操作系统

基本概念

1. 简单说什么是操作系统

   操作系统就是硬件和应用软件中间的一层软件，本质上就是一个运行在计算机上的软件程序，用于管理计算机硬件和软件资源 (电脑上运行的所有应用程序都通过OS来调用系统内存、磁盘等硬件)，操作系统屏蔽了 硬件层的复杂性，负责统筹管理硬件资源，例如：CPU管理、内存管理、终端管理、磁盘管理、文件管理、网络管理等等。

2. 操作系统在整个计算机的层次

   应用层：一些App，比如Word、QQ

   ⬇️ 接口调用，比如printf、fork、open

   操作系统层

   ⬇️管理硬件，主要为CPU管理、内存管理、终端管理、磁盘管理、文件管理、网络管理

   硬件层

   

3. 开机阶段，操作系统发生了什么

   • x86 PC刚开机时CPU处于实模式
   • 开机时，CS=0xFFFF；IP=0x0000
   • 寻址0xFFFF0(ROM BIOS映射区)
   • 检查RAM、键盘、显示器、磁盘等
   • 将磁盘0磁道0扇区读入0x7C00处
   • 设置CS=0x07C0，IP=0x0000

   注：实模式与保护模式相对应，实模式的寻址为CS:IP(CS左移4位+IP)

   BIOS为基本输入输出系统，其系统是生产硬件时固化到主板上的一个ROM芯片中，主要负责开机自检功能。

   每个扇区512Byte，0磁道0扇区为OS的引导扇区。

4. 什么是系统调用

   介绍系统调用之前，我们先来了解一下用户态和系统态。

   根据进程访问资源的特点，我们可以把进程在系统上的运行分为两个级别：

   1. 用户态(user mode) : 用户态运行的进程可以直接读取用户程序的数据。
   2. 系统态(kernel mode):可以简单的理解系统态运行的进程或程序几乎可以访问计算机的任何资源，不受限制。

   说了用户态和系统态之后，那么什么是系统调用呢？

   我们运行的程序基本都是运行在用户态，如果我们调用操作系统提供的系统态级别的子功能咋办呢？那就需要系统调用了！

   也就是说在我们运行的用户程序中，凡是与系统态级别的资源有关的操作（如文件管理、进程控制、内存管理等)，都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。

   这些系统调用按功能大致可分为如下几类：

   • 设备管理。完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能。
   • 文件管理。完成文件的读、写、创建及删除等功能。
   • 进程控制。完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能。
   • 进程通信。完成进程之间的消息传递或信号传递等功能。
   • 内存管理。完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及地址等功能。

进程和线程

1. 进程和线程的概念

   进程：进程是系统进行资源分配和调度的独立单位，是系统中的并发执行单位。

   线程：线程是进程的一个实体，也是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的独立运行单位，有时也称为轻量级进程。

   总结：线程是进程划分成的更小的运行单位,一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。线程和进程最大的不同在于基本上各进程是独立的，而各线程则不一定，因为同一进程中的线程极有可能会相互影响。线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。

2. 线程池的理解

   一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用，还能防止过分调度。

3. 守护进程、僵尸进程和孤儿进程的概念

   守护进程：指在后台运行的，没有控制终端与之相连的进程。它独立于控制终端，周期性的执行某种任务。Linux的大多数服务器就是用守护进程的方式实现的，如Web服务器进程http等。

   僵尸进程：如果子进程退出，父进程还没退出，那么子进程必须等到父进程捕获到子进程的退出状态才真正结束，否则此时子进程就是僵尸进程。设置僵尸进程的目的是为了维护子进程的信息，以便父进程在以后某个时候取。

   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，此时这些子进程称为孤儿进程，由于任何一个进程都必须要有父进程，init进程将成为这些进程的父进程，负责完成对它们的状态收集。

4. 进程和线程的区别

   • 进程是资源分配的最小单位，而线程是CPU调度的最小单位
   • 创建进程或撤销进程，系统都要为之分配或收回资源，系统开销远大于创建和撤销线程时的开销。
   • 不同进程的地址空间相互独立，同一进程内的线程共享同一地址空间。
   • 进程之间不会相互影响，而一个线程挂掉可能导致整个进程挂掉。

   拿JVM举例来说：一个进程中可以有多个线程，多个线程共享进程的堆和方法区(JDK1.8之后为元空间)子资源，但是每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈。

5. 为什么有了进程还需要线程

   进程可以使多个程序并发执行，以提高资源利用率和系统吞吐量，但是进程有以下缺点：

   • 进程在同一时间只能干一件事情
   • 进程在执行过程中如果阻塞，整个进程就会被挂起，即使进程中有些任务不依赖于等待的资源，仍然不会执行

   基于这些缺点，操作系统引入了比进程粒度更小的单位，作为并发执行的基本单位，从而减少程序在并发执行时所付出的时间和空间开销，以提高并发性能。

6. 进程有哪几种状态

   一般把进程分为五种状态，和线程基本一致

   • 创建状态(new) ：进程正在被创建，尚未到就绪状态。
   • 就绪状态(ready) ：进程已处于准备运行状态，即进程获得了除了处理器之外的一切所需资源，一旦得到处理器资源(处理器分配的时间片)即可运行。
   • 运行状态(running) ：进程正在处理器上上运行(单核 CPU 下任意时刻只有一个进程处于运行状态)。
   • 阻塞状态(waiting) ：又称为等待状态，进程正在等待某一事件而暂停运行如等待某资源为可用或等待 IO 操作完成。即使处理器空闲，该进程也不能运行。
   • 结束状态(terminated) ：进程正在从系统中消失。可能是进程正常结束或其他原因中断退出运行。

