操作系统常见面试题及解析

小咪咪 2023-07-18 15:29 19阅读 0赞

1.  **线程和进程的区别**
    
    A :（1）进程有自己的独立地址空间，线程没有
    
    （2）进程是系统进行资源分配和调度的最小单位; 线程是CPU调度和分派的最小单位，线程自身不拥有资源，主要是共享使用气所在进程的资源，独享一点在运行中必不可少的资源(程序计数器，一组寄存器和栈)。
    
    （3）一个线程可以创建和撤销另一个线程；同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。
    
    （4） 系统开销：进程的创建，撤销，切换开销都很大，线程因为值保存少量寄存器内容，所以开销小。
2.  **为什么进程上下文切换比线程上下文切换代价高？**
    
    进程切换分为两步：
    
    (1) 切换页目录以使用新的地址空间
    
    (2) 切换内核栈和硬件上下文
    
    线程切换：
    
    线程的内存空间是共享的，所以不需要切换，而且线程能让内核的缓存依然有效。
3.  **并发和并行的区别**
    
    并发是一段时间内多个进程同时访问；
    
    并行是某个时刻多个进程同时访问。
4.  **创建进程的过程。**
    
    1,申请空白PCB（进程控制块）；  
    2,为新进程分派资源；  
    3,初始化PCB；  
    4,将新进程插入就绪队列；
5.  **中断和轮询的区别.**
    
    轮询：CPU按照一定周期挨个读取设备寄存器，看它是否有数据输入或输出的要求，若有，则进行相应的I/O服务；若无，或I／O处理完毕，CPU就接着查询下一个外设。
    
    中断：CPU与设备并行处理自己的数据，当外围设备操作完成时，给中断请求线发送一个信号，因为CPU执行完每条指令后，都会检测中断请求线，所以能很快检测到中断请求，接着CPU执行状态保存并且跳到内存固定位置的中断处理程序。终端处理程序确定中断原因，执行必要处理，执行状态恢复，并且执行返回终端指令以便CPU回到中断前的执行状态。
    
    区别：轮询对CPU浪费较严重，而中断相对来说更为合适一些.
6.  **什么是临界区，如何解决冲突？**
    
     每个进程中访问临界资源的那段程序称为临界区，每次只准许一个进程进入临界区，进入后不允许其他进程进入。如果有若干个进程要求进入空闲的临界区，一次仅允许一个进程进入。
    
     任何时候，处于临界区的进程不可多于一个。如已有进程进入自己的临界区，则其他试图进入临界区的进程必须等待。
    
     进入临界区的进程要在有限时间内退出，以便其他进程能及时进入自己的临界区。如果不能进入自己的临界区，就应该让出CPU，避免进程出现忙等等现象。
7.  **分页和分段的区别**
    
     页是信息的物理单位，分页是为了实现离散分配方式，以减少内存的外零头，提高内存的利用率。分页仅仅是由于系统管理的需要，而不是用户的需要。段是信息的逻辑单位，它含有一组其意义相对完整的信息。
    
     分段的目的是为了能更好的满足用户的需要。页的大小固定且由系统确定，把逻辑地址分为页号和页内地址两部分，由机器硬件实现的。因此一个系统只能有一种大小的页面。段的长度却不固定，决定于用户所编写的程序，通常由编写程序在对源代码进行编辑时，根据信息的性质来划分。
8.  **进程间通信有哪些方式?它们的区别?**
    
    IPC方式：7种
    
    管道：
    
    1.**管道**（pipe）：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在有血缘关系的进程间使用，进程的血缘关系通常是指父子进程关系。  
    2.**命名管道**（named pipe）：也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系关系进程间通信。
    
    消息传递:
    
    3.**信号**（signal）：是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某一事件已经发生。  
    4.**套接字**（socket）：套接口也是进程间的通信机制，与其他通信机制不同的是它可用于不同及其间的进程通信。
    
    6.**共享内存**（shared memory）:就是映射一段能被其他进程所访问的内存，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，它是针对其他进程间的通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号量等配合使用，来实现进程间的同步和通信。
    
    4.**信号量**（semophere）：信号量是一个计数器，可用来控制多个进程对共享资源的访问。它通常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。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。
    
    5.**消息队列**（message queue）:消息队列是由消息组成的链表，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消息少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。  
    几种方式的比较：
    
