【春招预热】操作系统

进程管理

进程

进程是分配系统资源的基本单位，进程控制块PCB描述进程的基本信息和运行状态，创建进程和销毁进程都需要对PCB进行操作。

线程

线程是进行调度的最小单位，是能够独立运行的最小单位。能够并发执行。

哪些东西是线程共有的，独立的 多个线程可以共享进程资源，如地址空间，已打开的文件，定时器，信号量。申请到的I/O设备；线程本身并不拥有系统资源，但拥有独立的线程控制块TCB、程序计数器、局部变量、寄存器、堆栈。

系统开销 进程创建，撤销需要分配进程控制块，分配或回收内存空间和I/O设备；切换进程，涉及上下问切换；由于具有相同地址空间，线程通信同步简单。线程切换，仅需要设置少量寄存器。在一些OS中，线程切换、同步和通信无需操作系统内核的干预（哪些OS？）

多进程和多线程的特点和区别

线程不拥有资源，但是可以访问所属进程的资源；线程共享进程数据，无需分配太多资源，切换开销小，CPU调度的基本单位，快；线程通信可以通过读写公共数据。

进程是分配资源的基本单位；创建销毁，切换复杂，速度慢；进程间通信需IPC。

进程的三种状态：就绪，运行，阻塞

进程调度算法

优缺点是什么？https://leetcode-cn.com/leetbook/read/tech-interview-cookbook/oozipt/

批处理系统：先来先服务，短作业优先，最短剩余时间优先

交互式系统：时间片轮转，优先级调度，多级反馈队列

时间片轮转

从就绪队列中取队首进程，让它运行一个时间片，当时间片用完时，系统发送中断信号，让其暂停执行，将这个进程放如就绪队列队尾。

• 因为进程切换都要保存进程的信息并且载入新进程的信息，如果时间片太小，会导致进程切换得太频繁，在进程切换上就会花过多时间。
  而如果时间片过长，那么变成了FCFS

多级反馈对列

如果一个进程要执行100个时间片，那么他就要切换100次。

多级队列则设置多个队列，每个队列的时间片大小都不同，这样就可以可以节省交换时间。每个队列的优先级不同，只有优先级高的队列中没有进程等待时，才会执行当前队列队列中的进程。

当前队列没执行完，加入下一个队列。

非抢占和抢占

非抢占式优先权算法，即系统一旦分配处理机后，该进程一直执行，直到完成。一般用于对实时性要求不高的系统。

抢占式即系统会暂停当前运行的进程，让优先级更高的进程执行。一般用于对性能要求较高的批处理系统和分时系统中。

进程同步

临界资源 只允许进程间互斥访问，同一时间内只有一个进程可以访问的资源

临界区 操作临界资源的交临界区。entry->critical->exit

信号量

是一个整形变量。可以对其执行down和up操作。

down 信号量-1，如果为0，进程睡眠

up 信号量+1，唤醒进程让其执行down操作。

down和up都被设置成原语，不可分割，在执行这个操作的时候屏蔽中断。

如果信号量只能为0或者1，那么就是互斥量。0表示加锁，1表示解锁。

进程通信

管道、命名管道、消息队列、信号量、内存共享、套接字Socket

命名管道

去除管道只能在父子进程中使用的限制

#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *path, mode_t mode);
int mkfifoat(int fd, const char *path, mode_t mode);

消息队列

• 消息队列可以独立于读写进程存在，从而避免了 FIFO 中同步管道的打开和关闭时可能产生的困难；
• 避免了 FIFO 的同步阻塞问题，不需要进程自己提供同步方法；
• 读进程可以根据消息类型有选择地接收消息，而不像 FIFO 那样只能默认地接收。

共享内存

由于不需要在进程间进行数据拷贝，共享内存方法较快。需要使用信号量来对共享内存进行控制。通信的进程都将共享文件的地址映射到自身地址中。XSI不使用文件，而是用内存匿名段。