   

7. 进程的状态转换

   进程有三种基本状态：就绪态、运行态和阻塞态

   • 就绪>>运行：对就绪状态的进程，当进程调度程序按一种选定的策略从中选中一个就绪进程，为之分配了CPU后，该进程便由就绪态变为运行态。
   • 运行>>阻塞：正在执行的进程因发生某等待事件而无法执行，则进程由执行态变为阻塞态，如进程提出输入/输出请求而变为等待外部设备传输信息的状态、进程申请资源得不到满足时变成等待资源的状态、进程运行中出现了故障变成等待干预的状态等等。
   • 阻塞>>就绪：处于阻塞状态的进程，在其等待的事件已经发生，如输入/输出完成、资源得到满足或错误处理完毕时，处于等待状态的进程并不马上进入运行状态，而是现转入就绪状态，然后再由系统进程调度程序在适当的时候将该进程转为运行状态。
   • 运行>>就绪：正在执行的进程，因为时间片用完而被暂停执行，或在采用抢占式优先级调度算法的系统中，有更高优先级的进程要运行而被迫让出CPU时，该进程便由运行态变为就绪态。

8. 进程间的通信方式

   进程通信就是不同进程之间交换信息，通常进程通信的方式有管道(匿名管道和命名管道)、消息队列、信号量、共享内存、Socket、Streams等。其中Socket和Streams支持不同主机上的两个进程之间进行通信。

   • 匿名管道(Pipes)：它是半双工的，有固定的读端和写端，只能用于父子进程或兄弟进程之间的进程的通信，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，但它不是普通的文件，并不属于任何文件系统，并且只存在于内存中。
   • 命名管道(Names Pipes)：匿名管道由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信。为了克服这个缺点，提出了有名管道。有名管道严格遵循FIFO。有名管道以磁盘文件的方式存在，可以实现本机任意两个进程通信。
   • 消息队列(Message Queuing)：消息队列是消息的链表,具有特定的格式,存放在内存中并由消息队列标识符标识。管道和消息队列的通信数据都是先进先出的原则。与管道（无名管道：只存在于内存中的文件；命名管道：存在于实际的磁盘介质或者文件系统）不同的是消息队列存放在内核中，只有在内核重启(即，操作系统重启)或者显示地删除一个消息队列时，该消息队列才会被真正的删除。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.比 FIFO 更有优势。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字 节流以及缓冲区大小受限等缺。
   • 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；
   • 信号量(Semaphores)：信号量是一个计数器。用于实现进程间的同步和互斥，而不是用于存储进程间通信数据；信号量用于进程同步，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；
   • 共享内存(Shared memory)：指两个或多个进程共享一个给定的存储区；不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据的更新。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进程通信方式，因为进程是直接对内存进程存取。
   • 套接字(Socket)：此方法主要用于在客户端和服务器之间通过网络进行通信。套接字是支持 TCP/IP 的网络通信的基本操作单元，可以看做是不同主机之间的进程进行双向通信的端点，简单的说就是通信的两方的一种约定，用套接字中的相关函数来完成通信过程。

9. 线程间的同步方式

   线程同步是两个或多个共享关键资源的线程的并发执行。应该同步线程以避免关键的资源使用冲突。操作系统一般有下面三种线程同步的方式：

   • 互斥量(Mutex)：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。比如 Java 中的 synchronized 关键词和各种 Lock 都是这种机制。

   • 信号量(Semphares) ：它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量

   • 事件(Event) :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

10. 进程的调度算法

    调度算法是指：根据系统的资源分配策略所规定的资源分配算法。常用的调度算法有：先来先服务调度算法、时间片轮转调度法、短作业优先调度算法、最短剩余时间优先、高响应比优先调度算法、优先级调度算法等等。

    • 先来先服务调度算法 先来先服务调度算法是一种最简单的调度算法，也称为先进先出或严格排队方案。当每个进程就绪后，它加入就绪队列。当前正运行的进程停止执行，选择在就绪队列中存在时间最长的进程运行。该算法既可以用于作业调度，也可以用于进程调度。先来先去服务比较适合于常作业（进程），而不利于段作业（进程）。
    • 时间片轮转调度算法 时间片轮转调度算法主要适用于分时系统。在这种算法中，系统将所有就绪进程按到达时间的先后次序排成一个队列，进程调度程序总是选择就绪队列中第一个进程执行，即先来先服务的原则，但仅能运行一个时间片。
    • 短作业优先调度算法 短作业优先调度算法是指对短作业优先调度的算法，从后备队列中选择一个或若干个估计运行时间最短的作业，将它们调入内存运行。 短作业优先调度算法是一个非抢占策略，他的原则是下一次选择预计处理时间最短的进程，因此短进程将会越过长作业，跳至队列头。
    • 多级反馈队列调度算法 前面介绍的几种进程调度的算法都有一定的局限性。如短进程优先的调度算法，仅照顾了短进程而忽略了长进程 。多级反馈队列调度算法既能使高优先级的作业得到响应又能使短作业（进程）迅速完成。，因而它是目前被公认的一种较好的进程调度算法，UNIX 操作系统采取的便是这种调度算法。
    • 优先级调度算法 优先级调度算法每次从后备作业队列中选择优先级最髙的一个或几个作业，将它们调入内存，分配必要的资源，创建进程并放入就绪队列。在进程调度中，优先级调度算法每次从就绪队列中选择优先级最高的进程，将处理机分配给它，使之投入运行。

