操作系统面试题（二）
● 请你讲述一下互斥锁（mutex）机制，以及互斥锁和读写锁的区别
参考回答：
1、互斥锁和读写锁区别：
互斥锁：mutex，用于保证在任何时刻，都只能有一个线程访问该对象。当获取锁操作失败时，线程会进入睡眠，等待锁释放时被唤醒。
读写锁：rwlock，分为读锁和写锁。处于读操作时，可以允许多个线程同时获得读操作。但是同一时刻只能有一个线程可以获得写锁。其它获取写锁失败的线程都会进入睡眠状态，直到写锁释放时被唤醒。 注意：写锁会阻塞其它读写锁。当有一个线程获得写锁在写时，读锁也不能被其它线程获取；写者优先于读者（一旦有写者，则后续读者必须等待，唤醒时优先考虑写者）。适用于读取数据的频率远远大于写数据的频率的场合。
互斥锁和读写锁的区别：
1）读写锁区分读者和写者，而互斥锁不区分
2）互斥锁同一时间只允许一个线程访问该对象，无论读写；读写锁同一时间内只允许一个写者，但是允许多个读者同时读对象。
2、Linux的4种锁机制：
互斥锁：mutex，用于保证在任何时刻，都只能有一个线程访问该对象。当获取锁操作失败时，线程会进入睡眠，等待锁释放时被唤醒
读写锁：rwlock，分为读锁和写锁。处于读操作时，可以允许多个线程同时获得读操作。但是同一时刻只能有一个线程可以获得写锁。其它获取写锁失败的线程都会进入睡眠状态，直到写锁释放时被唤醒。 注意：写锁会阻塞其它读写锁。当有一个线程获得写锁在写时，读锁也不能被其它线程获取；写者优先于读者（一旦有写者，则后续读者必须等待，唤醒时优先考虑写者）。适用于读取数据的频率远远大于写数据的频率的场合。
自旋锁：spinlock，在任何时刻同样只能有一个线程访问对象。但是当获取锁操作失败时，不会进入睡眠，而是会在原地自旋，直到锁被释放。这样节省了线程从睡眠状态到被唤醒期间的消耗，在加锁时间短暂的环境下会极大的提高效率。但如果加锁时间过长，则会非常浪费CPU资源。
RCU：即read-copy-update，在修改数据时，首先需要读取数据，然后生成一个副本，对副本进行修改。修改完成后，再将老数据update成新的数据。使用RCU时，读者几乎不需要同步开销，既不需要获得锁，也不使用原子指令，不会导致锁竞争，因此就不用考虑死锁问题了。而对于写者的同步开销较大，它需要复制被修改的数据，还必须使用锁机制同步并行其它写者的修改操作。在有大量读操作，少量写操作的情况下效率非常高。
● 请回答一下进程和线程的区别
参考回答：
1、一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。线程依赖于进程而存在。
2、进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享进程的内存。（资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。同一进程中的多个线程共享代码段（代码和常量），数据段（全局变量和静态变量），扩展段（堆存储）。但是每个线程拥有自己的栈段，栈段又叫运行时段，用来存放所有局部变量和临时变量。）
3、进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位。
4、系统开销： 由于在创建或撤消进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I／o设备等。因此，操作系统所付出的开销将显著地大于在创建或撤消线程时的开销。类似地，在进行进程切换时，涉及到整个当前进程CPU环境的保存以及新被调度运行的进程的CPU环境的设置。而线程切换只须保存和设置少量寄存器的内容，并不涉及存储器管理方面的操作。可见，进程切换的开销也远大于线程切换的开销。
5、通信：由于同一进程中的多个线程具有相同的地址空间，致使它们之间的同步和通信的实现，也变得比较容易。进程间通信IPC，线程间可以直接读写进程数据段（如全局变量）来进行通信——需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。在有的系统中，线程的切换、同步和通信都无须操作系统内核的干预 。
6、进程编程调试简单可靠性高，但是创建销毁开销大；线程正相反，开销小，切换速度快，但是编程调试相对复杂。
7、进程间不会相互影响 ；线程一个线程挂掉将导致整个进程挂掉。
8、进程适应于多核、多机分布；线程适用于多核。
● 请你说一说进程状态转换图，动态就绪，静态就绪，动态阻塞，静态阻塞
参考回答：
1、进程的五种基本状态：
1）创建状态：进程正在被创建
2）就绪状态：进程被加入到就绪队列中等待CPU调度运行
3）执行状态：进程正在被运行
4）等待阻塞状态：进程因为某种原因，比如等待I/O，等待设备，而暂时不能运行。
