面试爱考 | OS系统相关

• 进程是什么？有哪几种状态？
• fork的用法？
• 僵尸进程，孤儿进程，守护进程是什么？
• 线程是什么？有哪几种线程？
• 进程与线程的区别？（多进程与多线程的区别？）
• 哪些是线程私有的？
• 集群，分布式的区别？
• 多核是什么意思？
• 并发与并行的区别
• 大内核与微内核
• 分时系统与实时系统
• 32位的系统一个进程最多有多少内存空间？
• 用户态与内核态的区别？（用户空间和内核空间的区别？）
• 库函数与系统调用的区别
• 上下文切换
• 多线程锁的种类？（linux多线程锁？）
• 什么是半双工管道？全双工管道？
• 进程间（IPC：Interprocess communication）通信方式有哪些？
• 如何选择进程间的通信方式？
• 线程池中多线程的线程数该如何设置？
• 操作系统的进程调度算法有哪些？
• linux的任务调度机制是什么？
• 死锁是什么？
• 如何解决死锁问题？
• 可重入函数与不可重入函数？如何编写不可重入函数？
• 静态链接和动态链接的区别？
• 静态库与动态库的区别？
• 软链接与硬链接的区别？
• 程序编译到运行的流程?
• 逻辑地址与物理地址是什么？
• 简述分页系统？
• 简述分段系统？
• 分页与分段的区别?
• 内部碎片和外部碎片的区别？
• 虚拟内存是什么？
• 页面置换算法有哪些？
• 简述Linux文件系统结构?
• 写一个c程序判断系统是32位还是64位的？
• 写一个c程序判断系统是大端字节序 还是 小端字节序？
• 有哪些常见的信号？
• i++是原子操作吗？为什么？
• exit(0)，exit(1)，return的区别？
• 守护进程如何实现？

进程是什么？有哪几种状态？

进程是运行中的程序，程序只是静态的指令的集合。 进程包括指令，数据段以及PCB（进程控制块）。是操作系统分配资源的最小单位。

进程有三种状态：阻塞态，就绪态，执行态。

以read函数进程读取管道中内容为例：

1. 当管道中没有数据时，进程read等待管道另一端写数据，此时进程为阻塞态。
2. 写端向管道中写数据，进程read发现数据可读，等待CPU分配时间片，此时进程由阻塞态转为就绪态。
3. 当CPU分配给read进程时间片，进行读取数据，进程由就绪态变为执行态。

fork的用法？

fork系统调用用于创建一个子进程，首先给子进程分配空间，再将父进程中的所有值复制到子进程中即可。 注意：子进程会继承父进程的 所有锁与条件变量（包括他们的状态）。

关于返回值：父进程得到子进程的pid，子进程得到0。如果fork失败那么返回一个负值，并且子进程不会被创建。

僵尸进程，孤儿进程，守护进程是什么？

• 孤儿进程

父进程提前退出，子进程仍然在运行，称子进程为孤儿进程。孤儿进程对系统没有危害，产生孤儿进程后，有init进程来接管该孤儿进程（通过ps命令可以查看init进程的pid为1）。

• 僵尸进程

子进程提前退出，父进程仍然在运行，称子进程为僵尸进程。僵尸进程对系统有害，僵尸进程并不会释放拥有的进程号资源。如果出现了大量的僵尸进程占用资源，将会无法创建新的进程（通过ps命令可以查看僵尸进程的状态位z(zombie)）。

解决僵尸进程的办法有两个：

1. 是杀死父进程，僵尸进程将会转变为孤儿进程，此时init进程会来接管这些孤儿进程，资源得到回收。
2. 父进程调用 wait 函数回收子进程资源；

• 守护进程

一种特殊的孤儿进程，不论终端是否关闭，都会一直运行到系统关闭。

在Linux中我们可以使用top , ps 等指令查看进程的状态。

线程是什么？有哪几种线程？

线程是一种轻量级的进程，是操作系统任务调度和执行的最小单位。

线程有两种类型：用户级线程 和 内核级线程。

1. 内核级线程：内核态使用的线程。
2. 用户级线程：用户态使用的线程。
   

进程与线程的区别？（多进程与多线程的区别？）

用一个形象的例子可以说明进程与线程之间的关系，将进程比作火车，线程比作火车车厢。

1. 本质 进程是运行中的程序，是操作系统分配资源的最小单位；线程是一种轻量级的进程，是操作系统任务调度和执行的最小单位。

2. 联系 一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程；一个线程只能属于一个进程。

3. 数据的共享与同步 多进程的数据是分开的，共享较为困难，需要通过IPC，同步较为简单；多线程的数据是共享的，共享简单，但是同步困难。这一点各有优势。（好比不同的火车共享数据困难，同步简单；车厢之间共享数据简单，同步困难）。

