操作系统，揭开钢琴的盖子-1

C++软件与嵌入式软件面经解析大全（蒋豆芽的秋招打怪之旅）

本章讲解点

• 1.1 操作系统的来历
• 1.2 操作系统的功能
• 1.3 操作系统的硬件知识
• 1.4 linux下编译程序
• 1.5 Makefile
• 1.6 linux的常用指令
• 1.7 进程的概念
• 1.8 进程的状态转换
• 1.9 进程的创建
• 1.10 守护进程
• 1.11 僵尸进程与孤儿进程
• 1.12 wait()或waitpid()系统调用
• 1.13 进程通信——管道
• 1.14 进程通信——系统IPC
• 1.15 进程通信——socket套接字
• 1.16 线程
• 1.17 线程的创建
• 1.18 线程通信——互斥锁
• 1.19 线程通信——信号量
• 1.20 线程通信——条件变量
• 1.21 线程通信——读写锁
• 1.22 线程池
• 1.23 协程
• 1.24 虚拟内存
• 1.25 页表
• 1.26 缺页中断
• 1.27 缺页置换算法
• 1.28 锁
• 1.29 操作系统资源调度方法
• 1.30 IO模型类型

受众：本教程适合于C/C++已经入门的学生或人士，有一定的编程基础。

本教程适合于互联网、嵌入式软件求职的学生或人士。

故事背景

蒋 豆 芽：小名豆芽，芳龄十八，蜀中人氏。卑微小硕一枚，科研领域苟延残喘，研究的是如何炒好一盘豆芽。与大多数人一样，学习道路永无止境，间歇性踌躇满志，持续性混吃等死。会点编程，对了，是面对对象的那种。不知不觉研二到找工作的时候了，同时还在忙论文，豆芽都秃了，不过豆芽也没头发啊。

隔壁老李：大名老李，蒋豆芽的好朋友，技术高手，代码女神。给了蒋豆芽不少的人生指导意见。

导 师：蒋豆芽的老板，研究的课题是每天对豆芽嘘寒问暖。

故事引入

导 师：疫情在家，一定不要到处跑，注意安全知道吗？待在家里就好好写论文。

蒋 豆 芽：好的！（豆芽心里小感动，老师真的很关心我们的好吗）

蒋 豆 芽：（焦急）老李，我最近电脑坏了呀！可怎么办？完了！我论文一大堆东西都在里面！

隔壁老李：（疑惑）豆芽，你作为一个程序员，难道不会修电脑吗？

蒋 豆 芽：（理不直，气也壮）嗯？老李，你怎么能这么说呢？控制工程专业的学生也修不了洗衣机，电气工程专业的他也没法接电线啊！

隔壁老李：（叹气）豆芽，难怪你没有女朋友啊，都不会修电脑的。

蒋 豆 芽：我委屈啊！

隔壁老李：其实修电脑没那么难的，我来帮你看看。

十分钟后。。。。。。

蒋 豆 芽：（惊讶）老李，你也太厉害了吧，太好了，我的论文都在！

隔壁老李：其实不难，只不过涉及一些操作系统的知识。

蒋 豆 芽：我的天，老李，快教教我，学会了，我也去帮妹子修电脑！

隔壁老李：（敲脑袋）我可不是教你怎么修电脑。既然说到操作系统了，看样子我们又可以学习新知识了。无论是嵌入式还是互联网，凡是涉及软件开发的，了解一定的操作系统知识是大有好处的。

蒋 豆 芽：太好了！之前学完C语言、C++，接下来开始学习操作系统方面的基础知识，（摊手）不过老李，我可没那么多时间，我还要找工作呢！

隔壁老李：放心，我们讲的就是面试常问的知识点，我会慢慢给你展开讲清楚的。

蒋 豆 芽：（激动）开始冲！

1.1 操作系统的来历

隔壁老李：（咳咳）计算的操作系统（Operating System）对于计算机可以说是十分重要的，从使用者角度来说，操作系统可以对计算机系统的各项资源板块开展调度工作，其中包括软硬件设备、数据信息等。运用计算机操作系统可以减少人工资源分配的工作强度，使用者对于计算的操作干预程度减少，计算机的智能化工作效率就可以得到很大的提升。

最初的电脑没有操作系统，人们通过各种按钮来控制计算机，后来出现了汇编语言，操作人员通过有孔的纸带将程序输入电脑进行编译。这些将语言内置的电脑只能由制作人员自己编写程序来运行，不利于程序、设备的共用。

