【Java实习生】每日面试题打卡——操作系统篇

• 临近秋招，备战暑期实习，祝大家每天进步亿点点！Day15
• 本篇总结的是 操作系统 相关的面试题，后续会每日更新~

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1、请分别简单说一说进程和线程以及它们的区别?

• 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。
• 包含关系：一个进程最少由一条线程组成。
• 所处环境区别：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：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。

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2、进程间的通信方式有哪些？

• 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间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
• 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。
• 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：共享内存是允许一个或多个进程共享的一块内存区域。
• 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。通常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。

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3、线程同步的方式有哪些？

• 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，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。
• 信号量：它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量。
• 事件（信号）：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操作。

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4、进程的状态及其转换

进程的状态有：就绪状态、运行状态、阻塞状态。

进程状态间的转换关系为：

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5、Java线程的状态

Java 线程有以下几个状态：

• 新建状态（New）
• 就绪状态（Runnable）
• 运行状态（Running）
• 阻塞状态（Blocked）：
  • 等待阻塞
  • 同步阻塞
  • 其他阻塞
• 死亡状态（Dead）

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6、进程的调度算法有哪些？

• 先来先服务算法
• 短作业优先算法
• 优先权调度算法
• 时间片轮转调度算法

参考文章：几个常用的操作系统进程调度算法

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7、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。

死锁产生的四个必要条件：

• 互斥：某个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了，直到该进程访问结束。
• 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，只能由获得该资源使用权的进程释放资源。
• 占有且等待：一个进程请求某个资源并将其占有，即使该进程被阻塞了，也不会释放占有的资源。
• 循环等待：若干进程之间形成一种头尾相接的环形循环等待链。

**预防死锁：**破坏产生死锁的四个必要条件之一即可。

死锁的解除：

• 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。
• 强制性抢占死锁进程正在争取的资源以解除死锁。

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8、进程的上下文切换

一个进程切换到另一个进程运行，称为进程的上下文切换。进程是由内核管理和调度的，所以进程的切换只能发生在内核态。

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9、操作系统的内存管理机制了解吗？内存管理有哪⼏种⽅式?

• 块式管理：远古时代的计算机操系统的内存管理⽅式。将内存分为⼏个固定⼤⼩的块，每 个块中只包含⼀个进程。如果程序运⾏需要内存的话，操作系统就分配给它⼀块，如果程序 运⾏只需要很⼩的空间的话，分配的这块内存很⼤⼀部分⼏乎被浪费了。这些在每个块中未 被利⽤的空间，我们称之为碎⽚。
• ⻚式管理：把主存分为⼤⼩相等且固定的⼀⻚⼀⻚的形式，⻚᫾⼩，相对相⽐于块式管理的 划分⼒度更⼤，提⾼了内存利⽤率，减少了碎⽚。⻚式管理通过⻚表对应逻辑地址和物理地址。
• 段式管理：⻚式管理虽然提⾼了内存利⽤率，但是⻚式管理其中的⻚实际并⽆任何实际意 义。 段式管理把主存分为⼀段段的，每⼀段的空间⼜要⽐⼀⻚的空间⼩很多 。但是，最重 要的是段是有实际意义的，每个段定义了⼀组逻辑信息，例如,有主程序段 MAIN、⼦程序段 X、数据段 D 及栈段 S 等。 段式管理通过段表对应逻辑地址和物理地址。

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10、 CPU 寻址了解吗?为什么需要虚拟地址空间?

处理器使⽤的是⼀种称为虚拟寻址的寻址⽅式。使⽤虚拟寻址，CPU 需要将虚拟地址翻译成物理地址，这样才能访问到真实的物理内存。 实际上完成虚拟地址转换为物理地址转换的硬件是 CPU 中含有⼀个被称为内存管理单元 的硬件。

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11、什么是用户态和核心态？

在计算机系统中，分两种程序：系统程序和应用程序，为了保证系统程序不被应用程序有意或无意地破坏，为计算机设置了两种状态——用户态、核心态。

• 用户态：只能受限的访问内存，运行所有的应用程序。
• 核心态：运行操作系统程序，CPU 可以访问内存的所有数据，包括外围设备。

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12、操作系统内存管理方式，分页分段以及段页式的优缺点？

内存管理方式：块式管理、页式管理、段式管理、段页式管理。

分段管理：

• 在段式存储管理中，将程序的地址空间划分为若干段（segment），如代码段，数据段，堆栈段；这样每个进程有一个二维地址空间，相互独立，互不干扰。段式管理的优点是：没有内碎片（因为段大小可变，改变段大小来消除内碎片）。但段换入换出时，会产生外碎片（比如4k的段换5k的段，会产生1k的外碎片）。

分页管理：

• 在页式存储管理中，将程序的逻辑地址划分为固定大小的页（page），而物理内存划分为同样大小的页框，程序加载时，可以将任意一页放入内存中任意一个页框，这些页框不必连续，从而实现了离散分离。页式存储管理的优点是：没有外碎片（因为页的大小固定），但会产生内碎片（一个页可能填充不满）。

段页式管理：

• 段⻚式管理机制结合了段式管理和⻚式管理的优点。简单来说段⻚式管理机制就是把主存先分成若⼲ 段，每个段⼜分成若⼲⻚，也就是说 段⻚式管理机制 中段与段之间以及段的内部的都是离散的。

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13、讲一讲操作系统的I/O模型？什么是I/O多路复用？

I/O请求有两个阶段：

• 等待资源阶段：I/O请求一般需要请求特殊的资源（如磁盘、RAM、文件），当资源被上一个使用者使用没有被释放时，IO请求就会被阻塞，直到能够使用这个资源。
• 使用资源阶段：真正进行数据接收和发送。

在等待数据阶段，I/O分为 阻塞I/O 模型 和 非阻塞I/O 模型：

• 阻塞I/O 模型： 资源不可用时，I/O请求一直阻塞，直到反馈结果（有数据或超时）。
• 非阻塞I/O 模型：资源不可用时，I/O请求不会被阻塞，直接返回数据标识资源不可用。但是进程会不停的去轮询检测资源是否可用。

在使用资源阶段，I/O分为 同步I/O 模型 和 异步I/O 模型。

• 同步I/O 模型：应用阻塞在发送或接收数据的状态，直到数据成功传输或返回失败结果。
• 异步I/O 模型：应用发送或接收数据后立刻返回，数据写入操作系统缓存，由操作系统完成数据发送或接收，并返回成功或失败的信息给应用。

I/O多路复用（I/O复用模型）：

• I/O 多路复用可以同时阻塞多个I/O操作，而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写。

正因为阻塞I/O只能阻塞一个I/O操作，而I/O复用模型能够阻塞多个I/O操作，所以才叫做多路复用。

14、什么是生产者消费者模型？

对于生产者：

• 在操作系统中，生产者生产一条数据，首先查看缓冲区能否放入数据，有没有空的位置，如果有往下执行，否则说明缓冲区全满了，消费者还没有及时的来消费数据。这时候生产者会进入阻塞等待（会唤醒消费者去消费数据）。
• 同样的，假设多个生产者都已经申请到执行权时，此时只能有一个生产者可以进入生产状态，所以其他几个生产者又要被阻塞一次。

对于消费者：

• 消费者消费一条数据时，首先查看缓冲区是否有数据单元，如果有执行消费，否则消费者进入阻塞等待（会唤醒生产者去生产数据）。

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总结的面试题也挺费时间的，文章会不定时更新，有时候一天多更新几篇，如果帮助您复习巩固了知识点，还请三连支持一下，后续会亿点点的更新！