4. CPU与内存消耗 多进程CPU利用率低，内存消耗大（每一个进程都有独立的内存空间），切换复杂；多线程CPU利用率高，内存消耗小（线程共享同一个内存空间），切换简单。多线程占优。

5. 创建销毁，切换 多进程创建，销毁，切换速度慢；多线程较快。多线程占优。

6. 编程调试 多进程的编程，调试都简单；多线程的编程，调试都较复杂。多进程占优。

7. 可靠性 多进程之间不会相互影响；多线程之间会相互影响，一个线程挂掉导致整个进程挂掉。多进程占优。

那么相比于进程，哪些东西又是线程私有的？请见下一个问题。

哪些是线程私有的？

1. 线程id：每一个线程都有自己的线程id，可以通过pthread_self()查看。

2. 寄存器：线程需要不断进行切换，需要使用寄存器存放旧线程的状态。

3. 函数堆栈：线程需要拥有属于自己的函数堆栈，使得函数调用可以正常进行。

4. errno:错误返回码

5. 线程优先级

集群，分布式的区别？

• 集群

同一个业务，部署在多个服务器上面（不同的服务器运行同样的代码，干同一件事）。

• 分布式

一个业务拆分成多个子业务，部署在不同的服务器上面（不同的服务器运行不同的代码，为了同一个目的）。

多核是什么意思？

多核也就是多内核，是指在一个处理器（CPU）中集成多个完整的计算引擎。

并发与并行的区别

• 并发

单核CPU根据时间片的划分，依次处理多任务。

• 并行

多核CPU同时处理多个任务。

举个例子：吃饭的时候接到电话，接了电话后继续吃饭，这是并发；一般吃饭一边接电话，这是并行。

大内核与微内核

• 大内核

将操作系统的主要功能模块作为一个紧密联系的整体运行在内核态，优点是效率高，缺点是代码量过大难以维护。

• 微内核

随着操作系统内核越来越复杂难以维护，于是提出了微内核的概念；微内核是将最基本的功能留在内核态，而其他功能放在用户态，大大降低了内核的复杂性，从而增加了可维护性，但是由于用户态与内核态之间的频繁切换，效率大大降低。

分时系统与实时系统

• 分时系统

CPU划分多个时间片并发执行任务，有较好的交互性与及时性。

• 实时系统

规定截止时间内处理完任务并作出响应，有较高的及时性，安全性与可靠性，例如飞机自动驾驶，飞机订票，股票交易等。

32位的系统一个进程最多有多少内存空间？

32位系统意味着4G的寻址空间，在Linux中将其分为两个部分，0 ~ 3G为用户空间，3 ~ 4 G为内核空间。

补充：关于用户空间和内核空间的区别见下一个问题。

用户态与内核态的区别？（用户空间和内核空间的区别？）

内核态和用户态是操作系统运行的两种级别。在32位寻址的Linux系统中有4G的虚拟地址空间，0 ~ 3G分为用户空间，3 ~ 4G分为内核空间。

• 内核态

内核空间存放的是内核代码和数据，权限较高，可以访问所有的内存空间和对象，CPU不会被抢占。如 系统调用 和 操作硬件 都处在内核态。

• 用户态

用户空间存放的是用户程序的代码和数据，权限较低，能访问的内存空间和对象受限，CPU可被抢占。 大部分用户使用的应用程序都是在用户态。

库函数与系统调用的区别

1. 本质

库函数是可以自己编写的函数，发生在用户地址空间；而系统调用属于内核提供的API，发生在内核空间。 如fread属于库函数，如read，write，open属于系统调用。

2. 开销方面

库函数的开销较小；系统调用需要经过用户态，内核态，用户态的转换，所以开销较大。

3. 移植性方面

库函数较容易移植，而系统调用由于不同操作系统之间的差异较大，移植较困难。

上下文切换

上下文切换是指CPU挂起一个进程/线程，去执行另一个进程/线程。

上下文切换只能发生在内核态，是多任务操作系统的一个特点。不过由于上下文的高速切换，在用户眼中仿佛任务是同时处理的一样。

多线程锁的种类？（linux多线程锁？）

1. 互斥锁(pthread_mutex_t)

最为常用的锁，任意时刻只能有一个线程能访问加锁资源。

2. 递归锁(pthread_mutex_recursive)