为了解决这种问题，就出现了操作系统，这样就很好实现了软件的运行，以及对计算机硬件资源的管理。总而言之，操作系统不仅是为了计算机更好的管理资源和提升资源利用率，同时也是为了更好的人机交互，要是没有操作系统，电脑上没有办法运行任何软件，于是我们就只能在CPU上烤肉了。

蒋 豆 芽：（笑容邪魅）哈哈。是的，操作系统是用户程序与计算机硬件的桥梁。而我们电脑端使用的最多的就是Windows和Linux这两个操作系统，而手机端使用的最多的就是Android和IOS这两个操作系统，方便人机交互，那操作系统有哪些功能呢？

1.2 操作系统的功能

隔壁老李：操作系统主要包括以下几个方面的功能 ：

（1）CPU管理：其工作主要是进程调度，在单用户单任务的情况下，处理器仅为一个用户的一个任务所独占，进程管理的工作十分简单。但在多道程序或多用户的情况下，组织多个作业或任务时，就要解决处理器的调度、分配和回收等问题。（关于进程的概念，我们将在本章的1.7节详细介绍，读者也可以先行学习1.7节）

（2）存储管理，分为几种功能：存储分配、存储共享、存储保护、存储扩张。

（3）设备管理，分为以下功能：设备分配、设备传输控制、设备独立性。

（4）文件管理：文件存储空间的管理、目录管理、文件操作管理、文件保护。

（5）作业管理，是负责处理用户提交的任何要求。

隔壁老李：（会心一笑）操作系统的起源和功能我们就大致讲清楚了。为了后面更好的讲解操作系统更深入的知识，我觉得有必要给你补充一些基本知识。

豆芽你是非科班出身，很多和你一样立志从事互联网或嵌入式的同学大多都是非科班，没学过相关课程，也没看过操作系统方面的书籍，缺乏基本的常识。

蒋 豆 芽：（激动）嗯嗯，这个太赞同了！老李，你真是贴心。

1.3 操作系统的硬件知识

隔壁老李：（刘海一撩）我们先讲讲计算机硬件，涉及很多概念，必须先讲清楚。

操作系统与运行该操作系统的计算机硬件联系密切，操作系统的任何操作最终都会反映到硬件上，因此有必要了解一些相关硬件知识。一台个人电脑可以抽象为一个简单的模型，如图：

CPU、存储器以及I/O设备都由一条系统总线连接起来并通过总线与其他设备通信。

隔壁老李：（1）CPU是计算机的“大脑”，它从内存中取出指令并执行。

在每个CPU基本周期中，首先从内存中取出指令，解码以确定其类型和操作数，接着执行，然后再取指令、解码并执行。重复这一个过程，直到程序被执行完成。

CPU执行代码是一个类似流水线的过程。

蒋 豆 芽：嗯？有意思，流水线何解？

隔壁老李：你知道工业流水线吗？以汽车装配为例来解释流水线的工作方式，假设装配一辆汽车需要四个步骤：

1. 第一步冲压：制作车身外壳和底盘等部件。
2. 第二步焊接：将冲压成形后的各部件焊接成车身。
3. 第三步涂装：将车身等主要部件清洗、化学处理、打磨、喷漆和烘干。
4. 第四步总装：将各部件（包括发动机和向外采购的零部件）组装成车。

汽车装配则同时对应需要冲压、焊接、涂装和总装四个工人。

最简单的方法是一辆汽车依次经过上述四个步骤装配完成之后，下一辆汽车才开始进行装配，最早期的工业制造就是采用的这种原始的方式，即同一时刻只有一辆汽车在装配。

不久之后人们发现，某个时段中一辆汽车在进行装配时，其它三个工人都处于闲置状态，显然这是对资源的极大浪费，于是思考出能有效利用资源的新方法，即在第一辆汽车经过冲压进入焊接工序的时候，立刻开始进行第二辆汽车的冲压，而不是等到第一辆汽车经过全部四个工序后才开始，这样在后续生产中就能够保证四个工人一直处于运行状态，不会造成人员的闲置。

这样的生产方式就好似流水川流不息，因此被称为流水线。你看下图是来自电影《摩登时代》里的一个片段，一个机器流水线负责传送物料，三个工人每人负责一个工序，每个人都要一直忙碌起来，这部电影讽刺了资本主义对工人的剥削。

蒋 豆 芽：（恍然大悟）哦！我明白了，所以CPU执行一条指令时，也分为几个步骤，CPU并不会等一条指令完全执行完才执行下一条指令，而是像流水一样。没想到CPU也要接受资本的压榨（摊手）。

隔壁老李：没错。经典MIPS五级流水线将执行的声明周期分为五个部分：

1. 取指：指令取指（InstrucTIon Fetch）是指将指令从存储器中读取出来的过程。