    管道：速度慢、容量有限  
    消息队列：容量收到系统限制，且要注意第一次读的时候，要考虑上一次没有读完数据的问题。  
    信号量：不能传递复杂信息，只能用来同步。
    
    共享内存：能够很容易控制容量，速度快，但要保持同步，比如一个进程在写的时候，另一个进程要注意读写的问题，相当于线程中的线程安全。
9.  **线程间的通信机制**
    
     1.锁机制：互斥锁、条件变量、读写锁  
    　 互斥锁提供了以排他方式防止数据结构被并发修改的方法。  
    　 读写锁允许多个线程同时读共享数据，而对写操作是互斥的。  
     　条件变量可以以原子的方式进行阻塞进程，直到某个特定条件为真为止。对条件的测试是在互斥锁的保护下进行的。条件变量始终与互斥锁一起使用。  
     ２.信号量机制：包括无名信号量和命名线程信号量;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  
     ３.信号机制：类似进程间的信号处理  
    线程间的通信目的主要是用于线程同步，所以线程没有像进程通信中的用于数据交换的通信机制。
10. **进程间同步与互斥的区别？**
    
     互斥：指某一个资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的  
    同步：是指在互斥的基础上（大多数情况下），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源。  
    同步：体现的是一种协作性。互斥：体现的是排它性。  
    进程同步的主要任务：是对多个相关进程在执行次序上进行协调，以使并发执行的诸进程之间能有效地共享资源和相互合作。从而使程序的执行具有可再现性。  
    同步机制遵循的原则：  
    　1.空闲让进；  
    　2.忙则等待；  
    　3.有限等待（有限代表有限的时间，避免死等）；  
    　4.让权等待（当进程不能进入自己的临界区时，应该释放处理机，以免陷入忙等状态）；
11. **进程的调度算法有哪些？**
    
    1.先来先服务（FCFS）:此算法的原则是按照作业到达后备作业队列（或进程进入就绪队列）的先后次序选择作业（或进程）  
    　　2.短作业优先（SJF:Shortest Process First）：这种算法主要用于作业调度，它从作业后备序列中挑选所需运行时间最短的作业进入主存运行。  
    　　3.时间片轮转调度算法：当某个进程执行的时间片用完时，调度程序便终止该进程的执行，并将它送到就绪队列的末尾，等待分配下一时间片再执行。然后把处理机分配给就绪队列中新的队首进程，同时也让它执行一个时间片。这样就可以保证队列中的所有进程，在已给定的时间内，均能获得一时间片处理机执行时间。  
    　　4.高响应比优先：按照高响应比（已等待时间+要求运行时间）/要求运行时间 优先的原则，在每次选择作业投入运行时，先计算此时后备作业队列中每个作业的响应比RP。选择最大的作业投入运行。  
    　　5.*优先权调度算法*：按照进程的优先权大小来调度。使高优先权进程得到优先处理的调度策略称为优先权调度算法。注意：优先数越多，优先权越小。
    
     6.多级队列调度算法：多队列调度是根据作业的性质和类型的不同，将就绪队列再分为若干个队列，所有的作业（进程）按其性质排入相应的队列中，而不同的就绪队列采用不同的调度算法。
12. **进程有哪几种状态？**
    
     *  就绪状态：进程已获得除处理机以外的所需资源，等待分配处理机资源；
     *  运行状态：占用处理机资源运行，处于此状态的进程数小于等于CPU数；
     *  阻塞状态： 进程等待某种条件，在条件满足之前无法执行；

![进程的三种状态.jpg-14.1kB][.jpg-14.1kB]

1.  **什么是虚拟内存？**
    
    虚拟内存
    
    虚拟内存允许执行进程不必完全在内存中。虚拟内存的基本思想是：**每个进程拥有独立的地址空间，这个空间被分为大小相等的多个块，称为页(Page)，每个页都是一段连续的地址**。这些页被映射到物理内存，但并不是所有的页都必须在内存中才能运行程序。当程序引用到一部分在物理内存中的地址空间时，由硬件立刻进行必要的映射；当程序引用到一部分不在物理内存中的地址空间时，由操作系统负责将缺失的部分装入物理内存并重新执行失败的命令。这样，对于进程而言，逻辑上似乎有很大的内存空间，实际上其中一部分对应物理内存上的一块(称为帧，通常页和帧大小相等)，还有一些没加载在内存中的对应在硬盘上，如图5所示。  
    注意，请求分页系统、请求分段系统和请求段页式系统都是针对虚拟内存的，通过请求实现内存与外存的信息置换。
    