5）终止状态：进程运行完毕
2、交换技术
当多个进程竞争内存资源时，会造成内存资源紧张，并且，如果此时没有就绪进程，处理机会空闲，I/0速度比处理机速度慢得多，可能出现全部进程阻塞等待I/O。
针对以上问题，提出了两种解决方法：
1）交换技术：换出一部分进程到外存，腾出内存空间。
2）虚拟存储技术：每个进程只能装入一部分程序和数据。
在交换技术上，将内存暂时不能运行的进程，或者暂时不用的数据和程序，换出到外存，来腾出足够的内存空间，把已经具备运行条件的进程，或进程所需的数据和程序换入到内存。
从而出现了进程的挂起状态：进程被交换到外存，进程状态就成为了挂起状态。
3、活动阻塞，静止阻塞，活动就绪，静止就绪
1）活动阻塞：进程在内存，但是由于某种原因被阻塞了。
2）静止阻塞：进程在外存，同时被某种原因阻塞了。
3）活动就绪：进程在内存，处于就绪状态，只要给CPU和调度就可以直接运行。
4）静止就绪：进程在外存，处于就绪状态，只要调度到内存，给CPU和调度就可以运行。
从而出现了：
活动就绪 —— 静止就绪 （内存不够，调到外存）
活动阻塞 —— 静止阻塞 （内存不够，调到外存）
执行 —— 静止就绪 （时间片用完）
● A* a = new A; a->i = 10;在内核中的内存分配上发生了什么？
参考回答：
1、程序内存管理：
一个程序本质上都是由BSS段、data段、text段三个组成的。可以看到一个可执行程序在存储（没有调入内存）时分为代码段、数据区和未初始化数据区三部分。
BSS段（未初始化数据区）：通常用来存放程序中未初始化的全局变量和静态变量的一块内存区域。BSS段属于静态分配，程序结束后静态变量资源由系统自动释放。
数据段：存放程序中已初始化的全局变量的一块内存区域。数据段也属于静态内存分配
代码段：存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域属于只读。在代码段中，也有可能包含一些只读的常数变量
text段和data段在编译时已经分配了空间，而BSS段并不占用可执行文件的大小，它是由链接器来获取内存的。
bss段（未进行初始化的数据）的内容并不存放在磁盘上的程序文件中。其原因是内核在程序开始运行前将它们设置为0。需要存放在程序文件中的只有正文段和初始化数据段。
data段（已经初始化的数据）则为数据分配空间，数据保存到目标文件中。
数据段包含经过初始化的全局变量以及它们的值。BSS段的大小从可执行文件中得到，然后链接器得到这个大小的内存块，紧跟在数据段的后面。当这个内存进入程序的地址空间后全部清零。包含数据段和BSS段的整个区段此时通常称为数据区。
可执行程序在运行时又多出两个区域：栈区和堆区。
栈区：由编译器自动释放，存放函数的参数值、局部变量等。每当一个函数被调用时，该函数的返回类型和一些调用的信息被存放到栈中。然后这个被调用的函数再为他的自动变量和临时变量在栈上分配空间。每调用一个函数一个新的栈就会被使用。栈区是从高地址位向低地址位增长的，是一块连续的内存区域，最大容量是由系统预先定义好的，申请的栈空间超过这个界限时会提示溢出，用户能从栈中获取的空间较小。
堆区：用于动态分配内存，位于BSS和栈中间的地址区域。由程序员申请分配和释放。堆是从低地址位向高地址位增长，采用链式存储结构。频繁的 malloc/free造成内存空间的不连续，产生碎片。当申请堆空间时库函数是按照一定的算法搜索可用的足够大的空间。因此堆的效率比栈要低的多。
2、A* a = new A; a->i = 10：
1）A *a：a是一个局部变量，类型为指针，故而操作系统在程序栈区开辟4/8字节的空间（0x000m），分配给指针a。
2）new A：通过new动态的在堆区申请类A大小的空间（0x000n）。
3）a = new A：将指针a的内存区域填入栈中类A申请到的地址的地址。即*（0x000m）=0x000n。
4）a->i：先找到指针a的地址0x000m，通过a的值0x000n和i在类a中偏移offset，得到a->i的地址0x000n + offset，进行*(0x000n + offset) = 10的赋值操作，即内存0x000n + offset的值是10。
● 给你一个类，里面有static，virtual，之类的，来说一说这个类的内存分布
参考回答：
1、static修饰符
1）static修饰成员变量
对于非静态数据成员，每个类对象都有自己的拷贝。而静态数据成员被当做是类的成员，无论这个类被定义了多少个，静态数据成员都只有一份拷贝，为该类型的所有对象所共享(包括其派生类)。所以，静态数据成员的值对每个对象都是一样的，它的值可以更新。
