操作系统原理常见面试题总结

目录

1. 进程与线程的区别？

2. 进程的状态及其转换

3. 进程的同步与互斥

4. 进程间的通信方式有哪些？

5. 作业（进程）的调度算法有哪些？

6. 死锁产生的原因，死锁产生的必要条件是什么，如何预防死锁，如何避免死锁？

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1. 进程与线程的区别？

• 根本区别：进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是任务调度和执行的基本单位。
• 开销方面：每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），程序之间的切换会有较大的开销；线程可以看做轻量级的进程，同一类线程共享代码和数据空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器，线程之间切换的开销小。
• 所处环境：在操作系统中能同时运行多个进程（程序）；而在同一个进程中有多个线程同时执行（通过CPU调度，在每个时间片中只有一个线程执行）。
• 内存分配方面：系统在运行的时候会为每个进程分配不同的内存空间；而对线程而言，除了CPU外，系统不会为线程分配内存（线程所使用的资源来自其所属进程的资源），线程组之间只能共享资源。
• 包含关系：一个进程最少由一条线程组成。

2. 进程的状态及其转换

3. 进程的同步与互斥

互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其访问，具有唯一性和排他性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。

同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其他机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源。

简单的说：同步体现的是一种协作性，呼哧体现的是一种排他性。

4. 进程间的通信方式有哪些？

• 管道：管道是UNIX系统IPC的最古老的形式，所有的UNIX系统都提供此种通信机制。

  • 局限性：（1）半双工，数据只能在一个方向流动，现在有些系统可以支持全双工管道，但是为了最佳的可移植性，应认为系统不支持全双工管道；（2）管道只能在具有公共祖先之间的两个进程之间使用。

• 命名管道FIFO：未命名的管道只能在两个相关的进程之间通信，通过命名管道FIFO，不相关的进程也能交换数据。FIFO不同于管道之处在于它提供一个路径与之关联，以FIFO的文件形式存在于系统中。
• 消息队列：
  • 消息队列是消息的链表，具有特定的格式，存放在内存中并由消息队列标识符标识。
  • 消息队列允许一个或多个进程向它写入与读取消息。
  • 管道和命名管道的通信数据都是先进先出原则，消息队列可以实现消息的随机查询，消息不一定要以先进先出的次序读取，也可以按消息的类型读取，比FIFO更有优势。
• 共享内存
  • 共享内存允许一个或多个进程共享一个给定的存储区，因为数据不需要在客户端进程与服务器进程之间进行复制，所以这是最快的一种IPC，对于像管道和消息队列等通信方式，则需要在内核和用户空间进行四次的数据拷贝，而共享内存则只拷贝两次：一次是从输入文件到共享内存区，另一次是从共享内存区到输出文件。
  • 不同进程之间共享的内存通常安排为同一段物理内存。进程可以将同一段共享内存连接到它们自己的地址空间中，所有进程都可以访问共享内存中的地址，同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新，反之亦然。由于多个进程共享同一块内存区域，必然需要某种同步机制，互斥锁和信号量都可以。
  • 特点：速度快、效率高；需要同步机制。
  • 操作流程：（1）创建/打开共享内存 （2）映射共享内存，即把指定的共享内存映射到进程的地址空间用于访问 （3）撤销共享内存映射 （4）删除共享内存
• 信号量：与IPC结构不同，它是一个计数器。信号量用于实现进程间的同步与互斥，而不是存储进程间通信数据。
  • 特点：（1）信号量用于进程间同步，若要在进程间传递数据需要结合共享内存。 （2）信号量基于操作系统的PV操作，程序对信号量的操作都是原子操作。 （3）每次对信号量的PV操作不仅限于对信号量的值加1或减1，而且可以加减任意正整数。 （4）支持信号量组。
• 套接字：使用socket进行通信的进程可以是同一台计算机的进程，也可以是通过网络连接起来的不同的计算机上的进程。socket详解

5. 作业（进程）的调度算法有哪些？

1. 先来先服务（FCFS，First-Come-Frist-Served）：此算法的原则是按照作业到达后备作业队列（或进程进入就绪队列）的先后次序来选择作业（或进程）。
2. 短作业优先（SJF，Shortest Process Next）：这种调度算法主要用于作业调度，它从作业后备队列中挑选所需运行时间（估计值）最短的作业进入主存运行。
3. 时间片轮转调度算法（RR，Round-Robin）：当某个进程执行的时间片用完时，调度程序便停止该进程的执行，并将它送入就绪队列的末尾，等待分配下一时间片再执行。然后把处理机分配给就绪队列中新的队首进程，同时也让它执行一个时间片。这样就可以保证就绪队列中的所有进程，在一给定的时间内，均能获得时间片处理机执行时间。
4. 高响应比优先（HRRN，Highest Response Ratio Next）：按照高响应比（（已等待时间＋要求运行时间）/ 要求运行时间）优先的原则，在每次选择作业投入运行时，先计算此时后备作业队列中每个作业的响应比RP然后选择其值最大的作业投入运行。
5.  优先权(Priority)调度算法: 按照进程的优先权大小来调度，使高优先权进程得到优先处理的调度策略称为优先权调度算法。注意：优先数越多，优先权越小。
6. 多级队列调度算法：多队列调度是根据作业的性质和类型的不同，将就绪队列再分为若干个子队列，所有的作业（或进程）按其性质排入相应的队列中，而不同的就绪队列采用不同的调度算法。

6. 死锁产生的原因，死锁产生的必要条件是什么，如何预防死锁，如何避免死锁？

死锁产生的原因：资源竞争、进程推进顺序不当。

死锁产生的必要条件：

• 互斥：某种资源一次只允许一个进程访问，即该资源一旦分配给某个进程，其他进程就不能再访问，知道该进程访问结束。
• 不可剥夺：进程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他进程强行剥夺，而只能由获得该资源的进程资源释放。
• 占有且等待：一个进程本身占有资源（一种或多种），同时还有资源未得到满足，正在等待其他进程释放该资源。
• 循环等待：存在一个进程链，使得每一个进程都占有下一个进程所需的至少一种资源。

预防死锁：破坏产生死锁的四个 必要条件之一即可。

死锁的避免：银行家算法，该方法允许进程动态地申请资源，系统在进行资源分配之前，先计算资源分配的安全性。若此次分配不会导致系统从安全状态向不安全状态转换，便可将资源分配给进程；否则不分配资源，进程必须阻塞等待。从而避免发生死锁。

死锁的解除：

1. 强制性地从系统中撤销一个或多个死锁的进程以断开循环等待链，并收回分配给终止进程的全部资源功剩下的进程使用。
2. 使用一个有效的挂起和解除机构来挂起一些死锁的进程，其实质是从被挂起的进程那里抢占资源以解除死锁。