11. 进程的终止方式

    • 正常退出 多数进程是由于完成了工作而终止。当编译器完成了所给定程序的编译之后，编译器会执行一个系统调用告诉操作系统它完成了工作。这个调用在 UNIX 中是 exit ，在 Windows 中s是ExitProcess。面向屏幕中的软件也支持自愿终止操作。字处理软件、Internet 浏览器和类似的程序中总有一个供用户点击的图标或菜单项，用来通知进程删除它锁打开的任何临时文件，然后终止。
    • 错误退出 进程发生终止的第二个原因是发现严重错误，例如，如果用户执行如下命令
      cc foo.c
      为了能够编译 foo.c 但是该文件不存在，于是编译器就会发出声明并退出。在给出了错误参数时，面向屏幕的交互式进程通常并不会直接退出，因为这从用户的角度来说并不合理，用户需要知道发生了什么并想要进行重试，所以这时候应用程序通常会弹出一个对话框告知用户发生了系统错误，是需要重试还是退出。
    • 严重错误 进程终止的第三个原因是由进程引起的错误，通常是由于程序中的错误所导致的。例如，执行了一条非法指令，引用不存在的内存，或者除数是 0 等。在有些系统比如 UNIX 中，进程可以通知操作系统，它希望自行处理某种类型的错误，在这类错误中，进程会收到信号（中断），而不是在这类错误出现时直接终止进程。
    • 被其他进程杀死 第四个终止进程的原因是，某个进程执行系统调用告诉操作系统杀死某个进程。在 UNIX 中，这个系统调用是 kill。在 Win32 中对应的函数是 TerminateProcess（注意不是系统调用）。

锁相关

1. 什么是死锁

   死锁，是指多个进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局，当进程处于这种僵持状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进。 如果此时有一个线程 A，已经持有了锁 A，但是试图获取锁 B，线程 B 持有锁 B，而试图获取锁 A，这种情况下就会产生死锁。

2. 产生死锁的原因

   由于系统中存在一些不可剥夺资源，而当两个或两个以上进程占有自身资源，并请求对方资源时，会导致每个进程都无法向前推进，这就是死锁。
   竞争资源 例如：系统中只有一台打印机，可供进程 A 使用，假定 A 已占用了打印机，若 B 继续要求打印机打印将被阻塞。
   系统中的资源可以分为两类：
   1.可剥夺资源： 是指某进程在获得这类资源后，该资源可以再被其他进程或系统剥夺，CPU 和主存均属于可剥夺性资源；
   2.不可剥夺资源，当系统把这类资源分配给某进程后，再不能强行收回，只能在进程用完后自行释放，如磁带机、打印机等。
   进程推进顺序不当 例如：进程 A 和 进程 B 互相等待对方的数据。

3. 产生死锁的必要条件

   1.互斥条件：进程要求对所分配的资源进行排它性控制，即在一段时间内某资源仅为一进程所占用。
   2.请求和保持条件：当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未使用完之前，不能剥夺，只能在使用完时由自己释放。
   4.环路等待条件：在发生死锁时，必然存在一个进程–资源的环形链（有一组等待进程 {P0, P1,..., Pn}， P0 等待的资源被 P1 占有，P1 等待的资源被 P2 占有，…，Pn-1 等待的资源被 Pn 占有，Pn 等待的资源被 P0 占有。）

4. 解决死锁的基本方法

   1.预防死锁
   2.避免死锁
   3.检测死锁
   4.解除死锁

5. 怎么预防死锁

   1.破坏请求条件：一次性分配所有资源，这样就不会再有请求了；
   2.破坏请保持条件：只要有一个资源得不到分配，也不给这个进程分配其他的资源：
   3.破坏不可剥夺条件：当某进程获得了部分资源，但得不到其它资源，则释放已占有的资源；
   4.破坏环路等待条件：系统给每类资源赋予一个编号，每一个进程按编号递增的顺序请求资源，释放则相反

6. 怎么解除死锁

   1.资源剥夺：挂起某些死锁进程，并抢占它的资源，将这些资源分配给其他死锁进程（但应该防止被挂起的进程长时间得不到资源）；
   2.撤销进程：强制撤销部分、甚至全部死锁进程并剥夺这些进程的资源（撤销的原则可以按进程优先级和撤销进程代价的高低进行）；
   3.进程回退：让一个或多个进程回退到足以避免死锁的地步。进程回退时自愿释放资源而不是被剥夺。要求系统保持进程的历史信息，设置还原点。

7. 介绍一下几种典型的锁

   1.读写锁 多个读者可以同时进行读 写者必须互斥（只允许一个写者写，也不能读者写者同时进行） 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）
   2.互斥锁 一次只能一个线程拥有互斥锁，其他线程只有等待 互斥锁是在抢锁失败的情况下主动放弃CPU进入睡眠状态直到锁的状态改变时再唤醒，而操作系统负责线程调度，为了实现锁的状态发生改变时唤醒阻塞的线程或者进程，需要把锁交给操作系统管理，所以互斥锁在加锁操作时涉及上下文的切换。互斥锁实际的效率还是可以让人接受的，加锁的时间大概100ns左右，而实际上互斥锁的一种可能的实现是先自旋一段时间，当自旋的时间超过阀值之后再将线程投入睡眠中，因此在并发运算中使用互斥锁（每次占用锁的时间很短）的效果可能不亚于使用自旋锁
   3.条件变量 互斥锁一个明显的缺点是他只有两种状态：锁定和非锁定。而条件变量通过允许线程阻塞和等待另一个线程发送信号的方法弥补了互斥锁的不足，他常和互斥锁一起使用，以免出现竞态条件。当条件不满足时，线程往往解开相应的互斥锁并阻塞线程然后等待条件发生变化。一旦其他的某个线程改变了条件变量，他将通知相应的条件变量唤醒一个或多个正被此条件变量阻塞的线程。总的来说互斥锁是线程间互斥的机制，条件变量则是同步机制。
   4.自旋锁 如果进线程无法取得锁，进线程不会立刻放弃CPU时间片，而是一直循环尝试获取锁，直到获取为止。如果别的线程长时期占有锁，那么自旋就是在浪费CPU做无用功，但是自旋锁一般应用于加锁时间很短的场景，这个时候效率比较高。