相比于互斥锁无法对同一个资源多次加锁或解锁，递归锁可以对同一个资源进行多次加锁和解锁。

3. 自旋锁(pthread_spinlock_t)

相比于互斥锁在阻塞状态会让出cpu去忙其他事务，自旋锁在阻塞状态下并不会让出cpu而是一直占用cpu直到得到锁，这样减小了cpu上下文切换的时间，多用于内核中消耗时间较少临界区。

4. 读写锁(pthread_rdlock_t)

该锁区分读和写操作，加写锁时其他线程不能对资源进行操作，加读锁的时候多个线程可以对该临界资源加读锁。

什么是半双工管道？全双工管道？

• 单工管道：只有一端可以使用，用作读或者写。

• 半双工管道：两端都可以使用，但只能一端读一端写，数据单向流动。

• 全双工管道：两端都可以使用，且每一端均可读写，数据双向流动。

进程间（IPC：Interprocess communication）通信方式有哪些？

1. 管道

管道分为无名管道和有名管道两种，速度较慢，且容量有限。

无名管道（pipe）：通过 pipe()函数 创建，存在于内存之中，且只能在亲属进程之间使用，会返回两个文件描述符，一个读一个写。

有名管道（FIFO）：通过 mkfifo命令 创建，即使不是亲属进程也可以通信，会直接生成一个文件，通过这个文件进行读写操作。

pipe和FIFO用来实现进程间相互发送非常小的，频率高的消息；这两种方式适用于两个进程间的通信。

2. 消息队列 由消息组成的链表，存放在内存中。此方法不太常用。

3. 信号量 主要作为锁机制，可以作为同步机制，不能用于传递复杂的消息。通常可以用来做PV操作，也就是加解锁。

4. 共享内存 映射一段能够被其他进程所访问的内存。是最快的IPC方式，共享内存用来实现进程间共享非常庞大的，频率高的消息；此方法适用于多进程之间的通信。常常和信号量等方式配合使用。

5. socket套接字 Socket套接字也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可以用于不同主机的进程间通信，也就是我们所说的socket网络通信。例如项目中用到的TCP通信, 服务端通过socket创建套接字，再通过bind->listen->accept后接收到新的套接字进行通信；而服务端通过socket->connect之后对套接字进行通信。

6. signal信号 用于通知接收进程某个事件已经发生，主要用于同步。例如在网盘进行上传下载的项目中，如果按下ctrl+c，那么则会进行信号捕获，然后记录下上传了多大的文件，还剩余多少文件，以便下一次进行断点续传。

如何选择进程间的通信方式？

• Pipe和FIFO用来实现进程间相互发送非常小的，频率高的消息；这两种方式适用于两个进程间的通信。

• 共享内存用来实现进程间共享非常庞大的，频率高的消息；此方法适用于多进程之间的通信。

• 其余主要使用socket。

线程池中多线程的线程数该如何设置？

可以分为以下两种情况进行分析：

1. CPU密集型（需要进行大量计算的类型）

线程数 = CPU核数 + 1

2. IO密集型（需要进行大量IO操作的类型）

线程数 = CPU核数 * 2

操作系统的进程调度算法有哪些？

1. 先来先服务（FCFS） 算法原理是哪一个进程先到达，就先服务哪一个进程。 属于非抢占式算法，有利于长作业，不利于短作业，总体效率不好。

2. 短作业优先（SJF） 算法原理是优先处理短作业。 属于非抢占式算法，有利于短作业，不利于长作业，总体效率不好。

3. 高响应比优先 优先处理高响应比的作业，响应比=（等待时间+服务时间）/ 服务时间； 属于非抢占式算法，该算法介于FCFS和SJF两种算法之间。

4. 优先级队列 为每一项作业设置好优先级，先处理优先级高的作业。 有抢占式也有非抢占式。

5. 时间片轮转（RR） 将CPU的处理时间划分为若干个时间片，分别去处理各个作业。 该算法常常用于分时系统，并且简单有效。

6. 多级反馈队列 是比较好的一种任务调度算法，这也是linux系统使用的进程调度算法。 本质上是 优先级队列算法+ RR 算法。 设置多个优先级队列，所有队列都采取FCFS的原则，并且队列优先级约小，分配的时间片越大。当有新的进程加入时，加入第一个优先级队列。具体可参考多级反馈队列调度算法

