操作系统面试题

1、什么是进程（Process）和线程（Thread）？有何区别？

　　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。进程=程序+数据+执行

       线程是进程的一部分，是进程中一个相对独立的执行流。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。一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。

　　进程与应用程序的区别在于应用程序作为一个静态文件存储在计算机系统的硬盘等存储空间中，而进程则是处于动态条件下由操作系统维护的系统资源管理实体。

2、描述实时系统的基本特性

　　在特定时间内完成特定的任务，实时性与可靠性。

　　所谓“实时操作系统”，实际上是指操作系统工作时，其各种资源可以根据需要随时进行动态分配。由于各种资源可以进行动态分配，因此，其处理事务的能力较强、速度较快。

3、中断和轮询的特点

       轮询：cpu定时进行轮流询问某些设备，轮询方式具有简单、易实现、易控制等优势，对那些实时敏感性不高、具有大量CPU资源的系统来说，轮询方式有很广泛的应用

       中断：中断，顾名思义，就是打断正在进行中的工作。中断不需要处理器轮询设备的状态，设备在自己发生状态改变时将主动发送一个信号给处理器（PIC），后者在接收到这一通知信号时，会挂起当前正在执行的任务转而去处理响应外设的中断请求。中断通知机制通过硬件信号异步唤起处理器的注意，解决了外部设备与处理器之间速度不匹配导致的资源浪费问题。

      中断是指在计算机执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预期的急需处理事件，使得CPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序。待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。

4、什么是临界资源，临界区？如何解决冲突？

      临界资源：通常把系统中那些一次只允许被一个进程使用的一类资源称为临界资源。    

      每个进程中访问临界资源的那段程序称为临界区，每次只准许一个进程进入临界区，进入后不允许其他进程进入。

　　（1）如果有若干进程要求进入空闲的临界区，一次仅允许一个进程进入；

　　（2）任何时候，处于临界区内的进程不可多于一个。如已有进程进入自己的临界区，则其它所有试图进入临界区的进程必须等待；

　　（3）进入临界区的进程要在有限时间内退出，以便其它进程能及时进入自己的临界区；

　　（4）如果进程不能进入自己的临界区，则应让出CPU，避免进程出现“忙等”现象。

5、说说分段和分页

　　页是信息的物理单位，分页是为实现离散分配方式，以消减内存的外零头，提高内存的利用率；或者说，分页仅仅是由于系统管理的需要，而不是用户的需要。

　　段是信息的逻辑单位，它含有一组其意义相对完整的信息。分段的目的是为了能更好的满足用户的需要。

　　页的大小固定且由系统确定，把逻辑地址划分为页号和页内地址两部分，是由机器硬件实现的，因而一个系统只能有一种大小的页面。段的长度却不固定，决定于用户所编写的程序，通常由编辑程序在对源程序进行编辑时，根据信息的性质来划分。

　　分页的作业地址空间是一维的，即单一的线性空间，程序员只须利用一个记忆符，即可表示一地址。分段的作业地址空间是二维的，程序员在标识一个地址时，既需给出段名，又需给出段内地址。

6、说出你所知道的保持进程同步的方法？

　　进程间同步的主要方法有原子操作、信号量机制、自旋锁、管程、会合、分布式系统等。

7、你知道操作系统的内容分为几块吗？什么叫做虚拟内存？他和主存的关系如何？内存管理属于操作系统的内容吗？

　　操作系统的主要组成部分：进程和线程的管理，存储管理，设备管理，文件管理。虚拟内存是一些系统页文件，存放在磁盘上，每个系统页文件大小为4K，物理内存也被分页，每个页大小也为4K，这样虚拟页文件和物理内存页就可以对应，实际上虚拟内存就是用       于物理内存的临时存放的磁盘空间。页文件就是内存页，物理内存中每页叫物理页，磁盘上的页文件叫虚拟页，物理页+虚拟页就是系统所有使用的页文件的总和。

