计算机操作系统面试题自用

什么是操作系统：

操作系统是管理硬件和软件的一种应用程序。操作系统是运行在计算机上最重要的一种软件

操作系统的主要功能

解释一下操作系统的主要目的是什么操作系统是一种软件，它的主要目的有三种

1 管理计算机资源，这些资源包括 CPU、内存、磁盘驱动器、打印机等。 2 提供一种图形界面，就像我们前面描述的那样，它提供了用户和计算机之间的桥梁。 3 为其他软件提供服务，操作系统与软件进行交互，以便为其分配运行所需的任何必要资源例如Windows Linux

线程与进程的区别

线程是指进程内的一个执行单元,也是进程内的可调度实体。线程与进程的区别:

1、根本区别：进程是操作系统资源分配和独立运行的最小单位；线程是任务调度和系统执行的最小单位。
2、地址空间区别：每个进程都有独立的地址空间，一个进程崩溃不影响其它进程；一个进程中的多个线程共享该进程的地址空间，一个线程的非法操作会使整个进程崩溃。
3、上下文切换开销区别：每个进程有独立的代码和数据空间，进程之间上下文切换开销较大；线程组共享代码和数据空间，线程之间切换的开销较小。

进程间状态模型

上下文切换

上下文切换（Context Switching）是指操作系统在多任务（多进程或多线程）环境下，将处理器从一个任务（进程或线程）切换到另一个任务的过程。上下文切换允许多个任务轮流共享处理器，以实现并发执行，但它会引入一些开销，包括寄存器和内存的保存和恢复。

cpu调用进程的调用算法

1 先来先服务，进程间串行执行

2最短作业优先(Shortest Job First)，我们假设运行时间已知

3 最短剩余时间优先

最短作业优先的抢占式版本被称作为最短剩余时间优先(Shortest Remaining Time Next) 算法。使用这个算法，调度程序总是选择剩余运行时间最短的那个进程运行。当一个新作业到达时，其整个时间同当前进程的剩余时间做比较。如果新的进程比当前运行进程需要更少的时间，当前进程就被挂起，而运行新的进程。这种方式能够使短期作业获得良好的服务。

4 分时调度

5 抢占式调度

并发和并行有什么区别

进程与线程的切换流程讲一下

进程切换流程：

保存当前进程上下文：操作系统首先保存当前运行进程的所有寄存器状态、程序计数器、堆栈指针等信息到进程控制块（Process Control Block，PCB）中。这是为了在切换回该进程时，能够恢复其执行状态。
选择下一个进程：操作系统从就绪队列中选择下一个要执行的进程，这通常涉及进程调度算法的选择，例如轮转调度或优先级调度。
加载下一个进程的上下文：操作系统从下一个进程的PCB中恢复其寄存器状态、程序计数器、堆栈指针等信息。这将把控制权从当前进程切换到下一个进程。
执行下一个进程：操作系统开始执行下一个进程，其执行状态与之前保存的状态一致。

线程切换流程：

线程切换通常比进程切换更轻量级，因为线程共享相同的进程资源，切换涉及的上下文更少。

保存当前线程上下文：操作系统保存当前线程的寄存器状态、程序计数器等信息。与进程切换相比，线程切换的上下文保存较少。
选择下一个线程：操作系统从线程池或线程队列中选择下一个要执行的线程，通常根据线程调度算法，如抢占式或协作式调度。
加载下一个线程的上下文：操作系统从下一个线程的上下文中恢复寄存器状态、程序计数器等信息。这将切换执行控制权到下一个线程。
执行下一个线程：操作系统开始执行下一个线程，其执行状态与之前保存的状态一致。

总之，进程切换涉及更多的资源保存和恢复，因为进程有独立的地址空间，而线程切换较轻量，因为线程共享相同的地址空间。线程切换通常更快，但需要更小的上下文保存。无论是进程切换还是线程切换，操作系统都需要确保上下文切换是可靠的，以保证任务的连贯性和正确性。

什么是虚拟地址：

虚拟地址（Virtual Address）是计算机操作系统中的一个概念，它表示程序或进程在运行时所使用的地址，而不是实际物理内存的地址。虚拟地址空间是一个抽象的、虚拟的地址范围，它允许程序认为它拥有连续的内存地址，尽管这些地址实际上可能分布在物理内存的不同地方，或者可能还未加载到物理内存中。

