操作系统

操作系统简介篇

1.进程线程协程

概念

1、进程

进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动,进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。每个进程都有自己的独立内存空间，不同进程通过进程间通信来通信。由于进程比较重量，占据独立的内存，所以上下文进程间的切换开销（栈、寄存器、虚拟内存、文件句柄等）比较大，但相对比较稳定安全。

2、线程

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。线程是进程的一个实体,是CPU调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源,只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈)，但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。线程间通信主要通过共享内存，上下文切换很快，资源开销较少，但相比进程不够稳定容易丢失数据。

3、协程

**协程是一种用户态的轻量级线程，**协程的调度完全由用户控制。从技术的角度来说，“协程就是你可以暂停执行的函数”。协程拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈，直接操作栈则基本没有内核切换的开销，可以不加锁的访问全局变量，所以上下文的切换非常快。

线程与进程的区别:

1. 地址空间:线程是进程内的一个执行单元，进程内至少有一个线程，它们共享进程的地址空间，而进程有自己独立的地址空间
2. 资源拥有:进程是资源分配和拥有的单位,同一个进程内的线程共享进程的资源
3. 线程是处理器调度的基本单位,但进程不是
4. 二者均可并发执行
5. 每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口，但是线程不能够独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制

协程与线程的区别:

1. 一个线程可以多个协程，一个进程也可以单独拥有多个协程。
2. 线程进程都是同步机制，而协程则是异步。
3. 协程能保留上一次调用时的状态，每次过程重入时，就相当于进入上一次调用的状态。
4. 线程是抢占式，而协程是非抢占式的，所以需要用户自己释放使用权来切换到其他协程，因此同一时间其实只有一个协程拥有运行权，相当于单线程的能力。
5. 协程并不是取代线程, 而且抽象于线程之上, 线程是被分割的CPU资源, 协程是组织好的代码流程, 协程需要线程来承载运行, 线程是协程的资源, 但协程不会直接使用线程, 协程直接利用的是执行器(Interceptor), 执行器可以关联任意线程或线程池, 可以使当前线程, UI线程, 或新建新程.。
6. 线程是协程的资源。协程通过Interceptor来间接使用线程这个资源。

1.线程与进程的区别

1. 简而言之,一个程序至少有一个进程,一个进程至少有一个线程.

2. 线程的划分尺度小于进程，使得多线程程序的并发性高。

3. 另外，进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享内存，从而极大地提高了程序的运行效率。

4. 线程在执行过程中与进程还是有区别的。每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口。但是线程不能够独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。

5. 从逻辑角度来看，多线程的意义在于一个应用程序中，有多个执行部分可以同时执行。但操作系统并没有将多个线程看做多个独立的应用，来实现进程的调度和管理以及资源分配。这就是进程和线程的重要区别。

2.如何杀死一个进程

Kill pid

3.死锁，解决死锁的策略有哪些

​ 死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

（一）互斥条件：一个资源一次只能被一个进程访问。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。这种独占资源如 CD-ROM驱动器，打印机等等，必须在占有该资源的进程主动释放它之后，其它进程才能占有该资源。这是由资源本身的属性所决定的。

（二）请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。进程至少已经占有一个资源，但又申请新的资源；由于该资源已被另外进程占 有，此时该进程阻塞；但是，它在等待新资源之时，仍继续占用已占有的资源。

（三）不剥夺条件：进程已经获得的资源，在未使用完之前不能强行剥夺，而只能由该资源的占有者进程自行释放。

（四）循环等待条件：若干资源形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

4.银行家算法

允许进程动态地申请资源，系统在每次实施资源分配之前，先计算资源分配的安全性，若此次资源分配安全（即资源分配后，系统能按某种顺序来为每个进程分配其所需的资源，直至最大需求，使每个进程都可以顺利地完成），便将资源分配给进程，否则不分配资源，让进程等待。

5.解释一下什么是操作系统

操作系统是管理硬件和软件的一种应用程序。操作系统是运行在计算机上最重要的一种软件，它管理计算机的资源和进程以及所有的硬件和软件。它为计算机硬件和软件提供了一种中间层，使应用软件和硬件进行分离，让我们无需关注硬件的实现，把关注点更多放在软件应用上。

6.操作系统的主要功能

• 进程管理: 进程管理的主要作用就是任务调度，在单核处理器下，操作系统会为每个进程分配一个任务，进程管理的工作十分简单；而在多核处理器下，操作系统除了要为进程分配任务外，还要解决处理器的调度、分配和回收等问题
• 内存管理：内存管理主要是操作系统负责管理内存的分配、回收，在进程需要时分配内存以及在进程完成时回收内存，协调内存资源，通过合理的页面置换算法进行页面的换入换出
• 设备管理：根据确定的设备分配原则对设备进行分配，使设备与主机能够并行工作，为用户提供良好的设备使用界面。
• 文件管理：有效地管理文件的存储空间，合理地组织和管理文件系统，为文件访问和文件保护提供更有效的方法及手段。
• 提供用户接口：操作系统提供了访问应用程序和硬件的接口，使用户能够通过应用程序发起系统调用从而操纵硬件，实现想要的功能。

7.软件访问硬件的几种方式

软件访问硬件其实就是一种 IO 操作，软件访问硬件的方式，也就是 I/O 操作的方式有哪些。

硬件在 I/O 上大致分为并行和串行，同时也对应串行接口和并行接口。

随着计算机技术的发展，I/O 控制方式也在不断发展。选择和衡量 I/O 控制方式有如下三条原则
（1） 数据传送速度足够快，能满足用户的需求但又不丢失数据；
（2） 系统开销小，所需的处理控制程序少；
（3） 能充分发挥硬件资源的能力，使 I/O 设备尽可能忙，而 CPU 等待时间尽可能少。

根据以上控制原则，I/O 操作可以分为四类

• 直接访问：直接访问由用户进程直接控制主存或 CPU 和外围设备之间的信息传送。直接程序控制方式又称为忙/等待方式。

• 中断驱动：为了减少程序直接控制方式下 CPU 的等待时间以及提高系统的并行程度，系统引入了中断机制。中断机制引入后，外围设备仅当操作正常结束或异常结束时才向 CPU 发出中断请求。在 I/O 设备输入每个数据的过程中，由于无需 CPU 的干预，一定程度上实现了 CPU 与 I/O 设备的并行工作。

  上述两种方法的特点都是以 CPU 为中心，数据传送通过一段程序来实现，软件的传送手段限制了数据传送的速度。接下来介绍的这两种 I/O 控制方式采用硬件的方法来显示 I/O 的控制

• DMA 直接内存访问：为了进一步减少 CPU 对 I/O 操作的干预，防止因并行操作设备过多使 CPU 来不及处理或因速度不匹配而造成的数据丢失现象，引入了 DMA 控制方式。

• 通道控制方式：通道，独立于 CPU 的专门负责输入输出控制的处理机，它控制设备与内存直接进行数据交换。有自己的通道指令，这些指令由 CPU 启动，并在操作结束时向 CPU 发出中断信号。

8.解释一下操作系统的主要目的是什么

操作系统是一种软件，它的主要目的有三种

• 管理计算机资源，这些资源包括 CPU、内存、磁盘驱动器、打印机等。
• 提供一种图形界面，就像我们前面描述的那样，它提供了用户和计算机之间的桥梁。
• 为其他软件提供服务，操作系统与软件进行交互，以便为其分配运行所需的任何必要资源。

9.为什么 Linux 系统下的应用程序不能直接在 Windows 下运行

这是一个老生常谈的问题了，在这里给出具体的回答。

其中一点是因为 Linux 系统和 Windows 系统的格式不同，格式就是协议，就是在固定位置有意义的数据。Linux 下的可执行程序文件格式是 elf，可以使用 readelf 命令查看 elf 文件头。