内存相关

1. 物理地址、逻辑地址和虚拟内存的概念

   1.物理地址： 它是地址转换的最终地址，进程在运行时执行指令和访问数据最后都要通过物理地址从主存中存取，是内存单元真正的地址。
   2.逻辑地址： 是指计算机用户看到的地址。例如：当创建一个长度为 100 的整型数组时，操作系统返回一个逻辑上的连续空间：指针指向数组第一个元素的内存地址。由于整型元素的大小为 4 个字节，故第二个元素的地址时起始地址加 4，以此类推。事实上，逻辑地址并不一定是元素存储的真实地址，即数组元素的物理地址（在内存条中所处的位置），并非是连续的，只是操作系统通过地址映射，将逻辑地址映射成连续的，这样更符合人们的直观思维。
   3.虚拟内存： 是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。

   总结：我们编程一般只有可能和逻辑地址打交道，比如在 C 语言中，指针里面存储的数值就可以理解成为内存里的一个地址，这个地址也就是我们说的逻辑地址，逻辑地址由操作系统决定。物理地址指的是真实物理内存中地址，更具体一点来说就是内存地址寄存器中的地址。物理地址是内存单元真正的地址。

2. 概述操作系统的内存管理

   操作系统的内存管理主要负责内存的分配与回收（malloc 函数：申请内存，free 函数：释放内存），另外地址转换也就是将逻辑地址转换成相应的物理地址等功能也是操作系统内存管理做的事情。

3. 常见的内存管理机制

   简单分为连续分配管理方式和非连续分配管理方式这两种。连续分配管理方式是指为一个用户程序分配一个连续的内存空间，常见的如 块式管理 。同样地，非连续分配管理方式允许一个程序使用的内存分布在离散或者说不相邻的内存中，常见的如页式管理 和 段式管理。

   1. 块式管理 ： 远古时代的计算机操系统的内存管理方式。将内存分为几个固定大小的块，每个块中只包含一个进程。如果程序运行需要内存的话，操作系统就分配给它一块，如果程序运行只需要很小的空间的话，分配的这块内存很大一部分几乎被浪费了。这些在每个块中未被利用的空间，我们称之为碎片。
   2. 页式管理 ：把主存分为大小相等且固定的一页一页的形式，页较小，相对相比于块式管理的划分力度更大，提高了内存利用率，减少了碎片。页式管理通过页表对应逻辑地址和物理地址。
   3. 段式管理 ： 页式管理虽然提高了内存利用率，但是页式管理其中的页实际并无任何实际意义。 段式管理把主存分为一段段的，每一段的空间又要比一页的空间小很多 。但是，最重要的是段是有实际意义的，每个段定义了一组逻辑信息，例如,有主程序段 MAIN、子程序段 X、数据段 D 及栈段 S 等。 段式管理通过段表对应逻辑地址和物理地址。

   补充：还有一个段页式管理机制，段页式管理机制结合了段式管理和页式管理的优点。简单来说段页式管理机制就是把主存先分成若干段，每个段又分成若干页，也就是说 段页式管理机制 中段与段之间以及段的内部的都是离散的。

4. 快表和多级页表

   页表管理机制中有两个很重要的概念：快表和多级页表，这两个东西分别解决了页表管理中很重要的两个问题。

   1. 虚拟地址到物理地址的转换要快。
   2. 解决虚拟地址空间大，页表也会很大的问题。

   快表

   为了解决虚拟地址到物理地址的转换速度，操作系统在 页表方案 基础之上引入了 快表 来加速虚拟地址到物理地址的转换。我们可以把快表理解为一种特殊的高速缓冲存储器（Cache），其中的内容是页表的一部分或者全部内容。作为页表的 Cache，它的作用与页表相似，但是提高了访问速率。由于采用页表做地址转换，读写内存数据时 CPU 要访问两次主存。有了快表，有时只要访问一次高速缓冲存储器，一次主存，这样可加速查找并提高指令执行速度。

   使用快表之后的地址转换流程是这样的：

   1. 根据虚拟地址中的页号查快表；
   2. 如果该页在快表中，直接从快表中读取相应的物理地址；
   3. 如果该页不在快表中，就访问内存中的页表，再从页表中得到物理地址，同时将页表中的该映射表项添加到快表中；
   4. 当快表填满后，又要登记新页时，就按照一定的淘汰策略淘汰掉快表中的一个页。

   看完了之后你会发现快表和我们平时经常在我们开发的系统使用的缓存（比如 Redis）很像，的确是这样的，操作系统中的很多思想、很多经典的算法，你都可以在我们日常开发使用的各种工具或者框架中找到它们的影子。

   多级页表

   引入多级页表的主要目的是为了避免把全部页表一直放在内存中占用过多空间，特别是那些根本就不需要的页表就不需要保留在内存中。多级页表属于时间换空间的典型场景。

   总结

   为了提高内存的空间性能，提出了多级页表的概念；但是提到空间性能是以浪费时间性能为基础的，因此为了补充损失的时间性能，提出了快表（即 TLB）的概念。 不论是快表还是多级页表实际上都利用到了程序的局部性原理。