linux的任务调度机制是什么？

Linux采用 多级反馈队列算法 调度进程（见上一个问题第6点）。

死锁是什么？

死锁是指多个进程/线程因竞争资源而造成的一种僵局（相互等待）。

死锁形成的条件（必须同时满足下面的四个条件）：

1. 互斥条件 线程对于资源的占有必须是互斥的。

2. 不可剥夺条件 不能强行剥夺线程对资源的占有权。

3. 请求且保持条件 线程在请求其他的资源时，会保持自己拥有的资源。

4. 循环等待条件 一个线程在等待另一个线程释放资源，从而形成一个循环等待链。

如何解决死锁问题？

1. 鸵鸟策略 直接忽视死锁，解决死锁的代价很高，并且发生死锁的概率很低时，可以直接忽视死锁。

在Linux，Windos系统中解决死锁的办法仅仅是忽略它。

2. 死锁预防 设定限制条件，从而让形成死锁的四个条件不再成立。如当资源不再互斥，打破互斥形成死锁的条件。

3. 死锁避免 通过一系列资源分配策略，从而避免形成死锁，比如经典的银行家算法。

4. 死锁检测与解除 检测到死锁后进行解除。比如直接剥夺进程拥有的资源。

可重入函数与不可重入函数？如何编写不可重入函数？

• 可重入函数：可以被打断，重新进入的函数。

• 不可重入函数：不可以被打断，不能够重新进入的函数。不可重入函数由于拥有了一些公共资源，如果被中断重新进入则会出现问题。

满足下列条件的函数属于不可重入函数：

1. 使用了静态，全局的变量；
2. 调用malloc，free函数；
3. 调用标准IO函数。

静态链接和动态链接的区别？

• 静态链接也就是将.o文件静态链接成可执行文件；生成的程序较大，不需要依赖系统环境变量。

• 动态链接是在可执行文件运行时进行的，之前的程序中只是存放了一个引用，该引用指向动态库。动态链接由于只是存放了引用，所以生成的程序较小，但是需要依赖系统环境变量。

静态库与动态库的区别？

• 静态库（.a/.lib）：一组目标文件（.o）的集合，也就是打包压缩之后的.o文件集合。用于静态链接时使用。
• 动态库(.so/.dll)：一组目标文件（.o）的集合，也就是打包压缩之后的.o文件集合。用于动态链接时使用。

编写库的目的有两个：

1. 不希望别人看到源码。
2. 对于不会再修改的代码，将其做成库，减少编译成本。

软链接与硬链接的区别？

• 软链接

也称为符号链接，类似于创建Windos的快捷方式。相当于对该inode节点创建了一个快捷方式，该inode节点的引用计数并不会增加。

• 硬链接

类似于引用计数的概念。假设A文件和B文件同时硬链接向一个inode节点，该inode节点的引用计数就为2，当inode节点的引用计数为0时删除该inode节点。

程序编译到运行的流程?

预编译->编译->汇编->链接->执行

• 预编译：进行宏替换以及头文件展开等
• 编译：将高级语言编译为汇编语言
• 汇编：将汇编语言转换成二进制代码（.o文件）
• 链接：将多个二进制文件链接成为可执行文件
• 执行：运行程序

逻辑地址与物理地址是什么？

• 逻辑地址

又称为虚拟地址，也就是在程序编译时将目标模块从0开始编址，装入内存之后再转换成物理地址，从0开始编制的地址就称为逻辑地址。例如C语言中的取地址操作符（&）就是求的逻辑地址。

• 物理地址

又称为绝对地址，是加载到内存单元中的真正物理地址。

一般来说，从逻辑地址到物理地址有两种方式：分页和分段。操作系统根据映射表，将逻辑地址转换为物理地址。

简述分页系统？

1. 组成

分页系统是将 磁盘区分为固定大小的数据块，称为页；也将 内存分为固定大小的数据块，称为页框，程序载入时，将页装入页框中，缺页中断时也是将需要的页放入页框中。

2. 地址结构

分页系统分为 页号+页偏移。地址空间最有有 2^20^ 页，页内偏移量为4KB。

3. 页表 作用是实现 页号->物理块号 的地址映射。

简述分段系统？

1. 组成

分段系统是程序员人为对代码进行分段，在高级编程语言中由编译器帮助我们完成；例如C++的分段系统将内存段划分为：堆段，栈段，代码段，全局静态变量段，文字常量段。

2. 地址结构

分段系统分为 段号+段内偏移，最多有 2^16^ 个段，每个段大小为 64KB。

3. 段表

作用是实现 段号->物理块号 的 地址映射。

分页与分段的区别?

