面試知識點整理之作業系統篇
使用者態和核心態
現在作業系統都是採用虛擬儲存器，那麼對32位作業系統而言，它的定址空間（虛擬儲存空間）為4G（2的32次方）。作業系統的核心是核心，獨立於普通的應用程式，可以訪問受保護的記憶體空間，也有訪問底層硬體裝置的所有許可權。為了保證使用者程序不能直接操作核心(kernel），保證核心的安全，操心繫統將虛擬空間劃分為兩部分，一部分為核心空間，一部分為使用者空間。針對linux作業系統而言，將最高的1G位元組(從虛擬地址0xC0000000到0xFFFFFFFF)，供核心使用，稱為核心空間，而將較低的3G位元組(從虛擬地址0x00000000到0xBFFFFFFF)，供各個程序使用，稱為使用者空間。
在使用者態下，CPU只能訪問使用者空間記憶體；當在核心態時，CPU
堆和棧的區別
- 棧由系統編譯器管理，堆需要手動管理，及時釋放
- 棧地址從高向低擴充套件，是連續的；堆地址從低向高擴充套件，是不連續的
程序和執行緒的區別
兩個名詞不過是對應的CPU時間段的描述：
程序就是包換上下文切換的程式執行時間總和 = CPU載入上下文+CPU執行+CPU儲存上下文。而執行緒是共享了程序的上下文環境，的更為細小的CPU時間段。
- 程序是系統進行資源排程和分配的獨立單位，具有獨立的地址空間(也稱為段)。從上而下包括，棧，堆，未初始化變數區(
BSS)，初始化變數區(資料段)，以及程式碼段。 - 執行緒間的資料通訊更為簡單
- 建立執行緒的速度要快於建立程序
- 程序的隔離性更好，一個執行緒的問題可能會影響同一程序內的所有執行緒
- 每個執行緒都在徵用程序中有限的虛擬地址空間，而程序可以使用全部有效虛擬記憶體
- 執行緒共享程序的虛擬地址空間（共享段、資料段）、使用者ID和組ID、檔案描述符表、當前工作目錄、但是執行緒也擁有屬於自己的棧，用來裝載本地變數和函式呼叫連結資訊。
執行緒同步
執行緒可以使用下面兩個工具來同步彼此行為：
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互斥量：保證資源不會被多個執行緒同時訪問
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條件變數：通知操作的方式保持多執行緒同步
並且條件變數總是與互斥量相關。
程序間通訊
程序間通訊IPC (InterProcess Communication)
工具包括匿名管道，命名管道，訊息佇列，訊號，共享記憶體，訊號量，socket
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管道是一種半雙工的通訊方式，資料只能單向流動，並且只能在具有親緣關係的程序間流動，程序的親緣關係通常是父子程序
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命名管道也是半雙工的通訊方式，但它允許無親緣關係的程序間進行通訊
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訊號可以在任何時候發給某一程序，而無需知道該程序的狀態，是軟體層次上對終端機制的模擬。常用的有
SIGHUP：使用者從終端登出，所有已啟動程序都將收到該訊號。系統預設狀態下對該訊號的處理是終止程序。SIGINT：程式終止訊號。程式執行過程中，按Ctrl+C鍵將產生該訊號。SIGQUIT：程式退出訊號。SIGBUS和SIGSEGV：程序訪問非法地址。SIGFPE：運算中出現致命錯誤，如除零操作、資料溢位等。SIGKILL：使用者終止程序執行訊號。shell下執行kill -9傳送該訊號。SIGTERM：結束程序訊號。shell下執行kill 程序pid傳送該訊號。SIGALRM：定時器訊號。SIGCLD：子程序退出訊號。如果其父程序沒有忽略該訊號也沒有處理該訊號，則子程序退出後將形成殭屍程序。
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訊息佇列是訊息的連結串列，存放在核心中並由訊息佇列識別符號標識，與管道不同的還有，訊息佇列在某個程序往一個佇列寫入訊息之前，並不需要另外某個程序在該佇列上等待訊息的到達。但是它們都是先進先出的。
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共享記憶體是核心專門留出了一塊記憶體區，可以由需要訪問的程序將其對映到自己的私有地址空間。多個程序可以可以直接讀寫同一塊記憶體空間，是最快的可用
IPC形式。當某程序改變了共享記憶體的內容，其他所有程序會立即瞭解到這一變化。 -
訊號量是一個計數器，用於多程序對共享資料的訪問，訊號量的意圖在於程序間同步。
訊號量與互斥量之間的區別：
（1）互斥量用於執行緒的互斥，訊號量用於執行緒的同步。
互斥：是指某一資源同時只允許一個訪問者對其進行訪問，具有唯一性和排它性。但互斥無法限制訪問者對資源的訪問順序，即訪問是無序的。
同步：是指在互斥的基礎上（大多數情況），通過其它機制實現訪問者對資源的有序訪問。