地址映射：操作系统负责将虚拟地址映射到物理内存中的位置。这允许了内存的动态分配和管理。
共享内存：多个进程可以共享虚拟地址空间中的一部分内存，以便共享数据或通信

页表：

操作系统的页表是一种数据结构，用于管理虚拟内存和物理内存之间的映射关系。虚拟内存是进程或程序所使用的抽象内存空间，而物理内存是实际计算机硬件上的内存空间。页表的目的是实现虚拟地址到物理地址的映射，以便操作系统和硬件能够正确地访问内存

每个进程都有自己的页表，页表将虚拟地址空间划分为固定大小的页（Page），并将这些页映射到物理内存的页框（Page Frame）。页表的任务是跟踪每个虚拟页到其对应的物理页框的映射关系。

使用页表进行分页管理可以提高地址搜索的效率

为什么虚拟地址空间切换会比较耗时

上下文保存和恢复：在虚拟地址空间切换时，操作系统需要保存当前任务的虚拟地址空间上下文，包括寄存器状态、页面表或页表、内存映射等。然后，操作系统加载新任务的虚拟地址空间上下文。这个过程涉及将大量数据从内存保存到内核空间，然后从内核空间加载到内存，这会导致较大的开销。
页表切换：当任务切换时，页表需要被切换以反映新任务的虚拟地址空间。这可能需要大量的内核操作，包括从磁盘加载页表、清除缓存等。

fork函数介绍

如果fork()返回值为正整数，表示它是父进程，返回值是新创建子进程的PID。
如果fork()返回值为0，表示它是子进程，子进程从fork()调用后的位置开始执行。
如果fork()返回值为-1，表示创建子进程失败，父进程应该处理错误情况。

#include <iostream>
#include <unistd.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
    pid_t fpid; //fpid表示fork函数返回的值
    int count=0;
    fpid=fork();
    if (fpid < 0)
        printf("创建子进程失败了");
    else if (fpid == 0) {
        printf("当前是子进程, 进程的ID是 %d\n",getpid());
        count++;
    }
    else {
        printf("当前是父进程, 进程的ID是 %d\n",getpid());
        count++;
    }
    printf("统计结果是: %d\n",count);
    return 0;
}

什么叫父进程、子进程

在多道程序设计（Multiprogramming）中，一个程序（或进程）可以创建其他程序的副本，这些副本被称为子进程，而创建它们的程序被称为父进程。

具体来说：

父进程：父进程是创建一个或多个子进程的进程。父进程通常负责控制和管理子进程，可以创建、启动、暂停、终止或等待子进程的执行。父进程和子进程之间通常可以通过进程间通信（IPC）机制来传递数据和信息。
子进程：子进程是由父进程创建的进程副本。子进程通常继承了父进程的资源和环境，包括代码、数据、文件描述符、虚拟地址空间等。子进程独立执行，并可以执行不同的任务。子进程可以创建更多的子进程，形成进程树。

子进程跟父进程同用一个虚拟内存地址吗

在通常情况下，子进程会在创建时复制父进程的虚拟地址空间，但各自拥有独立的虚拟内存地址。这种机制被称为虚拟内存的写时复制（Copy-On-Write，COW）。COW机制的目的是节省内存和提高效率。

具体工作流程如下：

当子进程创建时，它会继承父进程的虚拟地址空间。这意味着子进程的虚拟地址空间的布局和内容与父进程相同。
初始阶段，子进程与父进程共享同一物理内存页。也就是说，虽然它们有各自的虚拟地址空间，但物理内存中的数据是相同的。
只有当子进程尝试修改共享的内存页中的数据时，操作系统才会执行写时复制操作。在这个时候，操作系统会为子进程分配一个独立的物理内存页，并将数据复制到新的物理页上。这样，父进程和子进程各自拥有自己的独立内存页，它们的虚拟地址指向不同的物理内存。

父进程和子进程之间通常具有某种关系，其中一个是创建另一个的过程。子进程的创建通常通过系统调用（例如fork()）来完成，这个系统调用会复制父进程的执行环境和状态，然后允许子进程在独立的上下文中执行不同的任务。

