问题一览

什么是操作系统？
操作系统主要有哪些功能？
常见的操作系统有哪些？
什么是用户态和内核态？
为什么要有用户态和内核态？只有一个内核态不行么？
用户态和内核态是如何切换的？
什么是系统调用？
系统调用的过程了解吗？
什么是进程和线程？
进程和线程的区别是什么？
有了进程为什么还需要线程？
为什么要使用多线程？
线程间的同步的方式有哪些？
PCB 是什么？包含哪些信息？
进程有哪几种状态？
进程间的通信方式有哪些？
进程的调度算法有哪些？
什么是僵尸进程和孤儿进程？
如何查看是否有僵尸进程？
什么是死锁？
能列举一个操作系统发生死锁的例子吗？
产生死锁的四个必要条件是什么？
能写一个模拟产生死锁的代码吗？
解决死锁的方法有哪些？
什么是内存碎片？
常见的内存管理方式有哪些？
什么是虚拟内存？有什么用？
没有虚拟内存有什么问题？
什么是虚拟地址和物理地址？
什么是虚拟地址空间和物理地址空间？
虚拟地址与物理内存地址是如何映射的？
段表有什么用？地址翻译过程是怎样的？
通过段号一定要找到对应的段表项吗？得到最终的物理地址后对应的物理内存一定存在吗？
分段机制为什么会导致内存外部碎片？
页表有什么用？地址翻译过程是怎样的？
通过虚拟页号一定要找到对应的物理页号吗？找到了物理页号得到最终的物理地址后对应的物理页一定存在吗？
单级页表有什么问题？为什么需要多级页表？
TLB 有什么用？使用 TLB 之后的地址翻译流程是怎样的？
换页机制有什么用？
什么是页缺失？
常见的页面置换算法有哪些？
FIFO 页面置换算法性能为何不好？
哪一种页面置换算法实际用的比较多？
分页机制和分段机制有哪些共同点和区别？
局部性原理是什么？
文件系统主要做了什么？
硬链接和软链接有什么区别？
硬链接为什么不能跨文件系统？
提高文件系统性能的方式有哪些？
常见的磁盘调度算法有哪些？

什么是操作系统？

操作系统是管理计算机硬件和软件资源的系统软件，是计算机系统的核心。

它为用户提供了一个与硬件交互的接口，同时也管理和调度系统资源。

操作系统主要有哪些功能？

操作系统主要提供以下基本功能：

进程管理：管理进程、线程，决定哪个进程、线程使用CPU（进程调度）
内存管理：决定内存的分配和回收
设备管理：为进程与硬件设备之间提供通信能力
提供系统调用：作为用户程序与操作系统之间的接口

常见的操作系统有哪些？

常见的操作系统包括：

Windows
Linux
macOS
Android
iOS

什么是用户态和内核态？

用户态和内核态是操作系统的两种运行级别：

用户态：普通的用户程序运行的模式，权限较低，不能直接访问硬件资源
内核态：操作系统内核运行的模式，拥有最高权限，可以直接访问硬件资源

为什么要有用户态和内核态？只有一个内核态不行么？

设置用户态和内核态的主要目的是为了保护系统的安全和稳定性。

如果只有内核态，所有程序都能直接访问硬件和关键资源，可能会导致系统崩溃或被恶意程序利用。

通过区分用户态和内核态，可以限制普通程序的权限，提高系统的安全性和稳定性。

用户态和内核态是如何切换的？

用户态到内核态的切换通常通过系统调用、中断或异常来实现。

当用户程序需要执行特权操作时，会触发从用户态到内核态的切换。

完成操作后，系统会再次切换回用户态。

什么是系统调用？

系统调用是用户程序请求操作系统内核服务的接口。它允许用户程序访问操作系统提供的服务，如文件操作、进程控制等。

系统调用的过程了解吗？

系统调用的基本过程如下：

用户程序通过特定的指令（如x86的INT指令）触发系统调用
CPU切换到内核态
操作系统执行相应的系统调用处理程序
完成请求的操作
返回结果给用户程序
CPU切换回用户态