而 Windows 下的可执行程序是 PE 格式，它是一种可移植的可执行文件。
还有一点是因为 Linux 系统和 Windows 系统的 API 不同，这个 API 指的就是操作系统的 API，Linux 中的 API 被称为系统调用，是通过 int 0x80 这个软中断实现的。而 Windows 中的 API 是放在动态链接库文件中的，也就是 Windows 开发人员所说的 DLL ，这是一个库，里面包含代码和数据。Linux 中的可执行程序获得系统资源的方法和 Windows 不一样，所以显然是不能在 Windows 中运行的。

10.操作系统结构

单体系统
在大多数系统中，整个系统在内核态以单一程序的方式运行。整个操作系统是以程序集合来编写的，链接在一块形成一个大的二进制可执行程序，这种系统称为单体系统。

在单体系统中构造实际目标程序时，会首先编译所有单个过程（或包含这些过程的文件），然后使用系统链接器将它们全部绑定到一个可执行文件中

在单体系统中，对于每个系统调用都会有一个服务程序来保障和运行。需要一组实用程序来弥补服务程序需要的功能，例如从用户程序中获取数据。可将各种过程划分为一个三层模型

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分层系统
分层系统使用层来分隔不同的功能单元。每一层只与该层的上层和下层通信。每一层都使用下面的层来执行其功能。层之间的通信通过预定义的固定接口通信。

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微内核
为了实现高可靠性，将操作系统划分成小的、层级之间能够更好定义的模块是很有必要的，只有一个模块 — 微内核 — 运行在内核态，其余模块可以作为普通用户进程运行。由于把每个设备驱动和文件系统分别作为普通用户进程，这些模块中的错误虽然会使这些模块崩溃，但是不会使整个系统死机。

MINIX 3 是微内核的代表作，它的具体结构如下

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在内核的外部，系统的构造有三层，它们都在用户态下运行，最底层是设备驱动器。由于它们都在用户态下运行，所以不能物理的访问 I/O 端口空间，也不能直接发出 I/O 命令。相反，为了能够对 I/O 设备编程，驱动器构建一个结构，指明哪个参数值写到哪个 I/O 端口，并声称一个内核调用，这样就完成了一次调用过程。

客户-服务器模式

微内核思想的策略是把进程划分为两类：服务器，每个服务器用来提供服务；客户端，使用这些服务。这个模式就是所谓的 客户-服务器模式。

客户-服务器模式会有两种载体，一种情况是一台计算机既是客户又是服务器，在这种方式下，操作系统会有某种优化；但是普遍情况下是客户端和服务器在不同的机器上，它们通过局域网或广域网连接。

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客户通过发送消息与服务器通信，客户端并不需要知道这些消息是在本地机器上处理，还是通过网络被送到远程机器上处理。对于客户端而言，这两种情形是一样的：都是发送请求并得到回应。

11.什么是用户态和内核态

用户态和内核态是操作系统的两种运行状态。

• 内核态：处于内核态的 CPU 可以访问任意的数据，包括外围设备，比如网卡、硬盘等，处于内核态的 CPU 可以从一个程序切换到另外一个程序，并且占用 CPU 不会发生抢占情况，一般处于特权级 0 的状态我们称之为内核态。

• 用户态：处于用户态的 CPU 只能受限的访问内存，并且不允许访问外围设备，用户态下的 CPU 不允许独占，也就是说 CPU 能够被其他程序获取。

  那么为什么要有用户态和内核态呢？

这个主要是访问能力的限制的考量，计算机中有一些比较危险的操作，比如设置时钟、内存清理，这些都需要在内核态下完成，如果随意进行这些操作，那你的系统得崩溃多少次。

12.用户态和内核态是如何切换的？

所有的用户进程都是运行在用户态的，但是我们上面也说了，用户程序的访问能力有限，一些比较重要的比如从硬盘读取数据，从键盘获取数据的操作则是内核态才能做的事情，而这些数据却又对用户程序来说非常重要。所以就涉及到两种模式下的转换，即用户态 -> 内核态 -> 用户态，而唯一能够做这些操作的只有 系统调用，而能够执行系统调用的就只有 操作系统。

一般用户态 -> 内核态的转换我们都称之为 trap 进内核，也被称之为 陷阱指令(trap instruction)。

他们的工作流程如下：

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• 首先用户程序会调用 glibc 库，glibc 是一个标准库，同时也是一套核心库，库中定义了很多关键 API。
• glibc 库知道针对不同体系结构调用系统调用的正确方法，它会根据体系结构应用程序的二进制接口设置用户进程传递的参数，来准备系统调用。
• 然后，glibc 库调用软件中断指令(SWI) ，这个指令通过更新 CPSR 寄存器将模式改为超级用户模式，然后跳转到地址 0x08 处。
• 到目前为止，整个过程仍处于用户态下，在执行 SWI 指令后，允许进程执行内核代码，MMU 现在允许内核虚拟内存访问
• 从地址 0x08 开始，进程执行加载并跳转到中断处理程序，这个程序就是 ARM 中的 vector_swi()。
• 在 vector_swi() 处，从 SWI 指令中提取系统调用号 SCNO，然后使用 SCNO 作为系统调用表 sys_call_table 的索引，调转到系统调用函数。
• 执行系统调用完成后，将还原用户模式寄存器，然后再以用户模式执行。

13.什么是内核

在计算机中，内核是一个计算机程序，它是操作系统的核心，可以控制操作系统中所有的内容。内核通常是在 boot loader 装载程序之前加载的第一个程序。
这里还需要了解一下什么是 boot loader。

boot loader 又被称为引导加载程序，能够将计算机的操作系统放入内存中。在电源通电或者计算机重启时，BIOS 会执行一些初始测试，然后将控制权转移到引导加载程序所在的主引导记录(MBR) 。

14.什么是实时系统

实时操作系统对时间做出了严格的要求，实时操作系统分为两种：硬实时和软实时

硬实时操作系统规定某个动作必须在规定的时刻内完成或发生，比如汽车生产车间，焊接机器必须在某一时刻内完成焊接，焊接的太早或者太晚都会对汽车造成永久性伤害。

软实时操作系统虽然不希望偶尔违反最终的时限要求，但是仍然可以接受。并且不会引起任何永久性伤害。比如数字音频、多媒体、手机都是属于软实时操作系统。

你可以简单理解硬实时和软实时的两个指标：是否在时刻内必须完成以及是否造成严重损害。

进程和线程篇

1.多处理系统的优势

随着处理器的不断增加，我们的计算机系统由单机系统变为了多处理系统，多处理系统的吞吐量比较高，多处理系统拥有多个并行的处理器，这些处理器共享时钟、内存、总线、外围设备等。

多处理系统由于可以共享资源，因此可以开源节流，省钱。整个系统的可靠性也随之提高。

2.什么是进程和进程表

进程就是正在执行程序的实例，比如说 Web 程序就是一个进程，shell 也是一个进程，文章编辑器 typora 也是一个进程。

操作系统负责管理所有正在运行的进程，操作系统会为每个进程分配特定的时间来占用 CPU，操作系统还会为每个进程分配特定的资源。

操作系统为了跟踪每个进程的活动状态，维护了一个进程表。在进程表的内部，列出了每个进程的状态以及每个进程使用的资源等。

3.使用多线程的好处是什么

多线程是程序员不得不知的基本素养之一，所以，下面我们给出一些多线程编程的好处

• 能够提高对用户的响应顺序
• 在流程中的资源共享
• 比较经济适用
• 能够对多线程架构有深入的理解

4.进程终止的方式

进程的终止

进程在创建之后，它就开始运行并做完成任务。然而，没有什么事儿是永不停歇的，包括进程也一样。进程早晚会发生终止，但是通常是由于以下情况触发的

• 正常退出(自愿的)
• 错误退出(自愿的)
• 严重错误(非自愿的)
• 被其他进程杀死(非自愿的)

