计算机基础知识——操作系统（1）

目录

1. 进程和线程的区别
2. 并行和并发的区别
3. 用户态和核心态
4. 进程调度算法有哪些
5. 进程间有哪些通信方式
6. 解释进程同步和互斥，如何实现
7. 什么是死锁？如何预防死锁？
8. 虚拟内存怎么理解？
9. 线程同步的方式
10. 介绍经典的锁
11. 有哪些页面置换算法

一、进程和线程的区别

• 【进程】是资源分配和调度的基本单位。【线程】是程序执行的最小单位，线程是进程的子任务。一个进程可以有多个线程，线程间共享同一块内存。
• 每个进程都有自己的独立的内存空间，创建和销毁进程的开销较大，上下文切换开销大。线程间共享同一块内存，所以上下文切换开销小。
• 通信同步：进程间相互隔离，他们之间通信需要一些特殊机制，比如管道、消息队列等。由于线程间共享内存空调机，可以直接访问共享内存数据。
• 进程间相互隔离，一个进程的崩溃对其他进程的影响较小。一个线程错误可能会影响整个进程的稳定性。

二、并行和并发的区别

• 并行：同一时刻执行多个任务
• 并发：在相同时间段内执行多个任务，任务可能交替执行，通过调度实现。
• 多核CPU可以真正实现并行，但单核就只能并发。

三、用户态和内核态的区别

　　这两种状态是CPU为保护系统资源和实现权限控制的CPU运行级别。

• 用户态：程序只能访问受限的资源或指令集，不能直接访问操作系统核心部分，不能直接访问硬件资源。
• 内核态：进程可以直接访问硬件资源，执行系统调用、管理内存、文件系统等操作。
• 系统调用：当一个进程需要请求操作系统提供的服务时，会通过系统调用由用户态变为核心态。
• 异常、中断：当程序执行发生错误、外部设备产生中断信号。

四、进程调度算法有哪些？

• 先来先服务：按照请求顺序进行调度。但可能导致长作业阻塞短作业。
• 最短作业优先：非抢占式。按估计运行时间最短的顺序进行调度。但这样可能导致长作业“饥饿”。
• 最短剩余时间优先：基于最短作业的改进，抢占式的，按剩余运行时间的顺序进行调度。若新进程需要的时间比当前进程剩余的时间更短，则抢占先执行。
• 优先级算法：为每个进程分配一个优先级，按优先级进行调度。为了防止低优先级的进程永远等不到调度，会根据时间的推移动态调整优先级。
• 时间片轮转：为每个进程分配一个时间片，进程轮流执行。时间片用完后就自动切换到下一个。
• 多级队列算法：
  • （抢占式）每个进程创建时被划分到某个固定队列，这些队列有优先级，系统会优先执行高优先级队列的任务，进程不能跨队列迁移。
  • 多级反馈队列：初始时所有进程都从队列1开始，每个队列会划分一个时间片，若时间片耗尽但任务未完成，则被降级到下一队列。若长时间未获得调度，可能被提升回上一级（防止饥饿）。优点是更公平、更灵活。

五、进程间有哪些通信方式？

• 共享内存：一个进程创建共享内存段，并将其附加到自身地址空间，另一个进程也通过相同的key附加该段内存。这时两个进程在这段共享内存中直接读写数据。
• 管道：半双工，只能用于具有父子进程关系的进程间使用。父进程写入数据到内核中的缓存区，子进程读取。
• 命名管道：与管道类似，但它不允许在不相关的进程间通信。
• 消息队列：支持多对多通信，支持异步通信，无需亲缘关系的进程通信。
• 信号：用于发送通知到进程，告知其发生了某些事情。
• 信号量：是一个计数器，主要用于控制多个进程来访问同一个共享资源，通常作为一种锁机制。可以防止某进程在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。
• Socket：允许本机两个进程或不同主机进程通信。主要用于客户端和服务器之间通过网络通信。支持全双工通信。

六、解释进程同步与互斥，如何实现

• 进程同步：多个并发执行的进程之间协调和管理他们的执行顺序，以确保按照一定的顺序或时间间隔执行。
• 进程互斥：同一时刻只允许一个进程访问某个共享资源。
• 方法一：信号量和PV操作
  • 信号量表示系统中某种资源的状态或数量。P【检查信号量，若资源可用，则减少计数，然后使用该资源】。V【归还资源，增加信号量计数，并可能唤醒等待的进程】
• 方法二：临界区。
  • 将可能引发互斥问题的代码成为临界区，里面包含需要互斥访问的资源。进入这个区域前要先获取锁，推出后释放锁。
• 方法三：互斥锁
  • 每个共享资源都关联一个互斥锁，进程在访问该资源前都要获取互斥锁，使用完后释放锁。
• 方法四：条件变量+互斥锁
  • 首先获得锁，判断条件若不满足则wait（）自动释放锁+阻塞，等到线程改变条件时广播，唤醒等待进程。

