操作系统八股文

一.进程和线程的区别

1.本质区别和所属关系是什么？

进程是资源调度以及分配的基本单位。

线程是CPU调度的基本单位。

一个线程属于一个进程，一个进程可以拥有多个线程。

2.地址空间和内存

进程拥有独立的虚拟地址空间。

线程没有独立的地址空间；线程有栈，程序计数器(PC)，本地存储(LS) 等少量独立空间。

系统会为每个进程分配不同的内存空间

系统不会为线程分配内存，线程所使用的资源来自所属的进程资源。

3.并发性和健壮性

进程的并发性较低。

线程的并发性较高。

对于单个CPU，系统会把CPU运行时间划分为多个时间段，再将时间段分配给各个线程执行。

在切换效率上，进程切换效率低，线程切换效率高，都会涉及到上下文的切换。

一个进程崩溃不会影响其他进程。

一个线程崩溃可能会导致整个进程崩溃 。

进程隔离性更强一些。

 二.操作系统中进程和线程的切换过程

1.进程由哪几个部分构成？

task_struct

进程的地址空间  =  代码段___数据段___栈区____堆区

 2.上下文由哪几个部分组成?

用户级上下文

系统级上下文 = __进程标识符信息__进程现场信息__进程控制信息__系统内核栈

寄存器上下文(硬件上下文) = __CPU各寄存器的内容___进程的现场信息

 3.何时发生切换?

主动   =  系统调用，产生软中断。

被动   =  时间中断

靠中断来完成切换

4.现场信息存储在哪里？

程序计数器(PC)，寄存器，堆栈，进程/线程控制块(PCB)

 5.进程/线程切换过程

保存当前进程的硬件上下文，修改当前进程的PCB，状态由运行态变为就绪态或者阻塞态，加入相关队列，调度另外一个进程，修改被调度进程的PCB，状态变为运行态，把当前进程的存储管理数据改为被调度进程的存储管理信息（页表，cache，TLB)__(这一小段线程没有__线程不具备虚拟地址空间__共享进程的虚拟地址空间)，恢复被调度进程的硬件上下文，让PC指向新的进程代码。

 三.系统调用的整个流程

1.系统调用是什么？干嘛的？

系统调用是内核给用户程序提供的编程接口，内核具有最高的权限，可以直接访问所有资源，用户只能访问受限制的资源，不能直接访问内存，网络，磁盘等硬件资源。

 大致的流程 = 应用程序--->函数库---->系统调用--->内核

靠中断使程序从用户态切换到内核态或者从内核态切换到用户态 

2.系统调用是否引起进程或者线程切换? 

不会必然切换：很多系统调用（如getpid()、gettimeofday()等）只是简单地获取信息，执行很快，不会导致进程或线程切换。

可能导致切换：如果系统调用涉及阻塞操作（如read()、write()、accept()、sleep()等），当前进程或线程因为等待I/O或资源而被阻塞，操作系统会把它挂起，调度其他进程或线程运行，这时就会发生切换。

主动让出CPU：有些系统调用（如sched_yield()、sleep()）会主动让出CPU，也会导致切换。

 3.系统调用引起中断上下文切换

系统调用一定会引起用户态到内核态的中断上下文切换，但是否会引起进程或线程的切换，要看系统调用是否导致阻塞或主动让出CPU。

4.系统调用的流程 

用户态发起系统调用
应用程序通过调用库函数（如C语言的read()、write()等）发起系统调用请求。

陷入内核态
库函数内部会使用特定的指令（如x86上的syscall或int 0x80）触发软中断或陷入，CPU从用户态切换到内核态。

保存现场
CPU会保存当前用户态的寄存器等现场信息，确保系统调用返回后能恢复原来的执行状态。

内核处理系统调用
操作系统根据系统调用号找到对应的内核服务例程，执行相应的内核代码，完成所需的操作（如文件读写、进程管理等）。

返回用户态
系统调用执行完毕后，内核将结果返回给用户程序，并通过特定的指令（如sysret）切换回用户态，恢复之前保存的现场。

用户程序继续执行
用户程序获得系统调用的返回值，继续后续的执行。

四.后台进程有什么特点? 

