操作系统面试题总结

CS-LogN思维导图：记录专业基础 面试题
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本章节 操作系统面试题导图如下：

操作系统面试题

操作系统引论

面试题1：什么是操作系统

• 控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源
• 为用户和上层软件，提供易用接口和环境的程序
• 是最基础的系统软件

面试题2：什么是系统调⽤

• 系统调用是：操作系统对应用程序提供的服务调用请求接口

• 引用目的

  • 应用程序通过系统调用请求获得操作系统内核的服务，保证系统稳定性和安全性(用户非法操作)

进程管理

面试题1：进程和线程的区别

• 调度单位

  • 线程是独立调度单位，进程拥有资源的基本单位

• 资源

  • 进程都是拥有资源的基本单位，线程不拥有系统资源(少) 但可以访问共享其隶属进程的系统资源

• 并发粒度

  • 引入线程后并发度提升，吞吐量提升

• 系统开销

  • 1.进程创建开销 2.进程切换开销 3.进程间通信开销

• 地址空间

  • 进程地址空间独立、线程共享同一进程资源的地址空间

• 通信方面

  • 进程间通信：需要同步和互斥手段保证数据一致
  • 线程间通信：可直接读写同一进程数据段(全局变量)

面试题2：进程有哪⼏种状态，状态如何转换

• 5/3种状态

  • 运行态

    • 进程在CPU上运行；单处理机最多1个运行态

  • 就绪态

    • 进程获得了除CPU外的一切资源，存入就绪队列

  • 阻塞态

    • 进程等待某一事件(等待资源)而暂停运行 如等IO

  • *创建态

    • 进程正被创建，尚未转到就绪态(详见进程控制)

  • *结束态

    • 进程正常结束或其他原因中断运行，先置结束态

• 状态转换

  • 就绪态->运行态

    • 处于就绪态被调度，获得处理机资源(时间片)

  • 运行态->就绪态

    • 1.时间片用完，调度程序让进程换态(非主动)
      2.或者被可剥夺系统中被优先级高的进程抢占

  • 运行态->阻塞态

    • 1.进程请求某一资源(如外设)的使用和分配
      2.或者等待某一事件(如等待I/O执行中(阻塞))

  • 阻塞态->就绪态

    • 1.进程等待事件的发生(得到资源),如另一个进程的I/O操作结束,释放IO资源,这个进程得到IO资源 2.或中断结束 中断处理程序来改变相应进程状态

面试题3：进程间有哪些通信⽅式

• 进程通信的概念

  • 目的和概念

    • 进程之间信息交换

  • 引入原因

    • 各进程拥有独立的内存地址空间，为了保证安全，一个进程不能直接访问其它进程的地址空间

• 通信方式

  • 1.共享存储

    • 设置一块可直接访问的内存共享空间，读写交换信息互斥访问共享空间，读/写操作使用p/v

  • 2.消息传递

    • 进程间数据交换以格式化的消息为单位，系统提供“发送/接受原语”，如：消息队列、信箱

  • 3.管道通信

    • 设置一个特殊的共享文件(管道)，缓冲区，半双工

面试题4：线程间有哪些同步的⽅式

• 同步的概念

  • 由并发性带来异步性问题，进/线程间需协调工作先后次序、传递信息(合作)所产生的直接制约关系，避免资源访问冲突

• 同步的方式

  • 互斥量(Mutex)

    • synchronized 关键词 和 各种 Lock

  • 信号量(Semphares)

    • 设置资源允许的数量，同⼀时刻多个线程可以访问同⼀资源

  • 管程/事件(Event) :Wait/Notify

    • 通过通知操作的⽅式来保持多线程同步

面试题5：进程的调度算法有哪些

• 先来先服务FCFS

  • 按照作业/进程的先后顺序服务，但短作业需要等待前面的长作业执行完，对短作业不利

• 短作业优先SJF

  • 改进FCFS，让最短的作业/进程先得到服务，追求最少的平均等待时间(平均化整体考虑)

• 高响应比优先

  • 响应比综合考虑进程的“等待时间” 和 “要求服务的时间”

• 时间片轮转调度算法(RR)

  • 按时间片轮流服务进程，使用时钟中断来通知CPU，时间片已用完了可以去调度下一个进程

• 优先级调度算法

  • 静态优先级、动态优先级(动态调整)调度

• 多级反馈队列调度算法

  • 多种调度算法的折中权衡，最优

面试题6：说说进程/线程安全

• 多线程执行时不会出现数据不一致或者数据污染
• 线程安全问题都是由多个线程访问临界资源（全局变量及静态变量）引起的，可以使用同步、互斥的方法保证线程安全

面试题7：什么是死锁，死锁的条件，如何解决死锁

• 什么是死锁

  • 多个进程因竞争资源而等待对方手里的资源，互相等待，都无法向前推进

• 死锁的条件

  • 1.互斥
  • 2.不可剥夺
  • 3.请求和保持
  • 4.循环等待链

• 如何解决死锁

  • 预防死锁

    • 破坏死锁的四大条件之一

  • 避免死锁

    • 安全序列来检测死锁、银行家算法

  • 死锁的检测及解除

    • 资源请求分配图、死锁定理；(资源剥夺、进程回滚等)

内存管理

面试题1：操作系统的内存管理主要是做什么

• 1.内存空间的分配与回收

  • 操作系统完成主存储器空间的分配，无需程序员操作，提高编程效率

• 2.内存空间的扩充

  • 利用虚拟存储技术或自动覆盖技术，从逻辑上扩充内存

• 3.地址转换

  • 程序的完整周期：编译、链接、装入，装入时将逻辑地址转换为物理地址

• 4.存储保护

  • 内存分配前，1.需要保护操作系统不受用户进程的影响 2.保护用户进程不受其它用户进程的影响 3.防止地址越界

面试题2：操作系统的内存管理机制了解吗？内存管理有哪⼏种⽅式?

