一天吃透作業系統八股文-有解無憂

作業系統的四個特性？

并發：同一段時間內多個程式執行（與并行區分，并行指的是同一時刻有多個事件，多處理器系統可以使程式并行執行）

共享：系統中的資源可以被記憶體中多個并發執行的進執行緒共同使用

虛擬：通過分時復用（如分時系統）以及空分復用（如虛擬記憶體）技術把一個物理物體虛擬為多個

異步：系統行程用一種走走停停的方式執行，（并不是一下子走完），行程什么時候以怎樣的速度向前推進是不可預知的

行程執行緒

行程是指一個記憶體中運行的應用程式，每個行程都有自己獨立的一塊記憶體空間，

執行緒是比行程更小的執行單位，它是在一個行程中獨立的控制流，一個行程可以啟動多個執行緒，每條執行緒并行執行不同的任務，

行程和執行緒的區別如下：

調度：行程是資源管理的基本單位，執行緒是程式執行的基本單位，
切換：執行緒背景關系切換比行程背景關系切換要快得多，
擁有資源：行程是擁有資源的一個獨立單位，執行緒不擁有系統資源，但是可以訪問隸屬于行程的資源，
系統開銷：創建或撤銷行程時，系統都要為之分配或回收系統資源，如記憶體空間，I/O設備等，OS所付出的開銷顯著大于在創建或撤銷執行緒時的開銷，行程切換的開銷也遠大于執行緒切換的開銷，

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并發和并行

并發就是在一段時間內，多個任務都會被處理；但在某一時刻，只有一個任務在執行，單核處理器可以做到并發，比如有兩個行程A和B，A運行一個時間片之后，切換到B，B運行一個時間片之后又切換到A，因為切換速度足夠快，所以宏觀上表現為在一段時間內能同時運行多個程式，最全面的Java面試網站

并行就是在同一時刻，有多個任務在執行，這個需要多核處理器才能完成，在微觀上就能同時執行多條指令，不同的程式被放到不同的處理器上運行，這個是物理上的多個行程同時進行，

多執行緒相較單執行緒的好處

1、并發提升程式執行效率

2、提升CPU利用率，訪存的時候可以切換執行緒來執行

3、更快的回應速度，可以有專門的執行緒來監聽用戶請求和專門的執行緒來處理請求，比如監聽執行緒和作業執行緒是兩個執行緒，這樣監聽就負責監聽，作業的就負責作業，監聽到用戶請求馬上把請求轉到作業執行緒去處理，監聽執行緒繼續監聽

什么是協程？

協程是一種用戶態的輕量級執行緒，

協程不是由作業系統內核管理，而是完全由用戶程式所控制，這樣帶來的好處就是性能得到了很大的提升，不會像執行緒切換那樣消耗資源，

協程可以理解為可以暫停執行的函式，它擁有自己的暫存器背景關系和堆疊，協程調度切換時，將暫存器背景關系和堆疊保存到其他地方，在切回來的時候，恢復先前保存的暫存器背景關系和堆疊，直接操作堆疊則基本沒有內核切換的開銷，可以不加鎖的訪問全域變數，所以背景關系的切換非常快，

執行緒和協程有什么區別呢？

1、執行緒是搶占式，而協程是非搶占式的，所以需要用戶自己釋放使用權來切換到其他協程，因此同一時間其實只有一個協程擁有運行權，相當于單執行緒的能力，
2、執行緒是協程的資源，協程通過可以關聯任意執行緒或執行緒池的執行器（Interceptor）來間接使用執行緒的資源的，

行程通信

行程間通信方式有以下幾種：

1、管道通信

匿名管道( pipe )：管道是一種半雙工的通信方式，資料只能單向流動，而且只能在具有親緣關系的行程間使用，行程的親緣關系通常是指父子行程關系，
有名管道是半雙工的通信方式，資料只能單向流動，

2、訊息佇列

3、共享記憶體，共享記憶體是最快的 IPC 方式，它是針對其他行程間通信方式運行效率低而專門設計的，它往往與其他通信機制，如信號量，配合使用，來實作行程間的同步和通信，