5.进程间的通信方式

• 消息传递：消息传递是进程间实现通信和同步等待的机制，使用消息传递，进程间的交流不需要共享变量，直接就可以进行通信；消息传递分为发送方和接收方

• 先进先出队列：先进先出队列指的是两个不相关联进程间的通信，两个进程之间可以彼此相互进程通信，这是一种全双工通信方式

• 管道：管道用于两个相关进程之间的通信，这是一种半双工的通信方式，如果需要全双工，需要另外一个管道。

• 直接通信：在这种进程通信的方式中，进程与进程之间只存在一条链接，进程间要明确通信双方的命名。

• 间接通信：间接通信是通信双方不会直接建立连接，而是找到一个中介者，这个中介者可能是个对象等等，进程可以在其中放置消息，并且可以从中删除消息，以此达到进程间通信的目的。

• 消息队列：消息队列是内核中存储消息的链表，它由消息队列标识符进行标识，这种方式能够在不同的进程之间提供全双工的通信连接。

• 共享内存：共享内存是使用所有进程之间的内存来建立连接，这种类型需要同步进程访问来相互保护。

• 套接字(socket)

  套接口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同设备及其间的进程通信。

线程间的通信方式
锁机制：包括互斥锁、条件变量、读写锁

互斥锁提供了以排他方式防止数据结构被并发修改的方法。
读写锁允许多个线程同时读共享数据，而对写操作是互斥的。
条件变量可以以原子的方式阻塞进程，直到某个特定条件为真为止。对条件的测试是在互斥锁的保护下进行的。条件变量始终与互斥锁一起使用。

wait/notify 等待

Volatile 内存共享

CountDownLatch 并发工具

CyclicBarrier 并发工具

信号量机制(Semaphore)
包括无名线程信号量和命名线程信号量。

信号机制(Signal)
类似进程间的信号处理。

线程间的通信目的主要是用于线程同步，所以线程没有像进程通信中的用于数据交换的通信机制。

共享存储

在通信的进程之间存在一块可直接访问的共享空间，通过对这片共享空间进行写/读操作实现进程之间的信息交换。在对共享空间进行写/读操作时，需要使用同步互斥工具（如 P操作、V操作），对共享空间的写/读进行控制。共享存储又分为两种：低级方式的共享是基于数据结构的共享；高级方式则是基于存储区的共享。操作系统只负责为通信进程提供可共享使用的存储空间和同步互斥工具，而数据交换则由用户自己安排读/写指令完成。

需要注意的是，用户进程空间一般都是独立的，要想让两个用户进程共享空间必须通过特殊的系统调用实现，而进程内的线程是自然共享进程空间的。

消息传递

在消息传递系统中，进程间的数据交换是以格式化的消息(Message)为单位的。若通信的进程之间不存在可直接访问的共享空间，则必须利用操作系统提供的消息传递方法实现进程通信。进程通过系统提供的发送消息和接收消息两个原语进行数据交换。

1. 直接通信方式：发送进程直接把消息发送给接收进程，并将它挂在接收进程的消息缓冲队列上，接收进程从消息缓冲队列中取得消息。

2. 间接通信方式：发送进程把消息发送到某个中间实体中，接收进程从中间实体中取得消息。这种中间实体一般称为信箱，这种通信方式又称为信箱通信方式。该通信方式广泛应用于计算机网络中，相应的通信系统称为电子邮件系统。

管道通信

管道通信是消息传递的一种特殊方式。所谓“管道”，是指用于连接一个读进程和一个写进程以实现它们之间通信的一个共享文件，又名pipe文件。向管道（共享文件）提供输入的发送进程（即写进程），以字符流形式将大量的数据送入（写）管道；而接收管道输出的接收进程（即读进程），则从管道中接收（读）数据。为了协调双方的通信，管道机制必须提供以下三方面的协调能力：互斥、同步和确定对方的存在。

6.进程间状态模型

进程的三态模型

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1.运行态：运行态指的就是进程实际占用 CPU 时间片运行时
2.就绪态：就绪态指的是可运行，但因为其他进程正在运行而处于就绪状态
3.阻塞态：阻塞态又被称为睡眠态，它指的是进程不具备运行条件，正在等待被 CPU 调度。

7.调度算法都有哪些

先来先服务调度算法

最简单的一个调度算法，就是非抢占式的先来先服务（First Come First Severd, FCFS）算法了。

顾名思义，先来后到，每次从就绪队列选择最先进入队列的进程，然后一直运行，直到进程退出或被阻塞，才会继续从队列中选择第一个进程接着运行。
这似乎很公平，但是当一个长作业先运行了，那么后面的短作业等待的时间就会很长，不利于短作业。

FCFS 对长作业有利，适用于 CPU 繁忙型作业的系统，而不适用于 I/O 繁忙型作业的系统

最短作业优先调度算法

最短作业优先（Shortest Job First, SJF）调度算法同样也是顾名思义，它会优先选择运行时间最短的进程来运行，这有助于提高系统的吞吐量。

这显然对长作业不利，很容易造成一种极端现象。
比如，一个长作业在就绪队列等待运行，而这个就绪队列有非常多的短作业，那么就会使得长作业不断的往后推，周转时间变长，致使长作业长期不会被运行。

高响应比优先调度算法

前面的「先来先服务调度算法」和「最短作业优先调度算法」都没有很好的权衡短作业和长作业。
那么，高响应比优先 （Highest Response Ratio Next, HRRN）调度算法主要是权衡了短作业和长作业。
每次进行进程调度时，先计算「响应比优先级」，然后把「响应比优先级」最高的进程投入运行，「响应比优先级」的计算公式：

如果两个进程的「等待时间」相同时，「要求的服务时间」越短，「响应比」就越高，这样短作业的进程容易被选中运行；
如果两个进程「要求的服务时间」相同时，「等待时间」越长，「响应比」就越高，这就兼顾到了长作业进程，因为进程的响应比可以随时间等待的增加而提高，当其等待时间足够长时，其响应比便可以升到很高，从而获得运行的机会；

时间片轮转调度算法

每个进程被分配一个时间段，称为时间片（Quantum），即允许该进程在该时间段中运行。

如果时间片用完，进程还在运行，那么将会把此进程从 CPU 释放出来，并把 CPU 分配另外一个进程；

如果该进程在时间片结束前阻塞或结束，则 CPU 立即进行切换；
另外，时间片的长度就是一个很关键的点：

如果时间片设得太短会导致过多的进程上下文切换，降低了 CPU 效率；
如果设得太长又可能引起对短作业进程的响应时间变长。将通常时间片设为 20ms~50ms 通常是一个比较合理的折中值。

最高优先级调度算法

前面的「时间片轮转算法」做了个假设，即让所有的进程同等重要，也不偏袒谁，大家的运行时间都一样。
但是，对于多用户计算机系统就有不同的看法了，它们希望调度是有优先级的，即希望调度程序能从就绪队列中选择最高优先级的进程进行运行，这称为最高优先级（Highest Priority First，HPF）调度算法。

进程的优先级可以分为，静态优先级或动态优先级：

• 静态优先级：创建进程时候，就已经确定了优先级了，然后整个运行时间优先级都不会变化；
• 动态优先级：根据进程的动态变化调整优先级，比如如果进程运行时间增加，则降低其优先级，如果进程等待时间（就绪队列的等待时间）增加，则升高其优先级，也就是随着时间的推移增加等待进程的优先级。