什么是进程和线程？

进程：是操作系统中的一个执行实体，拥有独立的内存空间和系统资源
线程：是进程内的一个执行单元，共享所属进程的内存空间和资源

进程和线程的区别是什么？

上图已经表现了区别，主要区别包括：

资源占用：进程是资源分配的基本单位，线程是CPU调度的基本单位
内存空间：进程有独立的内存空间，线程共享所属进程的内存空间
创建和切换开销：创建和切换进程的开销比线程大
通信方式：进程间通信相对复杂，线程间通信较简单

有了进程为什么还需要线程？

线程的引入是为了提高程序的并发性和响应速度。

相比进程，线程的创建和切换开销更小，可以更有效地利用多核处理器，提高系统的并发性能。

为什么要使用多线程？

使用多线程可以：

提高程序的并发性
更好地利用多核处理器
提高程序的响应速度
简化程序结构，使得复杂任务的处理更加直观

线程间的同步的方式有哪些？

常见的线程同步方式包括：

互斥锁（Mutex）
信号量（Semaphore）
条件变量（Condition Variable）
读写锁（Read-Write Lock）
原子操作（Atomic Operations）

PCB是什么？包含哪些信息？

PCB（Process Control Block）是进程控制块，是操作系统用来管理进程的数据结构。

它通常包含以下信息：

进程ID
进程状态
程序计数器
CPU寄存器
CPU调度信息
内存管理信息
I/O状态信息
账户信息

进程有哪几种状态？

进程通常有以下几种基本状态：

创建（New）
就绪（Ready）
运行（Running）
阻塞（Blocked）
终止（Terminated）

进程间的通信方式有哪些？

常见的进程间通信方式包括：

管道（Pipe）
消息队列（Message Queue）
共享内存（Shared Memory）
信号量（Semaphore）
套接字（Socket）
信号（Signal）

进程的调度算法有哪些？

常见的进程调度算法包括：

先来先服务（FCFS）
短作业优先（SJF）
优先级调度
轮转调度（Round Robin）
多级反馈队列调度

什么是僵尸进程和孤儿进程？

僵尸进程：子进程结束后，父进程没有及时回收子进程的资源，导致子进程残留在系统中的进程
孤儿进程：父进程在子进程结束之前退出，导致子进程成为孤儿，被init进程收养的进程

如何查看是否有僵尸进程？

在Linux系统中，可以使用以下命令查看僵尸进程：

ps aux | grep Z

或

top

然后查看"S"列，如果显示"Z"，则表示是僵尸进程。

什么是死锁？

死锁是指两个或多个进程互相等待对方释放资源，导致所有相关进程无法继续执行的状态。

能列举一个操作系统发生死锁的例子吗？

一个典型的死锁例子是"哲学家就餐问题"：

五个哲学家坐在圆桌旁，每人之间放着一把叉子。每个哲学家需要两把叉子才能吃饭。

如果每个哲学家都先拿起左边的叉子，然后等待右边的叉子，就会发生死锁。

产生死锁的四个必要条件是什么？

产生死锁的四个必要条件是：

互斥条件：资源不能被多个进程同时使用
请求与保持条件：进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求
不剥夺条件：进程已获得的资源在未使用完之前不能被强行剥夺
循环等待条件：存在一个进程等待队列，形成首尾相接的循环等待资源关系

能写一个模拟产生死锁的代码吗？

以下是一个简单的Java代码示例，模拟两个线程互相等待对方的资源，从而产生死锁：

public class DeadlockExample {
    public static void main(String[] args) {
        final Object resource1 = new Object();
        final Object resource2 = new Object();

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            synchronized (resource1) {
                System.out.println("Thread 1: Holding resource 1...");
                try { Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {}
                System.out.println("Thread 1: Waiting for resource 2...");
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println("Thread 1: Holding resource 1 and resource 2...");
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            synchronized (resource2) {
                System.out.println("Thread 2: Holding resource 2...");
                try { Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {}
                System.out.println("Thread 2: Waiting for resource 1...");
                synchronized (resource1) {
                    System.out.println("Thread 2: Holding resource 2 and resource 1...");
                }
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