操作系统如何停止一个线程

进程调度，内存释放

32，64位操作系统区别

内存寻址

锁

悲观锁：读锁，写锁

乐观锁

互斥锁

条件锁

死锁

如果一组进程都在等待该组进程内的其他进程占有的资源，那么这一组进程死锁。

1. 竞争不可抢占性资源引起死锁。

2. 竞争可消耗资源

死锁条件

• 互斥条件：一个资源只能被一个进程占用，其他想用的进程只能等待。
• 占有和等待：进程占有资源后可以请求其他资源
• 不可抢占：其他进程不可以抢占，只能等待主动释放
• 循环等待：进程-资源循环链，成环

处理

死锁预防

破坏四个条件

互斥：

占有等待：规定所有进程在开始执行前请求所需要的全部资源。

不可抢占：当一个进程申请获取资源超时，就释放自己的所有资源。

循环等待：给资源统一编号，进程只能按编号顺序来请求资源。

死锁检测

允许死锁发生，即使发现抢救

每种一个资源 画出资源分配图，有环即有死锁

每种多个资源 记录拥有量，请求量，总量

寻找一个没有标记的进程，请求资源小于剩余资源，分配资源并标记。寻找下一个进程。

结束后没有被标记的都是死锁进程。

死锁避免

运行时避免发生死锁

1. 安全状态

允许动态申请，分配前计算安全性，存在某种进程推进顺序，使得所有进程均完成执行，即为安全状态

完成后释放

2. 银行家算法

进程申明最大单元数目，申请资源时判断安全状态。

E 总资源 P 已分配 A 可分配（空闲）

安全性算法：查找右边的矩阵是否存在一行小于等于向量 A。如果不存在这样的行，那么系统将会发生死锁，状态是不安全的。
假若找到这样一行，将该进程标记为终止，并将其已分配资源加到 A 中。
重复以上两步，直到所有进程都标记为终止，则状态时安全的。

死锁恢复

• 允许抢占

• 回滚到之前，还没有占用那个资源的检查点，

  假设,检测到进程1与进程2构成死锁.进程1需要的资源A此时被进程2占用.我们准备通过重新分配资源满足进程1,从而消除死锁.此时,我们需要检查进程2的检查点,将其恢复到某一检查点文件上, 在该检查点上,进程2尚未占用资源A. 通过对进程2进程复位,其在检查点后的所有工作将被清除.然后我们可以把资源A分配给进程1.如果复位后的进程2试图重新获得对该资源的控制,它必须等到该资源可用时为止, 至少需要在进程1执行完毕并释放该资源后.