4、信號量，信號量是一個計數器，可以用來控制多個行程對共享資源的訪問，它常作為一種鎖機制，防止某行程正在訪問共享資源時，其他行程也訪問該資源，因此，主要作為行程間以及同一行程內不同執行緒之間的同步手段，

什么是死鎖？

死鎖是指兩個或兩個以上的執行緒在執行程序中，因爭奪資源而造成的一種互相等待的現象，若無外力作用，它們都將無法推進下去，

如下圖所示，執行緒 A 持有資源 2，執行緒 B 持有資源 1，他們同時都想申請對方持有的資源，所以這兩個執行緒就會互相等待而進入死鎖狀態，

下面通過例子說明執行緒死鎖，代碼來自并發編程之美，

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public class DeadLockDemo {
    private static Object resource1 = new Object();//資源 1
    private static Object resource2 = new Object();//資源 2

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (resource1) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                }
            }
        }, "執行緒 1").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (resource2) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource1");
                synchronized (resource1) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                }
            }
        }, "執行緒 2").start();
    }
}

代碼輸出如下：

Thread[執行緒 1,5,main]get resource1
Thread[執行緒 2,5,main]get resource2
Thread[執行緒 1,5,main]waiting get resource2
Thread[執行緒 2,5,main]waiting get resource1

執行緒 A 通過 synchronized (resource1) 獲得 resource1 的監視器鎖，然后通過 Thread.sleep(1000)，讓執行緒 A 休眠 1s 為的是讓執行緒 B 得到執行然后獲取到 resource2 的監視器鎖，執行緒 A 和執行緒 B 休眠結束了都開始企圖請求獲取對方的資源，然后這兩個執行緒就會陷入互相等待的狀態，這也就產生了死鎖，

死鎖怎么產生？怎么避免？

死鎖產生的四個必要條件：

互斥：一個資源每次只能被一個行程使用
請求與保持：一個行程因請求資源而阻塞時，不釋放獲得的資源
不剝奪：行程已獲得的資源，在未使用之前，不能強行剝奪
回圈等待：行程之間回圈等待著資源

避免死鎖的方法：

互斥條件不能破壞，因為加鎖就是為了保證互斥
一次性申請所有的資源，避免執行緒占有資源而且在等待其他資源
占有部分資源的執行緒進一步申請其他資源時，如果申請不到，主動釋放它占有的資源
按序申請資源

行程調度策略有哪幾種？

先來先服務：非搶占式的調度演算法，按照請求的順序進行調度，有利于長作業，但不利于短作業，因為短作業必須一直等待前面的長作業執行完畢才能執行，而長作業又需要執行很長時間，造成了短作業等待時間過長，另外，對I/O密集型行程也不利，因為這種行程每次進行I/O操作之后又得重新排隊，
短作業優先：非搶占式的調度演算法，按估計運行時間最短的順序進行調度，長作業有可能會餓死，處于一直等待短作業執行完畢的狀態，因為如果一直有短作業到來，那么長作業永遠得不到調度，
最短剩余時間優先：最短作業優先的搶占式版本，按剩余運行時間的順序進行調度，當一個新的作業到達時，其整個運行時間與當前行程的剩余時間作比較，如果新的行程需要的時間更少，則掛起當前行程，運行新的行程，否則新的行程等待，
時間片輪轉：將所有就緒行程按 FCFS 的原則排成一個佇列，每次調度時，把 CPU 時間分配給隊首行程，該行程可以執行一個時間片，當時間片用完時，由計時器發出時鐘中斷，調度程式便停止該行程的執行，并將它送往就緒佇列的末尾，同時繼續把 CPU 時間分配給隊首的行程，

時間片輪轉演算法的效率和時間片的大小有很大關系：因為行程切換都要保存行程的資訊并且載入新行程的資訊，如果時間片太小，會導致行程切換得太頻繁，在行程切換上就會花過多時間，而如果時間片過長，那么實時性就不能得到保證，
優先級調度：為每個行程分配一個優先級，按優先級進行調度，為了防止低優先級的行程永遠等不到調度，可以隨著時間的推移增加等待行程的優先級，