因为静态数据成员在全局数据区分配内存，属于本类的所有对象共享，所以它不属于特定的类对象，在没有产生类对象前就可以使用。
2）static修饰成员函数
与普通的成员函数相比，静态成员函数由于不是与任何的对象相联系，因此它不具有this指针。从这个意义上来说，它无法访问属于类对象的非静态数据成员，也无法访问非静态成员函数，只能调用其他的静态成员函数。
Static修饰的成员函数，在代码区分配内存。
2、C++继承和虚函数
C++多态分为静态多态和动态多态。静态多态是通过重载和模板技术实现，在编译的时候确定。动态多态通过虚函数和继承关系来实现，执行动态绑定，在运行的时候确定。
动态多态实现有几个条件：
(1) 虚函数；
(2) 一个基类的指针或引用指向派生类的对象；
基类指针在调用成员函数(虚函数)时，就会去查找该对象的虚函数表。虚函数表的地址在每个对象的首地址。查找该虚函数表中该函数的指针进行调用。
每个对象中保存的只是一个虚函数表的指针，C++内部为每一个类维持一个虚函数表，该类的对象的都指向这同一个虚函数表。
虚函数表中为什么就能准确查找相应的函数指针呢？因为在类设计的时候，虚函数表直接从基类也继承过来，如果覆盖了其中的某个虚函数，那么虚函数表的指针就会被替换，因此可以根据指针准确找到该调用哪个函数。
3、virtual修饰符
如果一个类是局部变量则该类数据存储在栈区，如果一个类是通过new/malloc动态申请的，则该类数据存储在堆区。
如果该类是virutal继承而来的子类，则该类的虚函数表指针和该类其他成员一起存储。虚函数表指针指向只读数据段中的类虚函数表，虚函数表中存放着一个个函数指针，函数指针指向代码段中的具体函数。
如果类中成员是virtual属性，会隐藏父类对应的属性。
● 请你回答一下软链接和硬链接区别
参考回答：
为了解决文件共享问题，Linux引入了软链接和硬链接。除了为Linux解决文件共享使用，还带来了隐藏文件路径、增加权限安全及节省存储等好处。若1个inode号对应多个文件名，则为硬链接，即硬链接就是同一个文件使用了不同的别名,使用ln创建。若文件用户数据块中存放的内容是另一个文件的路径名指向，则该文件是软连接。软连接是一个普通文件，有自己独立的inode,但是其数据块内容比较特殊。● 请问什么是大端小端以及如何判断大端小端
参考回答：
大端是指低字节存储在高地址；小端存储是指低字节存储在低地址。我们可以根据联合体来判断该系统是大端还是小端。因为联合体变量总是从低地址存储。
● 请你回答一下静态变量什么时候初始化
参考回答：
静态变量存储在虚拟地址空间的数据段和bss段，C语言中其在代码执行之前初始化，属于编译期初始化。而C++中由于引入对象，对象生成必须调用构造函数，因此C++规定全局或局部静态对象当且仅当对象首次用到时进行构造
● 请你说一说用户态和内核态区别
参考回答：
用户态和内核态是操作系统的两种运行级别，两者最大的区别就是特权级不同。用户态拥有最低的特权级，内核态拥有较高的特权级。运行在用户态的程序不能直接访问操作系统内核数据结构和程序。内核态和用户态之间的转换方式主要包括：系统调用，异常和中断。
● 如何设计server，使得能够接收多个客户端的请求
参考回答：
多线程，线程池，io复用
● 死循环+来连接时新建线程的方法效率有点低，怎么改进？
参考回答：
提前创建好一个线程池，用生产者消费者模型，创建一个任务队列，队列作为临界资源，有了新连接，就挂在到任务队列上，队列为空所有线程睡眠。改进死循环：使用select epoll这样的技术
● 怎么唤醒被阻塞的socket线程？
参考回答：
给阻塞时候缺少的资源
● 怎样确定当前线程是繁忙还是阻塞？
参考回答：
使用ps命令查看
● 请问就绪状态的进程在等待什么？
参考回答：
被调度使用cpu的运行权
● 请你说一说多线程的同步，锁的机制
参考回答：
同步的时候用一个互斥量，在访问共享资源前对互斥量进行加锁，在访问完成后释放互斥量上的锁。对互斥量进行加锁以后，任何其他试图再次对互斥量加锁的线程将会被阻塞直到当前线程释放该互斥锁。如果释放互斥锁时有多个线程阻塞，所有在该互斥锁上的阻塞线程都会变成可运行状态，第一个变为运行状态的线程可以对互斥量加锁，其他线程将会看到互斥锁依然被锁住，只能回去再次等待它重新变为可用。在这种方式下，每次只有一个线程可以向前执行
● 两个进程访问临界区资源，会不会出现都获得自旋锁的情况？
参考回答：
单核cpu，并且开了抢占可以造成这种情况。
● windows消息机制知道吗，请说一说
参考回答：
当用户有操作(鼠标，键盘等)时，系统会将这些时间转化为消息。每个打开的进程系统都为其维护了一个消息队列，系统会将这些消息放到进程的消息队列中，而应用程序会循环从消息队列中取出来消息，完成对应的操作。
● C++的锁你知道几种?
