景。

9、CPU怎么执行指令

CPU 执行指令遵循“取指 → 译码 → 执行 → 访存 → 写回”这一指令周期，通过控制器协调 ALU、寄存器、Cache、总线等部件完成操作。

二、内存

1、用户态与核心态的区别？

模式	权限级别	谁在运行
用户态	低权限	普通应用程序
内核态	高权限	操作系统内核、驱动

用户态是一种受限制的执行模式，应用程序运行其中，不能直接访问硬件或执行特权指令。内核态拥有最高权限，可以管理硬件、内存和进程调度。用户态通过系统调用、中断、异常进入内核态。区分两者是为了保证系统安全和稳定。

2、内存管理有哪些方式？

1. 连续分配：每个进程占用一块连续的物理内存区域，分静态分区、动态分区，容易产生 内存碎片
2. 非连续分配：分页
3. 非连续分配：分段
4. 段页式结合
5. 虚拟内存
6. 交换

操作系统的内存管理方式包括：连续分配、分页、分段、段页式、虚拟内存、交换（swap）、伙伴系统、slab/slub 分配器等。现代系统主要采用“分页 + 虚拟内存”，并使用“伙伴系统 + SLAB/SLUB”作为物理内存分配机制。

3、分页和分段的区别

分页是操作系统将虚拟地址空间等分为固定大小的页面（Page），物理内存等分为物理块（Frame）的内存管理方式。

分段把程序按照逻辑结构划分成大小不等的段（Segment），如代码段、数据段、栈段等，每个段具有不同长度。

简单来说：

分页将内存按固定大小的页划分，解决内存不连续问题；分段按逻辑结构划分段，大小可变，适合代码/数据/栈等模块化管理。分页无外碎片但有内碎片，分段无内碎片但有外碎片。现代 OS 基于分页管理内存，分段仅用于权限控制。

4、页面置换算法有哪些？

当发生 缺页中断（Page Fault） 且物理内存已满时，操作系统必须从内存中淘汰一个页面以加载新的页面。决定“淘汰谁”的规则，就是 页面置换算法。

• 先进先出：最先进入内存的页面优先被淘汰。
• 最佳置换：淘汰未来最长时间不会被访问的页面。
• LRU：淘汰 最近最久未使用 的页面。
• LFU：淘汰访问次数最少的页面。
• 时钟算法：LRU 的高效近似
• NRU：最近未使用算法，根据两个位：R（是否被访问）、M（是否被修改）

5、什么是虚拟内存

虚拟内存（Virtual Memory）是一种由操作系统与硬件（MMU）共同实现的内存管理机制，它为每个进程提供一个独立、连续的虚拟地址空间，使进程“以为”自己拥有完整内存，而实际物理内存可以按需分配，并且不足时可使用磁盘空间进行扩展。

三大核心功能

1. 提供更大的“逻辑上”可用内存
2. 为每个进程提供独立的虚拟地址空间（隔离性）
3. 通过按需调页提高性能

简单来说：虚拟内存是操作系统提供的一种机制，用虚拟地址代替物理地址，为每个进程提供独立的虚拟空间，并通过“按需调页”和“磁盘交换”让程序无需关心物理内存大小。它依靠页表、TLB 和缺页中断实现，解决了内存不足、隔离与安全的问题，是现代操作系统内存管理的核心技术。

6、为什么虚拟地址内存切换比较耗时？

虚拟地址切换指的是：
当 CPU 从一个进程切换到另一个进程时，需要切换页表（Page Table），同时会影响 TLB，需要刷新或失效。这就是所谓的 地址空间切换（Address Space Switch）。

因此，虚拟地址空间切换耗时，是因为切换页表（CR3）会导致 TLB 失效，需要重新填充快表；同时多级页表查询开销大，还会导致缓存局部性下降。因此线程切换很快，而进程切换非常昂贵。

7、虚拟内存和物理内存怎么对应？

虚拟内存 → 通过页表 → 映射到物理内存。
每个虚拟地址都要通过页表才能找到对应的物理地址。

8、请求页面置换策略有哪些方式？区别是什么？各自用什么算法解决？

请求分页的置换策略包括：
⭐ 最优（OPT）
⭐ 栈式策略（LRU、LFU、Clock，不会出现 Belady 异常）
⭐ 非栈式策略（FIFO、Second Chance，可能出现异常）。
LRU 缺页率低但实现难，Clock 是最常用的近似 LRU，FIFO 最简单但最差。