操作系统常考知识点

笨鸟稳稳飞
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1. 什么是进程和线程？它们的区别是什么？

  • 进程：是操作系统中资源分配的基本单位，拥有独立的内存空间。

  • 线程：是操作系统中 CPU 调度的基本单位，多个线程可以共享同一进程的资源（如堆和方法区）。

  • 协程 是轻量级的用户态并发执行单元，适合高并发、I/O 密集型任务，切换开销极低，但无法多线程并行执行。

区别：

  1. 资源使用：进程之间相互独立，线程共享同一进程的资源。
  2. 内存开销：创建进程开销较大，需要独立的内存空间；线程开销较小。
  3. 通信方式：进程间通信需要使用 IPC（如管道、消息队列）；线程之间可以通过共享内存直接通信。
  4. 调度：进程切换需要更高的开销（上下文切换）；线程切换较快，开销较小。

2. 什么是上下文切换？上下文切换的开销是什么？

上下文切换 是指操作系统在 CPU 上从一个进程（或线程）切换到另一个进程（或线程）时，保存当前进程的状态并恢复下一个进程的状态。

上下文切换的开销：

  1. 保存和恢复进程状态：需要保存当前进程的 CPU 寄存器、程序计数器、内存管理信息等，并恢复下一个进程的这些信息。
  2. 内存缓存失效：切换后，新的进程可能需要重新加载缓存，导致缓存命中率降低，增加内存访问开销。
  3. 调度开销：操作系统需要运行调度程序，决定下一个要运行的进程，这本身也占用 CPU 时间。

3. 什么是死锁？死锁的条件是什么？

死锁 是指两个或多个进程在执行过程中，因争夺资源而互相等待，导致无法继续执行的现象。

死锁的四个必要条件（同时满足才会发生死锁）：

  1. 互斥：某些资源只能被一个进程占有，不能共享。
  2. 持有并等待：进程已经持有某些资源，同时请求其他资源，但未释放已经持有的资源。
  3. 不可抢占：资源不能被强行剥夺，必须由占有它的进程主动释放。
  4. 循环等待：存在一个进程链，链中的每个进程都等待下一个进程占有的资源。

4. 如何避免死锁？

为了避免死锁，可以采取以下几种方法：

  1. 破坏互斥条件：

    • 将资源设计为可共享的，比如某些只读数据不必互斥锁定。

  2. 破坏持有并等待条件：

    • 要求进程在开始时一次性申请所有需要的资源，避免持有资源的同时请求新的资源。

  3. 破坏不可抢占条件：

    • 允许系统抢占某些资源，如强制释放正在占用的资源，将其分配给其他进程。

  4. 破坏循环等待条件：

    • 强制进程按资源编号顺序请求资源，避免循环等待链的产生。

  5. 银行家算法（Banker’s Algorithm） ：

    • 使用银行家算法来动态检测资源分配情况，确保系统处于安全状态，避免进入死锁状态。

5. 内核态与用户态的切换方式

  1. 系统调用（System Call）：用户程序通过系统调用请求操作系统的服务。
  2. 中断（Interrupt）：来自外部硬件设备（如键盘、网络卡）的事件，要求 CPU 停止当前执行的任务并处理中断。
  3. 异常是程序执行过程中发生的错误或特殊情况，例如除零错误、非法内存访问等。