• 杀死死锁进程

存储

存储器层次结构

寄存器

高速缓存

主存（DRAM）

磁盘

（远程二级存储，服务器，分布式系统）

越往上，越快，价格越高

LRU算法和实现

删除最近最少使用的缓存数据。

使用链表和哈希表实现。https://leetcode-cn.com/problems/lru-cache/

操作系统如何申请内存

两个系统调用：brk 和 mmap

虚拟存储器

一种将主存用作辅助存储器高速缓存的技术，对内存空间做逻辑上的扩充。

允许云计算在多个虚拟机之间有效安全地共享存储器；消除小而受限的主存容量对程序设计造成的影响

分页和分段

• 虚页号和页偏移，页偏移域决定了页的大小
• 段号和段内偏移：段大小可变，需要进行边界检查以确定偏移量是否在段内

PAE技术（虚拟地址扩展）

一般情况下来说，32位系统无法访问4G以上的空间，但是PAE将地址拓展到36位。采用三级页表，2Mb的page

Linux

查看进程、内存情况

ps命令

ps -aux | grep pid 用来查看某进程的状态

ps -ef | grep 查询id，然后kill：kill -9 1234

-2 中断 ctrl C 安全推出关闭；保存相关数据,然后再退出

-9 表示无条件退出，不会主动释放资源

-15 释放资源后关闭

ps -A 显示所有进程

free命令 free -m，查看内存的使用情况

top

查询进程信息、查看内存使用情况

解压

tar指令解压文件

五选一必选

-c 简历压缩档案
-x 解压
-t 查看内容
-r 向压缩归档文件末尾追加文件
-u 更新原压缩包的文件

可选

-z 有gzip属性
-j 有bz2属性
-Z 有compress属性
-v 显示所有过程
-0 将文件解开到标准输出

文件权限

linux文件基本权限九个，ower/group/others，三种身份各有自己的read/write/execute

修改指令 chmod

rwx分别为4 2 1，三项累加，如-rwxrwx---，则为-770

chmod -R 770 test.c

-R为递归持续变更，同目录下的文件都会变更

说说常用的linux命令

ls 查看当前目录的文件

cd 进入一个目录

grep 分析一行的信息，如果包含我们所需要的信息，就显示出这一行，通常与管道一起使用

cp ：复制

mv 移动

rm 删除

kill 向进程发送终止信号

tar解压

cat 查看文件内容

pwd 显示工作目录

动态链接和静态链接

ar创建库文件

动态库 汇编-fpic -shared生成位置无关代码

库小：使用静态库，大时使用动态

静态库 .a

• 打包到应用程序中加载速度快；无需提供库，已经在可执行程序中，移植方便

• 消耗系统资源，代码打包多次；更新部署发布麻烦

动态库 .so

• 加载到内存中，实现（进程间）资源共享
• 更新部署发布简单
• 可以控制何时加载动态库
• 加载速度慢；需要提供依赖的动态库

内核态/用户态

内核态（系统态）拥有最高的权限，可以进行一切指令执行和文件操作权限。而用户态只能访问一部分指令。

进入内核态 系统调用，异常，设备中断。系统调用是主动进入，后两者都是被动进入。

区分的原因 用户程序可能是攻击性的，为了安全，需要做隔离机制。防止一些危险指令被恶意操作，如清空内存，设置时钟等。

虚拟内存

操作系统为每一个进程分配独立的地址空间，即虚拟内存。

为什么使用虚拟内存

• 虚拟内存提供空间隔离，保护数据不被随意修改
• 内存的使用效率较低
• 运行时的地址不确定，操作系统随机为程序分配内存空间

优点

• 扩大地址空间，每个进程4G，虽然实际上不用那么多
• 内存保护，防止恶意篡改
• 实现内存共享，方便进程通信
• 避免内存碎片。物理内存不一定连续但是虚拟内存上可以连续。

缺点

• 页表额外空间
• 换出页面耗时，转换地址耗时

页表

每个程序都拥有自己的地址空间。操作系统将虚拟内存映射到物理内存的表即为页表。

虚拟空间地址被划分成有独立地址空间的段（分段），每个段上划分成相同大小的页（分页）

系统启动时，操作系统将整个物理内存划分成固定大小的页。Linux实现分级页表，可以减少内存消耗。

虚拟地址

虚拟地址包括：虚拟页号，页内偏移

GDB调试

next 下一条语句，不会进入函数

step into 进入函数

list 查看源代码

quit 结束

多进程调试

set follow-fork-mod child 子进程

set follow-fork-mode parent 父进程

小端大端

小端：高字节在高地址（0x12345678分别放在0x4003 0x4002 0x4001 0x4000）

大端：高字节在低地址（字符串处理，0x12345678分别放在0x4000 0x4001 0x4002 0x4003)

大端比较符合直觉

小端机：x86 ARM

大端机：网络字节序

存一个整数，然后用指针来访问地址内容即可。

short int x;
char x0,x1;
x=0x1122;
x0=((char*)&x)[0]; //低地址单元
x1=((char*)&x)[1]; //高地址单元

网络字节序

网络通信时是否需要进行字节序转换

同平台不需要转换，但跨平台一定需要转换。否则双方发送接收了正确的数据，却没有按照正确的字节序来读取。

网络字节序 网络上传输的都是字节流。UDP/TCP/IP协议规定：把收到的第一个字节当作高位字节看待，这就要求发送端发送的第一个字节是高位字节。网络字节序要求大端序，小端存放的数据发送前需要用系统提供的转换函数 htonl() 转化为大端发送