解决死锁的方法有哪些？

解决死锁的方法主要有：

预防死锁：破坏产生死锁的四个必要条件之一
避免死锁：使用银行家算法等方法，在资源分配之前预测是否会导致死锁
检测和解除死锁：允许死锁发生，但通过周期性检测并解除死锁状态
忽略死锁：适用于发生概率极低且影响不大的情况

什么是内存碎片？

内存碎片是指内存空间中的小块未使用内存，这些小块内存由于太小或分散而难以被有效利用。

主要分为两种：

内部碎片：分配给进程的内存块中未被使用的部分
外部碎片：已分配的内存块之间的小块空闲空间

常见的内存管理方式有哪些？

常见的内存管理方式包括以下五种：

一、固定分区管理

原理：在系统运行前，将内存空间划分为若干个固定大小的分区，每个分区只能装入一道作业。分区的大小可以相等，也可以不等。
优点：实现简单，易于管理，不需要复杂的内存分配和回收算法。
缺点：内存利用率不高，因为分区大小固定，可能会出现小作业无法装入大分区，而大作业无法装入小分区的情况；缺乏灵活性，不能根据作业的实际需求动态调整分区大小。

二、动态分区管理

原理：在系统运行过程中，根据作业的大小动态地划分内存空间。当有新作业进入系统时，系统为其分配一块足够大的内存空间；当作业运行结束后，回收其所占用的内存空间，并将其合并到空闲内存中。
优点：提高了内存利用率，能够根据作业的实际需求分配内存空间。
缺点：容易产生内存碎片，随着作业的不断进入和退出，内存空间会被分割成许多不连续的小块，降低了内存的可用性；内存分配和回收算法相对复杂，需要耗费一定的时间和系统资源。

三、分页管理

原理：将内存空间和程序都划分为大小相等的页面，程序的页面可以离散地存储在内存的不同页面中。通过页表记录程序页面与内存页面的对应关系，实现地址转换。
优点：有效地解决了外部碎片问题，提高了内存利用率；便于实现虚拟内存，将程序的一部分页面暂存到外存中，当需要时再调入内存，从而扩大了程序的可用内存空间。
缺点：页表的存储和管理需要占用一定的内存空间；地址转换过程增加了系统的开销。

四、分段管理

原理：将程序按照逻辑结构划分为若干个段，如代码段、数据段、栈段等。每个段有自己的名字、长度和起始地址。内存分配以段为单位，段可以离散地存储在内存中。通过段表记录段与内存的对应关系，实现地址转换。
优点：便于程序的模块化设计和管理，提高了程序的可读性和可维护性；有利于实现共享和保护，不同程序的相同段可以共享，同时可以对不同的段设置不同的访问权限。
缺点：同分页管理一样，段表的存储和管理需要占用一定的内存空间；地址转换过程增加了系统的开销；容易产生外部碎片，因为段的大小不固定。

五、段页式管理

原理：结合了分段管理和分页管理的优点，将程序先按逻辑结构划分为若干个段，每个段再划分为大小相等的页面。通过段表和页表实现地址转换。
优点：既具有分段管理的优点，便于程序的模块化设计和管理，又具有分页管理的优点，有效地解决了外部碎片问题，提高了内存利用率。
缺点：地址转换过程更加复杂，需要同时查询段表和页表，增加了系统的开销；段表和页表的存储和管理需要占用更多的内存空间。

什么是虚拟内存？有什么用？

虚拟内存是一种内存管理技术，它为进程提供一个连续的虚拟地址空间，使得进程认为它拥有连续的可用内存。虚拟内存的主要作用包括：

扩展物理内存的容量
简化内存管理
提高内存利用率
实现进程间的内存隔离

没有虚拟内存有什么问题？

如果没有虚拟内存，可能会出现以下问题：

物理内存容量限制程序的运行
内存碎片问题更加严重
多进程并发执行时，内存管理更加复杂
进程间的内存隔离更难实现，可能导致安全问题

什么是虚拟地址和物理地址？什么是虚拟地址空间和物理地址空间？

虚拟地址：程序所使用的内存地址，是一个逻辑概念
物理地址：实际的内存硬件中的地址，对应于内存条上的具体位置
虚拟地址空间：进程可以使用的虚拟内存地址的集合
物理地址空间：实际物理内存中可用的地址的集合