该算法也有两种处理优先级高的方法，非抢占式和抢占式：

• 非抢占式：当就绪队列中出现优先级高的进程，运行完当前进程，再选择优先级高的进程。
• 抢占式：当就绪队列中出现优先级高的进程，当前进程挂起，调度优先级高的进程运行。
  但是依然有缺点，可能会导致低优先级的进程永远不会运行。

多级反馈队列调度算法

• 设置了多个队列，赋予每个队列不同的优先级，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短；
• 新的进程会被放入到第一级队列的末尾，按先来先服务的原则排队等待被调度，如果在第一级队列规定的时间片没运行完成，则将其转入到第二级队列的末尾，以此类推，直至完成；
• 当较高优先级的队列为空，才调度较低优先级的队列中的进程运行。如果进程运行时，有新进程进入较高优先级的队列，则停止当前运行的进程并将其移入到原队列末尾，接着让较高优先级的进程运行；

可以发现，对于短作业可能可以在第一级队列很快被处理完。对于长作业，如果在第一级队列处理不完，可以移入下次队列等待被执行，虽然等待的时间变长了，但是运行时间也会更长了，所以该算法很好的兼顾了长短作业，同时有较好的响应时间。

7.交互式系统中的调度

交互式系统中在个人计算机、服务器和其他系统中都是很常用的，所以有必要来探讨一下交互式调度

轮询调度

一种最古老、最简单、最公平并且最广泛使用的算法就是 轮询算法(round-robin)。每个进程都会被分配一个时间段，称为时间片(quantum)，在这个时间片内允许进程运行。如果时间片结束时进程还在运行的话，则抢占一个 CPU 并将其分配给另一个进程。如果进程在时间片结束前阻塞或结束，则 CPU 立即进行切换。轮询算法比较容易实现。调度程序所做的就是维护一个可运行进程的列表，就像下图中的 a，当一个进程用完时间片后就被移到队列的末尾，就像下图的 b。

优先级调度

它的基本思想很明确，每个进程都被赋予一个优先级，优先级高的进程优先运行。
但是也不意味着高优先级的进程能够永远一直运行下去，调度程序会在每个时钟中断期间降低当前运行进程的优先级。如果此操作导致其优先级降低到下一个最高进程的优先级以下，则会发生进程切换。或者，可以为每个进程分配允许运行的最大时间间隔。当时间间隔用完后，下一个高优先级的进程会得到运行的机会。

最短进程优先

彩票调度

有一种既可以给出预测结果而又有一种比较简单的实现方式的算法，就是 彩票调度(lottery scheduling)算法。他的基本思想为进程提供各种系统资源的彩票。当做出一个调度决策的时候，就随机抽出一张彩票，拥有彩票的进程将获得资源。比如在 CPU 进行调度时，系统可以每秒持有 50 次抽奖，每个中奖进程会获得额外运行时间的奖励。
可以把彩票理解为 buff，这个 buff 有 15% 的几率能让你产生 速度之靴 的效果。

公平分享调度

如果用户 1 启动了 9 个进程，而用户 2 启动了一个进程，使用轮转或相同优先级调度算法，那么用户 1 将得到 90 % 的 CPU 时间，而用户 2 将之得到 10 % 的 CPU 时间。
为了阻止这种情况的出现，一些系统在调度前会把进程的拥有者考虑在内。在这种模型下，每个用户都会分配一些CPU 时间，而调度程序会选择进程并强制执行。因此如果两个用户每个都会有 50% 的 CPU 时间片保证，那么无论一个用户有多少个进程，都将获得相同的 CPU 份额。

8.影响调度程序的指标是什么

• CPU 使用率：
  CPU 正在执行任务（即不处于空闲状态）的时间百分比。

• 等待时间
  这是进程轮流执行的时间，也就是进程切换的时间

• 吞吐量
  单位时间内完成进程的数量

• 响应时间
  这是从提交流程到获得有用输出所经过的时间。

• 周转时间
  从提交流程到完成流程所经过的时间。

9.什么是 RR 调度算法

RR(round-robin) 调度算法主要针对分时系统，RR 的调度算法会把时间片以相同的部分并循环的分配给每个进程，RR 调度算法没有优先级的概念。这种算法的实现比较简单，而且每个线程都会占有时间片，并不存在线程饥饿的问题。

内存管理篇

1.什么是按需分页

在操作系统中，进程是以页为单位加载到内存中的，按需分页是一种虚拟内存的管理方式。在使用请求分页的系统中，只有在尝试访问页面所在的磁盘并且该页面尚未在内存中时，也就发生了缺页异常，操作系统才会将磁盘页面复制到内存中。

2.什么是虚拟内存

虚拟内存是一种内存分配方案，是一项可以用来辅助内存分配的机制。我们知道，应用程序是按页装载进内存中的。但并不是所有的页都会装载到内存中，计算机中的硬件和软件会将数据从 RAM 临时传输到磁盘中来弥补内存的不足。

对于虚拟内存，计算机可以执行操作是查看内存中最近未使用过的区域，然后将其复制到硬盘上。虚拟内存通过复制技术实现了 妹子，你快来看哥哥能装这么多程序 的资本。复制是自动进行的，你无法感知到它的存在。

3.虚拟内存的实现方式

虚拟内存中，允许将一个作业分多次调入内存。釆用连续分配方式时，会使相当一部分内存空间都处于暂时或永久的空闲状态，造成内存资源的严重浪费，而且也无法从逻辑上扩大内存容量。因此，虚拟内存的实需要建立在离散分配的内存管理方式的基础上。虚拟内存的实现有以下三种方式：

• 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。

不管哪种方式，都需要有一定的硬件支持。一般需要的支持有以下几个方面：

• 一定容量的内存和外存。
• 页表机制（或段表机制），作为主要的数据结构。
• 中断机构，当用户程序要访问的部分尚未调入内存，则产生中断。
• 地址变换机构，逻辑地址到物理地址的变换。

4.空闲内存管理的方式

操作系统在动态分配内存时（malloc，new），需要对空间内存进行管理。一般采用了两种方式：位图和空闲链表。

使用位图方法时，内存可能被划分为小到几个字或大到几千字节的分配单元。每个分配单元对应于位图中的一位，0 表示空闲， 1 表示占用（或者相反）。

使用空闲链表
另一种记录内存使用情况的方法是，维护一个记录已分配内存段和空闲内存段的链表，段会包含进程或者是两个进程的空闲区域。可用上面的图 c 来表示内存的使用情况。链表中的每一项都可以代表一个 空闲区(H) 或者是进程§的起始标志，长度和下一个链表项的位置。

当按照地址顺序在链表中存放进程和空闲区时，有几种算法可以为创建的进程（或者从磁盘中换入的进程）分配内存。

• 首次适配算法：在链表中进行搜索，直到找到最初的一个足够大的空闲区，将其分配。除非进程大小和空间区大小恰好相同，否则会将空闲区分为两部分，一部分为进程使用，一部分成为新的空闲区。该方法是速度很快的算法，因为索引链表结点的个数较少。
• 下次适配算法：工作方式与首次适配算法相同，但每次找到新的空闲区位置后都记录当前位置，下次寻找空闲区从上次结束的地方开始搜索，而不是与首次适配一样从头开始；
• 最佳适配算法：搜索整个链表，找出能够容纳进程分配的最小的空闲区。这样存在的问题是，尽管可以保证为进程找到一个最为合适的空闲区进行分配，但大多数情况下，这样的空闲区被分为两部分，一部分用于进程分配，一部分会生成很小的空闲区，而这样的空闲区很难再被进行利用。
• 最差适配算法：与最佳适配算法相反，每次分配搜索最大的空闲区进行分配，从而可以使得空闲区拆分得到的新的空闲区可以更好的被进行利用。

