面试题——操作系统

操作系统基本功能：

• 进程管理：进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。

• 内存管理：内存分配、地址映射、内存保护与共享、虚拟内存等。

• 文件管理：文件存储空间的管理、目录管理、文件读写管理和保护等。

• 设备管理：完成用户的 I/O 请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利率。主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理、虛拟设备等。

 

大内核和微内核：

1. 大内核：

大内核是将操作系统功能作为一个紧密结合的整体放到内核。由于各模块共享信息，因此有很高的性能。

2. 微内核：

由于操作系统不断复杂，因此将一部分操作系统功能移出内核，从而降低内核的复杂性。移出的部分根据分层的原则划分成若干服务，相互独立。

在微内核结构下，操作系统被划分成小的、定义良好的模块，只有微内核这一个模块运行在内核态，其余模块运行在用户态。

因为需要频繁地在用户态和核心态之间进行切换，所以会有一定的性能损失。

 

中断分类：

 

• 外中断：由 CPU 执行指令以外的事件引起，如 I/O 完成中断，表示设备输入/输出处理已经完成，处理器能够发送下一个输入/输出请求。此外还有时钟中断、控制台中断等。

• 异常：由CPU 执行指令的内部事件引起，如非法操作码、地址越界、算术溢出等。

• 陷入：在用户程序中使用系统调用。

 

进程与线程：

 

定义：进程是资源分配的基本单位。线程是独立调度的基本单位。一个进程中可以有多个线程，它们共享进程资源。

区别：

拥有资源：进程是资源分配的基本单位，但是线程不拥有资源，线程可以访问隶属进程的资源。

调度：线程是独立调度的基本单位，在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换，从一个进程内的线程切换到另一个进程中的线程时，会引起进程切换。

进程调度算法：

• 先来先服务（FCFS，first come first served）

算法原理：当其他人也想进入内存被执行，就要排队等着，如果在执行过程中出现一些事，他现在不想排队了，下一个排队的就补上。此时如果他又想排队了，只能站到队尾去。 
算法优点：易于理解且实现简单，只需要一个队列(FIFO)，且相当公平 
算法缺点：比较有利于长进程，而不利于短进程，有利于CPU 繁忙的进程，而不利于I/O 繁忙的进程

• 最短作业优先（SJF, Shortest Job First）

算法原理：对预计执行时间短的进程优先分派处理机。通常后来的短进程不抢先正在执行的进程。 
算法优点：相比FCFS 算法，该算法可改善平均周转时间和平均带权周转时间，缩短进程的等待时间，提高系统的吞吐量。 
算法缺点：对长进程非常不利，可能长时间得不到执行，且未能依据进程的紧迫程度来划分执行的优先级，以及难以准确估计进程的执行时间，从而影响调度性能。

• 最高响应比优先法(HRRN，Highest Response Ratio Next)

算法原理：HRN调度策略同时考虑每个作业的等待时间长短和估计需要的执行时间长短，从中选出响应比最高的作业投入执行。响应比R定义如下：R =(W+T)/T = 1+W/T 
其中T为该作业估计需要的执行时间，W为作业在后备状态队列中的等待时间。每当要进行作业调度时，系统计算每个作业的响应比，选择其中R最大者投入执行。 
算法优点：由于长作业也有机会投入运行，在同一时间内处理的作业数显然要少于SJF法，从而采用HRRN方式时其吞吐量将小于采用SJF 法时的吞吐量。 
算法缺点：由于每次调度前要计算响应比，系统开销也要相应增加。

• 时间片轮转算法（RR，Round-Robin）

算法原理：让就绪进程以FCFS 的方式按时间片轮流使用CPU 的调度方式，即将系统中所有的就绪进程按照FCFS 原则，排成一个队列，每次调度时将CPU 分派给队首进程，让其执行一个时间片，时间片的长度从几个ms 到几百ms。在一个时间片结束时，发生时钟中断，调度程序据此暂停当前进程的执行，将其送到就绪队列的末尾，并通过上下文切换执行当前的队首进程，进程可以未使用完一个时间片，就出让CPU（如阻塞）。 
算法优点：时间片轮转调度算法的特点是简单易行、平均响应时间短。 
算法缺点：不利于处理紧急作业。在时间片轮转算法中，时间片的大小对系统性能的影响很大，因此时间片的大小应选择恰当。

