操作系统常见面试题总结

夏日の blog

于 2024-08-27 10:50:28 发布

阅读量1.3k

点赞数 10

CC 4.0 BY-SA版权

分类专栏： # 计算机基础面试题总结文章标签：面试操作系统

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/zss192/article/details/141597154

文章目录

主要参考：JavaGuide，同时加上网上搜索整理和个人理解总结

1 操作系统基础

1.1 什么是操作系统？

操作系统（Operating System，简称 OS）是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机的基石。

操作系统的内核（Kernel）和中央处理器（CPU，Central Processing Unit）的区别：

操作系统的内核（Kernel）属于操作系统层面，而 CPU 属于硬件。
CPU 主要提供运算，处理各种指令的能力。内核（Kernel）主要负责系统管理比如内存管理，它屏蔽了对硬件的操作。

下图清晰说明了应用程序、内核、CPU 这三者的关系。

Kernel_Layout

1.2 操作系统主要有哪些功能？

从资源管理的角度来看，操作系统有 6 大功能：

进程和线程的管理：进程的创建、撤销、阻塞、唤醒，进程间的通信等。
存储管理：内存的分配和管理、外存（磁盘等）的分配和管理等。
文件管理：文件的读、写、创建及删除等。
设备管理：完成设备（输入输出设备和外部存储设备等）的请求或释放，以及设备启动等功能。
网络管理：操作系统负责管理计算机网络的使用。网络是计算机系统中连接不同计算机的方式，操作系统需要管理计算机网络的配置、连接、通信和安全等，以提供高效可靠的网络服务。
安全管理：用户的身份认证、访问控制、文件加密等，以防止非法用户对系统资源的访问和操作。

1.3 用户态和内核态

1.3.1 什么是用户态和内核态？

根据进程访问资源的特点，我们可以把进程在系统上的运行分为两个级别：

用户态(User Mode) : 用户态运行的进程可以直接读取用户程序的数据，拥有较低的权限。当应用程序需要执行某些需要特殊权限的操作，例如读写磁盘、网络通信等，就需要向操作系统发起系统调用请求，进入内核态。
内核态(Kernel Mode)：内核态运行的进程几乎可以访问计算机的任何资源包括系统的内存空间、设备、驱动程序等，不受限制，拥有非常高的权限。当操作系统接收到进程的系统调用请求时，就会从用户态切换到内核态，执行相应的系统调用，并将结果返回给进程，最后再从内核态切换回用户态。

用户态和内核态

内核态相比用户态拥有更高的特权级别，因此能够执行更底层、更敏感的操作。不过，由于进入内核态需要付出较高的开销（需要进行一系列的上下文切换和权限检查），应该尽量减少进入内核态的次数，以提高系统的性能和稳定性。

1.3.2 为什么要有用户态和内核态？只有一个内核态不行么？

在 CPU 的所有指令中，有一些指令是比较危险的比如内存分配、IO 处理等，如果所有的程序都能使用这些指令的话，会对系统的正常运行造成灾难性地影响。因此，我们需要限制这些危险指令只能在内核态运行。这些只能由操作系统内核态执行的指令也被叫做 特权指令 。
如果计算机系统中只有一个内核态，那么所有程序或进程都必须共享系统资源，例如内存、CPU、硬盘等，这将导致系统资源的竞争和冲突，从而影响系统性能和效率。并且，这样也会让系统的安全性降低，毕竟所有程序或进程都具有相同的特权级别和访问权限。

因此，同时具有用户态和内核态主要是为了保证计算机系统的安全性、稳定性和性能。

1.3.3 用户态和内核态是如何切换的？🔥

用户态切换到内核态的 3 种方式：

系统调用（Trap）：用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式，主要是为了使用内核态才能做的事情比如读取磁盘资源。系统调用其核心还是使用了操作系统的中断来实现。
中断（Interrupt）：当外围设备完成用户请求的操作后，会向 CPU 发出相应的中断信号，这时 CPU 会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。
异常（Exception）：当 CPU 在执行用户态下的程序时，发生了某些异常，这时会切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如缺页异常。

