操作系统常问的面试题目

操作系统常问的面试题目

• linux进程fork复制了父进程的哪些资源

fork采用了写时复制技术，而写时复制的核心是：只有进程空间的各段的内容要发生变化时，才会将父进程的内容复制一份给子进程。故刚开始只复制了父进程的页表以及给子进程创建进程描述符。

具体详细细节见https://blog.csdn.net/hycxag/article/details/83048446

• 孤儿进程，僵尸进程，守护进程的含义

• 孤儿进程：如果父进程先退出,子进程还没退出那么子进程将被 托孤给init进程,这是子进程的父进程就是init进程(1号进程)。
• 僵尸进程：进程终止后进入僵死状态(zombie),等待告知父进程自己终止,后才能完全消失.但是如果一个进程已经终止了,但是其父进程还没有获取其状态,那么这个进程就称之为僵尸进程.僵尸进程还会消耗一定的系统资源,并且还保留一些概要信息供父进程查询子进程的状态可以提供父进程想要的信息.一旦父进程得到想要的信息,僵尸进程就会结束。
• 守护进程：就是在后台运行,不与任何终端关联的进程,通常情况下守护进程在系统启动时就在运行,它们以root用户或者其他特殊用户(apache和postfix)运行,并能处理一些系统级的任务.习惯上守护进程的名字通常以d结尾(sshd)。

守护进程的创建步骤：

• 调用fork(),创建新进程,它会是将来的守护进程.
• 在父进程中调用exit,保证子进程不是进程组长
• 调用setsid()创建新的会话区
• 将当前目录改成跟目录(如果把当前目录作为守护进程的目录,当前目录不能被卸载他作为守护进程的工作目录)
• 将标准输入,标注输出,标准错误重定向到/dev/null

• 如何避免僵尸进程

1. fork twice。使用场景：一个进程任务很长，另一个进程任务很短。
2. 父进程调用wait()方法，但是会使父进程阻塞
3. signal(sigchld,sig_ign)。通过signal(SIGCHLD, SIG_IGN)通知内核对子进程的结束不关心，由内核回收，即可让内核把僵尸子进程转交给init进程去处理，省去了大量僵尸进程占用系统资源。
4. 在signal handler函数中调用 waitpid
5. 让僵尸进程变成孤儿进程，由init回收，就是让父亲先死

具体想找细节见https://blog.csdn.net/hycxag/article/details/83049908

• 进程与线程的区别

线程是指进程内的一个执行单元,也是进程内的可调度实体；进程在执行过程中拥有独立的内存单元。他们之间的区别：

1. 调度：线程作为调度和分配的基本单位，进程作为拥有资源的基本单位。
2. 并发性：不仅进程之间可以并发执行，同一个进程的多个线程之间也可并发执行。
3. 拥有资源：进程是拥有资源的一个独立单位，线程不拥有系统资源，但可以访问隶属于进程的资源。
4. 系统开销：在创建或撤消进程时，由于系统都要为之分配和回收资源，导致系统的开销明显大于创建或撤消线程时的开销。

• 进程间通信方式

1. 管道：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程之间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
2. 有名管道（FIFO）：有名管道也是半双工的通信方式，但是允许在没有亲缘关系的进程之间使用，管道是先进先出的通信方式。
3. 信号量：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
4. 消息队列：消息队列是有消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
5. 信号 ( sinal ) ：信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。
6. 共享内存( shared memory ) ：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号量，配合使用，来实现进程间的同步和通信。
7. 套接字( socket ) ：套接字也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同机器间的进程通信。