时间片大小的确定 
1.系统对响应时间的要求 
2.就绪队列中进程的数目 
3.系统的处理能力

• 多级反馈队列(Multilevel Feedback Queue) 

多级反馈队列调度算法描述： 
　　1、进程在进入待调度的队列等待时，首先进入优先级最高的Q1等待。  
　　2、首先调度优先级高的队列中的进程。若高优先级中队列中已没有调度的进程，则调度次优先级队列中的进程。例如：Q1,Q2,Q3三个队列，只有在Q1中没有进程等待时才去调度Q2，同理，只有Q1,Q2都为空时才会去调度Q3。 
　　3、对于同一个队列中的各个进程，按照时间片轮转法调度。比如Q1队列的时间片为N，那么Q1中的作业在经历了N个时间片后若还没有完成，则进入Q2队列等待，若Q2的时间片用完后作业还不能完成，一直进入下一级队列，直至完成。  
　　4、在低优先级的队列中的进程在运行时，又有新到达的作业，那么在运行完这个时间片后，CPU马上分配给新到达的作业（抢占式）。  
　　在多级反馈队列调度算法中，如果规定第一个队列的时间片略大于多数人机交互所需之处理时间时，便能够较好的满足各种类型用户的需要。

 

信号量:

信号量（Semaphore）是一个整型变量，可以对其执行 down 和 up 操作，也就是常见的 P 和 V 操作。

• down : 如果信号量大于 0 ，执行 -1 操作；如果信号量等于 0，进程睡眠，等待信号量大于 0；

• up ：对信号量执行 +1 操作，唤醒睡眠的进程让其完成 down 操作。

down 和 up 操作需要被设计成原语，不可分割，通常的做法是在执行这些操作的时候屏蔽中断。

如果信号量的取值只能为 0 或者 1，那么就成为了互斥量（Mutex），0 表示临界区已经加锁，1 表示临界区解锁。

 

死锁及处理方法：

 

死锁的必要条件：

• 互斥：每个资源要么已经分配给了一个进程，要么就是可用的。

• 占有和等待：已经得到了某个资源的进程可以再请求新的资源。

• 不可抢占：已经分配给一个进程的资源不能强制性地被抢占，它只能被占有它的进程显式地释放。

• 环路等待：有两个或者两个以上的进程组成一条环路，该环路中的每个进程都在等待下一个进程所占有的资源。

预防死锁方法

• 所有进程开始前，必须一次性地申请所需的所有资源，这样运行期间就不会再提出资源要求，破坏了请求条件，即使有一种资源不能满足需求，也不会给它分配正在空闲的资源，这样它就没有资源，就破坏了保持条件，从而预防死锁的发生。

• 允许一个进程只获得初期的资源就开始运行，然后再把运行完的资源释放出来。然后再请求新的资源。

• 当一个已经保持了某种不可抢占资源的进程，提出新资源请求不能被满足时，它必须释放已经保持的所有资源，以后需要时再重新申请。

• 对系统中的所有资源类型进行线性排序，然后规定每个进程必须按序列号递增的顺序请求资源。假如进程请求到了一些序列号较高的资源，然后有请求一个序列较低的资源时，必须先释放相同和更高序号的资源后才能申请低序号的资源。多个同类资源必须一起请求。

虚拟内存：

 

虚拟内存的目的是为了让物理内存扩充成更大的逻辑内存，从而让程序获得更多的可用内存。

为了更好的管理内存，操作系统将内存抽象成地址空间。每个程序拥有自己的地址空间，这个地址空间被分割成多个块，每一块称为一页。这些页被映射到物理内存，但不需要映射到连续的物理内存，也不需要所有页都必须在物理内存中。当程序引用到一部分不在物理内存中的地址空间时，由硬件执行必要的映射，将缺失的部分装入物理内存并重新执行失败的指令。
 