行程有哪些狀態？

行程一共有5種狀態，分別是創建、就緒、運行（執行）、終止、阻塞，

運行狀態就是行程正在CPU上運行，在單處理機環境下，每一時刻最多只有一個行程處于運行狀態，
就緒狀態就是說行程已處于準備運行的狀態，即行程獲得了除CPU之外的一切所需資源，一旦得到CPU即可運行，
阻塞狀態就是行程正在等待某一事件而暫停運行，比如等待某資源為可用或等待I/O完成，即使CPU空閑，該行程也不能運行，

運行態→阻塞態：往往是由于等待外設，等待主存等資源分配或等待人工干預而引起的，
阻塞態→就緒態：則是等待的條件已滿足，只需分配到處理器后就能運行，
運行態→就緒態：不是由于自身原因，而是由外界原因使運行狀態的行程讓出處理器，這時候就變成就緒態，例如時間片用完，或有更高優先級的行程來搶占處理器等，
就緒態→運行態：系統按某種策略選中就緒佇列中的一個行程占用處理器，此時就變成了運行態，

作業系統里的記憶體碎片怎么理解？

記憶體碎片通常分為內部碎片和外部碎片：

內部碎片是由于采用固定大小的記憶體磁區，當一個行程不能完全使用分給它的固定記憶體區域時就會產生內部碎片，通常內部碎片難以完全避免
外部碎片是由于某些未分配的連續記憶體區域太小，以至于不能滿足任意行程的記憶體分配請求，從而不能被行程利用的記憶體區域，

有什么解決辦法？

現在普遍采取的記憶體分配方式是段頁式記憶體分配，將記憶體分為不同的段，再將每一段分成固定大小的頁，通過頁表機制，使段內的頁可以不必連續處于同一記憶體區域，

虛擬記憶體

虛擬存盤器就是具有請求調入功能，能從邏輯上對記憶體容量加以擴充的一種存盤器系統，虛擬記憶體有多次性，對換性和虛擬性三個特征，它可以將程式分多次調入記憶體，使得在較小的用戶空間可以執行較大的用戶程式，所以同時容納更多的行程并發執行，從而提高系統的吞吐量，發生缺頁時可以調入一個段也可以調入一個頁，取決于記憶體的存盤管理方式，虛擬性表示虛擬記憶體和物理記憶體的映射，

Linux下，行程不能直接讀寫記憶體物理地址，只能訪問【虛擬記憶體地址】，作業系統會把虛擬記憶體地址-->物理地址，

虛擬記憶體解決有限的記憶體空間加載較大應用程式的問題，根據需要在記憶體和磁盤之間來回傳送資料，

通過段頁表的形式，虛擬記憶體中取一段連續的記憶體空間映射到主記憶體中，主記憶體空間的程式段可以不連續，

什么是分頁？

把記憶體空間劃分為大小相等且固定的塊，作為主存的基本單位，因為程式資料存盤在不同的頁面中，而頁面又離散的分布在記憶體中，因此需要一個頁表來記錄映射關系，以實作從頁號到物理塊號的映射，

訪問分頁系統中記憶體資料需要兩次的記憶體訪問 (一次是從記憶體中訪問頁表，從中找到指定的物理塊號，加上頁內偏移得到實際物理地址；第二次就是根據第一次得到的物理地址訪問記憶體取出資料)，

什么是分段？

分頁是為了提高記憶體利用率，而分段是為了滿足程式員在撰寫代碼的時候的一些邏輯需求(比如資料共享，資料保護，動態鏈接等)，

分段記憶體管理當中，地址是二維的，一維是段號，二維是段內地址；其中每個段的長度是不一樣的，而且每個段內部都是從0開始編址的，由于分段管理中，每個段內部是連續記憶體分配，但是段和段之間是離散分配的，因此也存在一個邏輯地址到物理地址的映射關系，相應的就是段表機制，

分頁和分段有什區別？

分頁對程式員是透明的，但是分段需要程式員顯式劃分每個段，
分頁的地址空間是一維地址空間，分段是二維的，
頁的大小不可變，段的大小可以動態改變，
分頁主要用于實作虛擬記憶體，從而獲得更大的地址空間；分段主要是為了使程式和資料可以被劃分為邏輯上獨立的地址空間并且有助于共享和保護，

