操作系统面试常见题型

进程 vs 线程

• 进程(process)与线程(thread)最大的区别是进程拥有自己的地址空间，某进程内的线程对于其他进程不可见，即进程A不能通过传地址的方式直接读写进程B的存储区域。进程之间的通信需要通过进程间通信(Inter-process communication，IPC)。与之相对的，同一进程的各线程间之间可以直接通过传递地址或全局变量的方式传递信息。

• 进程作为操作系统中拥有资源和独立调度的基本单位，可以拥有多个线程。通常操作系统中运行的一个程序就对应一个进程。在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换。在不同进程中进行线程切换，如从一个进程内的线程切换到另一个进程中的线程时，会引起进程切换。相比进程切换，线程切换的开销要小很多。线程于进程相互结合能够提高系统的运行效率。

线程可以分为两类：

• 用户级线程(user level thread)：对于这类线程，有关线程管理的所有工作都由应用程序完成，内核意识不到线程的存在。在应用程序启动后，操作系统分配给该程序一个进程号，以及其对应的内存空间等资源。应用程序通常先在一个线程中运行，该线程被成为主线程。在其运行的某个时刻，可以通过调用线程库中的函数创建一个在相同进程中运行的新线程。用户级线程的好处是非常高效，不需要进入内核空间，但并发效率不高。

• 内核级线程(kernel level thread)：对于这类线程，有关线程管理的所有工作由内核完成，应用程序没有进行线程管理的代码，只能调用内核线程的接口。内核维护进程及其内部的每个线程，调度也由内核基于线程架构完成。内核级线程的好处是，内核可以将不同线程更好地分配到不同的CPU，以实现真正的并行计算。

事实上，在现代操作系统中，往往使用组合方式实现多线程，即线程创建完全在用户空间中完成，并且一个应用程序中的多个用户级线程被映射到一些内核级线程上，相当于是一种折中方案。

上下文切换

• 对于单核单线程CPU而言，在某一时刻只能执行一条CPU指令。上下文切换(Context Switch)是一种将CPU资源从一个进程分配给另一个进程的机制。从用户角度看，计算机能够并行运行多个进程，这恰恰是操作系统通过快速上下文切换造成的结果。在切换的过程中，操作系统需要先存储当前进程的状态(包括内存空间的指针，当前执行完的指令等等)，再读入下一个进程的状态，然后执行此进程。

系统调用与库函数的区别

• 系统调用(System call)是程序向系统内核请求服务的方式。可以包括硬件相关的服务(例如，访问硬盘等)，或者创建新进程，调度其他进程等。系统调用是程序和操作系统之间的重要接口。

• 库函数：把一些常用的函数编写完放到一个文件里，编写应用程序时调用，这是由第三方提供的，发生在用户地址空间。

• 在移植性方面，不同操作系统的系统调用一般是不同的，移植性差；而在所有的ANSI C编译器版本中，C库函数是相同的。

• 在调用开销方面，系统调用需要在用户空间和内核环境间切换，开销较大；而库函数调用属于“过程调用”，开销较小。

守护、僵尸、孤儿进程的概念

• 守护进程：运行在后台的一种特殊进程，独立于控制终端并周期性地执行某些任务。

• 僵尸进程：一个进程 fork 子进程，子进程退出，而父进程没有wait/waitpid子进程，那么子进程的进程描述符仍保存在系统中，这样的进程称为僵尸进程。

• 孤儿进程：一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，这些子进程称为孤儿进程。（孤儿进程将由 init 进程收养并对它们完成状态收集工作）

分时系统与实时系统的区别

• 分时系统(Sharing time system)：系统把CPU时间分成很短的时间片，轮流地分配给多个作业。优点：对多个用户的多个作业都能保证足够快的响应时间，并且有效提高了资源的利用率。

• 实时系统(Real-time system)：系统对外部输入的信息，能够在规定的时间内（截止期限）处理完毕并做出反应。优点：能够集中地及时地处理并作出反应，高可靠性，安全性。

• 通常计算机采用的是sharing time，即多个进程／用户之间共享CPU，从形势上实现多任务。各个用户／进程之间的调度并非精准度特别高，如果一个进程被锁住，可以给它分配更多的时间。而实时操作系统则不同，软件和硬件必须遵从严格的deadline，超过时限的进程可能直接被终止。在这样的操作系统中，每次加锁都需要仔细考虑。