• 多线程如何同步

临界区、互斥区、事件、信号量四种方式

1. 临界区：通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问。在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问，如果有多个线程试图访问公共资源，那么在有一个线程进入后，其他试图访问公共资源的线程将被挂起，并一直等到进入临界区的线程离开，临界区在被释放后，其他线程才可以抢占。
2. 互斥量：采用互斥对象机制。 只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限，因为互斥对象只有一个，所以能保证公共资源不会同时被多个线程访问。互斥不仅能实现同一应用程序的公共资源安全共享，还能实现不同应用程序的公共资源安全共享 .互斥量比临界区复杂。因为使用互斥不仅仅能够在同一应用程序不同线程中实现资源的安全共享，而且可以在不同应用程序的线程之间实现对资源的安全共享。
3. 事 件： 通过通知操作的方式来保持线程的同步，还可以方便实现对多个线程的优先级比较的操作 。
4. 信号量：它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目 .信号量对象对线程的同步方式与前面几种方法不同，信号允许多个线程同时使用共享资源，这与操作系统中的PV操作相同。它指出了同时访问共享资源的线程最大数目。它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目

信号量S是一个整数，S大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数，但S小于零时则表示正在等待使用共享资源的进程数。

P操作申请资源：

1. S减1；
2. 若S减1后仍大于等于零，则进程继续执行；
3. 若S减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转入进程调度。

V操作 释放资源：

1. S加1；
2. 若相加结果大于零，则进程继续执行；
3. 若相加结果小于等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一个等待进程，然后再返回原进程继续执行或转入进程调度。

总结：

 

1. 互斥量与临界区的作用非常相似，但互斥量是可以命名的，也就是说它可以跨越进程使用。所以创建互斥量需要的资源更多，所以如果只为了在进程内部是用的话使用临界区会带来速度上的优势并能够减少资源占用量。因为互斥量是跨进程的互斥量一旦被创建，就可以通过名字打开它。
2. 互斥量（Mutex），信号灯（Semaphore），事件（Event）都可以被跨越进程使用来进行同步数据操作，而其他的对象与数据同步操作无关，但对于进程和线程来讲，如果进程和线程在运行状态则为无信号状态，在退出后为有信号状态。所以可以使用WaitForSingleObject来等待进程和线程退出。
3. 通过互斥量可以指定资源被独占的方式使用，但如果有下面一种情况通过互斥量就无法处理，比如现在一位用户购买了一份三个并发访问许可的数据库系统，可以根据用户购买的访问许可数量来决定有多少个线程/进程能同时进行数据库操作，这时候如果利用互斥量就没有办法完成这个要求，信号灯对象可以说是一种资源计数器。

• 死锁的必要条件及如何避免

• 什么是死锁：多个进程循环等待它方占有的资源而无限期地僵持下去的局面
• 产生的必要条件：

1. 互斥。即某个资源在一段时间内只能由一个进程占有，不能同时被两个或两个以上的进程占有。
2. 不可抢占。进程所获得的资源在未使用完毕之前，资源申请者不能强行地从资源占有者手中夺取资源，而只能由该资源的占有者进程自行释放。
3. 占有且等待。当一个进程等待其他进程时，继续占有已分配的资源。
4. 循环等待。存在一个闭合的进程链，每个进程至少占有此链中下一个进程所需的一个资源。

• 死锁的预防（死锁预防的静态策略）：只要破坏这四个必要条件中的任意一个条件，死锁就不会发生。这就为我们解决死锁问题提供了可能。一般地，解决死锁的方法分为死锁的预防，避免，检测与恢复三种（注意：死锁的检测与恢复是一个方法）。