頁面置換演算法

為什么要頁面置換：

因為應用程式是分多次裝入記憶體的，所以運行到一定的時間，一定會發生缺頁，地址映射的程序中，如果頁面中發現要訪問的頁面不在記憶體中，會產生缺頁中斷，此時作業系統必須在記憶體里選擇一個頁面把他移出記憶體，為即將調入的頁面讓出空間，選擇淘汰哪一頁的規則就是頁面置換演算法

幾種頁面置換演算法：

最佳置換演算法（理想）：將當前頁面中在未來最長時間內不會被訪問的頁置換出去

先進先出：淘汰最早調入的頁面

最近最久未使用 LRU：每個頁面有一個t來記錄上次頁面被訪問直到現在，每次置換時置換t值最大的頁面（用暫存器或堆疊實作）

時鐘演算法clock（也被稱為最近未使用演算法NRU）：頁面設定訪問為，將頁面鏈接為一個環形串列，每個頁有一個訪問位0/1, 1表示又一次獲救的機會，下次回圈指標指向它時可以免除此次置換，但是會把訪問位置為0，代表他下次如果碰到回圈指標就該被置換了，頁面被訪問的時候訪問位設為1，頁面置換的時候，如果當前指標的訪問位為0，置換，否則將這個值置為0，回圈直到遇到訪問位為0的頁面，

改進型Clock演算法：在clock演算法的基礎上添加一個修改位，優先替換訪問位和修改位都是0的頁面，其次替換訪問位為0修改位為1的頁面，

最少使用演算法LFU：設定暫存器記錄頁面被訪問次數，每次置換當前訪問次數最少的，

用戶態和內核態

內核態：cpu可以訪問記憶體的所有資料，包括外圍設備，例如硬碟，網卡，cpu也可以將自己從一個程式切換到另一個程式，

用戶態：只能受限的訪問記憶體，且不允許訪問外圍設備，占用cpu的能力被剝奪，cpu資源可以被其他程式獲取，

最大的區別就是權限不同，在運行在用戶態下的程式不能直接訪問作業系統內核資料結構和程式，

為什么要有這兩種狀態？

內核速度快但是資源有限，能控制的行程數不多，所以需要速度慢一些的用戶態協助，但是為了避免用戶態被惡意利用，所以限制了用戶態程式的權限，

需要限制不同的程式之間的訪問能力，防止他們獲取別的程式的記憶體資料，或者獲取外圍設備的資料，并發送到網路，CPU劃分出兩個權限等級 -- 用戶態和內核態，

什么時候轉換

1、系統呼叫：

用戶行程主動發起的，用戶態行程通過系統呼叫申請使用作業系統提供的服務程式完成作業，比如fork()就是執行一個創建新行程的系統呼叫

用戶程式使用系統呼叫，系統呼叫會轉換為內核態并呼叫作業系統

2、發生例外：

會從當前運行行程切換到處理次此例外的內核相關程式中

3、外圍設備的中斷：

所有程式都運行在用戶態，但在從硬碟讀取資料、或從鍵盤輸入時，這些事情只有作業系統能做，程式需要向作業系統請求以程式的名義來執行這些操作，這個時候用戶態程式切換到內核態，

什么是緩沖區溢位？有什么危害？

緩沖區溢位是指當計算機向緩沖區填充資料時超出了緩沖區本身的容量，溢位的資料覆寫在合法資料上，

危害有以下兩點：

程式崩潰，導致拒絕額服務
跳轉并且執行一段惡意代碼

造成緩沖區溢位的主要原因是程式中沒有仔細檢查用戶輸入，

IO多路復用

IO多路復用是指內核一旦發現行程指定的一個或者多個IO條件準備讀取，它就通知該行程，IO多路復用適用如下場合：

當客戶處理多個描述字時（一般是互動式輸入和網路套介面），必須使用I/O復用，
當一個客戶同時處理多個套介面時，而這種情況是可能的，但很少出現，
如果一個TCP服務器既要處理監聽套介面，又要處理已連接套介面，一般也要用到I/O復用，
如果一個服務器即要處理TCP，又要處理UDP，一般要使用I/O復用，
如果一個服務器要處理多個服務或多個協議，一般要使用I/O復用，
與多行程和多執行緒技術相比，I/O多路復用技術的最大優勢是系統開銷小，系統不必創建行程/執行緒，也不必維護這些行程/執行緒，從而大大減小了系統的開銷，

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