四大金刚之计算机操作系统
1. 进程和线程的区别？创建线程的代价比创建进程小吗？
- 进程是资源分配和调度的基本单位；线程是 CPU 调度的基本单位。
- 进程有独立的地址空间，线程共享进程地址空间。
- 创建/销毁进程开销大，线程开销小。
- 是的，因为不需要分配独立地址空间。
2. 线程共享哪些资源？
- 地址空间（代码段、数据段、堆等）
- 打开的文件
- 全局变量
- 信号处理器
- 不共享：栈、寄存器、程序计数器。
3. 用户线程与内核线程区别？
- 用户线程（User-level）：用户态管理，切换快，但内核不可见，一个阻塞会导致整个进程阻塞。
- 内核线程（Kernel-level）：内核直接调度，支持多核并行，但切换开销大。
4. 进程的五种状态？哪些事件会引起新的进程创建?
新建（new）、就绪（ready）、运行（running）、阻塞（waiting）、终止（terminated）。
- 系统初始化
- 用户请求（如执行程序）
- 创建系统调用（fork）
- 批处理作业调度
5. 进程上下文切换是什么？线程上下文切换呢？
保存和恢复进程的 CPU 环境（寄存器、PC、内存映射等），开销大。
保存/恢复线程的寄存器、栈指针等，不涉及地址空间切换，开销小。
6. CPU 如何调度进程? 常见调度算法？
- 调度目标：公平性、高吞吐量、低响应时间。
- 常见调度算法：
- 先来先服务 (FCFS)
- 思想：谁先到就先执行，按进入就绪队列的顺序来。
- 优点：简单、公平，易于实现。
- 缺点：长作业会让后面的短作业等待很久（“护航效应”）。
- 短作业优先 (SJF)
- 思想：优先调度执行时间短的作业。
- 优点：平均等待时间最短，效率高。
- 缺点：需要预知运行时间；对长作业不公平，可能一直得不到执行。
- 高响应比优先 (HRRN)
- 思想：综合考虑等待时间和运行时间，公式：
- 响应比=（等待时间+运行时间）/运行时间
- 优点：兼顾长短作业，避免短作业独占 CPU。
- 缺点：实现稍复杂，需要动态计算。
- 时间片轮转 (RR)
- 思想：每个进程分配一个时间片，时间片到没执行完就放回队列，轮流调度。
- 优点：公平，适合分时系统，响应快。
- 缺点：时间片过小 → 频繁切换开销大；过大 → 退化成 FCFS。
- 优先级调度
- 思想：给每个进程设优先级，优先级高的先执行。
- 优点：灵活，可以满足任务的不同紧急性。
- 缺点：可能导致低优先级进程长期得不到执行（饥饿现象）。
- 多级反馈队列 (MFQ，最常用)
- 思想：综合前面几种算法的优点。
- 按优先级分多个队列，高优先级先执行。
- 新进程先进入高优先级队列，时间片短；如果没执行完，就降到低一级队列，时间片更长。
- 长作业慢慢“下沉”，短作业一般能在上层快速完成。
- 优点：公平、灵活，适合通用操作系统。
- 缺点：实现复杂，参数（队列数、时间片长短）不好调。
7. 分页与分段的区别？
- 分页（Paging）
按固定大小划分：整个逻辑空间切成页，物理内存切成页框。
页可以 不连续 地存放在物理内存中。
优点：
消除外部碎片，内存利用率高
方便虚拟内存和置换
缺点：
逻辑连续性在物理上不保证
代码、数据可能被分散到不同页上
分页把逻辑空间划分为页，物理内存划分为页框，通过页表实现逻辑页到物理页框的映射。页表存在内存里，为了加速地址转换引入了快表（TLB）；为减少大页表的内存消耗，引入了多级页表；进一步可以用反向页表+哈希查找来优化空间和效率。程序看到的都是虚拟地址，运行时通过页表机制映射为物理地址。
- 分段（Segmentation）
按逻辑模块划分：代码段、数据段、栈段、堆等。
每段在物理内存中 连续存放。
优点：
逻辑清晰，符合程序结构
易于保护（不同段可设置不同权限）
可以共享整个段（如只读代码段）
缺点：
可能产生 外部碎片
需要连续内存空间
分段是按程序逻辑划分内存，每段可变大小，地址由段号+段内偏移组成。段表记录段基址和段长，实现逻辑地址 → 物理地址映射。
8. 虚拟内存原理？页面置换算法？
虚拟内存（Virtual Memory）是操作系统将物理内存（RAM）与硬盘空间结合形成的二级存储体系，通过创建分页文件（如Windows的pagefile.sys）扩展可用内存容量。当物理内存不足时，系统自动将不活跃的数据转移到硬盘，腾出空间供当前进程使用。
把部分数据放在磁盘，需要时换入内存，不需要时换出。通过页表+缺页中断实现。