在系统的处理上，中断和异常类似，都是通过中断向量表来找到相应的处理程序进行处理。区别在于，中断来自处理器外部，不是由任何一条指令造成，而异常是执行当前指令的结果。

1.4 系统调用

1.4.1 什么是系统调用？

在我们运行的用户程序中，凡是与内核态级别的资源有关的操作（如文件管理、进程控制、内存管理等)，都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。

系统调用

这些系统调用按功能大致可分为如下几类：

设备管理：完成设备（输入输出设备和外部存储设备等）的请求或释放，以及设备启动等功能。
文件管理：完成文件的读、写、创建及删除等功能。
进程管理：进程的创建、撤销、阻塞、唤醒，进程间的通信等功能。
内存管理：完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及地址等功能。

系统调用和普通库函数调用非常相似，只是系统调用由操作系统内核提供，运行于内核态，而普通的库函数调用由函数库或用户自己提供，运行于用户态。

总结：系统调用是应用程序与操作系统之间进行交互的一种方式，通过系统调用，应用程序可以访问操作系统底层资源例如文件、设备、网络等。

1.4.2 系统调用的过程了解吗？

系统调用的过程可以简单分为以下几个步骤：

用户态的程序发起系统调用，因为系统调用中涉及一些特权指令（只能由操作系统内核态执行的指令），用户态程序权限不足，因此会中断执行，也就是 Trap（Trap 是一种中断）。
发生中断后，当前 CPU 执行的程序会中断，跳转到中断处理程序。内核程序开始执行，也就是开始处理系统调用。
内核处理完成后，主动触发 Trap，这样会再次发生中断，切换回用户态工作。

系统调用的过程

2 进程和线程

2.1 进程、线程和协程的区别？🔥

进程是正在运行程序的实例，进程中包含了多个线程，每个线程执行不同的任务
进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位
不同的进程使用不同的内存空间，进程下的所有线程共享进程的内存空间
线程更轻量，线程上下文切换成本一般上要比进程上下文切换低，但不利于资源的管理和保护
协程是用户态的轻量级线程，是线程内部调度的基本单位，同一时间只能执行一个协程

2.2 有了进程为什么还需要线程?

进程切换是一个开销很大的操作，线程切换的成本较低。
线程更轻量，一个进程可以创建多个线程。
多个线程可以并发处理不同的任务，更有效地利用了多处理器和多核计算机。而进程只能在一个时间干一件事，如果在执行过程中遇到阻塞问题比如 IO 阻塞就会挂起直到结果返回。
同一进程内的线程共享内存和文件，因此它们之间相互通信无须调用内核。

2.3 为什么要使用多线程?

从计算机底层来说： 线程可以看作是轻量级的进程，是调度的基本单位。线程间的切换和调度的成本远远小于进程。另外，多核 CPU 时代意味着多个线程可以同时运行，这减少了线程上下文切换的开销。
从当代互联网发展趋势来说： 现在的系统动不动就要求百万级甚至千万级的并发量，而多线程并发编程正是开发高并发系统的基础，利用好多线程机制可以大大提高系统整体的并发能力以及性能。

2.4 PCB 是什么？包含哪些信息？

PCB（Process Control Block） 即进程控制块，是用来管理和跟踪进程的数据结构，每个进程都对应着一个独立的 PCB。你可以将 PCB 视为进程的大脑。

当操作系统创建一个新进程时，会为该进程分配一个唯一的进程 ID，并且为该进程创建一个对应的进程控制块。当进程执行时，PCB 中的信息会不断变化，操作系统会根据这些信息来管理和调度进程。

PCB 主要包含下面几部分的内容：

进程的描述信息，包括进程的名称、标识符等等；
进程的调度信息，包括进程阻塞原因、进程状态（就绪、运行、阻塞等）、进程优先级（标识进程的重要程度）等等；
进程对资源的需求情况，包括 CPU 时间、内存空间、I/O 设备等等。
进程打开的文件信息，包括文件描述符、文件类型、打开模式等等。
处理机的状态信息（由处理机的各种寄存器中的内容组成的），包括通用寄存器、指令计数器、程序状态字 PSW、用户栈指针。
……

2.5 进程有哪几种状态?