    ![这里写图片描述][SouthEast]

由图可以看出，虚拟内存实际上可以比物理内存大。当访问虚拟内存时，会访问MMU（内存管理单元）去匹配对应的物理地址（比如图5的0，1，2）。如果虚拟内存的页并不存在于物理内存中（如图5的3,4），会产生缺页中断，从磁盘中取得缺的页放入内存，如果内存已满，还会根据某种算法将磁盘中的页换出。

应用与优点

虚拟内存很适合在多道程序设计系统中使用，许多程序的片段同时保存在内存中。当一个程序等待它的一部分读入内存时，可以把CPU交给另一个进程使用。虚拟内存的使用可以带来以下好处：

在内存中可以保留多个进程，系统并发度提高,解除了用户与内存之间的紧密约束，进程可以比内存的全部空间还大.

1.  **页面置换算法**
    
     FIFO先进先出算法；
    
     LRU（Least recently use）最近最少使用算法；
    
     LFU（Least frequently use）最少使用次数算法；
    
     OPT（Optimal replacement）最优置换算法：理论的最优，理论；就是要保证置换出去的是不再被使用的页，或者是在实际内存中最晚使用的算法。
2.  **什么是线程安全？**
    
    在多线程下运行程序的结果是可预期的：与单线程的程序运行结果相同，那么就是线程安全的。
3.  **同步和异步的区别。**
    
    同步和异步：以前是人排队，现在是行李箱排队。
    
    同步特点：阻塞模式，按顺序执行，需要等待，协调运行。
    
    异步特点：非阻塞模式，无需等待。并且彼此独立，线程就是异步实现的一个方式。
    
    区别：同步可以避免出现死锁，读脏数据的发生。但，同步需要等待资源访问结束，浪费时间，效率低。
    
    异步可以提高效率，但是安全性较低。
4.  线程共享资源和独占资源问题
    
    一个进程中的所有线程共享该进程的地址空间，但它们有各自独立的（/私有的）栈(stack)，Windows线程的缺省堆栈大小为1M。堆(heap)的分配与栈有所不同，一般是一个进程有一个C运行时堆，这个堆为本进程中所有线程共享，windows进程还有所谓进程默认堆，用户也可以创建自己的堆。  
    用操作系统术语，线程切换的时候实际上切换的是一个可以称之为线程控制块的结构（TCB）,里面保存所有将来用于恢复线程环境必须的信息，包括所有必须保存的寄存器集，线程的状态等。
    
    **堆：**　是大家共有的空间，分全局堆和局部堆。全局堆就是所有没有分配的空间，局部堆就是用户分配的空间。堆在操作系统对进程初始化的时候分配，运行过程中也可以向系统要额外的堆，但是记得用完了要还给操作系统，要不然就是内存泄漏。
    
    \*\*栈：\*\*是个线程独有的，保存其运行状态和局部自动变量的。栈在线程开始的时候初始化，每个线程的栈互相独立，因此，栈是　thread safe的。操作系统在切换线程的时候会自动的切换栈，就是切换　ＳＳ／ＥＳＰ寄存器。栈空间不需要在高级语言里面显式的分配和释放。
    
    \[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-w4fDKIBW-1585464555640)(C:\\Users\\10146\\Pictures\\技术\\操作系统\\3. 进程\\线程的共享资源和独享资源区别.png)\]
5.  什么是单工、半双工和双工通信？有哪些实际应用的例子
    
    1）单工通信：数据信息在通信线上始终向一个方向传输。广播电视，收音机，电视机。
    
    2）半双工通信 : 数据信息可以双向传输，但必须交替进行，同一时刻一个信道只允许单向传送。对讲机
    
    3）全双工通信: 全双工通信同时进行二个方向的通信，既二个信道，可同时进行双向的数据传输。它相当于把二个相反方向的单工通信方式组合起来。普通电话.

[.jpg-14.1kB]: /images/20230528/5f07fef171264eee93dbce484c72493f.png
[SouthEast]: /images/20230528/379e49c4ba044137a2d2c96f948a1d7f.png