6. 进程调度算法有哪些？

  1. 先来先服务（FCFS） ：

    • 按照进程到达的顺序执行，简单但效率不高。

  2. 短作业优先（SJF） ：

    • 优先执行预计运行时间短的进程，可能导致长作业饥饿。

  3. 优先级调度：

    • 根据进程的优先级决定执行顺序，优先级高的进程优先执行。

  4. 时间片轮转（RR） ：

    • 给每个进程分配固定的时间片，时间片用完则切换到下一个进程，适合时间共享系统。

  5. 多级反馈队列调度：

    • 将进程放入多个优先级队列中，优先执行高优先级队列中的进程，并根据进程的行为动态调整其优先级。

7. 什么是虚拟内存？它的作用是什么？

虚拟内存 是操作系统通过硬件实现的一种内存管理技术，它允许程序使用比物理内存更大的内存空间。

作用：

  1. 扩展内存容量：虚拟内存可以将物理内存和磁盘结合使用，让系统能够运行比物理内存大得多的程序。
  2. 隔离内存空间：每个进程拥有独立的虚拟地址空间，避免进程之间互相干扰，提高系统安全性和稳定性。
  3. 提高内存利用率：通过分页技术，将不常用的数据暂时交换到磁盘中，腾出内存空间供其他进程使用。

8. 什么是内存碎片？如何解决内存碎片问题？

内存碎片 是指内存分配和释放过程中产生的小块未被使用的内存，导致可用内存无法满足大的内存分配需求。

内存碎片的类型：

  1. 外部碎片：由于不连续的内存分配导致的碎片，即虽然有足够的内存总量，但分布在不连续的地址空间中。
  2. 内部碎片：由于分配的内存块大于实际需要，导致未使用的空间浪费。

解决内存碎片的方式：

  1. 分页：通过将内存分为固定大小的页，避免外部碎片问题。
  2. 内存紧凑：定期将分散的内存块合并成一个大的连续块，减少外部碎片。
  3. 适当的分配算法：如首次适应算法、最佳适应算法等，减少内存分配过程中产生的碎片。

9. 什么是信号量（Semaphore）？它有哪些类型？

信号量（Semaphore） 是一种用于进程同步的机制，通过信号量可以控制多个进程对共享资源的访问。

信号量的类型：

  1. 计数信号量：用于控制可以同时访问共享资源的进程数量。当进程获取资源时，信号量减 1，释放资源时，信号量加 1。如果信号量为 0，进程需等待。
  2. 二进制信号量（也称互斥量）：信号量只有 0 和 1 两个值，用于互斥访问共享资源。只有一个进程能访问资源，其他进程必须等待。

信号量的作用：

  • 控制进程同步，避免多个进程同时访问共享资源时产生冲突。
  • 可以解决生产者-消费者问题等经典同步问题。

10. 什么是分页（Paging）和分段（Segmentation）？它们的区别是什么？

  • 分页（Paging） ：将物理内存和逻辑内存分为固定大小的页（page）和页框（frame）。分页是操作系统内存管理的一种方式，通过页表将逻辑地址映射到物理地址。
  • 分段（Segmentation） ：将内存分为大小不定的段（segment），每个段代表逻辑上的一个单位（如代码段、数据段）。段表将逻辑段映射到物理内存。

区别：

  1. 内存分配方式：

    • 分页：内存以固定大小分配，防止内存碎片。
    • 分段：内存分配以逻辑段为单位，段的大小可变，容易产生内存碎片。

  2. 地址结构：

    • 分页：逻辑地址由页号和页内偏移量组成。
    • 分段：逻辑地址由段号和段内偏移量组成。

  3. 应用场景：

    • 分页：适合解决外部碎片问题，提高内存利用率。
    • 分段：适合按逻辑划分程序结构，方便管理代码、数据等。

总结： 分页是固定大小的内存管理方式，避免了碎片问题；分段是按逻辑划分的内存管理方式，更灵活但易产生碎片。

11. 什么是分页替换算法？常见的页面置换算法有哪些？

分页替换算法 是操作系统在虚拟内存管理中，当物理内存不足时，选择一个页面置换（换出到磁盘）以便加载新的页面到内存中的算法。

常见的页面置换算法：

  1. FIFO（先进先出） ：最早进入内存的页面最先被替换，简单但效率不高。
  2. LRU（最近最少使用） ：替换最近最少使用的页面，近似最优，但需要额外的硬件支持记录页面使用情况。
  3. LFU（最少使用） ：替换使用频率最低的页面，适合使用频率有明显差异的场景。
  4. OPT（最佳置换算法） ：理论上最优的算法，替换将来最不常使用的页面，但实际难以实现。
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