参考回答：
锁包括互斥锁，条件变量，自旋锁和读写锁
● 说一说你用到的锁
参考回答：
生产者消费者问题利用互斥锁和条件变量可以很容易解决，条件变量这里起到了替代信号量的作用
● 请你说一说死锁产生的必要条件？
参考回答：
1.互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
2.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。
3.不剥夺条件:进程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。
4.循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
● 请你说一说什么是线程和进程，多线程和多进程通信方式
参考回答：
1）概念：
进程是对运行时程序的封装，是系统进行资源调度和分配的的基本单位，实现了操作系统的并发；
线程是进程的子任务，是CPU调度和分派的基本单位，用于保证程序的实时性，实现进程内部的并发；线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。每个线程都独自占用一个虚拟处理器：独自的寄存器组，指令计数器和处理器状态。每个线程完成不同的任务，但是共享同一地址空间（也就是同样的动态内存，映射文件，目标代码等等），打开的文件队列和其他内核资源。
2）进程间通信的方式:
进程间通信主要包括管道、系统IPC（包括消息队列、信号量、信号、共享内存等）、以及套接字socket。
1、管道：
管道主要包括无名管道和命名管道:管道可用于具有亲缘关系的父子进程间的通信，有名管道除了具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信
普通管道PIPE：
它是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），具有固定的读端和写端
它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信（也是父子进程或者兄弟进程之间）
它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内存中。
命名管道FIFO：
FIFO可以在无关的进程之间交换数据
FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。
2、消息队列
消息队列，是消息的链接表，存放在内核中。一个消息队列由一个标识符（即队列ID）来标记。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特点。具有写权限得进程可以按照一定得规则向消息队列中添加新信息，对消息队列有读权限得进程则可以从消息队列中读取信息。消息队列是面向记录的，其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。
消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除。
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。
3、信号量semaphore
信号量（semaphore）与已经介绍过的 IPC 结构不同，它是一个计数器，可以用 来控制多个进程对共享资源的访问。信号量用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于 存储进程间通信数据。
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。
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。
每次对信号量的PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1，而且可以加减任 意正整数。
支持信号量组。
4信号signal
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。
5共享内存（Shared Memory）
它使得多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据得更新。这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等。
共享内存是最快的一种IPC，因为进程是直接对内存进行存取
因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步
信号量+共享内存通常结合在一起使用，信号量用来同步对共享内存的访问
6、套接字SOCKET：
socket也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同主机之间的进程通信。
3）线程间通信的方式:
1、临界区：
通过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；
2、互斥量 Synchronized/Lock：
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
3、信号量 Semphare：
为控制具有有限数量的用户资源而设计的，它允许多个线程在同一时刻去访问同一个资源，但一般需要限制同一时刻访问此资源的最大线程数目。
4、事件(信号)，Wait/Notify：
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。
● 请你说一说内存溢出和内存泄漏
参考回答：
1、内存溢出