七、什么是死锁？如何预防？

　　死锁指的是多个进程为了争夺同一个共享资源而造成的一种僵局。

• 互斥条件：一个进程占用某个资源，其他进程无法同时占用。
• 请求保持条件：一个线程因为请求某个资源而阻塞时，不会释放自己的资源。
• 不可剥夺条件：资源不可强制从一个进程中剥夺，只能由持有者资源释放。
• 循环等待条件：每个进程都在等待下一个进程占有的资源。

　　通过破坏死锁的四个必要条件之一来预防死锁。比如，破坏循环等待条件（所有进程按相同顺序来请求资源）；检测死锁（通过检测系统中的资源分配来判断是否存在死锁）。解除死锁（检测到死锁存在，可以通过如抢占资源，终止某些进程或进行资源回收来解除死锁）。

八、虚拟内存

 　　在每个进程创建加载的过程中，会分配一个连续的虚拟地址空间，它不是实际存在的，而是通过映射与实际物理地址空间对应，看起来每个进程有自己独立的连续地址空间，并且允许访问比物理地址内存更大的地址空间。

• 内存扩展：允许每个进程获得比实际物理内存更大的内存空间
• 内存隔离：虚拟内存提供了进程之间的内存隔离
• 内存管理（页面置换）：当物理内存不足时，操作系统可以将部分数据从物理内存写入硬盘的虚拟内存中。当需要时又可以从虚拟内存中加载到物理内存。

九、线程同步的方式

•  互斥锁：同一时刻允许一个线程去访问被保护的临界区域
• 条件变量：通常与互斥锁一起使用。允许一个线程等待某个条件满足，而其他线程可以发出信号通知等待线程。
• 读写锁：允许多个线程同时读，但只允许一个线程写。
• 信号量：二进制信号量（相当于互斥锁）和计数型信号量。

十、介绍典型的锁

• 互斥锁：同一时刻只有一个线程能得到锁，然后访问资源。
• 自旋锁：基于忙等待的锁，即线程在尝试获取锁时会不断轮询，直到锁被释放。
• 读写锁：
• 悲观锁：在访问共享资源时都要上锁
• 乐观锁：先不管，修改了共享资源再说，若出现同时修改的情况，再放弃本次操作。

十一、页面置换算法

举例：
假设有3个物理页框，页访问序列是：A B C A D E，初始页框都为空。
1. LRU
当前页访问	页框内容	替换的页	说明
 A	A _ _	无	空位置放 A
B	A B _	无	空位置放 B
C	A B C	无	空位置放 C
A	A B C	无	A 已在内存，更新使用时间
D	D B C	替 A	A 最近访问最早，换掉 A
E	D E C	替 B	B 最近最久没访问，换掉 B
👉 总共换页 2 次
2. Clock
当前访问	页框状态（R位）	替换页	说明
A	A(1) _ _	无	放入 A，设 R=1
B	A(1) B(1) _	无	放入 B，设 R=1
C	A(1) B(1) C(1)	无	放入 C，设 R=1
A	A(1) B(1) C(1)	无	命中，不变
D	A(1) B(1) C(1) → A(0) B(0) C(0) → D(1)	替 A	扫一圈没 R=0 → 清零 → 换掉 A
E	D(1) B(0) C(0) → B(0) C(0) → E(1)	替 B	B 的 R=0，替换
✅ 总结对比
项目	            LRU	          时钟算法 (Clock)
是否精确	   是（记录时间顺序）	否（只知道是否“近期用过”）
数据结构	   链表、栈、队列	    环形数组 + R 位
开销	较大   （频繁更新使用时间）	较小（只改 R 位 + 扫描）
实际表现	   更接近理论最优	    略逊色但性能好，系统中常用（如Linux）

1. 最近最久未使用LRU：选择最长时间未被使用的页面进行置换。——缺点：要频繁更新每个页面的更新时间，开销太大。
2. 时钟算法：核心思想是通过一个指针在环形链表上遍历，检查页面是否被访问过，当需要进行页面置换时，从时钟指针的位置开始遍历环形链表。若当前页面的访问位为0，表示该页面最久未被访问，可以选择置换，将访问位设置为1，继续遍历下一个页面。若找打页面为0的，就直接置换。
3. 先进先出算法：最先进入内存的页面最先被置换出去。
4. 最不经常使用LFU：淘汰访问次数最少的页面，考虑页面的访问频率。
5. 最佳置换算法：根据未来的页面访问情况，选择最长时间不会被访问到的页面进行置换，但这是一种理想的算法，实际上做不到。

十二、select、poll和epoll的区别

　　I/O多路复用通常通过等系统调用来实现。

• select：早期多连接聊天室，20个用户在线聊天，每个连接都要监听是否有消息。但文件描述符数量有限，效率低。
• poll：局域网聊天程序，连接数多余1024仍然能支持。但每次轮询全部fd，效率不高。
• epoll：Nginx、Redis、mysql等系统内部常见。特点是支持“回调通知”，只处理有事件的fd，事件驱动型。
• kqueue：在macOS上的epoll替代。
• IOCP（Windows特有）：Windows 上的 Web 服务、SQL Server、IIS、网游服务器，真正的异步模型，线程不会被阻塞在 I/O 上。