5.缺页中断

https://cloud.tencent.com/developer/article/1683163

6.页面置换算法都有哪些

最优页面置换算法

基本思路：当一个缺页中断发生时，对于保存在内存当中的每一个逻辑页面，计算在它的也一次访问之间，还需等待多长的时间，从中选择等待时间最长的那个，作为被置换的页面。

这只是一整理想的情况，在实际的系统中是无法实现的，因为操作系统无法直到每一个页面要等待多长时间以后才会再次被访问。

可用作其他算法的评价的依据（在一个模拟器上运行某个程序，并记录每一次的页面的访问情况，在第二遍运行时间可使用最优算法）

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5EDYcDdx-1630242350480)(操作系统.assets/v2-e7491ccd91cf5958657cef4e4cb30a96_720w.jpg)]

d最远，被置换出，e被加入。

先进先出算法（first-in first-out ，FIFO ）

基本思路：选择在内存中驻留时间最长的页面并淘汰之。具体来说：OS维护着一个链表，记录了所有内存当中的逻辑页面。从链表的排序顺序来看，链首页面的驻留时间最长，链尾页面的驻留时间最短。当发生一个页面中断时，把链首页面淘汰出局，把新的页面添加到链表的末尾。

性能较差，调出的页面可能是经常要访问的页面（驻留时间长，本身就说明可能常用），有belady现象（给的物理页帧越多反而缺页越频繁），FIFO算法很少单独使用。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-IDP3ORYS-1630242350481)(操作系统.assets/v2-6f43a8bb1f20ecc7d4c6103e18b44a4d_720w.jpg)]

最近最久未使用算法（least recently used， LRU ）

思路：当一个缺页中断发生时，选择最久未使用的那个页面，并淘汰之。

它是对最优置换算法的近似，以过去推未来。根据程序的局部性原理，即在最近一小段时间（最近几条指令），如果某些页面被频繁访问，那么在将来的一小段时间内，它们还可能再一次被频繁访问。反之，如果在过去某些页面长时间未被访问，那么将来它们还可能会长时间地得不到访问。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wtceBC39-1630242350482)(操作系统.assets/v2-a8bf5c5259b91e682d9a93b37fd5b1e0_720w.jpg)]

LRU算法需要记录各个页面使用时间的先后顺序，开销比较大，两种可能的实现方法。

系统维护一个页面链表，最近刚使用的页面作为首结点，最久未使用的页面作为尾结点，每次访问内存时，找到相应的页面，把它从链表中摘下来，再移动到链表之首，每次缺页中断发生时，淘汰链表末尾的页面。

设置一个活动页面堆栈：当访问某页时，将此页号入栈顶，并去除栈内的重复页。当需要淘汰一个页面时，总是选择栈底的页面，它就是最久未使用的。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-clne5Uwr-1630242350483)(操作系统.assets/v2-d65da5a3ea91d4fe332852ec06e0b3c5_720w.jpg)]

时钟页面置换算法

Clock 页面置换算法——LRU的近似，对FIFO的改进

基本思路：需要用到页表项的访问位（access bit），当一个页面被装入内存时，把该位初始化为0，然后如果这个页被访问（读/写）时，硬件把它置为1.

把各个页面组织成环形链表（类似钟表面），把指针指向最老的页面（最先进来）；

当发生一个缺页中断，考察指针所指向的最老的页面，若它的访问为为0，则立即淘汰。若访问为1，则把该位置为0，然后指针往下移动一格。如此下去，直到找到被淘汰的页面，然后把指针移动到它的下一格。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-fX13osG2-1630242350484)(操作系统.assets/v2-916f95c797b2e15f67145130d14cd0fd_720w.jpg)]

页号0和1的访问位被置0，页号为1的页表项被替换，访问位置1,指针指向下一个位置页号7。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-WVK8K4Ei-1630242350486)(操作系统.assets/v2-49eb22a3c369b9cd398e916076cb5868_720w.jpg)]

产生4次缺页中断，比LRU差一些，在实践的系统中和LRU接近。

7.内存泄漏

java中内存泄漏

内存泄漏和内存溢出

内存溢出 out of memory，是指程序在申请内存时，没有足够的内存空间供其使用，出现out of memory；比如申请了一个integer,但给它存了long才能存下的数，那就是内存溢出。

内存泄露 memory leak，是指程序在申请内存后，无法释放已申请的内存空间，一次内存泄露危害可以忽略，但内存泄露堆积后果很严重，无论多少内存,迟早会被占光。

memory leak会最终会导致out of memory！

内存溢出就是你要求分配的内存超出了系统能给你的，系统不能满足需求，于是产生溢出。

内存泄漏是指你向系统申请分配内存进行使用(new)，可是使用完了以后却不归还(delete)，结果你申请到的那块内存你自己也不能再访问（也许你把它的地址给弄丢了），而系统也不能再次将它分配给需要的程序。一个盘子用尽各种方法只能装4个果子，你装了5个，结果掉倒地上不能吃了。这就是溢出！比方说栈，栈满时再做进栈必定产生空间溢出，叫上溢，栈空时再做退栈也产生空间溢出，称为下溢。就是分配的内存不足以放下数据项序列,称为内存溢出.

以发生的方式来分类，内存泄漏可以分为4类：

1. 常发性内存泄漏。发生内存泄漏的代码会被多次执行到，每次被执行的时候都会导致一块内存泄漏。
2. 偶发性内存泄漏。发生内存泄漏的代码只有在某些特定环境或操作过程下才会发生。常发性和偶发性是相对的。对于特定的环境，偶发性的也许就变成了常发性的。所以测试环境和测试方法对检测内存泄漏至关重要。
3. 一次性内存泄漏。发生内存泄漏的代码只会被执行一次，或者由于算法上的缺陷，导致总会有一块仅且一块内存发生泄漏。比如，在类的构造函数中分配内存，在析构函数中却没有释放该内存，所以内存泄漏只会发生一次。
4. 隐式内存泄漏。程序在运行过程中不停的分配内存，但是直到结束的时候才释放内存。严格的说这里并没有发生内存泄漏，因为最终程序释放了所有申请的内存。但是对于一个服务器程序，需要运行几天，几周甚至几个月，不及时释放内存也可能导致最终耗尽系统的所有内存。所以，我们称这类内存泄漏为隐式内存泄漏。

内存泄漏的场景

内存泄漏危害

从用户使用程序的角度来看，内存泄漏本身不会产生什么危害，作为一般的用户，根本感觉不到内存泄漏的存在。真正有危害的是内存泄漏的堆积，这会最终消耗尽系统所有的内存。从这个角度来说，一次性内存泄漏并没有什么危害，因为它不会堆积，而隐式内存泄漏危害性则非常大，因为较之于常发性和偶发性内存泄漏它更难被检测到

1、频繁GC：系统分配给每个应用的内存资源都是有限的，内存泄漏导致其他组件可用的内存变少后，一方面会使得GC的频率加剧，再发生GC的时候，所有进程都必须等待，GC的频率越高，用户越容易感应到卡顿。另一方面内存变少，可能使得系统额外分配给该对象一些内存，而影响整个系统的运行情况。

2、导致程序运行崩溃：一旦内存不足以为某些对象分配所需要的空间，将会导致程序崩溃，造成体验差。

内存泄漏解决

因为内存泄漏是在堆内存中，所以对我们来说并不是可见的。通常我们可以借助MAT、LeakCanary等工具来检测应用程序是否存在内存泄漏。

从程序内部重新编译。养成良好的编码习惯，尽量在涉及内存的程序段，检测出内存泄露。

结束程序，内存自然就会被操作系统回收。

重新启动电脑后，立刻恢复。

文件系统篇

1.提高文件系统性能的方式

高速缓存

块提前读

减少磁盘臂运动

磁盘碎片整理

2.磁盘臂调度算法

先来先服务算法
FCFS算法根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度，这是一种最简单的调度算法。该算法的优点是具有公平性。如果只有少量进程需要访问，且大部分请求都是访问簇聚的文件扇区，则有望达到较好的性能；但如果有大量进程竞争使用磁盘，那么这种算法在性能上往往接近于随机调度。所以，实际磁盘调度中考虑一些更为复杂的调度算法。
1、算法思想：按访问请求到达的先后次序服务。
2、优点：简单，公平。
3、缺点：效率不高，相邻两次请求可能会造成最内到最外的柱面寻道，使磁头反复移动，增加了服务时间，对机械也不利。