Semaphore(信号量) Vs Mutex(互斥锁)

• 当用户创立多个线程／进程时，如果不同线程／进程同时读写相同的内容，则可能造成读写错误，或者数据不一致。此时，需要通过加锁的方式，控制临界区(critical section)的访问权限。对于semaphore而言，在初始化变量的时候可以控制允许多少个线程／进程同时访问一个临界区，其他的线程／进程会被堵塞，直到有人解锁。

• Mutex相当于只允许一个线程／进程访问的semaphore。此外，根据实际需要，人们还实现了一种读写锁(read-write lock)，它允许同时存在多个阅读者(reader)，但任何时候至多只有一个写者(writer)，且不能于读者共存。

逻辑地址 Vs 物理地址 Vs 虚拟内存

• 所谓的逻辑地址，是指计算机用户(例如程序开发者)，看到的地址。例如，当创建一个长度为100的整型数组时，操作系统返回一个逻辑上的连续空间：指针指向数组第一个元素的内存地址。由于整型元素的大小为4个字节，故第二个元素的地址时起始地址加4，以此类推。事实上，逻辑地址并不一定是元素存储的真实地址，即数组元素的物理地址(在内存条中所处的位置)，并非是连续的，只是操作系统通过地址映射，将逻辑地址映射成连续的，这样更符合人们的直观思维。

• 另一个重要概念是虚拟内存。操作系统读写内存的速度可以比读写磁盘的速度快几个量级。但是，内存价格也相对较高，不能大规模扩展。于是，操作系统可以通过将部分不太常用的数据移出内存，“存放到价格相对较低的磁盘缓存，以实现内存扩展。操作系统还可以通过算法预测哪部分存储到磁盘缓存的数据需要进行读写，提前把这部分数据读回内存。虚拟内存空间相对磁盘而言要小很多，因此，即使搜索虚拟内存空间也比直接搜索磁盘要快。唯一慢于磁盘的可能是，内存、虚拟内存中都没有所需要的数据，最终还需要从硬盘中直接读取。这就是为什么内存和虚拟内存中需要存储会被重复读写的数据，否则就失去了缓存的意义。现代计算机中有一个专门的转译缓冲区(Translation Lookaside Buffer，TLB)，用来实现虚拟地址到物理地址的快速转换。

与内存／虚拟内存相关的还有如下两个概念：
1) Resident Set

• 当一个进程在运行的时候，操作系统不会一次性加载进程的所有数据到内存，只会加载一部分正在用，以及预期要用的数据。其他数据可能存储在虚拟内存，交换区和硬盘文件系统上。被加载到内存的部分就是resident set。

2) Thrashing

• 由于resident set包含预期要用的数据，理想情况下，进程运行过程中用到的数据都会逐步加载进resident set。但事实往往并非如此：每当需要的内存页面(page)不在resident set中时，操作系统必须从虚拟内存或硬盘中读数据，这个过程被称为内存页面错误(page faults)。当操作系统需要花费大量时间去处理页面错误的情况就是thrashing。

文件系统

• Unix风格的文件系统利用树形结构管理文件。每个节点有多个指针，指向下一层节点或者文件的磁盘存储位置。文件节点还附有文件的操作信息(metadata)，包括修改时间，访问权限等等。

• 用户的访问权限通过能力表(Capability List)和访问控制表(Access Control List)实现。前者从文件角度出发，标注了每个用户可以对该文件进行何种操作。后者从用户角度出发，标注了某用户可以以什么权限操作哪些文件。

• Unix的文件权限分为读、写和执行，用户组分为文件拥有者，组和所有用户。可以通过命令对三组用户分别设置权限。

请问死锁的条件是什么？以及如何处理死锁问题？

• 互斥条件(Mutual exclusion)：资源不能被共享，只能由一个进程使用。

• 请求与保持条件(Hold and wait)：已经得到资源的进程可以再次申请新的资源。

• 非抢占条件(No pre-emption)：已经分配的资源不能从相应的进程中被强制地剥夺。

• 循环等待条件(Circular wait)：系统中若干进程组成环路，该环路中每个进程都在等待相邻进程正占用的资源。

如何处理死锁问题：

• 忽略该问题。例如鸵鸟算法，该算法可以应用在极少发生死锁的的情况下。为什么叫鸵鸟算法呢，因为传说中鸵鸟看到危险就把头埋在地底下，可能鸵鸟觉得看不到危险也就没危险了吧。跟掩耳盗铃有点像。