我们一般把进程大致分为 5 种状态，这一点和线程很像！

创建状态(new)：进程正在被创建，尚未到就绪状态。
就绪状态(ready)：进程已处于准备运行状态，即进程获得了除了处理器之外的一切所需资源，一旦得到处理器资源(处理器分配的时间片)即可运行。
运行状态(running)：进程正在处理器上运行(单核 CPU 下任意时刻只有一个进程处于运行状态)。
阻塞状态(waiting)：又称为等待状态，进程正在等待某一事件而暂停运行，如等待某资源为可用或等待 IO 操作完成。即使处理器空闲，该进程也不能运行。
结束状态(terminated)：进程正在从系统中消失。可能是进程正常结束或其他原因中断退出运行。

进程状态图转换图

2.6 线程包括哪些状态，状态之间是如何变化的？🔥

线程状态

当一个线程对象被创建，但还未调用 start 方法时处于 NEW（新建） 状态，调用了 start() 方法，就会由NEW（新建） 进入 RUNNABLE（可执行） 状态。
当线程执行 wait() 方法之后，线程进入 WAITING（等待） 状态。进入等待状态的线程需要依靠其他线程的通知才能够返回到可执行状态。
TIMED_WAITING(超时等待) 状态相当于在等待状态的基础上增加了超时限制，比如通过 sleep（long millis） 方法或 wait（long millis） 方法可以将线程置于 TIMED_WAITING 状态。当超时时间结束后，线程将会返回到可执行状态。
如果线程获取锁失败后，这个时候线程就会进入 BLOCKED（阻塞） 状态。
线程在执行完了 run() 方法之后将会进入到 TERMINATED（终止） 状态。

2.7 进程间的通信方式有哪些？🔥

管道/匿名管道(Pipes)：用于具有亲缘关系的进程之间的通信。
有名管道(Named Pipes) : 匿名管道由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信。有名管道严格遵循 先进先出(First In First Out) ，以磁盘文件的方式存在，可以实现本机任意两个进程通信。
信号(Signal)：信号用于通知进程发生了某个事件，例如 kill -9 强制终止进程就是通过发送信号实现的。
消息队列(Message Queuing)：可以让发送方和接收方进程以异步的方式进行通信。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
信号量(Semaphores)：它允许同一时刻多个进程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大进程数量。
共享内存(Shared memory)：多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据的更新。这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等。可以说这是最有用的进程间通信方式。
套接字(Sockets) : 此方法主要用于在客户端和服务器之间通过网络进行通信。套接字是支持 TCP/IP 的网络通信的基本操作单元，可以看做是不同主机之间的进程进行双向通信的端点，简单的说就是通信的两方的一种约定，用套接字中的相关函数来完成通信过程。

2.8 线程间的同步/通信的方式有哪些？🔥

线程间的通信的目的主要是用于线程同步，以避免共享资源使用冲突。

互斥锁(Mutex)：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。比如 Java 中的 synchronized 关键词和各种 Lock 都是这种机制。
读写锁（Read-Write Lock）：允许多个线程同时读取共享资源，但只有一个线程可以对共享资源进行写操作。
信号量(Semaphore)：它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量。
屏障（Barrier）：屏障用于等待多个线程都到达某个点再一起继续执行。比如 Java 中的 CyclicBarrier 是这种机制。
事件(Event) :Wait/Notify：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操作。