• 连续分配方式

  • 1.单一连续分配

    • 内存分为系统区(供操作系统)和用户区(供用户)

  • 2.固定分区分配

    • 将用户内存空间划分为若干固定大小的区域，每个分区只装入一道作业

  • 3.动态分区分配

    • 在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区

• 离散分配方式

  • 1.基本分页存储管理
  • 2.基本分段存储管理
  • 3.段页式存储管理

• 内部碎片与外部碎片

  • 内部碎片

    • 固定分区分配中，一块分区只放一个进程，当这块分区有剩余容量时存在空间浪费
    • 如：分页、段页式存储、固定分区

  • 外部碎片

    • 动态分区分配中，随着进程的换入/换出分区外的存储空间会变成越来越多的碎片
    • 如：分段

面试题5：分⻚机制和分段机制的共同点和区别，段页式各需要几次访存

• 相同点

  • 都属于内存离散存储分配方式，都是为了改进连续内存分配而提⾼内存利⽤率

• 区别

  • ⻚的⼤⼩是固定的，由操作系统决定；⽽段的⼤⼩不固定，取决于我们当前运⾏的程序
  • 分⻚仅仅是为了满⾜操作系统内存管理的需求，⽽段是逻辑信息的单位，在程序中可以体现为代码段，数据段，能够更好满⾜⽤户的需要。
  • 分页2次、分段2次、段页式3次访存

面试题3：快表是什么

• 引入目的和概念

  • 快表，又称联想寄存器（TLB， translation lookaside buffer ）是一种访问速度比内存快很多的高速缓存，用来存放最近访问的页表项的副本，可以加速地址变换的速度(基本地址变换机构要访存2次)

面试题6：什么是局部性原理

• 局部性原理

  • 时间局部性

    • 指令近期多次执行，数据近期多次访问；如循环语句

  • 空间局部性

    • 存储单元附近的也可能访问，如连续的存储单元数组

  • 每访问一个逻辑地址，都要查询内存中的页表，可能连续多次查同一表项

• 应用

  • 快表、cache、虚拟存储器

面试题4：为什么要用多级页表

• 引入目的

  • 单级页表存在的问题：

    • 页表必须连续存放，因此当页表很大时，需要占用很多个连续的页框。
    • 没有必要让整个页表常驻内存，因为进程在一段时间内可能只需要访问某几个特定的页面

  • 建立多级页表的目的在于建立索引，以便不用浪费主存空间去存储无用的页表项，也不用盲目顺序式查找页表项

• 两级页表方案逻辑地址结构

  • 一级页号、二级页号、页内偏移量

面试题7：虚拟内存管理如何实现，为什么引入虚拟内存

• 传统存储管理方式的缺点特征

  • 一次性

    • 作业必须一次性全部装入内存后，才能开始运行

      • 1.作业很大而不能全部装入内存，无法运行
      • 2.大量作业要求运行时，内存不足以容纳所有作业，只能使少量作业线运行，导致多道程序度的并发度下降

  • 驻留性

    • 一旦作业被装入内存，就会一直驻留在内存中，直至作业运行结束；而程序运行只需要一部分数据，浪费了宝贵的内存资源

• 虚拟内存的定义

  • 基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序中很快会用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存，就可以让程序开始执行

• 虚拟内存的特征

  • 多次性

    • 无需在作业运行时一次性全部装入内存，而是允许被分成多次调入内存

  • 对换性

    • 在作业运行时无需一直常驻内存，而是允许在作业运行过程中，将作业换入、换出

  • 虚拟性

    • 从逻辑上扩充了内存的容量，使用户看到的内存容量，远大于实际的容量

• 虚拟内存技术的实现
  (离散分配的内存管理)

  • 请求分页存储管理
  • 请求分段存储管理
  • 请求段页式存储管理

面试题8：虚拟内存管理的⻚⾯置换算法有哪些

• 最佳置换算法OPT
• 先进先出置换算法FIFO
• 最近最久未使用置换算法LRU
• 时钟置换算法CLOCK(最近未用NRU)

面试题9：32位系统运行大于4G的程序,如何寻址(考察虚拟内存,虚拟地址空间)

• 使用虚拟内存，基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序中很快会用到的部分装入内存，暂时用不到的部分留在外存，就可以让程序开始执行

• 逻辑地址将经过MMU内存管理单元转换为物理地址

  • 转换过程：查询页表，命中就计算出物理地址
    不命中就出发缺页中断，让os分配地址空间

面试题10：内存中进程驻留集如何选定

• 驻留集指请求分页存储管理中给进程分配的内存块集合
• 可以根据工作集（在某段时间间隔里，进程实际访问页面的集合）来设置驻留集大小