1. 打破互斥。即允许进程同时访问某些资源。但是，有的资源是不允许被同时访问的，像打印机等等，这是由资源本身的属性所决定的。所以，这种办法并无实用价值。
2. 打破不可抢占。即允许进程强行从占有者那里夺取某些资源。就是说，当一个进程已占有了某些资源，它又申请新的资源，但不能立即被满足时，它必须释放所占有的全部资源，以后再重新申请。它所释放的资源可以分配给其它进程。这就相当于该进程占有的资源被隐蔽地强占了。这种预防死锁的方法实现起来困难，会降低系统性能。    
3. 打破占有且等待。可以实行资源预先分配策略。即进程在运行前一次性地向系统申请它所需要的全部资源。如果某个进程所需的全部资源得不到满足，则不分配任何资源，此进程暂不运行。只有当系统能够满足当前进程的全部资源需求时，才一次性地将所申请的资源全部分配给该进程。由于运行的进程已占有了它所需的全部资源，所以不会发生占有资源又申请资源的现象，因此不会发生死锁。但是，这种策略也有如下缺点：1、在许多情况下，一个进程在执行之前不可能知道它所需要的全部资源。这是由于进程在执行时是动态的，不可预测的；2、资源利用率低。无论所分资源何时用到，一个进程只有在占有所需的全部资源后才能执行。即使有些资源最后才被该进程用到一次，但该进程在生存期间却一直占有它们，造成长期占着不用的状况。这显然是一种极大的资源浪费；3、降低了进程的并发性。因为资源有限，又加上存在浪费，能分配到所需全部资源的进程个数就必然少了。  
4. 打破循环等待。实行资源有序分配策略。采用这种策略，即把资源事先分类编号，按号分配，使进程在申请，占用资源时不会形成环路。所有进程对资源的请求必须严格按资源序号递增的顺序提出。进程占用了小号资源，才能申请大号资源，就不会产生环路，从而预防了死锁。这种策略与前面的策略相比，资源的利用率和系统吞吐量都有很大提高，但是也存在以下缺点：1、限制了进程对资源的请求，同时给系统中所有资源合理编号也是件困难事，并增加了系统开销；2、为了遵循按编号申请的次序，暂不使用的资源也需要提前申请，从而增加了进程对资源的占用时间。

• 死锁避免（死锁预防的动态策略）：它不限制进程有关申请资源的命令，而是对进程所发出的每一个申请资源命令加以动态地检查，并根据检查结果决定是否进行资源分配。即在资源分配过程中若预测有发生死锁的可能性，则加以避免。这种方法的关键是确定资源分配的安全性。常见：银行家算法。
• 死锁检测：由于操作系统有并发，共享以及随机性等特点，通过预防和避免的手段达到排除死锁的目的是很困难的。这需要较大的系统开销，而且不能充分利用资源。为此，一种简便的方法是系统为进程分配资源时，不采取任何限制性措施，但是提供了检测和解脱死锁的手段：能发现死锁并从死锁状态中恢复出来。因此，在实际的操作系统中往往采用死锁的检测与恢复方法来排除死锁。死锁检测与恢复是指系统设有专门的机构，当死锁发生时，该机构能够检测到死锁发生的位置和原因，并能通过外力破坏死锁发生的必要条件，从而使得并发进程从死锁状态中恢复出来。
• 死锁恢复：检测到死锁后需要进行恢复。常用方法：

1. 最常用的方法就是进行系统的重新启动，不过这种方法代价很大，它意味着在这之前所有的进程已经完成的计算工作都将付之东流，包括参与死锁的那些进程，以及未参与死锁的进程。例如看门狗。
2. 撤消进程，剥夺资源。终止参与死锁的进程，收回它们占有的资源，从而解除死锁。这时又分两种情况：一次性撤消参与死锁的全部进程，剥夺全部资源（）；或者逐步撤消参与死锁的进程，逐步收回死锁进程占有的资源。一般来说，选择逐步撤消的进程时要按照一定的原则进行，目的是撤消那些代价最小的进程，比如按进程的优先级确定进程的代价；考虑进程运行时的代价和与此进程相关的外部作业的代价等因素。 
3. 进程回退策略，即让参与死锁的进程回退到没有发生死锁前某一点处，并由此点处继续执行，以求再次执行时不再发生死锁。虽然这是个较理想的办法，但是操作起来系统开销极大，要有堆栈这样的机构记录进程的每一步变化，以便今后的回退，有时这是无法做到的。