• 检测死锁并且恢复。

• 仔细地对资源进行动态分配，以避免死锁。

• 通过破除死锁四个必要条件之一，来防止死锁产生。

动态链接库与静态链接库的区别

静态库

• 静态库是一个外部函数与变量的集合体。静态库的文件内容，通常包含一堆程序员自定的变量与函数，其内容不像动态链接库那么复杂，在编译期间由编译器与连接器将它集成至应用程序内，并制作成目标文件以及可以独立运作的可执行文件。而这个可执行文件与编译可执行文件的程序，都是一种程序的静态创建（static build）。

动态库

• 静态库很方便，但是如果我们只是想用库中的某一个函数，却仍然得把所有的内容都链接进去。一个更现代的方法则是使用共享库，避免了在文件中静态库的大量重复。

• 动态链接可以在首次载入的时候执行(load-time linking)，这是 Linux 的标准做法，会由动态链接器ld-linux.so 完成，比方标准 C 库(libc.so) 通常就是动态链接的，这样所有的程序可以共享同一个库，而不用分别进行封装。

• 动态链接也可以在程序开始执行的时候完成(run-time linking)，在 Linux 中使用 dlopen()接口来完成（会使用函数指针），通常用于分布式软件，高性能服务器上。而且共享库也可以在多个进程间共享。

• 链接使得我们可以用多个对象文件构造我们的程序。可以在程序的不同阶段进行（编译、载入、运行期间均可），理解链接可以帮助我们避免遇到奇怪的错误。

进程间通信

• 管道：管道是单向的、先进先出的、无结构的、固定大小的字节流，它把一个进程的标准输出和另一个进程的标准输入连接在一起。写进程在管道的尾端写入数据，读进程在管道的道端读出数据。数据读出后将从管道中移走，其它读进程都不能再读到这些数据。管道提供了简单的流控制机制。进程试图读空管道时，在有数据写入管道前，进程将一直阻塞。同样地，管道已经满时，进程再试图写管道，在其它进程从管道中移走数据之前，写进程将一直阻塞。

• 信号量：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其它进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

• 消息队列：消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、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：信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。

• 共享内存：共享内存就是映射一段能被其它进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的IPC方式，它是针对其它进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其它通信机制（如信号量）配合使用，来实现进程间的同步和通信。

• 套接字：套接字也是一种进程间通信机制，与其它通信机制不同的是，它可用于不同机器间的进程通信。

中断与系统调用

所谓的中断就是在计算机执行程序的过程中，由于出现了某些特殊事情，使得CPU暂停对程序的执行，转而去执行处理这一事件的程序。等这些特殊事情处理完之后再回去执行之前的程序。中断一般分为三类：

• 由计算机硬件异常或故障引起的中断，称为内部异常中断；

• 由程序中执行了引起中断的指令而造成的中断，称为软中断（这也是和我们将要说明的系统调用相关的中断）；

• 由外部设备请求引起的中断，称为外部中断。简单来说，对中断的理解就是对一些特殊事情的处理。

与中断紧密相连的一个概念就是中断处理程序了。当中断发生的时候，系统需要去对中断进行处理，对这些中断的处理是由操作系统内核中的特定函数进行的，这些处理中断的特定的函数就是我们所说的中断处理程序了。

另一个与中断紧密相连的概念就是中断的优先级。中断的优先级说明的是当一个中断正在被处理的时候，处理器能接受的中断的级别。中断的优先级也表明了中断需要被处理的紧急程度。每个中断都有一个对应的优先级，当处理器在处理某一中断的时候，只有比这个中断优先级高的中断可以被处理器接受并且被处理。优先级比这个当前正在被处理的中断优先级要低的中断将会被忽略。

典型的中断优先级如下所示：

• 机器错误 > 时钟 > 磁盘 > 网络设备 > 终端 > 软件中断

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在讲系统调用之前，先说下进程的执行在系统上的两个级别：用户级和核心级，也称为用户态和系统态(user mode and kernel mode)。

• 程序的执行一般是在用户态下执行的，但当程序需要使用操作系统提供的服务时，比如说打开某一设备、创建文件、读写文件等，就需要向操作系统发出调用服务的请求，这就是系统调用。