8、什么是缓冲区溢出？有什么危害？其原因是什么？

　　缓冲区溢出是指当计算机向缓冲区内填充数据时超过了缓冲区本身的容量，溢出的数据覆盖在合法数据上。

　　危害：在当前网络与分布式系统安全中，被广泛利用的50%以上都是缓冲区溢出，其中最著名的例子是1988年利用fingerd漏洞的蠕虫。而缓冲区溢出中，最为危险的是堆栈溢出，因为入侵者可以利用堆栈溢出，在函数返回时改变返回程序的地址，让其跳转到任意        地址，带来的危害一种是程序崩溃导致拒绝服务，另外一种就是跳转并且执行一段恶意代码，比如得到shell，然后为所欲为。通过往程序的缓冲区写超出其长度的内容，造成缓冲区的溢出，从而破坏程序的堆栈，使程序转而执行其它指令，以达到攻击的目的。

　　造成缓冲区溢出的主原因是程序中没有仔细检查用户输入的参数

9、什么是死锁？其条件是什么？怎样避免死锁？

　　死锁的概念：在两个或多个并发进程中，如果每个进程持有某种资源而又都等待别的进程释放它或它们现在保持着的资源，在未改变这种状态之前都不能向前推进，称这一组进程产生了死锁。通俗地讲，就是两个或多个进程被无限期地阻塞、相互等待的一种状              态。

　　死锁产生的原因主要是：？ 系统资源不足；？ 进程推进顺序非法。

　　产生死锁的必要条件：

　　（1）互斥（mutualexclusion），一个资源每次只能被一个进程使用；

　　（2）不可抢占（nopreemption），进程已获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺；

　　（3）占有并等待（hold andwait），一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放；

　　（4）环形等待（circularwait），若干进程之间形成一种首尾相接的循环等待资源关系。

　　这四个条件是死锁的必要条件，只要系统发生死锁，这些条件必然成立，而只要上述条件之一不满足，就不会发生死锁。

　　死锁的解除与预防：理解了死锁的原因，尤其是产生死锁的四个必要条件，就可以最大可能地避免、预防和解除死锁。所以，在系统设计、进程调度等方面注意如何不让这四个必要条件成立，如何确定资源的合理分配算法，避免进程永久占据系统资源。此外，也          要防止进程在处于等待状态的情况下占用资源。因此，对资源的分配要给予合理的规划。

　　死锁的处理策略：鸵鸟策略、预防策略、避免策略、检测与恢复策略。

1、程序和进程

　　进程由两个部分组成：1）操作系统用来管理进程的内核对象。内核对象也是系统用来存放关于进程的统计信息的地方。2）地址空间。它包含所有可执行模块或DLL模块的代码和数据。它还包含动态内存分配的空间。如线程堆栈和堆分配空间。

 

	定义	使用系统运行资源情况
程序	计算机指令的集合，它以文件的形式存储在磁盘上。程序是静态实体（passive Entity），在多道程序系统中，它是不能独立运行的，更不能与其他程序并发执行。	不使用【程序不能申请系统资源，不能被系统调度，也不能作为独立运行的单位，因此，它不占用系统的运行资源】。
进程	通常被定义为一个正在运行的程序的实例，是一个程序在其自身的地址空间中的一次执行活动。 定义：进程是进程实体（包括：程序段、相关的数据段、进程控制块PCB）的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。	使用【进程是资源申请、调度和独立运行的单位，因此，它使用系统中的运行资源。】

2、进程与线程

　　如果说操作系统引入进程的目的是为了提高程序并发执行，以提高资源利用率和系统吞吐量。那么操作系统中引入线程的目的，则是为了减少进程并发执行过程中所付出的时空开销，使操作系统能很好的并发执行。

　　进程process定义了一个执行环境，包括它自己私有的地址空间、一个句柄表，以及一个安全环境；线程则是一个控制流，有他自己的调用栈call stack，记录了它的执行历史。

　　线程由两个部分组成：1）线程的内核对象，操作系统用它来对线程实施管理。内核对象也是系统用来存放线程统计信息的地方。2）线程堆栈，它用于维护线程在执行代码时需要的所有参数和局部变量。当创建线程时，系统创建一个线程内核对象。该线程内核对象不是线程本身，而是操作系统用来管理线程的较小的数据结构。可以将线程内核对象视为由关于线程的统计信息组成的一个小型数据结构。

　　进程与线程的比较如下：

 