TLB替换和虚拟内存换页都用类似的策略（FIFO、LRU等），本质都是缓存替换思想。但TLB替换只在CPU内部缓存页表映射，开销小；虚拟内存换页涉及把物理页换出到磁盘，开销大，需要处理缺页中断。
- FIFO（先进先出）
- LRU（最近最少使用）
- LFU（最不经常使用，频率）
9. 什么是缺页中断？什么是 页面抖动 ？
访问页面不在内存时触发，由操作系统调入缺失页。
缺页率过高，频繁调页，CPU 时间大多浪费在换页上。
10. 段页式管理是什么？
- 基础是分页
- 内存按固定大小页框管理，逻辑页连续，物理页不连续
- 优点：内存利用率高，换入换出快，消除了外部碎片
- 加上段的概念
- 虚拟地址空间按逻辑模块分段（代码段、数据段、栈段）
- 每段有独立段表 → 可单独管理、保护和共享
- 段内再分页 → 段内页可以分散存放，仍然享受分页优势
- 逻辑和物理关系
- 逻辑上：段内连续，保持程序结构
- 物理上：段内页不连续，提高内存利用率
- 支持虚拟内存换入换出，不影响段的保护和共享
11. 临界区是什么？互斥 vs 同步 vs 异步 vs 并发？
进程/线程访问共享资源的代码片段。
- 互斥（Mutual Exclusion）
目的：防止多个线程/进程同时访问共享资源导致冲突。
关键点：同一时间 只允许一个线程访问资源
实现方式：锁（synchronized、ReentrantLock）、信号量（Semaphore）等
例子：两个线程同时往银行账户存钱，需要加锁保证金额正确
- 同步（Synchronous）
目的：保证操作按顺序执行，协调多个任务
特点：
调用者 必须等待操作完成 才能继续
可以是线程之间的同步，也可以是调用者与被调用者的同步
例子：
方法调用：int res = foo(); → 调用线程必须等 foo() 执行完再继续
多线程同步：用 CountDownLatch、Barrier 等让线程按顺序执行
- 异步（Asynchronous）
特点：
调用者 不等待操作完成，可以继续执行其他任务
操作结果通过回调、Future、Promise、事件通知等方式获取
例子：
异步 HTTP 请求、异步消息队列消费、CompletableFuture
- 并发（Concurrency）
定义：多个任务在同一时间段交替进行执行
特点：
不要求同时执行（同时执行是并行 Parallelism）
利用 CPU 时间片轮转等机制交替执行
例子：
多线程访问 CPU → 在时间上交错执行
操作系统调度多个进程 → 并发处理
12. 如何实现线程间同步？常见同步问题？
线程间同步主要是为了保护共享资源，防止数据竞争。常用方法有：基于锁的同步（synchronized、ReentrantLock）、信号量（Semaphore）、条件变量或阻塞队列（wait/notify, BlockingQueue）、原子操作（Atomic 类或 CAS）、屏障/闭锁（CountDownLatch, CyclicBarrier）等。根据场景选择最合适的方式。
13. 死锁是什么？死锁条件？死锁检测和解除？预防死锁的方式？
- 死锁条件（必要条件）：
- 互斥
- 占有并等待
- 不可剥夺
- 循环等待
- 避免死锁：破坏上述条件之一。
- 预防死锁：如一次性申请所有资源、资源有序分配。
- 死锁检测与解除：
- 检测：通过资源分配图、银行家算法。
- 解除：撤销进程或抢占资源。
- 死锁定义：多个进程因竞争资源互相等待，无法继续执行。
14. 资源分配图
- 节点：
- 圆形：表示进程（P1, P2…）
- 方形 / 长方形：表示资源（R1, R2…）
- 边：
- 请求边（→）：进程指向资源，表示进程请求该资源
- 分配边（←）：资源指向进程，表示资源已分配给该进程
- 无环 → 系统安全，无死锁
- 有环（单实例资源） → 系统发生死锁
- 有环（多实例资源） → 可能死锁，需要进一步分析
- 单实例资源：每类资源在系统中只有一个可用单位。
- 例子：打印机、CPU、磁带机
- 多实例资源：每类资源有多个单位可用。
- 例子：内存页框、多个相同型号打印机、数据库连接池
15. 什么是缓冲区？
缓冲区就是在生产者和消费者之间开的一块临时存储区。生产者（快的）生成数据后不必等待消费者（慢的）处理完，直接放入缓冲区去做其他事情；消费者则可以按自己的速度从缓冲区取数据处理。这样解决了速度不匹配的问题，同时避免了直接阻塞。
16. 中断与轮询的区别？中断与系统调用区别？
轮询是CPU主动周期性检查设备状态，低效且可能延迟；中断是设备或事件主动通知CPU，CPU只在需要时处理，效率高、响应快。中断机制是现代操作系统的主要I/O处理方式。