• Linux系统有专门的函数库来提供这些请求操作系统服务的入口，这个函数库中包含了操作系统所提供的对外服务的接口。当进程发出系统调用之后，它所处的运行状态就会由用户态变成核心态。但这个时候，进程本身其实并没有做什么事情，这个时候是由内核在做相应的操作，去完成进程所提出的这些请求。

• 系统调用和中断的关系就在于，当进程发出系统调用申请的时候，会产生一个软件中断。产生这个软件中断以后，系统会去对这个软中断进行处理，这个时候进程就处于核心态了。

用户态和核心态之间的区别是什么呢？

• 用户态的进程能存取它们自己的指令和数据，但不能存取内核指令和数据（或其他进程的指令和数据）。

• 核心态下的进程能够存取内核和用户地址某些机器指令是特权指令，在用户态下执行特权指令会引起错误。在系统中内核并不是作为一个与用户进程平行的估计的进程的集合。

进程的三种状态

• 阻塞态：等待某个事件的完成；

• 就绪态：等待系统分配处理器以便运行；

• 运行态：占有处理器正在运行。

运行态→阻塞态：往往是由于等待外设，等待主存等资源分配或等待人工干预而引起的。
阻塞态→就绪态：则是等待的条件已满足，只需分配到处理器后就能运行。
运行态→就绪态：不是由于自身原因，而是由外界原因使运行状态的进程让出处理器，这时候就变成就绪态。例如时间片用完，或有更高优先级的进程来抢占处理器等。
就绪态→运行态：系统按某种策略选中就绪队列中的一个进程占用处理器，此时就变成了运行态

进程调度

调度种类

• 高级调度：(High-Level Scheduling)又称为作业调度，它决定把后备作业调入内存运行；

• 低级调度：(Low-Level Scheduling)又称为进程调度，它决定把就绪队列的某进程获得CPU；

• 中级调度：(Intermediate-Level Scheduling)又称为在虚拟存储器中引入，在内、外存对换区进行进程对换。

非抢占式调度与抢占式调度

• 非抢占式：分派程序一旦把处理机分配给某进程后便让它一直运行下去，直到进程完成或发生进程调度进程调度某事件而阻塞时，才把处理机分配给另一个进程。

• 抢占式：操作系统将正在运行的进程强行暂停，由调度程序将CPU分配给其他就绪进程的调度方式。

调度策略的设计

• 响应时间: 从用户输入到产生反应的时间

• 周转时间: 从任务开始到任务结束的时间

CPU任务可以分为交互式任务和批处理任务，调度最终的目标是合理的使用CPU，使得交互式任务的响应时间尽可能短，用户不至于感到延迟，同时使得批处理任务的周转时间尽可能短，减少用户等待的时间。

调度算法

FIFO或First Come, First Served (FCFS)

• 调度的顺序就是任务到达就绪队列的顺序。

• 公平、简单(FIFO队列)、非抢占、不适合交互式。

• 未考虑任务特性，平均等待时间可以缩短。

Shortest Job First (SJF)

• 最短的作业(CPU区间长度最小)最先调度。

• SJF可以保证最小的平均等待时间。

Shortest Remaining Job First (SRJF)

• SJF的可抢占版本，比SJF更有优势。

• SJF(SRJF): 如何知道下一CPU区间大小？根据历史进行预测: 指数平均法。

优先权调度

• 每个任务关联一个优先权，调度优先权最高的任务。

• 注意：优先权太低的任务一直就绪，得不到运行，出现“饥饿”现象。

Round-Robin(RR)

• 设置一个时间片，按时间片来轮转调度（“轮叫”算法）

• 优点: 定时有响应，等待时间较短；缺点: 上下文切换次数较多；

• 时间片太大，响应时间太长；吞吐量变小，周转时间变长；当时间片过长时，退化为FCFS。

多级队列调度

• 按照一定的规则建立多个进程队列

• 不同的队列有固定的优先级（高优先级有抢占权）

• 不同的队列可以给不同的时间片和采用不同的调度方法

• 存在问题1：没法区分I/O bound和CPU bound；

• 存在问题2：也存在一定程度的“饥饿”现象；

多级反馈队列

• 在多级队列的基础上，任务可以在队列之间移动，更细致的区分任务。

• 可以根据“享用”CPU时间多少来移动队列，阻止“饥饿”。

• 最通用的调度算法，多数OS都使用该方法或其变形，如UNIX、Windows等。

多级反馈队列调度算法描述:

• 进程在进入待调度的队列等待时，首先进入优先级最高的Q1等待。

• 首先调度优先级高的队列中的进程。若高优先级中队列中已没有调度的进程，则调度次优先级队列中的进程。例如：Q1,Q2,Q3三个队列，只有在Q1中没有进程等待时才去调度Q2，同理，只有Q1,Q2都为空时才会去调度Q3。

• 对于同一个队列中的各个进程，按照时间片轮转法调度。比如Q1队列的时间片为N，那么Q1中的作业在经历了N个时间片后若还没有完成，则进入Q2队列等待，若Q2的时间片用完后作业还不能完成，一直进入下一级队列，直至完成。

• 在低优先级的队列中的进程在运行时，又有新到达的作业，那么在运行完这个时间片后，CPU马上分配给新到达的作业（抢占式）。

一个简单的例子
假设系统中有3个反馈队列Q1,Q2,Q3，时间片分别为2，4，8。现在有3个作业J1,J2,J3分别在时间 0 ，1，3时刻到达。而它们所需要的CPU时间分别是3，2，1个时间片。

• 时刻0 J1到达。 于是进入到队列1 ，运行1个时间片 ，时间片还未到，此时J2到达。

• 时刻1 J2到达。 由于时间片仍然由J1掌控，于是等待。J1在运行了1个时间片后，已经完成了在Q1中的2个时间片的限制，于是J1置于Q2等待被调度。现在处理机分配给J2。

• 时刻2 J1进入Q2等待调度，J2获得CPU开始运行。

• 时刻3 J3到达，由于J2的时间片未到，故J3在Q1等待调度，J1也在Q2等待调度。

• 时刻4 J2处理完成，由于J3，J1都在等待调度，但是J3所在的队列比J1所在的队列的优先级要高，于是J3被调度，J1继续在Q2等待。

• 时刻5 J3经过1个时间片，完成。

• 时刻6 由于Q1已经空闲，于是开始调度Q2中的作业，则J1得到处理器开始运行。 J1再经过一个时间片，完成了任务。于是整个调度过程结束。

临界资源与临界区

• 在操作系统中，进程是占有资源的最小单位（线程可以访问其所在进程内的所有资源，但线程本身并不占有资源或仅仅占有一点必须资源）。但对于某些资源来说，其在同一时间只能被一个进程所占用。这些一次只能被一个进程所占用的资源就是所谓的临界资源。典型的临界资源比如物理上的打印机，或是存在硬盘或内存中被多个进程所共享的一些变量和数据等(如果这类资源不被看成临界资源加以保护，那么很有可能造成丢数据的问题)。

• 对于临界资源的访问，必须是互斥进行。也就是当临界资源被占用时，另一个申请临界资源的进程会被阻塞，直到其所申请的临界资源被释放。而进程内访问临界资源的代码被成为临界区。

信号量

信号量是一个确定的二元组（s，q），其中s是一个具有非负初值的整形变量，q是一个初始状态为空的队列，整形变量s表示系统中某类资源的数目：

• 当其值 ≥ 0 时，表示系统中当前可用资源的数目

• 当其值 ＜ 0 时，其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞的进程数目

除信号量的初值外，信号量的值仅能由P操作和V操作更改，操作系统利用它的状态对进程和资源进行管理。

P操作

P 操作记为P(s)，其中s为一信号量，它执行时主要完成以下动作：

• s.value = s.value - 1； /可理解为占用1个资源，若原来就没有则记帐“欠”1个/

若s.value ≥ 0，进程继续执行，否则（即s.value < 0）进程被阻塞，并将该进程插入到信号量s的等待队列s.queue中。

• P操作可以理解为分配资源的计数器，或是使进程处于等待状态的控制指令

V操作

V 操作记为V(s)，其中s为一信号量，它执行时，主要完成以下动作：

• s.value = s.value + 1；/可理解为归还1个资源，若原来就没有则意义是用此资源还1个欠帐/

若s.value > 0，进程继续执行，否则从信号量s的等待队s.queue中移出第一个进程，使其变为就绪状态，然后返回原进程继续执行。

V操作可以理解为归还资源的计数器，或是唤醒进程使其处于就绪状态的控制指令

IO多路复用

IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，它就通知该进程。IO多路复用适用如下场合：

• 当客户处理多个描述字时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。

• 当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。

• 如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。

• 如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。

• 如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。

• 与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。