5. 分页和分段的区别

   共同点

   • 分页机制和分段机制都是为了提高内存利用率，较少内存碎片。

   • 页和段都是离散存储的，所以两者都是离散分配内存的方式。但是，每个页和段中的内存是连续的。

   区别

   • 页的大小是固定的，由操作系统决定；而段的大小不固定，取决于我们当前运行的程序。

   • 分页仅仅是为了满足操作系统内存管理的需求，而段是逻辑信息的单位，在程序中可以体现为代码段，数据段，能够更好满足用户的需要。

6. CPU寻址过程是怎样的，为什么需要虚拟地址空间

   现代处理器使用的是一种称为 虚拟寻址(Virtual Addressing) 的寻址方式。使用虚拟寻址，CPU 需要将虚拟地址翻译成物理地址，这样才能访问到真实的物理内存。 实际上完成虚拟地址转换为物理地址转换的硬件是 CPU 中含有一个被称为 内存管理单元（Memory Management Unit, MMU） 的硬件。

   为什么要有虚拟地址空间呢？

   先从没有虚拟地址空间的时候说起吧！没有虚拟地址空间的时候，程序都是直接访问和操作的都是物理内存 。但是这样有什么问题呢？

   1. 用户程序可以访问任意内存，寻址内存的每个字节，这样就很容易（有意或者无意）破坏操作系统，造成操作系统崩溃。
   2. 想要同时运行多个程序特别困难，比如你想同时运行一个微信和一个 QQ 音乐都不行。为什么呢？举个简单的例子：微信在运行的时候给内存地址 1xxx 赋值后，QQ 音乐也同样给内存地址 1xxx 赋值，那么 QQ 音乐对内存的赋值就会覆盖微信之前所赋的值，这就造成了微信这个程序就会崩溃。

   总结来说：如果直接把物理地址暴露出来的话会带来严重问题，比如可能对操作系统造成伤害以及给同时运行多个程序造成困难。

   通过虚拟地址访问内存有以下优势：

   • 程序可以使用一系列相邻的虚拟地址来访问物理内存中不相邻的大内存缓冲区。
   • 程序可以使用一系列虚拟地址来访问大于可用物理内存的内存缓冲区。当物理内存的供应量变小时，内存管理器会将物理内存页（通常大小为 4 KB）保存到磁盘文件。数据或代码页会根据需要在物理内存与磁盘之间移动。
   • 不同进程使用的虚拟地址彼此隔离。一个进程中的代码无法更改正在由另一进程或操作系统使用的物理内存。

7. 什么是虚拟内存

   这个在我们平时使用电脑特别是 Windows 系统的时候太常见了。很多时候我们使用点开了很多占内存的软件，这些软件占用的内存可能已经远远超出了我们电脑本身具有的物理内存。

   为什么可以这样呢？ 正是因为 虚拟内存 的存在，通过 虚拟内存 可以让程序可以拥有超过系统物理内存大小的可用内存空间。另外，虚拟内存为每个进程提供了一个一致的、私有的地址空间，它让每个进程产生了一种自己在独享主存的错觉（每个进程拥有一片连续完整的内存空间）。这样会更加有效地管理内存并减少出错。

   虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术，我们可以手动设置自己电脑的虚拟内存。不要单纯认为虚拟内存只是“使用硬盘空间来扩展内存“的技术。虚拟内存的重要意义是它定义了一个连续的虚拟地址空间，并且 把内存扩展到硬盘空间。

   摘自维基百科：

   虚拟内存 使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。与没有使用虚拟内存技术的系统相比，使用这种技术的系统使得大型程序的编写变得更容易，对真正的物理内存（例如 RAM）的使用也更有效率。目前，大多数操作系统都使用了虚拟内存，如 Windows 家族的“虚拟内存”；Linux 的“交换空间”等。

8. 什么是局部性原理：

   很早人们就发现程序的执行往往呈现局部性规律，就是说在某个较短的时间段内，程序执行局限于某一小部分，程序访问的存储空间也局限于某个区域。

   局部性原理表现在以下两个方面：

   1. 时间局部性 ：如果程序中的某条指令一旦执行，不久以后该指令可能再次执行；如果某数据被访问过，不久以后该数据可能再次被访问。产生时间局部性的典型原因，是由于在程序中存在着大量的循环操作。
   2. 空间局部性 ：一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址，可能集中在一定的范围之内，这是因为指令通常是顺序存放、顺序执行的，数据也一般是以向量、数组、表等形式簇聚存储的。

   时间局部性是通过将近来使用的指令和数据保存到高速缓存存储器中，并使用高速缓存的层次结构实现。空间局部性通常是使用较大的高速缓存，并将预取机制集成到高速缓存控制逻辑中实现。虚拟内存技术实际上就是建立了 “内存一外存”的两级存储器的结构，利用局部性原理实现髙速缓存。

9. 虚拟存储器

   基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序的一部分装入内存，而将其他部分留在外存，就可以启动程序执行。由于外存往往比内存大很多，所以我们运行的软件的内存大小实际上是可以比计算机系统实际的内存大小大的。在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统将所需要的部分调入内存，然后继续执行程序。另一方面，操作系统将内存中暂时不使用的内容换到外存上，从而腾出空间存放将要调入内存的信息。这样，计算机好像为用户提供了一个比实际内存大的多的存储器——虚拟存储器。

