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操作系统面试题（3）

news 来源：原创 2025/5/21 21:05:27

21.malloc的底层实现

malloc申请内存会以两种方式向操作系统申请堆内存：

通过 brk() 系统调用从堆分配内存

brk()就是将堆顶指针向高地址移动，获得新的内存空间

通过 mmap() 系统调用在文件映射区域分配内存

mmap() 通过系统调用，在文件映射区分配一块内存，也就是从文件映射区偷了一块内存。

通常情况下，如果分配内存小于128k用brk，大于就用mmap

整个内存分配过程如下

第一步：申请虚拟地址空间
进程通过 brk() 或 mmap() 系统调用，向操作系统“预订”一块虚拟内存区域（此时仅是地址范围，物理内存尚未分配）。
类似你买房时“签合同划地盘”，但还没付钱装修（物理内存）。

第二步：实际使用时触发缺页中断
当进程首次读写这块虚拟地址时，CPU发现没有对应的物理内存，触发 缺页中断
类似你第一次去新房时发现没钥匙（物理页未分配），物业（内核）紧急处理。

第三步：内核分配物理内存
操作系统在缺页中断处理中，实际分配物理内存页，并建立虚拟地址到物理内存的映射。
物业临时给你钥匙（分配物理页），之后就能正常访问了。

最终完成
至此，内存才真正可用。后续访问不再触发缺页中断（除非内存被换出到Swap）。

22.什么是字节序？怎么判断大端小端

字节序是对象在内存中的存储方式，大端是高位在前（高位在低地址），小端是低位在前（低位在低地址）。

判断系统是大端小端的方法：

union Un {short s;          // 2字节char c[2];        // 2字节
};//联合的成员共用一块内存空间int main() {Un un;un.s = 0x0102;    // 赋值测试值if (un.c[0] == 1 && un.c[1] == 2) {cout << "大端序 (Big-Endian)" << endl;} else if (un.c[0] == 2 && un.c[1] == 1) {cout << "小端序 (Little-Endian)" << endl;} else {cout << "未知字节序" << endl;}return 0;
}

那字节序有什么用呢？

在网络编程中，不同字节序的机器发送和接收到顺序不同。因此字节序的核心作用是解决不同硬件、协议间的数据兼容性问题。

23.Linux的I/O模型、同步异步阻塞非阻塞的区别

IO过程包括：

内核从IO设备中读写数据

进程从内核复制数据

阻塞和非阻塞：

阻塞：调用IO操作时，缓冲区满了，线程或进程会转为阻塞状态直到IO可用

非阻塞：调用IO操作时，内核马上返回结果，如果IO不可用就返回错误。所以非阻塞方式下就要不断轮询访问内核，直到IO可用。

同步IO模型中，进程从内核拷贝数据是阻塞的。

同步和异步：

同步IO模型包括阻塞IO、非阻塞IO、和IO多路复用。特点就是进程从内核拷贝数据是阻塞的。

异步IO就是IO过程的两个阶段都是不阻塞的，等IO完成后内核会向进程发送一个信号。（无需轮询）

同步IO，进程需要 主动参与 IO 操作的全过程，包括等待数据就绪和完成数据拷贝。如果这个接口返回的时候，它的职责已经结束了，那就是同步IO。

异步IO，进程将 整个 IO 操作（包括数据拷贝）交给内核，内核完成后通知进程。

24.IO多路复用的三种方法

（1）select

select把所有监听的文件描述符拷贝到内核中，挂起进程。当某个文件描述符可读或可写的时候，中断程序唤起进程，select将监听的文件描述符再次拷贝到用户空间，然后遍历这些文件描述符找到可用的文件。下次监控的时候需要再次拷贝这些文件描述符到内核空间。select支持监听的描述符最大数量是1024。

（2）poll

大部分和select无异，只不过select通过数组存储需要管理的文件描述符。poll通过链表

（3）epoll（重点）

epoll的特点是基于事件驱动，性能高。epoll的IO复用的过程大概如下：

先通过epoll_create()在内核初始化一个eventpoll实例，同时初始化红黑树和就绪链表；

再通过epoll_ctl()监听并管理红黑树中的文件描述符（插入删除），同时向内核注册文件描述符的回调函数；

然后通过epoll_wait()将进程放到eventpoll的等待队列里，阻塞进程，当某个文件描述符的IO可用，内核会通过回调函数将文件描述符放进就绪链表里，把就绪链表返回到用户空间。