操作系统面经-面试多家公司整理

大家好，前一段时间面了一些试，这里总结一下关于操作系统的面经，我简历上写了一个操作系统相关的项目，所以面试的问题可能与平常的八股面试题等等有一些差异，更加偏向具体细节和实现。这里就面试遇到的操作系统相关问题以及我自己的想法整理一下，可以参考参考，有什么问题也还请批评指正。

这个是实际问到我的问题

自己引申出来的问题

黑色普通文字是我的“回答”或者与面试官闲聊的内容

启动

启动过程，BIOS->MBR->Bootloader->OS，多 CPU 情况下 BSP 启动 APs，叙述每个阶段做得主要事情。
上电那一刻，CS:IP = 0xf000:0xfff0，此地址上的 16 字节是个跳转地址：jmp f000:e05b（据然还真问到了具体跳转地址）
BIOS
- 干了些啥事，自检程序，将 MBR 加载到 0x7c00
- 提问其他的固件方面的知识，BIOS，UEFI等，不太了解
实模式、保护模式
- 区别，前者16位，地址线只用了20根，后者解开限制，前者的段寄存器里面是段基址，后者段寄存器里面是段选择子
- 为什么有实模式，兼容？
- 如何进入保护模式，构建GDT、打开A20，CR0.PG = 1
MBR
- MBR 构成，引导程序->64字节分区表->魔数(0x55和0xAA)
- 在哪儿，启动盘最开始那个扇区
- 加载到哪儿，加载到 0x7c00
- 主要干的事情，根据分区表找到一个活动分区，然后加载 Bootloader
- 如何判断是否是启动盘，魔数 0x55 和 0xAA
开启分页机制(x86)
- 构建页表
- 页表地址给 CR3
- CR0.PE = 1
BSP 启动 AP 过程(x86，中断控制器为APIC)，主要通过 LAPIC 发送 INIT-SIPI-SIPI 消息... 详见 Multiprocessor Specification
OS 第一个 init 进程做了些什么
- xv6 里面打开 0 1 2 号文件
- fork 出 shell
- 然后 wait（等待孤儿进程过继给init）
- 提问现在的 Linux 里面干了些什么，有简单看了看，有些复杂待研究
汇编和 C 交互的一些问题，遵循调用约定，全局变量等在汇编时就要处理好

内存管理

寻址方式，x86 段基址：段内偏移
- 实模式下段寄存器为实际的段基址，保护模式下为段选择子
分段分页特点，为什么分页
- 分段同类型数据放在一起，分页逻辑上连续物理上分散实现离散化存储
- x86 有段寄存器，硬件上原生支持分段，其他架构硬件上似乎不支持
- x86 可以设置平坦模式，“隐藏”分段
地址转换过程，段级转换(GDT)、页级转换(查页表)

GDTR 中存放 GDT 的线性地址，CR3 里面存放页目录的物理地址，页表项里面存放的也是物理地址。

物理内存管理，目前 xv6 里面简单的空闲链表法，引申到伙伴系统 Slab 分配器，不管什么地方，空间管理的方式一般就两种，链表和位图，万变不离其宗。
虚拟地址空间如何布局的
堆、共享区等的管理方式，xv6 里面堆的管理方式也是链表，看侯捷老师关于 C++ 内存部分讲解，也是类似伙伴系统的思想，申请空间过大时也是 mmap 在共享区分配空间
堆空间分配算法，C++ new 出来的，能否用 free 返回，一个 C++ 相关的问题，从堆分配的空间有个头部，头部记录了大小信息，而 new 不一定，所以最好不要这么干。
缺页异常三种，写时复制、延迟分配、页面置换
- 写时复制的实现思想，要点：利用页表项保留位设置为COW标志位，复制内存时(主要fork)不实际复制内存，只复制页表，并将COW=1，R/W 设置为只读，其他共享计数、回收等略，详见 xv6 写时复制实现
- 延迟分配，页表项全0，只在页表中建立了映射，并未实际分配物理内存，详见 xv6 延迟分配实验
- 页面置换，页表项非空，页表项 P = 0;常见页面置换算法;页面置换交换区实现方式，具体实现有些复杂，详见 ucore 的例子，有配套的手册讲解。
Linux kmalloc 的特点，分配的物理内存连续

IO 管理/中断

中断、异常区别，外、内
中断异常详细分类，据 CSAPP 中断、陷阱、故障、终止
中断、异常返回的 PC 是什么，据CSAPP，中断、陷阱下一条，异常(故障)可能返回当前 PC，终止不会返回
中断过程