虚拟地址与物理内存地址是如何映射的？

根据提供的内容，虚拟地址到物理地址的映射是通过CPU芯片中的内存管理单元（MMU）完成的。进程持有的虚拟地址会通过MMU的映射关系转换成物理地址，然后再通过物理地址访问内存。

段表有什么用？地址翻译过程是怎样的？

段表用于实现分段内存管理，它记录了每个段的基地址和长度。地址翻译过程大致如下：

从虚拟地址中提取段号和段内偏移
使用段号在段表中查找对应的段表项
检查段内偏移是否越界
将段表项中的基地址与段内偏移相加，得到物理地址

通过段号一定要找到对应的段表项吗？得到最终的物理地址后对应的物理内存一定存在吗？

不一定。如果段号无效或段表项不存在，会触发段错误。即使找到了物理地址，对应的物理内存也不一定存在，可能需要触发缺页中断来加载所需的内存页。

分段机制为什么会导致内存外部碎片？

分段机制会导致内存外部碎片，因为不同大小的段被分配和释放后，会在内存中留下不连续的小块空闲空间，这些空间可能太小而无法被有效利用。

页表有什么用？地址翻译过程是怎样的？

页表用于实现分页内存管理，它记录了虚拟页号到物理页号的映射关系。地址翻译过程大致如下：

从虚拟地址中提取虚拟页号和页内偏移
使用虚拟页号在页表中查找对应的物理页号
将物理页号与页内偏移组合，得到物理地址

通过虚拟页号一定要找到对应的物理页号吗？找到了物理页号得到最终的物理地址后对应的物理页一定存在吗？

不一定。如果虚拟页号无效或对应的页表项不存在，会触发缺页中断。

即使找到了物理页号和物理地址，对应的物理页也不一定在内存中。

如果该页面当前不在物理内存中，系统会触发缺页中断，从磁盘将所需页面加载到内存中。

单级页表有什么问题？为什么需要多级页表？

单级页表的主要问题：

内存占用大：对于大型地址空间，单级页表可能会占用大量连续内存
内存碎片：可能导致大量内存碎片
访问效率低：对于大型页表，查找速度可能较慢

多级页表的优势：

减少内存占用：只需要为实际使用的地址空间分配页表
灵活性：可以更灵活地管理大型地址空间
提高访问效率：可以利用缓存机制提高访问速度

TLB有什么用？使用TLB之后的地址翻译流程是怎样的？

TLB (Translation Lookaside Buffer) 的作用：

加速虚拟地址到物理地址的转换
缓存最近使用的页表项

使用TLB后的地址翻译流程：

检查TLB中是否存在虚拟页号对应的条目
如果存在（TLB命中），直接获取物理页号
如果不存在（TLB未命中），按常规方式查询页表
将新查询到的页表项添加到TLB中
使用获得的物理页号和页内偏移计算物理地址

换页机制有什么用？

换页机制的作用：

实现虚拟内存，使程序可以使用比物理内存更大的地址空间
在物理内存不足时，将不常用的页面暂时存储到磁盘上
根据需要将页面在内存和磁盘之间进行交换，提高内存利用率

什么是页缺失？

页缺失（Page Fault）是指当程序访问的页面不在物理内存中时发生的情况。

这通常会触发一个中断，操作系统随后会将所需的页面从磁盘加载到内存中。

常见的页面置换算法有哪些？

常见的页面置换算法包括：

先进先出（FIFO）算法
最近最少使用（LRU）算法
最不常用（LFU）算法
时钟（Clock）算法
最优（OPT）算法（理论算法，实际中难以实现）

一、先进先出（FIFO）算法

原理：选择在内存中驻留时间最长的页面进行置换，即最先进入内存的页面最先被换出。可以使用一个队列来记录页面进入内存的顺序，每次需要置换页面时，选择队首的页面进行置换。
优点：实现简单，不需要额外的硬件支持。
缺点：没有考虑页面的使用频率和未来的访问情况，可能会把经常使用的页面换出，导致性能下降。例如，对于一些循环访问的页面序列，FIFO 算法可能会频繁地进行页面置换。