（2）互斥量值只能為0/1，訊號量值可以為非負整數。一個互斥量只能用於一個資源的互斥訪問，它不能實現多個資源的多執行緒互斥問題。訊號量可以實現多個同類資源的多執行緒互斥和同步。當訊號量為單值訊號量時，也可以完成一個資源的互斥訪問。
（3）互斥量的加鎖和解鎖必須由同一執行緒分別對應使用，訊號量可以由一個執行緒釋放，另一個執行緒得到。 -
socket：可以讓不在同一臺計算機但通過網路連線計算機上的程序進行通訊。
訊號量和檔案鎖可以用於同步。互斥量和條件變數通常用於執行緒同步。
程序的狀態
- 就緒狀態，等待
CPU。也可以細分為活躍就緒(程序在主存中可以被排程)和靜止就緒(程序被對換到輔存時，不能被排程)。 - 執行狀態，已獲得
CPU - 阻塞狀態，例如請求
I/O，申請緩衝空間。與就緒類似的也可以細分為活躍阻塞和靜止阻塞。
此外還有：
- 建立狀態：程序還在被建立，尚未到就緒狀態
- 結束狀態
什麼是死鎖，如何解決
產生死鎖的條件有四個：
- 互斥條件：所謂互斥就是程序在某一時間內獨佔資源。
- 請求與保持條件：一個程序因請求資源而阻塞時，對已獲得的資源保持不放
- 不剝奪條件:程序已獲得資源，在末使用完之前，不能強行剝奪。
- 迴圈等待條件:若干程序之間形成一種頭尾相接的迴圈等待資源關係。
死鎖預防：破壞任意一個必要條件就可以預防死鎖。例如，以一定順序獲得鎖，或者一次申請全部的資源，以及超時放棄鎖。
死鎖避免：每次申請資源時判斷操作是否安全。[銀行家演算法]([http://chuxiuhong.com/2016/11/26/1 (5)/](http://chuxiuhong.com/2016/11/26/1 (5)/)
死鎖檢測：判斷系統是否處於死鎖狀態。資源分配圖。
死鎖解除：
- 剝奪，將某程序資源強行收回，分配給其他程序。
- 撤銷程序
分頁和分段
段和頁用來解決：
- 程序地址空間不隔離
- 記憶體使用效率低
- 程式執行地址不確定
因此增加了一箇中間層，使用虛擬地址對映到實體地址的方式進行訪問。這樣對於程式來說，只需要關注虛擬地址。即使虛擬地址一樣，對於不同的程序來說，仍然可以保證不同程式最終訪問記憶體地址位於不同區域，用以解決1和3的問題。此時，引入分段的思想，在虛擬地址空間和實體地址空間做一一對映。
而分頁用以解決每次換入記憶體過大的問題2，即用更小粒度的記憶體分隔和對映方法。當CPU訪問程式中用到的虛擬地址時，發現沒有對應的實體地址，會引發一個頁錯誤。此時由作業系統建立對映，並由CPU重新執行。因此，隨著程式執行，頁錯誤會不斷產生，作業系統也會分配相應的物理頁來滿足執行需求。
另外，當記憶體不足發生頁錯誤時(缺頁中斷)，作業系統會在記憶體選擇一個頁面移出記憶體，稱為頁面置換演算法。
虛擬記憶體將主存看成是一個磁碟的快取記憶體，主存中只儲存活動區域，並根據需要在磁碟和主存之間來回傳送資料。
分頁與分段管理的比較：
- 頁是資訊的物理單位，分頁是為實現離散分配方式，以消減記憶體的外零頭，提高記憶體的利用率。段則是資訊的邏輯單位，它含有一組其意義相對完整的資訊。分段的目的是為了能更好地滿足使用者的需要。
- 頁的大小固定且由系統決定；而段的長度卻不固定，決定於使用者所編寫的程式。
- 分頁的地址空間是一維的，程式設計師只需利用一個記憶符，即可表示一個地址；而分段的作業地址空間是二維的，程式設計師在標識一個地址時，既需給出段名，又需給出段內地址。
頁面置換演算法
- 最佳置換演算法(理想情況下)：有些頁面在記憶體中，知道其中有一頁將很快被訪問，其他頁面會在執行10、100或者1000條指令才會被訪問，那麼將1000條指令的頁面(最大標記數)置換出去。雖然不可實現，可以用來對演算法進行衡量。
- 先進先出置換演算法：選擇在主存中停留時間最長的頁置換出去
- 最近最久未使用(
LRU)演算法：選擇最近一段時間裡沒有使用過的頁面予以置換 clock演算法- 最少使用(
LFU)演算法：選擇近期最少使用的頁面淘汰 - 最近未使用(
NRU)演算法 - 二次機會演算法：每個頁面擁有2次機會才會被淘汰出去
- ...
排程策略
- 先來先排程
- 短作業先排程
- 高優先權先排程，又分為搶佔式和非搶佔式
- 高響應比優先排程，即根據響應時間/要求服務時間的比重，隨著等待時間增加，優先順序提高
- 時間片輪轉，可以在給定時間內響應所有使用者請求
- 多級反饋佇列，新任務放置在1的隊尾，如果未完成，轉移到2的隊尾，
殭屍程序和孤兒程序
某一子程序的父程序終止後，該程序變成孤兒程序，由init接管。
而在父程序執行wait()之前，子程序就終止了，那麼子程序將成為殭屍程序。它仍然儲存著核心程序表中的記錄，包含子程序ID、終止狀態、資源使用資料等資訊，等待著父程序呼叫wait()後，核心將其刪除。
記憶體分配
- 單一連續分配：適合單使用者單任務系統
- 固定分割槽分配：大程式無法放置分割槽中，小程式容易產生碎片
- 動態分割槽分配：
- 首次適應：從低地址開始查詢
- 最佳適應：空閒分割槽從小到大排列，找到第一個能滿足要求的分割槽
- 最壞適應：空閒分割槽從大到小排列，挑選最大分割槽
- 迴圈首次適應：從上次查詢結束的位置開始查詢
- 快速適應：對空閒分割槽按照大小進行分類，對每一類空閒分割槽單獨設定連結串列