操作系统面试知识大盘点

前言

这篇文章南国根据自己的理解 写一篇在互联网公司面试中操作系统常问的知识点。本篇博客许多内容都是在前人的基础上进行的总结和概括，所以这篇博客 南国还是那他归纳为转载。干货很多，马上到~

1.基本概念

1.1 并行和并发

这个概念在之前的博客中，我也讲过多次了。之类再做个简单的概述。
并发是指宏观上在一段时间内能同时运行多个程序（按时间片交叉运行），而并行则指同一时刻能运行多个指令。

并行需要硬件支持，如多流水线、多核处理器或者分布式计算系统。
操作系统通过引入进程和线程，使得程序能够并发运行。

1.2 共享

共享是指系统中的资源可以被多个并发进程共同使用。

有两种共享方式：互斥共享和同时共享。

互斥共享的资源称为临界资源，例如打印机等，在同一时间只允许一个进程访问，需要用同步机制来实现对临界资源的访问。

1.3 虚拟

虚拟技术把一个物理实体转换为多个逻辑实体。

主要有两种虚拟技术：时分复用技术和空分复用技术。

多个进程能在同一个处理器上并发执行使用了时分复用技术，让每个进程轮流占有处理器，每次只执行一小个时间片并快速切换。

虚拟内存使用了空分复用技术，它将物理内存抽象为地址空间，每个进程都有各自的地址空间。地址空间的页被映射到物理内存，地址空间的页并不需要全部在物理内存中，当使用到一个没有在物理内存的页时，执行页面置换算法，将该页置换到内存中。

1.4 异步

异步指进程不是一次性执行完毕，而是走走停停，以不可知的速度向前推进。

2.操作系统的基本功能

• 进程管理(有些书里面也将他说为处理机管理)
  进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。

• 内存管理
  内存分配、地址映射、内存保护与共享、虚拟内存等。

• 文件管理
  文件存储空间的管理、目录管理、文件读写管理和保护等。

• 设备管理
  完成用户的 I/O 请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率。
  主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理、虛拟设备等。

后面的内容大多会围绕这几个方面进行展开论述。

3.进程管理

3.1 进程和线程

进程是资源分配的基本单位。

进程的组成部分有：
①程序。作用：描述进程要完成的功能。
②数据集合。作用：程序在执行时所需要的数据和工作区。
③程序控制块。作用：包含进程的描述信息和控制信息。它是进程存在的唯一标志。

进程控制块 (Process Control Block, PCB) 描述进程的基本信息和运行状态，所谓的创建进程和撤销进程，都是指对 PCB 的操作。

线程是独立调度的基本单位。一个进程中可以有多个线程，它们共享进程资源。

例如：QQ 和浏览器是两个进程，浏览器进程里面有很多线程，例如 HTTP 请求线程、事件响应线程、渲染线程等等，线程的并发执行使得在浏览器中点击一个新链接从而发起 HTTP 请求时，浏览器还可以响应用户的其它事件。

3.2进程和线程的区别（重要！！）

• 拥有资源
  进程是资源分配的基本单位，但是线程不拥有资源，线程可以访问隶属进程的资源。
• 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，从一个进程中的线程切换到另一个进程中的线程时，会引起进程切换。
• 并发
  不仅进程之间可以并发执行，多个线程之间也可以并发执行，提高吞吐量。
• 系统开销
  线程切换开销小于进程。这点很好理解，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、I/O 设备等，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。
• 通信方面
  线程间可以通过直接读写同一进程中的数据进行通信，但是进程通信需要借助 IPC。
• 健壮性
  多进程程序健壮性高于多线程程序。进程有独立的地址空间，一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其它进程产生影响，而线程没有单独的地址空间，一个线程死掉就等于它在的整个进程死掉，所以多进程的程序要比多线程的程序健壮；

(2022-03 更新)
除了进程和线程，在C++中经常会提到协程。
协程是一种用户态的轻量级线程，可将其视为微线程，协程的调度完全由用户控制。协程拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈，直接操作栈则基本没有内核切换的开销，可以不加锁的访问全局变量，所以上下文的切换非常快。
协程与线程主要区别是它将不再被内核调度，而是交给了程序自己而线程是将自己交给内核调度。
一个线程可以包含一个或多个协程，协程拥有自己的寄存器上下文和栈，协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存起来，在切换回来时恢复先前保运的寄存上下文和栈。
协程的优势如下：
节省内存，每个线程需要分配一段栈内存，以及内核里的一些资源
节省分配线程的开销（创建和销毁线程要各做一次 syscall）
节省大量线程切换带来的开销
与 NIO 配合实现非阻塞的编程，提高系统的吞吐

可参考：https://www.nowcoder.com/discuss/600292?type=1

3.3 进程的状态

3.4进程调度算法

不同环境的调度算法目标不同，因此需要针对不同环境来讨论调度算法。

1. 批处理系统

批处理系统没有太多的用户操作，在该系统中，调度算法目标是保证吞吐量和周转时间（从提交到终止的时间）。

1.1 先来先服务 first-come first-serverd（FCFS）
按照请求的顺序进行调度。
有利于长作业，但不利于短作业，因为短作业必须一直等待前面的长作业执行完毕才能执行，而长作业又需要执行很长时间，造成了短作业等待时间过长。

1.2 短作业优先 shortest job first（SJF）
按估计运行时间最短的顺序进行调度。
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。因为如果一直有短作业到来，那么长作业永远得不到调度。

1.3 最短剩余时间优先 shortest remaining time next（SRTN）
按估计剩余时间最短的顺序进行调度。</