最短寻找时间优先算法
SSTF算法选择调度处理的磁道是与当前磁头所在磁道距离最近的磁道，以使每次的寻找时间最短。当然，总是选择最小寻找时间并不能保证平均寻找时间最小，但是能提供比FCFS算法更好的性能。这种算法会产生“饥饿”现象。

1、算法思想：优先选择距当前磁头最近的访问请求进行服务，主要考虑寻道优先。
2、优点：改善了磁盘平均服务时间。
3、缺点：造成某些访问请求长期等待得不到服务。
4、例子：对上例的磁盘访问序列，可得磁头移动的轨迹如下图。

扫描算法（又称电梯算法）
SCAN算法在磁头当前移动方向上选择与当前磁头所在磁道距离最近的请求作为下一次服务的对象。由于磁头移动规律与电梯运行相似，故又称为电梯调度算法。SCAN算法对最近扫描过的区域不公平，因此，它在访问局部性方面不如FCFS算法和SSTF算法好。

算法思想：当设备无访问请求时，磁头不动；当有访问请求时，磁头按一个方向移动，在移动过程中对遇到的访问请求进行服务，然后判断该方向上是否还有访问请求，如果有则继续扫描；否则改变移动方向，并为经过的访问请求服务，如此反复。
2、优点：克服了最短寻道优先的缺点，既考虑了距离，同时又考虑了方向。

循环扫描算法
在扫描算法的基础上规定磁头单向移动来提供服务，回返时直接快速移动至起始端而不服务任何请求。由于SCAN算法偏向于处理那些接近最里或最外的磁道的访问请求，所以使用改进型的C-SCAN算法来避免这个问题。

釆用SCAN算法和C-SCAN算法时磁头总是严格地遵循从盘面的一端到另一端，显然，在实际使用时还可以改进，即磁头移动只需要到达最远端的一个请求即可返回，不需要到达磁盘端点。这种形式的SCAN算法和C-SCAN算法称为LOOK和C-LOOK调度。这是因为它们在朝一个给定方向移动前会查看是否有请求。注意，若无特别说明，也可以默认SCAN算法和C-SCAN算法为LOOK和C-LOOK调度。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-9edSt9yu-1630242350487)(操作系统.assets/image-20210416153702556.png)]

3.RAID 的不同级别

RAID 称为 磁盘冗余阵列，简称 磁盘阵列。利用虚拟化技术把多个硬盘结合在一起，成为一个或多个磁盘阵列组，目的是提升性能或数据冗余。

RAID 有不同的级别

RAID 0 - 无容错的条带化磁盘阵列
RAID 1 - 镜像和双工
RAID 2 - 内存式纠错码
RAID 3 - 比特交错奇偶校验
RAID 4 - 块交错奇偶校验
RAID 5 - 块交错分布式奇偶校验
RAID 6 - P + Q冗余

IO 篇

1.操作系统中的时钟是什么

大部分的PC机中都有两个时钟源，它们分别叫做RTC（Real Time Clock）和OS时钟。RTC也叫CMOS时钟，它是PC主板上一块依靠电池供电的芯片（晶振）。即使系统断电，RTC也可以维持日期和时间。由于它独立于操作系统，所以也被称为硬件时钟，它为整个计算机提供一个计时标准，是最底层的时钟数据。

2.设备控制器的主要功能

设备控制器是一个可编址的设备，当它仅控制一个设备时，它只有一个唯一的设备地址；如果设备控制器控制多个可连接设备时，则应含有多个设备地址，并使每一个设备地址对应一个设备。

设备控制器主要分为两种：字符设备和块设备

设备控制器的主要功能有下面这些

• 接收和识别命令：设备控制器可以接受来自 CPU 的指令，并进行识别。设备控制器内部也会有寄存器，用来存放指令和参数
• 进行数据交换：CPU、控制器和设备之间会进行数据的交换，CPU 通过总线把指令发送给控制器，或从控制器中并行地读出数据；控制器将数据写入指定设备。
• 地址识别：每个硬件设备都有自己的地址，设备控制器能够识别这些不同的地址，来达到控制硬件的目的，此外，为使 CPU 能向寄存器中写入或者读取数据，这些寄存器都应具有唯一的地址。
• 差错检测：设备控制器还具有对设备传递过来的数据进行检测的功能。

3.中断处理过程

中断处理方案有很多种，下面是 《ARM System Developer’s Guide
Designing and Optimizing System Software》列出来的一些方案

• 非嵌套的中断处理程序按照顺序处理各个中断，非嵌套的中断处理程序也是最简单的中断处理
• 嵌套的中断处理程序会处理多个中断而无需分配优先级
• 可重入的中断处理程序可使用优先级处理多个中断
• 简单优先级中断处理程序可处理简单的中断
• 标准优先级中断处理程序比低优先级的中断处理程序在更短的时间能够处理优先级更高的中断
• 高优先级 中断处理程序在短时间能够处理优先级更高的任务，并直接进入特定的服务例程。
• 优先级分组中断处理程序能够处理不同优先级的中断任务

下面是一些通用的中断处理程序的步骤，不同的操作系统实现细节不一样

• 保存所有没有被中断硬件保存的寄存器
• 为中断服务程序设置上下文环境，可能包括设置 TLB、MMU 和页表，如果不太了解这三个概念，请参考另外一篇文章
• 为中断服务程序设置栈
• 对中断控制器作出响应，如果不存在集中的中断控制器，则继续响应中断
• 把寄存器从保存它的地方拷贝到进程表中
• 运行中断服务程序，它会从发出中断的设备控制器的寄存器中提取信息
• 操作系统会选择一个合适的进程来运行。如果中断造成了一些优先级更高的进程变为就绪态，则选择运行这些优先级高的进程
• 为进程设置 MMU 上下文，可能也会需要 TLB，根据实际情况决定
• 加载进程的寄存器，包括 PSW 寄存器
• 开始运行新的进程

4. DMA

DMA 的中文名称是直接内存访问，它意味着 CPU 授予 I/O 模块权限在不涉及 CPU 的情况下读取或写入内存。也就是 DMA 可以不需要 CPU 的参与。这个过程由称为 DMA 控制器（DMAC）的芯片管理。由于 设备可以直接在内存之间传输数据，而不是使用 CPU 作为中介，因此可以缓解总线上的拥塞。DMA 通过允许 CPU 执行任务，同时 DMA 系统通过系统和内存总线传输数据来提高系统并发性。

DMA 方式有如下特点：

• 数据传送以数据块为基本单位
• 所传送的数据从设备直接送入主存，或者从主存直接输出到设备上
• 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时才需 CPU 的干预，而整块数据的传送则是在控制器的控制下完成。

DMA 方式和中断驱动控制方式相比，减少了 CPU 对 I/O 操作的干预，进一步提高了 CPU 与 I/O 设备的并行操作程度。

DMA 方式的线路简单、价格低廉，适合高速设备与主存之间的成批数据传送，小型、微型机中的快速设备均采用这种方式，但其功能较差，不能满足复杂的 I/O 要求。

5.常见io模型

• I/O模型：阻塞、非阻塞、同步、异步

我们所说的I/O模型是指网络I/O模型,就是服务端如何管理连接，如何请求连接的措施，是用一个进程管理一个连接（PPC），还是一个线程管理一个连接(TPC)，亦或者一个进程管理多个连接(Reactor)。