   实际上，我觉得虚拟内存同样是一种时间换空间的策略，你用 CPU 的计算时间，页的调入调出花费的时间，换来了一个虚拟的更大的空间来支持程序的运行。

10. 虚拟内存的技术实现

虚拟内存的实现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：

1. 请求分页存储管理 ：建立在分页管理之上，为了支持虚拟存储器功能而增加了请求调页功能和页面置换功能。请求分页是目前最常用的一种实现虚拟存储器的方法。请求分页存储管理系统中，在作业开始运行之前，仅装入当前要执行的部分段即可运行。假如在作业运行的过程中发现要访问的页面不在内存，则由处理器通知操作系统按照对应的页面置换算法将相应的页面调入到主存，同时操作系统也可以将暂时不用的页面置换到外存中。
2. 请求分段存储管理 ：建立在分段存储管理之上，增加了请求调段功能、分段置换功能。请求分段储存管理方式就如同请求分页储存管理方式一样，在作业开始运行之前，仅装入当前要执行的部分段即可运行；在执行过程中，可使用请求调入中断动态装入要访问但又不在内存的程序段；当内存空间已满，而又需要装入新的段时，根据置换功能适当调出某个段，以便腾出空间而装入新的段。
3. 请求段页式存储管理

这里多说一下？很多人容易搞混请求分页与分页存储管理，两者有何不同呢？

请求分页存储管理建立在分页管理之上。他们的根本区别是是否将程序全部所需的全部地址空间都装入主存，这也是请求分页存储管理可以提供虚拟内存的原因，我们在上面已经分析过了。

它们之间的根本区别在于是否将一作业的全部地址空间同时装入主存。请求分页存储管理不要求将作业全部地址空间同时装入主存。基于这一点，请求分页存储管理可以提供虚存，而分页存储管理却不能提供虚存。

不管是上面那种实现方式，我们一般都需要：

1. 一定容量的内存和外存：在载入程序的时候，只需要将程序的一部分装入内存，而将其他部分留在外存，然后程序就可以执行了；
2. 缺页中断：如果需执行的指令或访问的数据尚未在内存（称为缺页或缺段），则由处理器通知操作系统将相应的页面或段调入到内存，然后继续执行程序；
3. 虚拟地址空间 ：逻辑地址到物理地址的变换。

11. 页面置换算法有哪些

    地址映射过程中，若在页面中发现所要访问的页面不在内存中，则发生缺页中断 。

    缺页中断 就是要访问的页不在主存，需要操作系统将其调入主存后再进行访问。 在这个时候，被内存映射的文件实际上成了一个分页交换文件。

    当发生缺页中断时，如果当前内存中并没有空闲的页面，操作系统就必须在内存选择一个页面将其移出内存，以便为即将调入的页面让出空间。用来选择淘汰哪一页的规则叫做页面置换算法，我们可以把页面置换算法看成是淘汰页面的规则。

    • OPT 页面置换算法（最佳页面置换算法） ：最佳(Optimal, OPT)置换算法所选择的被淘汰页面将是以后永不使用的，或者是在最长时间内不再被访问的页面,这样可以保证获得最低的缺页率。但由于人们目前无法预知进程在内存下的若千页面中哪个是未来最长时间内不再被访问的，因而该算法无法实现。一般作为衡量其他置换算法的方法。
    • FIFO（First In First Out） 页面置换算法（先进先出页面置换算法） : 总是淘汰最先进入内存的页面，即选择在内存中驻留时间最久的页面进行淘汰。
    • LRU （Least Recently Used）页面置换算法（最近最久未使用页面置换算法） ：LRU算法赋予每个页面一个访问字段，用来记录一个页面自上次被访问以来所经历的时间 T，当须淘汰一个页面时，选择现有页面中其 T 值最大的，即最近最久未使用的页面予以淘汰。
    • LFU （Least Frequently Used）页面置换算法（最少使用页面置换算法） : 该置换算法选择在之前时期使用最少的页面作为淘汰页。

12. 常见的内存分配错误

    1.内存分配未成功，却使用了它。 编程新手常犯这种错误，因为他们没有意识到内存分配会不成功。常用解决办法是，在使用内存之前检查指针是否为NULL。如果指针p是函数的参数，那么在函数的入口处用assert(p!=NULL)进行检查。如果是用malloc或new来申请内存，应该用if(pNULL) 或if(p!=NULL)进行防错处理。
    2.内存分配虽然成功，但是尚未初始化就引用它。 犯这种错误主要有两个起因：一是没有初始化的观念；二是误以为内存的缺省初值全为零，导致引用初值错误（例如数组）。内存的缺省初值究竟是什么并没有统一的标准，尽管有些时候为零值，我们宁可信其无不可信其有。所以无论用何种方式创建数组，都别忘了赋初值，即便是赋零值也不可省略，不要嫌麻烦。
    3.内存分配成功并且已经初始化，但操作越过了内存的边界。 例如在使用数组时经常发生下标“多1”或者“少1”的操作。特别是在for循环语句中，循环次数很容易搞错，导致数组操作越界。
    4.忘记了释放内存，造成内存泄露。 含有这种错误的函数每被调用一次就丢失一块内存。刚开始时系统的内存充足，你看不到错误。终有一次程序突然挂掉，系统出现提示：内存耗尽。动态内存的申请与释放必须配对，程序中malloc与free的使用次数一定要相同，否则肯定有错误（new/delete同理）。