比较	进程	线程
活泼性	不活泼（只是线程的容器）	活泼
地址空间	系统赋予的独立的虚拟地址空间（对于32位进程来说，这个地址空间是4GB）	在进程的地址空间执行代码。线程只有一个内核对象和一个堆栈，保留的记录很少，因此所需要的内存也很少。因为线程需要的开销比进程少
调度	仅是资源分配的基本单位	独立调度、分派的基本单位
并发性	仅进程间并发（传统OS）	进程间、线程间并发
拥有资源	资源拥有的基本单位	基本上不拥有资源
系统开销	创建、撤销、切换开销大	仅保存少量寄存器内容，开销小。

3、进程同步

　　进程同步的主要任务：是对多个相关进程在执行次序上进行协调，以使并发执行的诸进程之间能有效地共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可再现性。

　　同步机制遵循的原则：

　　（1）空闲让进；

　　（2）忙则等待（保证对临界区的互斥访问）；

　　（3）有限等待（有限代表有限的时间，避免死等）；

　　（4）让权等待，（当进程不能进入自己的临界区时，应该释放处理机，以免陷入忙等状态）。

4、进程间的通信是如何实现的？

　　进程通信，是指进程之间的信息交换（信息量少则一个状态或数值，多者则是成千上万个字节）。因此，对于用信号量进行的进程间的互斥和同步，由于其所交换的信息量少而被归结为低级通信。

　　所谓高级进程通信指：用户可以利用操作系统所提供的一组通信命令传送大量数据的一种通信方式。操作系统隐藏了进程通信的实现细节。或者说，通信过程对用户是透明的。

　　高级通信机制可归结为三大类：

　　（1）共享存储器系统（存储器中划分的共享存储区）；实际操作中对应的是“剪贴板”（剪贴板实际上是系统维护管理的一块内存区域）的通信方式，比如举例如下：word进程按下ctrl+c，在ppt进程按下ctrl+v，即完成了word进程和ppt进程之间的通信，复制时将数据放入到剪贴板，粘贴时从剪贴板中取出数据，然后显示在ppt窗口上。

　　（2）消息传递系统（进程间的数据交换以消息（message）为单位，当今最流行的微内核操作系统中，微内核与服务器之间的通信，无一例外地都采用了消息传递机制。应用举例：邮槽（MailSlot）是基于广播通信体系设计出来的，它采用无连接的不可靠的数据传输。邮槽是一种单向通信机制，创建邮槽的服务器进程读取数据，打开邮槽的客户机进程写入数据。

　　（3）管道通信系统（管道即：连接读写进程以实现他们之间通信的共享文件（pipe文件，类似先进先出的队列，由一个进程写，另一进程读））。实际操作中，管道分为：匿名管道、命名管道。匿名管道是一个未命名的、单向管道，通过父进程和一个子进程之间传输数据。匿名管道只能实现本地机器上两个进程之间的通信，而不能实现跨网络的通信。命名管道不仅可以在本机上实现两个进程间的通信，还可以跨网络实现两个进程间的通信。

 

	同一机器两个进程间通信	跨网络通信
剪贴板Clipboard	可以	不可以
匿名管道Pipe	可以	不可以
命名管道（点对点单一通信，数据量可较大）Namedpipe	可以	可以
邮槽（一对多，数据量较小，424字节以下）Mailslot	可以	可以

 

　　5、线程同步

　　根据用户模式及内核模式下的同步方式的不同，分类及对比如下：

 

	内核对象/ 非内核对象	含义	缺点	适用
关键代码段（临界区）CriticalSection	非内核对象，工作在用户方式下，为用户模式对象	从程序代码的角度来控制线程的并发性	1.因为在等待进入关键代码段时无法设定超时值，所以其很容易进入死锁状态。2.不能跨进程使用。	单个进程中线程间的同步（同步速度快）
事件对象Event	内核对象	所有内核对象中最基本的。	速度较慢（相比用户模式实现线程同步）	多个进程间的各个线程间实现同步
互斥对象Mutex	内核对象	代表对一个资源的独占式访问
信号量 Semaphore	内核对象	使用计数器来控制程序对一个共享资源的访问

　　由于进程同步产生了一系列经典的同步问题“生产者-消费者”问题，“哲学家进餐”问题，“读者-写者”问题。