1. 分页的目的在于实现虚拟内存以便拥有更大的内存空间；分段的目的在于将代码与数据进行分区以便共享以及保护。

2. 分页对于程序员是透明的，由操作系统直接帮助我们完成；而分段则是在编译过程中进行的，需要程序员自己设定，在高级语言中由编译器帮助划分段。

3. 分页系统由于页的大小相同，地址空间是一维的；分段系统由于段长不相同，所以地址空间是二维的。

4. 分页系统属于固定分区，会产生内部碎片；分段系统属于动态分区，会产生外部碎片。

内部碎片和外部碎片的区别？

• 内部碎片：是已经被分配出去却不能被使用的内存空间。
• 外部碎片：是还没有被分配出去但是由于太小了无法分配给新进程的内存空间。

也有一种说法是固定分区会产生内部碎片，动态分区会产生外部碎片。

虚拟内存是什么？

虚拟内存实质上就是将硬盘中的一部分当做内存来使用，从而创建了一个比实际内存大得多的虚拟内存。 原理在于程序装入内存时将需要使用的部分调入，不需要使用的部分调出到磁盘。 虚拟内存通过分页系统实现。

页面置换算法有哪些？

1. 最佳置换算法（OPT） 将之后不会使用的页面调出内存，由于并不知道之后会不会使用哪些页面，所以这种理想算法无法实现。

2. LRU算法 将最近最久没有使用的页面调出内存。

3. FIFO算法 先进先出式算法，会出现Belady异常。

简述Linux文件系统结构?

Linux的哲学是万物皆文件，文件系统结构是树结构，文件类型包括普通文件与目录文件。

每一个文件由两部分构成：

1. inode节点号 每一个文件都会占用一个inode，inode的数据结构可以通过 man fstat命令 查看。

2. block 用于记录文件的内容。 在读取一个文件时，首先找到其inode，然后根据inode找到block并进行读取。

写一个c程序判断系统是32位还是64位的？

cout << sizeof(long) << endl;

如果是32位系统则输出4； 如果是64位系统则输出8。

写一个c程序判断系统是大端字节序 还是 小端字节序？

大端模式就是高位优先存放，小端模式就是低位优先存放。 如数据 0x12345678

• 大端模式：0x12345678
• 小端模式：0x78563412

int main()
{
    short a = 0x1234;
    char b = static_cast<char>(a);
    if (b == 0x12)
        cout << "大端模式" << endl;
    else if (b == 0x34)
        cout << "小端模式" << endl;
    
    return 0;
}

有哪些常见的信号？

可以通过 kill –l 命令查看信号。

• SIGINT 中断进程信号，ctrl+c 实现；

• SIGTSTP 任务挂起信号，可以通过 fg/bg 命令将其重新放到前台或者后台执行，ctrl+z实现；该信号与SIGSTOP的区别在于SIGSTOP不能够被捕捉或者忽略。

• SIGKILL 杀死进程信号，kill -9 pid 实现。

注意：其中SIGKILL 和 SIGSTOP信号不能够被捕捉或者忽略。

i++是原子操作吗？为什么？

i++不是原子操作，因为i++的操作分为了3个阶段（读，写，改）：

1. 从内存读取到寄存器；
2. 寄存器中进行自加；
3. 将结果写回内存；

这三个阶段可以被割断，所以不是原子操作。

exit(0)，exit(1)，return的区别？

1. exit是程序的退出，return属于函数的退出。

2. return是C语言中的关键字；exit是系统调用函数。

3. exit(0)代表程序正常退出，exit(1)代表程序非正常退出；return代表函数返回值。程序员可以通过echo $? 命令查看程序的exit值，从而判断程序是否产生错误。

守护进程如何实现？

守护进程是一种特殊的后台程序，会一直运行到系统关闭。

创建守护进程有五个步骤：

1. fork() 创建子进程，终止父进程。

2. setsid() 在子进程中创建新的会话，让其摆脱原终端的控制，成为独立的会话。

3. chdir(“/”) 由于fork中子进程继承了父进程的工作目录，所以需要改变工作目录。

4. umask(0) 由于fork中子进程继承了父进程的文件创建掩码，所以需要改变掩码为0。

5. close(i) 由于fork中子进程继承了父进程的文件描述符，所以需要关闭描述符防止消耗系统资源。

总结：创建子进程->成为独立会话->改变fork继承不必要的东西

• 实例：创建守护进程，向系统日志中定期写入信息。写完后可以通过 sudo cat /var/log/syslog |tail 20 命令查看结果。

void daemon()
{
    if (fork() > 0)
        exit(0);
    setsid();
    chdir("/");
    umask(0);
    for (int i = 0; i < 64; i++)
        close(i);
    int cnt = 0;
    while (cnt < 10)
    {
        syslog(LOG_INFO, "this is %d message", cnt);
        cnt ++;
        sleep(1);
    }
}