    5释放了内存却继续使用它。 常见于以下有三种情况：

    • 程序中的对象调用关系过于复杂，实在难以搞清楚某个对象究竟是否已经释放了内存，此时应该重新设计数据结构，从根本上解决对象管理的混乱局面。
    • 函数的return语句写错了，注意不要返回指向“栈内存”的“指针”或者“引用”，因为该内存在函数体结束时被自动销毁。
    • 使用free或delete释放了内存后，没有将指针设置为NULL。导致产生“野指针”。

13. 内存交换中，被换出的进程保存在哪里

    保存在磁盘中，也就是外存中。具有对换功能的操作系统中，通常把磁盘空间分为文件区和对换区两部分。文件区主要用于存放文件，主要追求存储空间的利用率，因此对文件区空间的管理采用离散分配方式;对换区空间只占磁盘空间的小部分，被换出的进程数据就存放在对换区。由于对换的速度直接影响到系统的整体速度，因此对换区空间的管理主要追求换入换出速度，因此通常对换区采用连续分配方式(学过文件管理章节后即可理解)。总之，对换区的I/O速度比文件区的更快。

14. 抖动是什么，也称为颠簸现象

    刚刚换出的页面马上又要换入内存，刚刚换入的页面马上又要换出外存，这种频繁的页面调度行为称为抖动，或颠簸。产生抖动的主要原因是进程频繁访问的页面数目高于可用的物理块数(分配给进程的物理块不够) 为进程分配的物理块太少，会使进程发生抖动现象。为进程分配的物理块太多，又会降低系统整体的并发度，降低某些资源的利用率 为了研究为应该为每个进程分配多少个物理块，Denning 提出了进程工作集” 的概念

其它常见问题

1. 并发和并行的区别

   1.并行是指两个或者多个事件在同一时刻发生；而并发是指两个或多个事件在同一时间间隔发生；
   2.并行是在不同实体上的多个事件，并发是在同一实体上的多个事件；

2. 同步、异步、阻塞和非阻塞的概念

   1.同步：当一个同步调用发出后，调用者要一直等待返回结果。通知后，才能进行后续的执行。
   2.异步：当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到返回结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。
   3.阻塞：是指调用结果返回前，当前线程会被挂起，即阻塞。

   4.非阻塞：是指即使调用结果没返回，也不会阻塞当前线程。

3. 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。

   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。

   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。

   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。

4. 用户态和内核态是怎么切换的

   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：

   • 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。

5. 原子操作是如何实现的

   **处理器使用基于对缓存加锁或总线加锁的方式来实现多处理器之间的原子操作。**首先处理器会自动保证基本的内存操作的原子性。处理器保证从系统内存中读取或者写入一个字节是原子的，意思是当一个处理器读取一个字节时，其他处理器不能访问这个字节的内存地址。Pentium 6和最新的处理器能自动保证单处理器对同一个缓存行里进行16/32/64位的操作是原子的，但是复杂的内存操作处理器是不能自动保证其原子性的，比如跨总线宽度、跨多个缓存行和跨页表的访问。但是，处理器提供总线锁定和缓存锁定两个机制来保证复杂内存操作的原子性。
   （1）使用总线锁保证原子性 第一个机制是通过总线锁保证原子性。如果多个处理器同时对共享变量进行读改写操作（i就是经典的读改写操作），那么共享变量就会被多个处理器同时进行操作，这样读改写操作就不是原子的，操作完之后共享变量的值会和期望的不一致。举个例子，如果i=1，我们进行两次i操作，我们期望的结果是3，但是有可能结果是2，如图下图所示。

   CPU1 CPU2 
   i=1   i=1 
   i+1   i+1 
   i=2   i=2
   

   原因可能是多个处理器同时从各自的缓存中读取变量i，分别进行加1操作，然后分别写入系统内存中。那么，想要保证读改写共享变量的操作是原子的，就必须保证CPU1读改写共享变量的时候，CPU2不能操作缓存了该共享变量内存地址的缓存。 处理器使用总线锁就是来解决这个问题的。所谓总线锁就是使用处理器提供的一个LOCK信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他处理器的请求将被阻塞住，那么该处理器可以独占共享内存。
   （2）使用缓存锁保证原子性 第二个机制是通过缓存锁定来保证原子性。在同一时刻，我们只需保证对某个内存地址的操作是原子性即可，但总线锁定把CPU和内存之间的通信锁住了，这使得锁定期间，其他处理器不能操作其他内存地址的数据，所以总线锁定的开销比较大，目前处理器在某些场合下使用缓存锁定代替总线锁定来进行优化。 频繁使用的内存会缓存在处理器的L1、L2和L3高速缓存里，那么原子操作就可以直接在处理器内部缓存中进行，并不需要声明总线锁，在Pentium 6和目前的处理器中可以使用“缓存锁定”的方式来实现复杂的原子性。 所谓“缓存锁定”是指内存区域如果被缓存在处理器的缓存行中，并且在Lock操作期间被锁定，那么当它执行锁操作回写到内存时，处理器不在总线上声言LOCK＃信号，而是修改内部的内存地址，并允许它的缓存一致性机制来保证操作的原子性，因为缓存一致性机制会阻止同时修改由两个以上处理器缓存的内存区域数据，当其他处理器回写已被锁定的缓存行的数据时，会使缓存行无效，在如上图所示的例子中，当CPU1修改缓存行中的i时使用了缓存锁定，那么CPU2就不能使用同时缓存i的缓存行。
   但是有两种情况下处理器不会使用缓存锁定。 第一种情况是：当操作的数据不能被缓存在处理器内部，或操作的数据跨多个缓存行（cache line）时，则处理器会调用总线锁定。 第二种情况是：有些处理器不支持缓存锁定。对于Intel 486和Pentium处理器，就算锁定的内存区域在处理器的缓存行中也会调用总线锁定。

