操作系統面試題總結

CS-LogN思維導圖：記錄專業基礎 面試題
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本章節 操作系統面試題導圖如下：

操作系統面試題

操作系統引論

面試題1：什么是操作系統

• 控制和管理整個計算機系統的硬件和軟件資源
• 為用戶和上層軟件，提供易用接口和環境的程序
• 是最基礎的系統軟件

面試題2：什么是系統調⽤

• 系統調用是：操作系統對應用程序提供的服務調用請求接口

• 引用目的

  • 應用程序通過系統調用請求獲得操作系統內核的服務，保證系統穩定性和安全性(用戶非法操作)

進程管理

面試題1：進程和線程的區別

• 調度單位

  • 線程是獨立調度單位，進程擁有資源的基本單位

• 資源

  • 進程都是擁有資源的基本單位，線程不擁有系統資源(少) 但可以訪問共享其隸屬進程的系統資源

• 並發粒度

  • 引入線程后並發度提升，吞吐量提升

• 系統開銷

  • 1.進程創建開銷 2.進程切換開銷 3.進程間通信開銷

• 地址空間

  • 進程地址空間獨立、線程共享同一進程資源的地址空間

• 通信方面

  • 進程間通信：需要同步和互斥手段保證數據一致
  • 線程間通信：可直接讀寫同一進程數據段(全局變量)

面試題2：進程有哪⼏種狀態，狀態如何轉換

• 5/3種狀態

  • 運行態

    • 進程在CPU上運行；單處理機最多1個運行態

  • 就緒態

    • 進程獲得了除CPU外的一切資源，存入就緒隊列

  • 阻塞態

    • 進程等待某一事件(等待資源)而暫停運行 如等IO

  • *創建態

    • 進程正被創建，尚未轉到就緒態(詳見進程控制)

  • *結束態

    • 進程正常結束或其他原因中斷運行，先置結束態

• 狀態轉換

  • 就緒態->運行態

    • 處於就緒態被調度，獲得處理機資源(時間片)

  • 運行態->就緒態

    • 1.時間片用完，調度程序讓進程換態(非主動)
      2.或者被可剝奪系統中被優先級高的進程搶占

  • 運行態->阻塞態

    • 1.進程請求某一資源(如外設)的使用和分配
      2.或者等待某一事件(如等待I/O執行中(阻塞))

  • 阻塞態->就緒態

    • 1.進程等待事件的發生(得到資源),如另一個進程的I/O操作結束,釋放IO資源,這個進程得到IO資源 2.或中斷結束 中斷處理程序來改變相應進程狀態

面試題3：進程間有哪些通信⽅式

• 進程通信的概念

  • 目的和概念

    • 進程之間信息交換

  • 引入原因

    • 各進程擁有獨立的內存地址空間，為了保證安全，一個進程不能直接訪問其它進程的地址空間

• 通信方式

  • 1.共享存儲

    • 設置一塊可直接訪問的內存共享空間，讀寫交換信息互斥訪問共享空間，讀/寫操作使用p/v

  • 2.消息傳遞

    • 進程間數據交換以格式化的消息為單位，系統提供“發送/接受原語”，如：消息隊列、信箱

  • 3.管道通信

    • 設置一個特殊的共享文件(管道)，緩沖區，半雙工

面試題4：線程間有哪些同步的⽅式

• 同步的概念

  • 由並發性帶來異步性問題，進/線程間需協調工作先后次序、傳遞信息(合作)所產生的直接制約關系，避免資源訪問沖突

• 同步的方式

  • 互斥量(Mutex)

    • synchronized 關鍵詞 和 各種 Lock

  • 信號量(Semphares)

    • 設置資源允許的數量，同⼀時刻多個線程可以訪問同⼀資源

  • 管程/事件(Event) :Wait/Notify

    • 通過通知操作的⽅式來保持多線程同步

面試題5：進程的調度算法有哪些

• 先來先服務FCFS

  • 按照作業/進程的先后順序服務，但短作業需要等待前面的長作業執行完，對短作業不利

• 短作業優先SJF

  • 改進FCFS，讓最短的作業/進程先得到服務，追求最少的平均等待時間(平均化整體考慮)

• 高響應比優先

  • 響應比綜合考慮進程的“等待時間” 和 “要求服務的時間”

• 時間片輪轉調度算法(RR)

  • 按時間片輪流服務進程，使用時鍾中斷來通知CPU，時間片已用完了可以去調度下一個進程

• 優先級調度算法

  • 靜態優先級、動態優先級(動態調整)調度

• 多級反饋隊列調度算法

  • 多種調度算法的折中權衡，最優

面試題6：說說進程/線程安全

• 多線程執行時不會出現數據不一致或者數據污染
• 線程安全問題都是由多個線程訪問臨界資源（全局變量及靜態變量）引起的，可以使用同步、互斥的方法保證線程安全

面試題7：什么是死鎖，死鎖的條件，如何解決死鎖

• 什么是死鎖

  • 多個進程因競爭資源而等待對方手里的資源，互相等待，都無法向前推進

• 死鎖的條件

  • 1.互斥
  • 2.不可剝奪
  • 3.請求和保持
  • 4.循環等待鏈

• 如何解決死鎖

  • 預防死鎖

    • 破壞死鎖的四大條件之一

  • 避免死鎖

    • 安全序列來檢測死鎖、銀行家算法

  • 死鎖的檢測及解除

    • 資源請求分配圖、死鎖定理；(資源剝奪、進程回滾等)

內存管理

面試題1：操作系統的內存管理主要是做什么

• 1.內存空間的分配與回收

  • 操作系統完成主存儲器空間的分配，無需程序員操作，提高編程效率

• 2.內存空間的擴充

  • 利用虛擬存儲技術或自動覆蓋技術，從邏輯上擴充內存

• 3.地址轉換

  • 程序的完整周期：編譯、鏈接、裝入，裝入時將邏輯地址轉換為物理地址

• 4.存儲保護

  • 內存分配前，1.需要保護操作系統不受用戶進程的影響 2.保護用戶進程不受其它用戶進程的影響 3.防止地址越界

面試題2：操作系統的內存管理機制了解嗎？內存管理有哪⼏種⽅式?