中断是异步的，因为它的触发时间不可预测，由外部设备或异常事件主动产生，不依赖CPU或程序主动调用。CPU在执行程序时，随时可能被中断打断去执行中断服务程序，因此中断是异步的。
系统调用是用户程序主动请求操作系统服务的过程，CPU 在系统调用指令处顺序切换到内核态执行，不会突然中断其他任务；调用完成后返回用户态继续执行原程序。与中断不同，中断是异步事件，会打断 CPU 当前执行的程序
17. 文件的索引结构？
文件索引结构用于管理文件在磁盘上的块分配，常见的有连续分配（简单快速，但容易产生外部碎片）、链式分配（消除外部碎片，但随机访问慢）、索引分配（建立索引块支持随机访问，可多级管理大文件。
a. (1) 连续分配（Contiguous Allocation）
- 文件占用磁盘上 连续的块
- 优点：随机访问快，索引简单
- 缺点：容易产生外部碎片，文件扩展困难
- 索引表示：
文件名 → 起始块号 + 文件长度b. (2) 链式分配（Linked Allocation）
- 文件的每个块包含 下一个块的指针
- 优点：消除外部碎片，文件可动态增长
- 缺点：随机访问慢，需要顺序遍历
- 索引表示：
块1 → 块2 → 块3 → … → 块nc. (3) 索引分配（Indexed Allocation）
- 每个文件有一个 索引块，记录文件所有块号
- 优点：支持随机访问，不要求连续空间
- 缺点：索引块占用额外空间
- 多级索引：
- 单级：索引块直接记录文件块号
- 多级：索引块指向其他索引块 → 支持大文件
- 示例：UNIX i-node
i-node:
直接块 0~11 → 文件块
一级间接块 → 指向文件块
二级间接块 → 指向一级索引块
三级间接块 → 支持超大文件18. 僵尸进程与孤儿进程？
僵尸进程是子进程已退出，但父进程未回收其 PCB，导致占用少量系统资源；孤儿进程是父进程先退出，子进程仍在运行，系统会由 init 进程收养并回收。僵尸进程需要父进程主动回收，孤儿进程系统自动处理。
19. 热备份与冷备份？
热备份是在系统运行过程中进行备份，用户可以继续访问系统，但需要考虑数据一致性问题；冷备份是在系统停机时备份，操作简单、天然一致，但会中断业务。热备份适合高可用场景，冷备份适合低频全量备份。
- 热备份：
- 数据库正在处理用户请求，同时用快照或日志复制数据
- MySQL InnoDB 在线备份、Oracle RMAN 在线备份
- 冷备份：
- 停掉数据库服务 → 复制整个数据库文件
- 简单、可靠，但会造成服务停机
20. 常用的编译优化技术
a. (1) 代码生成优化
- 常量折叠（Constant Folding）
- 编译期计算常量表达式
- 示例：
int a = 3 + 4;→ 编译器直接生成int a = 7;
- 常量传播（Constant Propagation）
- 将已知常量替换到表达式中，提高编译效率
- 冗余代码消除（Dead Code Elimination）
- 删除永远不会执行或结果不影响程序的代码
b. (2) 循环优化
- 循环展开（Loop Unrolling）
- 减少循环控制开销，提高执行效率
- 循环交换（Loop Interchange）
- 调整多重循环顺序，提高缓存命中率
- 循环合并/拆分（Loop Fusion/Splitting）
- 合并相似循环减少开销，或拆分循环提高并行性
c. (3) 数据流优化
- 公共子表达式消除（Common Subexpression Elimination, CSE）
- 避免重复计算同一表达式
- 强度降低（Strength Reduction）
- 用位运算或加法替换乘法/除法等昂贵操作
- 寄存器分配优化（Register Allocation）
- 尽量将频繁访问的变量放入寄存器
d. (4) 内存与访问优化
- 内存对齐与缓存优化
- 调整数据布局，提高 CPU cache 命中率
- 延迟加载（Lazy Evaluation）
- 只有真正需要时才计算或访问数据
e. (5) 函数与调用优化
- 内联展开（Function Inlining）
- 减少函数调用开销
- 尾递归优化（Tail Recursion Optimization）
- 将尾递归转换为循环，减少栈空间
f. (6) 并行与向量化优化
- 自动向量化（SIMD）
- 编译器将循环或操作转为并行向量指令
- 多线程/并行优化
- 利用 CPU 多核加速循环或独立计算