因此IO多路复用中多路就是多个TCP连接（或多个Channel），复用就是指复用一个或少量线程，理解起来就是多个网路IO复用一个或少量线程来处理这些连接。

• 同步阻塞IO（Blocking IO）：即传统IO模型
• 同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：默认常见的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被设置成NONBLOCK
• IO多路复用（IO Multiplexing）：即经典的Reactor设计模式，也被称为异步阻塞IO，Java中的selector和linux中的epoll都是这种模型
• 异步IO（Asychronous IO）：即Proactor设计模式，也被称为异步非阻塞IO

同步和异步的概念描述的是用户线程与内核的交互方式，这里所说的用户进程/线程和内核是以传输层为分割线的，传输层以上是指用户进程，传输层以下（包括传输层）是指内核（处理所有通信细节，发送数据，等待确认，给无序到达的数据排序等，这四层是操作系统内核的一部分）。同步是指用户线程发起IO请求后需要等待或者轮询内核IO操作，完成后才能继续执行。异步是指用户线程发起IO请求后仍继续执行，当内核IO操作完成后回通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。

阻塞和非阻塞的概念描述的是用户线程调用内核IO操作的方式，阻塞时指IO操作需要彻底完成后才能返回用户空间，非阻塞时指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等待IO操作彻底完成。

同步阻塞IO

同步阻塞IO是最简单的IO模型，用户线程在内核进行IO操作时被阻塞。用户线程通过调用系统调用read发起IO读操作，由用户空间转到内核空间。内核等到数据包到达后，然后将接受的数据拷贝到用户空间，完成read操作。整个IO请求过程，用户线程都是被阻塞的，对CPU利用率不够

同步非阻塞IO

在同步基础上，将socket设置为NONBLOCK，这样用户线程可以在发起IO请求后立即返回。虽说可以立即返回，但并未读到任何数据，用户线程需要不断的发起IO请求，直到数据到达后才能真正读到数据，然后去处理。

整个IO请求中，虽然可以立即返回，但是因为是同步的，为了等到数据，需要不断的轮询、重复请求，消耗了大量的CPU资源。因此，这种模型很少使用，实际用处不大。

IO多路复用

multiplexing一词其实多用于通信领域，为了充分利用通信线路，希望在一个信道中传输多路信号，要想在一个信道中传输多路信号就需要把这多路信号结合为一路，将多路信号组合成一个信号的设备被称为multiplexer，显然接收方接收到这一路组合后的信号后要恢复原先的多路信号，这个设备被称为demultiplexer，如图所示：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-3qaNxZjc-1630242350488)(操作系统.assets/EBnUNf.jpeg)]

所谓I/O多路复用指的是这样一个过程：

1. 我们拿到了一堆文件描述符(不管是网络相关的、还是磁盘文件相关等等，任何文件描述符都可以)

2. 通过调用某个函数告诉内核：“这个函数你先不要返回，你替我监视着这些描述符，当这堆文件描述符中有可以进行I/O读写操作的时候你再返回”

3. 当调用的这个函数返回后我们就能知道哪些文件描述符可以进行I/O操作了。

​ 也就是说通过I/O多路复用我们可以同时处理多路I/O

IO多路复用是一种同步IO模型，实现一个线程可以监视多个文件句柄；一旦某个文件句柄就绪，就能够通知应用程序进行相应的读写操作；没有文件句柄就绪时会阻塞应用程序，交出cpu。多路是指网络连接，复用指的是同一个线程

异步非阻塞IO

在IO多路复用模型中，事件循环文件句柄的状态事件通知给用户线程，由用户线程自行读取数据、处理数据。而异步IO中，当用户线程收到通知时候，数据已经被内核读取完毕，并放在了用户线程指定的缓冲区内，内核在IO完成后通知用户线程直接使用就行了。因此这种模型需要操作系统更强的支持，把read操作从用户线程转移到了内核。

相比于IO多路复用模型，异步IO并不十分常用，不少高性能并发服务程序使用IO多路复用+多线程任务处理的架构基本可以满足需求。不过最主要原因还是操作系统对异步IO的支持并非特别完善，更多的采用IO多路复用模拟异步IO方式（IO事件触发时不直接通知用户线程，而是将数据读写完毕后放到用户指定的缓冲区）。

6.IO多路复用

多路复用

多路复用（Multiplexing，又称“多任务”）是一个通信和计算机网络领域的专业术语，在没有歧义的情况下，“多路复用”也可被称为“复用”。多路复用通常表示在一个信道上传输多路信号或数据流的过程和技术。因为多路复用能够将多个低速信道集成到一个高速信道进行传输，从而有效地利用了高速信道。通过使用多路复用，通信运营商可以避免维护多条线路，从而有效地节约运营成本[1]。

工作过程

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-N6qdhc6H-1630242350489)(操作系统.assets/250px-Mux_color.png)]

多路复用的抽象模型

首先，各个低速信道的信号通过多路复用器（MUX，多任务器）组合成一路可以在高速信道传输的信号。在这个信号通过高速信道到达接收端之后，再由分路器（DEMUX，解多任务器）将高速信道传输的信号转换成多个低速信道的信号，并且转发给对应的低速信道。

在实际的通信工程应用里，多路复用器和分路器通常作为一个设备被一起生产和安装。作为发送数据的时候，这个设备就作为多路复用器，在接收数据的时候，这个设备就作为分路器。

种类

多路复用根据使用的技术可以分为时分复用（TDM）、频分复用（FDM）、空分复用（SDM）和码分复用（CDM）。

• 时分复用的特点是：高速信道根据时间划分成多个时隙供多个低速信道轮流使用，在一个时隙内，只能有一个低速信道占有高速信道的资源。
• 频分复用的特点是：多路复用器将各个低速信道的信号通过调制分布到高速信道的各个频段，然后进行叠加，形成高速信道上传输的信号，在接收端，分路器一般通过带通滤波器分离各个频段，然后转发给对应的低速信道。在光通信领域，根据光波波长的不同进行多路复用的技术被称为波分复用（WDM）。
• 空分复用的特点是：使用多天线技术，通过波束成形技术将信号对准特定的发射源或接收站进行接收或发送。通过空分复用，多个发射源或者接受站可以同时使用同一个频率。在实际的通信工程里，空分复用通常和其它复用技术结合使用[[6]]。
• 码分复用的特点是：采用扩频通信技术，各个低速信道可以在同一个地方同时使用相同的频率进行通信，不同的低速信道通过采用不同的地址码复用整个频段。

和多址接入的关系

多工和多址接入在概念上非常类似，在技术上也有相同的地方，但是这两个术语有一定的差异。

多址接入是指通信网络具有多个用户通过公共的信道接入到网络的能力。通常情况下，为了实现多址接入，通信网络必须实现多路复用。但是，实现了多路复用的通信网络不一定实现多址接入。

在实际应用中，这两个概念有时候可以通用。

I/O多路复用三剑客

在Linux世界中有这样三种机制可以用来进行I/O多路复用：

• select
• poll
• epoll

本质上select、poll、epoll都是阻塞式I/O，也就是我们常说的同步I/O。

select poll,epoll都是IO多路复用的一种机制，就是通过一种机制可以监视多个文件描述符，一旦某个文件描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），就能够通知进程进行相应的读写操作，他们三个本质上都是同步IO，因为 它们都需要在读写事件就绪后自己负责读写操作，也就是读写过程中是阻塞的，而异步IO无需自己进行读写，它只负责发起事件具体的实现由别的完成

select和poll的实现比较相似，epoll就是poll和select的增强版了

select：

select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理。这样所带来的缺点是：

1、 单个进程可监视的fd数量被限制，即能监听端口的大小有限。

一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位机默认是1024个。64位机默认是2048.