指程序申请内存时，没有足够的内存供申请者使用。内存溢出就是你要的内存空间超过了系统实际分配给你的空间，此时系统相当于没法满足你的需求，就会报内存溢出的错误
内存溢出原因：
内存中加载的数据量过于庞大，如一次从数据库取出过多数据
集合类中有对对象的引用，使用完后未清空，使得不能回收
代码中存在死循环或循环产生过多重复的对象实体
使用的第三方软件中的BUG
启动参数内存值设定的过小
2、内存泄漏
内存泄漏是指由于疏忽或错误造成了程序未能释放掉不再使用的内存的情况。内存泄漏并非指内存在物理上的消失，而是应用程序分配某段内存后，由于设计错误，失去了对该段内存的控制，因而造成了内存的浪费。
内存泄漏的分类：
1、堆内存泄漏 （Heap leak）。对内存指的是程序运行中根据需要分配通过malloc,realloc new等从堆中分配的一块内存，再是完成后必须通过调用对应的 free或者delete 删掉。如果程序的设计的错误导致这部分内存没有被释放，那么此后这块内存将不会被使用，就会产生Heap Leak。
2、系统资源泄露（Resource Leak）。主要指程序使用系统分配的资源比如 Bitmap,handle ,SOCKET等没有使用相应的函数释放掉，导致系统资源的浪费，严重可导致系统效能降低，系统运行不稳定。
3、没有将基类的析构函数定义为虚函数。当基类指针指向子类对象时，如果基类的析构函数不是virtual，那么子类的析构函数将不会被调用，子类的资源没有正确是释放，因此造成内存泄露。
● 进程和线程的区别，你都使用什么线程模型
参考回答：
1）进程和线程区别
1、一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。线程依赖于进程而存在。
2、进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享进程的内存。（资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。同一进程中的多个线程共享代码段（代码和常量），数据段（全局变量和静态变量），扩展段（堆存储）。但是每个线程拥有自己的栈段，栈段又叫运行时段，用来存放所有局部变量和临时变量。）
3、进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位。
4、系统开销： 由于在创建或撤消进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I／o设备等。因此，操作系统所付出的开销将显著地大于在创建或撤消线程时的开销。类似地，在进行进程切换时，涉及到整个当前进程CPU环境的保存以及新被调度运行的进程的CPU环境的设置。而线程切换只须保存和设置少量寄存器的内容，并不涉及存储器管理方面的操作。可见，进程切换的开销也远大于线程切换的开销。
5、通信：由于同一进程中的多个线程具有相同的地址空间，致使它们之间的同步和通信的实现，也变得比较容易。进程间通信IPC，线程间可以直接读写进程数据段（如全局变量）来进行通信——需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。在有的系统中，线程的切换、同步和通信都无须操作系统内核的干预 。
6、进程编程调试简单可靠性高，但是创建销毁开销大；线程正相反，开销小，切换速度快，但是编程调试相对复杂。
7、进程间不会相互影响；线程一个线程挂掉将导致整个进程挂掉。
8、进程适应于多核、多机分布；线程适用于多核。
2、常用线程模型
1、Future模型
该模型通常在使用的时候需要结合Callable接口配合使用。
Future是把结果放在将来获取，当前主线程并不急于获取处理结果。允许子线程先进行处理一段时间，处理结束之后就把结果保存下来，当主线程需要使用的时候再向子线程索取。
Callable是类似于Runnable的接口，其中call方法类似于run方法，所不同的是run方法不能抛出受检异常没有返回值，而call方法则可以抛出受检异常并可设置返回值。两者的方法体都是线程执行体。
2、fork&join模型
该模型包含递归思想和回溯思想，递归用来拆分任务，回溯用合并结果。可以用来处理一些可以进行拆分的大任务。其主要是把一个大任务逐级拆分为多个子任务，然后分别在子线程中执行，当每个子线程执行结束之后逐级回溯，返回结果进行汇总合并，最终得出想要的结果。
这里模拟一个摘苹果的场景：有100棵苹果树，每棵苹果树有10个苹果，现在要把他们摘下来。为了节约时间，规定每个线程最多只能摘10棵苹树以便于节约时间。各个线程摘完之后汇总计算总苹果树。
3、actor模型
actor模型属于一种基于消息传递机制并行任务处理思想，它以消息的形式来进行线程间数据传输，避免了全局变量的使用，进而避免了数据同步错误的隐患。actor在接受到消息之后可以自己进行处理，也可以继续传递（分发）给其它actor进行处理。在使用actor模型的时候需要使用第三方Akka提供的框架。
4、生产者消费者模型
生产者消费者模型都比较熟悉，其核心是使用一个缓存来保存任务。开启一个/多个线程来生产任务，然后再开启一个/多个来从缓存中取出任务进行处理。这样的好处是任务的生成和处理分隔开，生产者不需要处理任务，只负责向生成任务然后保存到缓存。而消费者只需要从缓存中取出任务进行处理。使用的时候可以根据任务的生成情况和处理情况开启不同的线程来处理。比如，生成的任务速度较快，那么就可以灵活的多开启几个消费者线程进行处理，这样就可以避免任务的处理响应缓慢的问题。
5、master-worker模型
master-worker模型类似于任务分发策略，开启一个master线程接收任务，然后在master中根据任务的具体情况进行分发给其它worker子线程，然后由子线程处理任务。如需返回结果，则worker处理结束之后把处理结果返回给master。
摘自牛客网！