中断控制器干了什么事，见上图
如何定位的中断服务程序，见上图
- 上图 x86 的情况是硬件识别，向量中断的方式
- 还有软件识别的方式，跳到一个固定地址，然后再查询异常状态寄存器看是什么异常，再跳到特定的处理程序，一般精简指令集这么干。
开关中断的事，一般我们说中断时保存上下文前要关中断，x86 下，关中断就是 EFLAGS 的 IF = 0
- 系统调用过程
没有中断控制器这个过程，其他阶段基本相同
传参两种方式，寄存器，压栈(进入内核后从上下文中的栈指针寄存器获取用户态栈顶地址)
x86下系统调用可以用中断门实现，也可以使用陷阱门实现，使用中断门进入中断自动关中断，如果使用陷阱门则不会自动关中断，这是二者唯一的区别
- 按下一个键到显示在屏幕上，键盘中断 + 显卡、写显存过程，太多略，详见@@@@
- DMA 过程，不是很清楚，百度google，我也是搜的。
- 磁盘寻址，CHS(柱面磁头扇区)、LBA(逻辑块地址)，实际上似乎不是想问这个，但面试官当时也没说清楚就下一个问题，emm??????
- 内核态、用户态的理解，实际上就是特权级，RPL、CPL、DPL 三者之间不同情况下的各种比较变化，特复杂。
- 用户态到内核态栈的变化，x86 下根据 TR 可以找到 TSS，TSS 里面有内核栈的 CS 和 ESP；RISC-V 下 sscratch 有内核上下文的地址。

文件管理

分区布局，引导块->超级块->inode、位图、数据区
写磁盘如何保证数据一致性，设计日志层（当时某度二面，全程基本就讨论这个）
inode、路径、目录、目录项、全局文件表和文件结构体、进程打开文件表和文件描述符等概念以及它们之间的关系
open close dup write read 等常见系统调用，做了什么事情
- 比如 open 的要点分配文件结构体、文件描述符。
- 这个函数只是用户接口，整个是一个是系统调用过程。
inode 相当于树形结构的索引、假如设计为哈希索引，如何设计，Cache 缓存，优劣等等讨论
硬链接、软链接区别
- 硬链接与目录项挂钩，多个目录项一个 inode 一个文件
- 软链接是个文件有自己的 inode，文件内容是路径
目录项缓存，Linux 使用目录项缓存 dentry cache 缓存提高目录项对象的处理效率，我也只知道这个东西，待研究
命令获取某个目录下的文件数量

进程

谈进程、线程、协程的理解，聊区别，简易设计
第一个进程干了些什么事，见前
切换过程，重点换上下文、换栈
为什么切换进程比切换线程慢，除了进程“体量”大，另外切换进程要切换页表，切换页表要刷新TLB
切换时机，自己阻塞让出 CPU，时间片到了
状态转换，发生中断时进程状态如何转换，时间中断设置为就绪，其他情况在 xv6 里面没变，Linux 不了解。
fork 实现
exec 实现
孤儿进程：父进程先退出了，过继给 init 进程；僵尸进程：子进程退出父进程没有wait
僵尸进程孤儿进程的理解，进程要退出时调用 exit，exit 会关闭文件等资源，另一部分资源是父进程调用 wait 来释放，wait 释放子进程的栈、上下文、页表、任务结构体等资源。
如何解决僵尸进程，父进程总会退出，那么在 exit 中检测是否有将是状态的子进程，如果有，将其过继给 init 进程，然后唤醒 init 让它来处理。
进程间的通信，信号、信号量、共享内存、消息队列、匿名管道、有名管道，聊简单设计
调度算法，Linux 的 CFS
Go 的协程模型，不太了解卒
关于进程的命令，如何查看进程状态等等

其他

锁的实现，自旋锁和休眠锁
自旋锁，while 循环
内存一致性，硬件如何支持的原子操作，聊了指令 Lock 锁总线等等，CAS、Acquire/Released 等
休眠锁涉及进程的休眠唤醒机制如何实现
Cache 缓存一致性，MESI
设计操作系统需要研究研究设计模式，所以设计模式？？？？？？
复杂指令集和精简指令集区别
elf 文件格式介绍，可装载段，装载地址，filesz、memsz 等

我目前大概就遇到过这些问题，其中的一些问题详细答案和图片可以关注我的公众号，里面有对操作系统的详细讲解吧。
另外今年这个形式的确比较困难，我运气还算好，提前批的时候上岸了字节，但是我自知自己情况，算法八股，网络等等其实都不太行，主要是依靠自己的操作系统项目和学习记录写的电子书《给操作系统捋条线》起死回生，面试官对这个都比较感兴趣，基本上都给了机会。感兴趣的朋友也可以去我的公众号看一看，应该有所帮助
公众号：Rand_cs
图片说明