1.前台进程是什么？有什么用？

运行在前台的进程，终端是该进程的控制终端，终端关闭（SIGHUP），进程退出。

可接受终端输入，并可以在终端输出。

 2.后台进程是什么？有什么用？

运行在后台的进程，若在终端运行，终端关闭，进程可能退出。

不可以接受终端输入，可以在终端输出。

3.前后台程序切换 

Ctrl + Z：可以将当前前台运行的程序挂起，转为后台暂停状态。

fg：用于将后台的程序切换回前台继续运行。

bg：让已经挂起的后台程序在后台继续运行。

&：在命令末尾加上&，可以让程序直接在后台运行。

nohup：用于忽略SIGHUP信号，通常配合&一起使用，保证程序在终端关闭后依然运行。

Ctrl + D：用于断开当前终端的session，相当于退出登录。

 4.守护进程

 后台进程的延申，脱离终端的后台进程。

5.如何成为守护进程？

fork子进程令父进程退出，让子进程被init进程接管，成为孤儿进程。

setsid()建立新的进程会话，使守护进程成为会话首进程，从而脱离与终端的关联。

打开/dev/null，把0，1，2重新定向到/dev/null。

五.进程间通信有哪几种方式

1.管道

单根管道是半双工的，通常用于父子进程之间，通过pipe文件速度慢，容量有限。

2.FIFO (有名/命名管道)

FIFO（First In First Out）有名管道是一种用于进程间通信（IPC）的机制。与匿名管道不同，有名管道有一个路径名，存在于文件系统中，通常通过mkfifo命令或mkfifo()系统调用创建。

3.消息队列 

消息的连接表存储在内核当中，独立于进程，容量有限。

消息队列的流程主要包括通过msgget创建队列，使用msgsnd发送消息，msgrcv接收消息，最后用msgctl管理或删除队列。 

4.共享内存 

多个进程共享的一块存储区，最快的一种IPC方式，需要和信号量配合使用。

共享内存的接口使用流程主要包括通过shmget创建共享内存，shmat挂载到进程地址空间，进程间读写数据，最后用shmdt分离和shmctl删除共享内存。 

5.信号 

信号是一种软中断，处理方式是忽略/捕获/默认动作。

 6.信号量

信号量是一个计数器，主要用于进程/线程之间的同步和互斥。

 7.socket套接字

不局限于是否在同一个机器上。

 六.操作系统中进程调度策略

1.什么是进程调度？

调度对象

线程和进程相对于操作系统而言都是任务(task_struct)。

线程又称为共享用户虚拟地址空间的进程。

包含多个线程的进程称之为线程组。

只有一个线程的进程称为进程。

没有用户虚拟地址空间的进程称之为内核线程。

用于绝对由谁（哪个或者哪几个）获得处理器的执行权 

进程状态

就绪 -->|进程调度| 运行
运行 -->|时间片用完| 就绪

运行 -->|io请求| 阻塞
阻塞 -->|io就绪| 就绪

 调度时机

主动调度（系统调用等待某个资源）。

周期调度(系统进程不主动让出，内核依靠周期时钟来抢占调度)。

唤醒抢占，创建新进程抢占，内核抢占。

2.进程调度有哪些算法？ 

先来先服务（FCFS）

从就绪队列中存在时间最长的进程执行调度。

 短作业优先(SJF)

从就绪队列中选择估计运行时间最短的任务执行调度

高响应比优先 

FCFS和SJF的综合；综合考虑等待时间和估计运行时间来选择执行调度。

时间片轮转调度

 适用分时系统，为任务分配时间片，执行完时间片后放入就绪队列。

优先级调度 

从就绪队列中选择优先级最高的若干任务执行调度。

优先级用来描述运行的紧迫程度。

多级反馈队列 

时间片和优先级的综合。

动态调整任务的优先级和时间片的大小，从而兼顾多方面的系统目标。