2、 对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低：

当套接字比较多的时候，每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度,不管哪个Socket是活跃的,都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。如果能给套接字注册某个回调函数，当他们活跃时，自动完成相关操作，那就避免了轮询，这正是epoll与kqueue做的。

3、需要维护一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大

poll：

poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态，如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历，如果遍历完所有fd后没有发现就绪设备，则挂起当前进程，直到设备就绪或者主动超时，被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了多次无谓的遍历。

它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的，但是同样有一个缺点：

1、大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义。 2、poll还有一个特点是“水平触发”，如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd。

epoll:

epoll支持水平触发和边缘触发，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就需态，并且只会通知一次。还有一个特点是，epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知

epoll的优点：

**1、没有最大并发连接的限制，**能打开的FD的上限远大于1024（1G的内存上能监听约10万个端口）；
2、效率提升，不是轮询的方式，不会随着FD数目的增加效率下降。只有活跃可用的FD才会调用callback函数；
即Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，Epoll的效率就会远远高于select和poll。

3、 内存拷贝，利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递；即epoll使用mmap减少复制开销。

select、poll、epoll 区别总结：

1、支持一个进程所能打开的最大连接数

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-tDSOZbA1-1630242350490)(操作系统.assets/5d1abd7046f7e3cc995c28dd8005e6e11603426506345.png)]

2、FD剧增后带来的IO效率问题

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-630OWAWC-1630242350491)(操作系统.assets/2f067a4c4c4b6aa087d3e18cc41504211603426506345.png)]

3、 消息传递方式

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-D8ZKKIeL-1630242350492)(操作系统.assets/8dee419f79c1bce3fd14deeb36cb6ac51603426506345.png)]

死锁篇

1.什么是僵尸进程

孤儿进程和僵尸进程

基本概念

我们知道在unix/linux中，正常情况下，子进程是通过父进程创建的，子进程在创建新的进程。子进程的结束和父进程的运行是一个异步过程,即父进程永远无法预测子进程 到底什么时候结束。 当一个 进程完成它的工作终止之后，它的父进程需要调用wait()或者waitpid()系统调用取得子进程的终止状态。

孤儿进程：一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养，并由init进程对它们完成状态收集工作。

僵尸进程：一个进程使用fork创建子进程，如果子进程退出，而父进程并没有调用wait或waitpid获取子进程的状态信息，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵死进程。

问题及危害

unix提供了一种机制可以保证只要父进程想知道子进程结束时的状态信息， 就可以得到。这种机制就是: 在每个进程退出的时候,内核释放该进程所有的资源,包括打开的文件,占用的内存等。 但是仍然为其保留一定的信息(包括进程号the process ID,退出状态the termination status of the process,运行时间the amount of CPU time taken by the process等)。直到父进程通过wait / waitpid来取时才释放。 但这样就导致了问题，如果进程不调用wait / waitpid的话， 那么保留的那段信息就不会释放，其进程号就会一直被占用，但是系统所能使用的进程号是有限的，如果大量的产生僵死进程，将因为没有可用的进程号而导致系统不能产生新的进程. 此即为僵尸进程的危害，应当避免。

孤儿进程是没有父进程的进程，孤儿进程这个重任就落到了init进程身上，init进程就好像是一个民政局，专门负责处理孤儿进程的善后工作。每当出现一个孤儿进程的时候，内核就把孤 儿进程的父进程设置为init，而init进程会循环地wait()它的已经退出的子进程。这样，当一个孤儿进程凄凉地结束了其生命周期的时候，init进程就会代表党和政府出面处理它的一切善后工作。因此孤儿进程并不会有什么危害。

**任何一个子进程(init除外)在exit()之后，并非马上就消失掉，而是留下一个称为僵尸进程(Zombie)的数据结构，等待父进程处理。**这是每个 子进程在结束时都要经过的阶段。如果子进程在exit()之后，父进程没有来得及处理，这时用ps命令就能看到子进程的状态是“Z”。如果父进程能及时 处理，可能用ps命令就来不及看到子进程的僵尸状态，但这并不等于子进程不经过僵尸状态。 如果父进程在子进程结束之前退出，则子进程将由init接管。init将会以父进程的身份对僵尸状态的子进程进行处理。

僵尸进程危害场景：

例如有个进程，它定期的产 生一个子进程，这个子进程需要做的事情很少，做完它该做的事情之后就退出了，因此这个子进程的生命周期很短，但是，父进程只管生成新的子进程，至于子进程 退出之后的事情，则一概不闻不问，这样，系统运行上一段时间之后，系统中就会存在很多的僵死进程，倘若用ps命令查看的话，就会看到很多状态为Z的进程。 严格地来说，僵死进程并不是问题的根源，罪魁祸首是产生出大量僵死进程的那个父进程。因此，当我们寻求如何消灭系统中大量的僵死进程时，答案就是把产生大 量僵死进程的那个元凶枪毙掉（也就是通过kill发送SIGTERM或者SIGKILL信号啦）。枪毙了元凶进程之后，它产生的僵死进程就变成了孤儿进 程，这些孤儿进程会被init进程接管，init进程会wait()这些孤儿进程，释放它们占用的系统进程表中的资源，这样，这些已经僵死的孤儿进程 就能瞑目而去了。

解决

（1）通过信号机制

子进程退出时向父进程发送SIGCHILD信号，父进程处理SIGCHILD信号。在信号处理函数中调用wait进行处理僵尸进程。

具体流程，查找

进程状态与僵尸进程

2.wait和waitpid

等待子进程结束wait()和waitpid()

2.死锁产生的原因

死锁产生的原因大致有两个：资源竞争和程序执行顺序不当

3.死锁产生的必要条件

资源死锁可能出现的情况主要有

• 互斥条件：每个资源都被分配给了一个进程或者资源是可用的
• 保持和等待条件：已经获取资源的进程被认为能够获取新的资源
• 不可抢占条件：分配给一个进程的资源不能强制的从其他进程抢占资源，它只能由占有它的进程显示释放
• 循环等待：死锁发生时，系统中一定有两个或者两个以上的进程组成一个循环，循环中的每个进程都在等待下一个进程释放的资源。

4.死锁的恢复方式

所以针对检测出来的死锁，我们要对其进行恢复，下面我们会探讨几种死锁的恢复方式

通过抢占进行恢复

在某些情况下，可能会临时将某个资源从它的持有者转移到另一个进程。比如在不通知原进程的情况下，将某个资源从进程中强制取走给其他进程使用，使用完后又送回。这种恢复方式一般比较困难而且有些简单粗暴，并不可取。

通过回滚进行恢复

如果系统设计者和机器操作员知道有可能发生死锁，那么就可以定期检查流程。进程的检测点意味着进程的状态可以被写入到文件以便后面进行恢复。检测点不仅包含存储映像(memory image)，还包含资源状态(resource state)。一种更有效的解决方式是不要覆盖原有的检测点，而是每出现一个检测点都要把它写入到文件中，这样当进程执行时，就会有一系列的检查点文件被累积起来。
为了进行恢复，要从上一个较早的检查点上开始，这样所需要资源的进程会回滚到上一个时间点，在这个时间点上，死锁进程还没有获取所需要的资源，可以在此时对其进行资源分配。

杀死进程恢复

最简单有效的解决方案是直接杀死一个死锁进程。但是杀死一个进程可能照样行不通，这时候就需要杀死别的资源进行恢复。
另外一种方式是选择一个环外的进程作为牺牲品来释放进程资源。

5.如何破坏死锁

破坏互斥条件

破坏保持等待的条件

破坏不可抢占条件

破坏循环等待条件

破坏循环等待条件

6.死锁类型

两阶段加锁

通信死锁

活锁

饥饿