使用fork（），所有进程都是操作系统的子进程吗，这个概念？

使用fork()函数，父进程会创建一个子进程，而这个子进程是通过父进程复制而来的，包括父进程的代码、数据和环境。因此，从操作系统的角度来看，这个子进程确实是操作系统的子进程。

父进程怎么销毁子进程

使用exit()函数（Unix/Linux）：在Unix/Linux系统中，父进程可以使用exit()函数来终止子进程。这通常需要子进程的PID。父进程可以发送一个信号（如SIGTERM）给子进程，以触发子进程的退出。
使用kill命令（Unix/Linux）：父进程可以使用kill命令来向子进程发送信号，例如kill -9 <PID>，其中<PID>是子进程的进程标识符。这将终止子进程。

进程间的通信方式有哪些

1 管道（Pipe）：特别适用于父子进程之间或在同一台计算机上的进程之间。管道通常是一种半双工通信方式，允许一个进程将数据写入管道，另一个进程从管道中读取数据。管道通常是一个先进先出（FIFO）的数据结构

2 消息队列（Message Queue）：消息队列允许进程通过在队列中发送和接收消息来进行通信。这种通信方式通常用于进程之间的异步通信，允许发送者将消息发送到队列，而接收者可以在需要轮询检索消息。

使用消息队列实现进程间通信，读进程需要一直去检索拿出消息队列的数据吗？

使用消息队列实现进程间通信时，读进程通常需要轮询（polling）来检查消息队列是否有新消息，以便及时获取数据。轮询是一种常见的方法，它可以在消息到达时及时处理数据。

消息队列通常不会主动通知读进程有新消息到达，因此读进程需要定期检查消息队列。这可以通过循环来实现，示例伪代码如下：

while True:
    message = receive_message_from_queue()  # 从消息队列接收消息
    if message is not None:
        # 处理消息
        process_message(message)
    else:
        # 休眠一段时间，避免忙等待
        sleep(1)  # 可以根据需要调整轮询的时间间隔

轮询会阻塞主进程的吧，一般是开起一个线程去轮询对吗？如果是，利用什么函数可以在进程中创建一个线程？

是的，轮询会阻塞主进程的执行，因此通常在多线程环境中会使用单独的线程来执行轮询操作，以确保主线程不会被阻塞。在多线程编程中，可以使用线程来执行后台任务，例如轮询消息队列。

在Python中，可以使用threading模块来创建和管理线程。以下是一个示例，展示了如何在Python中创建一个线程执行轮询操作：

import threading
import time

# 轮询函数
def poll_queue():
    while True:
        message = receive_message_from_queue()  # 从消息队列接收消息
        if message is not None:
            # 处理消息
            process_message(message)
        else:
            # 休眠一段时间，避免忙等待
            time.sleep(1)  # 可以根据需要调整轮询的时间间隔

# 创建一个线程来执行轮询操作
polling_thread = threading.Thread(target=poll_queue)

# 启动线程
polling_thread.start()

# 主线程继续执行其他任务

3 共享内存（Shared Memory）：共享内存允许多个进程访问同一块物理内存，以实现高效的数据共享。这种通信方式通常需要进程之间进行显式的同步来避免竞争条件。

需要注意的是，共享内存是一种强大的通信方式，但也需要谨慎使用，因为并发访问共享内存可能导致竞态条件和数据一致性问题。因此，在实际应用中，必须使用信号量、互斥锁等同步机制来确保安全访问共享内存。

4 套接字（Socket）：套接字通信允许不同计算机上的进程之间进行网络通信

5 信号量（Semaphore）：信号量是一种同步机制，它可以用于多个进程之间的协调和互斥。信号量可以用于控制对共享资源的访问。

讲讲线程的分类

单线程 vs. 多线程：
- 单线程：应用程序只包含一个执行线程，适用于简单的任务，无法利用多核处理器的优势。
- 多线程：应用程序包含多个并发执行的线程，可以利用多核处理器来加速任务执行。
守护线程 vs. 非守护线程：
- 守护线程：守护线程是一种后台线程，它们在主线程结束时自动终止。它们通常用于执行一些不需要等待的任务，如垃圾回收。
- 非守护线程：非守护线程在主线程结束时不会自动终止，它们会继续执行，直到完成任务或显式终止
优先级线程：线程可以分配不同的优先级，以影响其被调度的顺序。高优先级线程会更频繁地被调度，低优先级线程会被较少调度。