二、最近最少使用（LRU）算法

原理：选择最近最久未使用的页面进行置换。可以使用一个栈或链表来记录页面的使用顺序，每次访问一个页面时，将其移到栈顶或链表头部，表示它是最近使用的页面。当需要置换页面时，选择栈底或链表尾部的页面进行置换。
优点：能够较好地反映页面的使用情况，减少频繁换页的情况，提高系统性能。
缺点：实现相对复杂，需要额外的硬件支持或软件算法来记录页面的使用顺序。例如，需要使用专门的寄存器或栈来存储页面的访问信息，增加了系统的开销。

三、最不常用（LFU）算法

原理：选择在一段时间内使用次数最少的页面进行置换。可以为每个页面设置一个计数器，记录页面的使用次数。当需要置换页面时，选择计数器值最小的页面进行置换。
优点：考虑了页面的使用频率，能够保留经常使用的页面，减少换页次数。
缺点：计数器的维护需要一定的开销，而且可能会受到页面访问模式的影响。例如，如果一个页面在一段时间内被频繁访问，但之后很长时间都未被访问，它的计数器值可能仍然较高，导致其他更需要被置换的页面无法被换出。

四、时钟（Clock）算法

原理：将内存中的页面组织成一个环形链表，类似于时钟的表盘。每个页面有一个访问位（use bit），初始时所有页面的访问位都为 0。当一个页面被访问时，将其访问位设置为 1。当需要置换页面时，从当前指针位置开始，依次检查每个页面的访问位。如果访问位为 0，表示该页面最近未被访问过，就选择这个页面进行置换；如果访问位为 1，表示该页面最近被访问过，就把这个页面的访问位清 0，继续检查下一个页面。
优点：实现相对简单，不需要额外的硬件支持。与 FIFO 算法相比，能够减少一些不必要的页面置换。
缺点：可能会出现一些不合理的置换情况，例如，一个页面虽然最近被访问过，但如果它在很长一段时间内都不会再被访问，而其他页面虽然最近未被访问过，但在未来可能会被频繁访问，此时时钟算法可能会选择错误的页面进行置换。

五、最优（OPT）算法（理论算法，实际中难以实现）

原理：选择在未来最长时间内不会被访问的页面进行置换。这需要预先知道每个页面在未来的访问情况，显然在实际系统中是不可能做到的。
优点：如果能够实现，它可以保证系统的性能最优，即换页次数最少。
缺点：只具有理论意义，实际中无法实现。通常用于评估其他页面置换算法的性能。

FIFO页面置换算法性能为何不好？

FIFO（先进先出）页面置换算法性能不好的原因：

不考虑页面的访问频率，可能会置换出经常使用的页面
可能导致Belady异常：增加物理页框数反而增加缺页次数
没有考虑页面的局部性原理，不能很好地适应程序的访问模式

哪一种页面置换算法实际用的比较多？

在实际系统中，常用的页面置换算法是时钟（Clock）算法或其变种。

时钟（Clock）页面置换算法又称最近未用（Not Recently Used，NRU）算法，是一种常用的页面置换算法。

一、基本原理

把物理内存中的所有页面组织成一个环形链表，类似于时钟的表盘，表针指向一个页面。页面中有一个访问位（use bit）和一个修改位（dirty bit）。

当发生缺页中断时，算法开始遍历这个环形链表，就像时钟的表针在走动。
每遇到一个页面，就检查其访问位。如果访问位为 0，表示该页面最近未被访问过，就选择这个页面进行置换；如果访问位为 1，表示该页面最近被访问过，就把这个页面的访问位清 0，继续检查下一个页面。