内存页面置换算法：

缺页中断就是要访问的页不在主存，需要操作系统将其调入主存后再进行访问。在这个时候，被内存映射的文件实际上成了一个分页交换文件。

最佳置换算法(OPT)：

这是一种理想情况下的页面置换算法，但实际上是不可能实现的。该算法所选择淘汰的页面为后面永远不会使用到的页面或者是最长时间内不会使用的页面。但由于我们无法预知接下来执行的过程中哪些页面不会被访问到，所以这个算法无法实现，但是最佳页面置换算法可以用于对可实现算法的性能进行衡量比较。

先进先出置换算法(FIFO)：

最简单的页面置换算法是先入先出（FIFO）法。这种算法的实质是，总是选择在主存中停留时间最长（即最老）的一页置换，即先进入内存的页，先退出内存。理由是：最早调入内存的页，其不再被使用的可能性比刚调入内存的可能性大。建立一个FIFO队列，收容所有在内存中的页。被置换页面总是在队列头上进行。当一个页面被放入内存时，就把它插在队尾上。FIFO的一个缺点是，它有一种异常现象，即在增加存储块的情况下，反而使缺页中断率增加了。当然，导致这种异常现象的页面走向实际上是很少见的。这种现象又叫Belady异常。

最近最久未使用算法(LRU)：

选择最近最长时间未访问过的页面予以淘汰，该算法认为过去一段时间内未访问过的页面，在最近的将来可能也不会被访问。该算法为每个页面设置一个访问字段，来记录页面自上次被访问以来所经历的时间，淘汰页面时选择现有页面中值最大的予以淘汰。 
因实现LRU算法必须有大量硬件支持，还需要一定的软件开销。所以实际实现的都是一种简单有效的LRU近似算法。 
一种LRU近似算法是最近未使用算法（Not Recently Used，NUR）。它在存储分块表的每一表项中增加一个引用位，操作系统定期地将它们置为0。当某一页被访问时，由硬件将该位置1。过一段时间后，通过检查这些位可以确定哪些页使用过，哪些页自上次置0后还未使用过。就可把该位是0的页淘汰出去，因为在之前最近一段时间里它未被访问过。

最少使用算法(LFU)：

该算法首先淘汰一段时间内使用次数最少的页面，注意和LRU的区别，LRU是淘汰最长时间没使用的在采用最少使用置换算法时，应为在内存中的每个页面设置一个移位寄存器，用来记录该页面被访问的频率。该置换算法选择在之前时期使用最少的页面作为淘汰页。

 

进程间的通信方式：

 

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，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
2. 命名管道FIFO：有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。
4. 消息队列MessageQueue：消息队列是由消息的链表，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信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
5. 共享存储SharedMemory：共享内存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，如信号两，配合使用，来实现进程间的同步和通信。
6. 信号量Semaphore：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，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。
7. 套接字Socket：套解口也是一种进程间通信机制，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。
8. 信号( sinal ) ：信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。

 

磁盘调度算法：

读写一个磁盘块的时间的影响因素有：

• 旋转时间（主轴旋转磁盘，使得磁头移动到适当的扇区上）

• 寻道时间（制动手臂移动，使得磁头移动到适当的磁道上）

• 实际的数据传输时间

其中，寻道时间最长，因此磁盘调度的主要目标是使磁盘的平均寻道时间最短。

1. 先来先服务FCFS, First Come First Served

按照磁盘请求的顺序进行调度。

优点是公平和简单。缺点也很明显，因为未对寻道做任何优化，使平均寻道时间可能较长。

2. 最短寻道时间优先SSTF, Shortest Seek Time First

优先调度与当前磁头所在磁道距离最近的磁道。

虽然平均寻道时间比较低，但是不够公平。如果新到达的磁道请求总是比一个在等待的磁道请求近，那么在等待的磁道请求会一直等待下去，也就是出现饥饿现象。具体来说，两边的磁道请求更容易出现饥饿现象。

3. 电梯算法SCAN

电梯总是保持一个方向运行，直到该方向没有请求为止，然后改变运行方向。

电梯算法（扫描算法）和电梯的运行过程类似，总是按一个方向来进行磁盘调度，直到该方向上没有未完成的磁盘请求，然后改变方向。

因为考虑了移动方向，因此所有的磁盘请求都会被满足，解决了 SSTF 的饥饿问题。