操作系统主要有哪些功能？

文件管理、进程管理、内存管理、设备管理、安全管理

什么是内核态和用户态？

• 内核态：也称为特权模式，是操作系统执行内核代码模式，具有最高的权限级别
• 用户态：是应用程序所在的模式。具有较低的权限级别

用户态和内核态是如何切换的？

• 用户态和内核态的切换是由系统调用实现的
• 当程序需要访问内核态的资源的时候，就会触发中断
  中断处理程序会将程序的栈、寄存器保存起来，然后跳转到内核态执行
  最后将保存的信息恢复，使程序回到用户态继续执行

进程上下文切换 线程上下文切换 中断上下文切换？

• 进程上下文切换是指不同进程之间进行切换，进程调度器会将当前进程的上下文信息保存下来，然后加载被调度进程的上下文信息
• 线程上下文切换分为两种情况
  • 两个线程属于一个进程，因为资源共享，所以只需要切换线程的私有数据
  • 如果两个线程不属于一个进程，切换过程和进程上下文切换相同
  • 所以，同进程的线程切换消耗更少的资源
• 中断上下文切换：指进程切换到中断程序，只保存内核态资源，不保存用户态资源

进程有哪些状态？

进程有新建状态、就绪状态、执行状态、阻塞状态和结束状态

• 新建状态：进程初始创建的状态
• 就绪状态：进程已经准备好执行，等待系统分配 CPU
• 执行状态：进程已经被分配 CPU 并且在开始执行
• 阻塞状态：进程暂停执行，正在等待某一事件，例如等待 IO 操作完成
• 结束状态：进程完成了执行或者被终止，系统将回收进程占用的资源并结束该进程

什么是僵尸进程？

• 僵尸进程是指子进程处于结束状态，但是子进程的进程描述符没有释放
  可以通过在父进程调用 wait() 方法解决

什么是孤儿进程？

• 孤儿进程是指父进程退出，子进程还在运行，这些子进程就成为孤儿进程
• 孤儿进程会被 init 进程接管

进程有哪些调度算法？

常见的进程调度算法有先来先服务、短作业优先、优先级调度、时间片轮转和最短剩余时间优先

• 先来先服务：按照请求的顺序进行调度，有利于长作业，不利于短作业
• 短作业优先：按照估计运行时间最短的顺序进行调度，不利于长作业，长作业可能会处于一直等待短作业执行完毕的状态
• 优先级调度：按照优先级进行调度，为了防止低优先级的进程永远等不到调度，可以随着时间的推移增加等待进程的优先级
• 时间片轮转：按照时间片执行，将进程按照先来先服务的原则调度，队首进程执行完时间片长的时间后，停止执行，将该进程送到队尾，继续执行下一个进程
• 最短剩余时间优先：按照剩余运行时间顺序进行调度。如果新的进程运行时间更短，则将当前进程挂起，运行新的进程

进程间通信有哪些方式？

进程间通信方式有：管道、命名管道、共享内存、信号量、消息队列和 Socket

• 管道：单向通信方式,多用于父子进程或者兄弟进程间的通信
• 命名管道：全双工通信，两个进程可以通过同一个管道来读写数据
• 共享内存：多个进程访问同一块共享内存区域，用于高效数据传输
• 信号量：用于协调多个进程对共享资源的访问顺序，实现进程间的同步，本质上是个计数器
• 消息队列：能够存储和转发进程间的数据，同一时间可以有多个进程获取该队列中的数据
• Socket：用于网络中不同主机进程间的通信

线程有哪些实现方式？

线程的实现方式有内核态线程实现、用户态线程实现和混合线程实现

• 内核态线程实现：内核直接管理线程
• 用户态线程实现：用户态管理线程
• 混合线程实现：通用方式

什么是虚拟内存？什么是交换空间？

• 虚拟内存是操作系统提供的一种机制，将不同进程的虚拟地址和不同内存的物理地址映射起来
• 交换空间：在内存资源不足的时候，将某些页的内容转移到磁盘上，以释放内存空间，磁盘上的那块空间叫做交换空间

什么是内存分段？什么是内存分页？多级页表？块表？

• 内存分段：将内存分成若干个大小不同的段，每个段用于存储数据或者执行程序
• 内存分页：将内存分为若个人大小相同的页，每个页为连续的物理地址空间
• 多级页表：在单级的页表上再次分页，形成多级结构的页表，并且只有在需要时才创建页表。
• 块表：也成页表缓存，用来存放程序最常访问的页表项

页面置换算法有哪些？

常用的页面置换算法有最佳页面置换算法、先进先出置换算法、最久未使用置换算法、时钟页面置换算法和最不常用置换算法

• 最佳页面置换算法 OPT：置换在未来最长时间不访问的页面
• 先进先出置换算法 FIFO：置换在内存停留时间很长的页面
• 最久最少使用置换算法 LRU：置换最长时间没有被访问的页面
• 时钟页面置换算法 Lock：置换页面环形链表中访问位为 0 的页面
• 最不常用置换算法 LFU：置换访问次数最少的页面

硬链接和软链接有什么区别？

• 硬链接：多个文件名指向同一数据块，即目录不同，但 inode 值相同
  可以通过不同的文件名访问同一个文件的内容
  可以通过任意一个文件名对文件进行更改删除，但是硬链接不能跨越文件系统

  

• 软链接：相当于重新创建一个文件，新文件有独立的 inode，文件的内容是另个文件的路径，类似于快捷方式
  软链接可以跨越文件系统
  

零拷贝了解吗？

零拷贝是一种 IO 操作优化技术，将数据从文件系统移动到网络接口，减少用户态和内核态的上下文切换和内存拷贝次数

零拷贝通常使用以下两种技术实现：

• mmap+write: 利用虚拟内存，将内核缓冲区的数据映射到用户空间，从而减少一次内存拷贝

  

• sendfile：sendfile 操作在内核中直接将内存缓冲区拷贝到 Socket 缓冲区，从而减少一次上下文切换和一次内存拷贝

  

聊聊阻塞与非阻塞的 I/O？

• 阻塞 I/O：进程在进行读写操作的时候，必须等待 IO 操作完成才能进行下一步操作
• 非阻塞 I/O：允许进程在等待 IO 操作的同时，继续执行，同时不断轮询内核
• 基于非阻塞的 I/O 多路复用：为了避免应用程序一直轮询，当内核数据准备好时，通知应用程序
• 异步 I/O：进程进行读写操作时，立即返回，内核将数据主动拷贝到应用程序空间

讲讲 I/O 多路复用？

• I/O 多路复用：一个或者多个线程处理多个 TCP 连接，从而减少系统开销
• I/O 多路复用的实现方式包括 select,poll,epoll
  • select：基于轮询的方式和遍历的方法实现的
  • poll：与 select 实现方式类似，都是基于轮询的方式实现的，但使用链表解决了文件描述符数量的上限问题
  • Epoll：是基于事件驱动的，不需要进行轮询，同时在内核中使用红黑树来记录文件描述符，具备更高的性能

用户进程需要 8GB 的内存空间，操作系统实际分配多少？

• 这个 8G 的内存是虚拟地址空间，
• 操作系统不会立即分配所有的虚拟地址空间，而是根据需要进行动态分配
• 当用户进程访问尚未加载到物理内存的部分时，操作系统会将相应的页面加载到物理内存