• 連續分配方式

  • 1.單一連續分配

    • 內存分為系統區(供操作系統)和用戶區(供用戶)

  • 2.固定分區分配

    • 將用戶內存空間划分為若干固定大小的區域，每個分區只裝入一道作業

  • 3.動態分區分配

    • 在進程裝入內存時，根據進程的大小動態地建立分區

• 離散分配方式

  • 1.基本分頁存儲管理
  • 2.基本分段存儲管理
  • 3.段頁式存儲管理

• 內部碎片與外部碎片

  • 內部碎片

    • 固定分區分配中，一塊分區只放一個進程，當這塊分區有剩余容量時存在空間浪費
    • 如：分頁、段頁式存儲、固定分區

  • 外部碎片

    • 動態分區分配中，隨着進程的換入/換出分區外的存儲空間會變成越來越多的碎片
    • 如：分段

面試題5：分⻚機制和分段機制的共同點和區別，段頁式各需要幾次訪存

• 相同點

  • 都屬於內存離散存儲分配方式，都是為了改進連續內存分配而提⾼內存利⽤率

• 區別

  • ⻚的⼤⼩是固定的，由操作系統決定；⽽段的⼤⼩不固定，取決於我們當前運⾏的程序
  • 分⻚僅僅是為了滿⾜操作系統內存管理的需求，⽽段是邏輯信息的單位，在程序中可以體現為代碼段，數據段，能夠更好滿⾜⽤戶的需要。
  • 分頁2次、分段2次、段頁式3次訪存

面試題3：快表是什么

• 引入目的和概念

  • 快表，又稱聯想寄存器（TLB， translation lookaside buffer ）是一種訪問速度比內存快很多的高速緩存，用來存放最近訪問的頁表項的副本，可以加速地址變換的速度(基本地址變換機構要訪存2次)

面試題6：什么是局部性原理

• 局部性原理

  • 時間局部性

    • 指令近期多次執行，數據近期多次訪問；如循環語句

  • 空間局部性

    • 存儲單元附近的也可能訪問，如連續的存儲單元數組

  • 每訪問一個邏輯地址，都要查詢內存中的頁表，可能連續多次查同一表項

• 應用

  • 快表、cache、虛擬存儲器

面試題4：為什么要用多級頁表

• 引入目的

  • 單級頁表存在的問題：

    • 頁表必須連續存放，因此當頁表很大時，需要占用很多個連續的頁框。
    • 沒有必要讓整個頁表常駐內存，因為進程在一段時間內可能只需要訪問某幾個特定的頁面

  • 建立多級頁表的目的在於建立索引，以便不用浪費主存空間去存儲無用的頁表項，也不用盲目順序式查找頁表項

• 兩級頁表方案邏輯地址結構

  • 一級頁號、二級頁號、頁內偏移量

面試題7：虛擬內存管理如何實現，為什么引入虛擬內存

• 傳統存儲管理方式的缺點特征

  • 一次性

    • 作業必須一次性全部裝入內存后，才能開始運行

      • 1.作業很大而不能全部裝入內存，無法運行
      • 2.大量作業要求運行時，內存不足以容納所有作業，只能使少量作業線運行，導致多道程序度的並發度下降

  • 駐留性

    • 一旦作業被裝入內存，就會一直駐留在內存中，直至作業運行結束；而程序運行只需要一部分數據，浪費了寶貴的內存資源

• 虛擬內存的定義

  • 基於局部性原理，在程序裝入時，可以將程序中很快會用到的部分裝入內存，暫時用不到的部分留在外存，就可以讓程序開始執行

• 虛擬內存的特征

  • 多次性

    • 無需在作業運行時一次性全部裝入內存，而是允許被分成多次調入內存

  • 對換性

    • 在作業運行時無需一直常駐內存，而是允許在作業運行過程中，將作業換入、換出

  • 虛擬性

    • 從邏輯上擴充了內存的容量，使用戶看到的內存容量，遠大於實際的容量

• 虛擬內存技術的實現
  (離散分配的內存管理)

  • 請求分頁存儲管理
  • 請求分段存儲管理
  • 請求段頁式存儲管理

面試題8：虛擬內存管理的⻚⾯置換算法有哪些

• 最佳置換算法OPT
• 先進先出置換算法FIFO
• 最近最久未使用置換算法LRU
• 時鍾置換算法CLOCK(最近未用NRU)

面試題9：32位系統運行大於4G的程序,如何尋址(考察虛擬內存,虛擬地址空間)

• 使用虛擬內存，基於局部性原理，在程序裝入時，可以將程序中很快會用到的部分裝入內存，暫時用不到的部分留在外存，就可以讓程序開始執行

• 邏輯地址將經過MMU內存管理單元轉換為物理地址

  • 轉換過程：查詢頁表，命中就計算出物理地址
    不命中就出發缺頁中斷，讓os分配地址空間

面試題10：內存中進程駐留集如何選定

• 駐留集指請求分頁存儲管理中給進程分配的內存塊集合
• 可以根據工作集（在某段時間間隔里，進程實際訪問頁面的集合）來設置駐留集大小