二、算法流程

初始化时，将所有页面放入环形链表中，并设置访问位和修改位。
当有新的页面需要调入内存时，如果内存已满，就启动时钟算法进行页面置换。
算法从当前指针位置开始，依次检查每个页面的访问位和修改位。如果访问位为 0 且修改位为 0，直接置换该页面；如果访问位为 0 但修改位为 1，就把该页面的访问位清 0，继续检查下一个页面，直到找到一个可置换的页面。
如果遍历一圈后仍未找到可置换的页面，就重新开始遍历，直到找到为止。

三、优点

实现相对简单，不需要太多复杂的数据结构和计算。
性能接近LRU，但实现成本更低
避免了FIFO的一些问题，如Belady异常
能够较好地平衡页面的使用频率和最近访问时间，在一定程度上提高了内存的利用率。

四、缺点

可能会频繁地进行页面置换，尤其是在内存紧张且页面访问模式比较随机的情况下，导致系统性能下降。
对于一些特殊的访问模式，如连续访问相同的页面集合，可能会出现不必要的页面置换，降低算法的效率。

分页机制和分段机制有哪些共同点和区别？

共同点：

都是内存管理的方法
都支持非连续内存分配
都需要地址转换机制

区别：

单位不同：
- 分页以固定大小的页为单位
- 分段以不同大小的段为单位
地址结构：
- 分页地址由页号和页内偏移组成
- 分段地址由段号和段内偏移组成
共享和保护：
- 分页难以实现共享和保护
- 分段更容易实现共享和保护
碎片问题：
- 分页主要产生内部碎片
- 分段可能产生外部碎片
程序员感知：
- 分页对程序员透明
- 分段可以被程序员感知和使用

局部性原理是什么？

局部性原理是指程序在执行时呈现出局部性特征，主要包括：

时间局部性：最近被引用的项目可能在不久的将来再次被引用
空间局部性：被引用项目附近的项目也可能在不久的将来被引用
顺序局部性：程序倾向于顺序执行指令

局部性原理是许多优化技术（如缓存、预取等）的基础。

文件系统主要做了什么？

文件系统主要完成以下任务：

管理和组织存储设备上的文件
提供文件的创建、读取、写入、删除等操作接口
实现文件的命名和目录结构
管理存储空间，分配和回收磁盘块
提供文件访问控制和安全机制
支持文件的备份和恢复

硬链接和软链接有什么区别？

硬链接：

与原文件共享同一个inode
只能在同一文件系统中创建
删除任一链接，文件依然存在
不能链接目录

软链接（符号链接）：

创建一个新的inode，指向原文件路径
可以跨文件系统
原文件删除后，链接失效
可以链接目录

硬链接为什么不能跨文件系统？

硬链接不能跨文件系统的原因：

硬链接本质上是同一个文件的多个目录项
不同文件系统有独立的inode编号空间
跨文件系统无法保证inode编号的唯一性
文件系统管理和维护会变得复杂

提高文件系统性能的方式有哪些？

提高文件系统性能的方法包括：

使用缓存：如页缓存、inode缓存、目录项缓存
预读和预写：预测性地读取或写入数据
异步I/O：允许其他操作在I/O等待时继续执行
日志文件系统：提高文件系统的可靠性和恢复速度
优化文件分配策略：如连续分配、块组等
使用更快的存储介质：如SSD
RAID技术：提高I/O并行度和可靠性
文件系统碎片整理
合理的目录结构设计

常见的磁盘调度算法有哪些？

常见的磁盘调度算法包括：

先来先服务（FCFS）：按请求到达的顺序处理
最短寻道时间优先（SSTF）：选择离当前磁头位置最近的请求
扫描算法（SCAN）：磁头沿一个方向移动，服务遇到的所有请求，到达一端后改变方向
循环扫描算法（C-SCAN）：类似SCAN，但只在一个方向上服务请求
LOOK和C-LOOK：SCAN和C-SCAN的改进版，磁头只移动到最远的请求位置
N步扫描（N-step SCAN）：将请求分成N个子队列，每次扫描处理一个子队列

操作系统面试必问 50 题！