6. 外中断和异常的区别

   外中断是指由 CPU 执行指令以外的事件引起，如 I/O 完成中断，表示设备输入/输出处理已经完成，处理器能够发送下一个输入/输出请求。此外还有时钟中断、控制台中断等。
   而异常时由 CPU 执行指令的内部事件引起，如非法操作码、地址越界、算术溢出等。

7. 什么是缓冲区溢出

   缓冲区为暂时置放输出或输入资料的内存。缓冲区溢出是指当计算机向缓冲区填充数据时超出了缓冲区本身的容量，溢出的数据覆盖在合法数据上。造成缓冲区溢出的主要原因是程序中没有仔细检查用户输入是否合理。计算机中，缓冲区溢出会造成的危害主要有以下两点：程序崩溃导致拒绝服务和跳转并且执行一段恶意代码

8. 对静态链接库和动态链接库的理解

   静态链接就是在编译链接时直接将需要的执行代码拷贝到调用处，优点就是在程序发布的时候就不需要的依赖库，也就是不再需要带着库一块发布，程序可以独立执行，但是体积可能会相对大一些。
   动态链接就是在编译的时候不直接拷贝可执行代码，而是通过记录一系列符号和参数，在程序运行或加载时将这些信息传递给操作系统，操作系统负责将需要的动态库加载到内存中，然后程序在运行到指定的代码时，去共享执行内存中已经加载的动态库可执行代码，最终达到运行时连接的目的。优点是多个程序可以共享同一段代码，而不需要在磁盘上存储多个拷贝，缺点是由于是运行时加载，可能会影响程序的前期执行性能。

9. 一个程序从开始运行到结束的过程

   四个过程：
   （1）预编译 主要处理源代码文件中的以“#”开头的预编译指令。处理规则见下
   1、删除所有的#define，展开所有的宏定义。
   2、处理所有的条件预编译指令，如“#if”、“#endif”、“#ifdef”、“#elif”和“#else”。
   3、处理“#include”预编译指令，将文件内容替换到它的位置，这个过程是递归进行的，文件中包含其他 文件。
   4、删除所有的注释，“//”和“/* */”。
   5、保留所有的#pragma 编译器指令，编译器需要用到他们，如：#pragma once 是为了防止有文件被重 复引用。
   6、添加行号和文件标识，便于编译时编译器产生调试用的行号信息，和编译时产生编译错误或警告是 能够显示行号。
   （2）编译 把预编译之后生成的xxx.i或xxx.ii文件，进行一系列词法分析、语法分析、语义分析及优化后，生成相应的汇编代码文件。
   1、词法分析：利用类似于“有限状态机”的算法，将源代码程序输入到扫描机中，将其中的字符序列分割成一系列的记号。 2、语法分析：语法分析器对由扫描器产生的记号，进行语法分析，产生语法树。由语法分析器输出的语法树是一种以表达式为节点的树。
   3、语义分析：语法分析器只是完成了对表达式语法层面的分析，语义分析器则对表达式是否有意义进行判断，其分析的语义是静态语义——在编译期能分期的语义，相对应的动态语义是在运行期才能确定的语义。
   4、优化：源代码级别的一个优化过程。
   5、目标代码生成：由代码生成器将中间代码转换成目标机器代码，生成一系列的代码序列——汇编语言表示。
   6、目标代码优化：目标代码优化器对上述的目标机器代码进行优化：寻找合适的寻址方式、使用位移来替代乘法运算、删除多余的指令等。
   （3）汇编 将汇编代码转变成机器可以执行的指令(机器码文件)。 汇编器的汇编过程相对于编译器来说更简单，没有复杂的语法，也没有语义，更不需要做指令优化，只是根据汇编指令和机器指令的对照表一一翻译过来，汇编过程有汇编器as完成。 经汇编之后，产生目标文件(与可执行文件格式几乎一样)xxx.o(Linux下)、xxx.obj(Windows下)。
   （4）链接 将不同的源文件产生的目标文件进行链接，从而形成一个可以执行的程序。链接分为静态链接和动态链接：
   1、静态链接： 函数和数据被编译进一个二进制文件。在使用静态库的情况下，在编译链接可执行文件时，链接器从库中复制这些函数和数据并把它们和应用程序的其它模块组合起来创建最终的可执行文件。 空间浪费：因为每个可执行程序中对所有需要的目标文件都要有一份副本，所以如果多个程序对同一个目标文件都有依赖，会出现同一个目标文件都在内存存在多个副本； 更新困难：每当库函数的代码修改了，这个时候就需要重新进行编译链接形成可执行程序。 运行速度快：但是静态链接的优点就是，在可执行程序中已经具备了所有执行程序所需要的任何东西，在执行的时候运行速度快。
   2、动态链接： 动态链接的基本思想是把程序按照模块拆分成各个相对独立部分，在程序运行时才将它们链接在一起形成一个完整的程序，而不是像静态链接一样把所有程序模块都链接成一个单独的可执行文件。 共享库：就是即使需要每个程序都依赖同一个库，但是该库不会像静态链接那样在内存中存在多份副本，而是这多个程序在执行时共享同一份副本； 更新方便：更新时只需要替换原来的目标文件，而无需将所有的程序再重新链接一遍。当程序下一次运行时，新版本的目标文件会被自动加载到内存并且链接起来，程序就完成了升级的目标。 性能损耗：因为把链接推迟到了程序运行时，所以每次执行程序都需要进行链接，所以性能会有一定损失。