操作系统常见面试题

操作系统基础

什么是操作系统？

通过以下四点可以概括操作系统到底是什么：

操作系统（Operating System，简称 OS）是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机的基石。
操作系统本质上是一个运行在计算机上的软件程序，主要用于管理计算机硬件和软件资源。举例：运行在你电脑上的所有应用程序都通过操作系统来调用系统内存以及磁盘等等硬件。
操作系统存在屏蔽了硬件层的复杂性。操作系统就像是硬件使用的负责人，统筹着各种相关事项。
操作系统的内核（Kernel）是操作系统的核心部分，它负责系统的内存管理，硬件设备的管理，文件系统的管理以及应用程序的管理。内核是连接应用程序和硬件的桥梁，决定着系统的性能和稳定性。

很多人容易把操作系统的内核（Kernel）和中央处理器（CPU，Central Processing Unit）弄混。可以简单从下面两点来区别：

操作系统的内核（Kernel）属于操作系统层面，而 CPU 属于硬件。
CPU 主要提供运算，处理各种指令的能力。内核（Kernel）主要负责系统管理比如内存管理，它屏蔽了对硬件的操作。

操作系统的四个特性？

并发：同一段时间内多个程序执行（与并行区分，并行指的是同一时刻有多个事件，多处理器系统可以使程序并行执行）

共享：系统中的资源可以被内存中多个并发执行的进线程共同使用

虚拟：通过分时复用（如分时系统）以及空分复用（如虚拟内存）技术把一个物理实体虚拟为多个

异步：系统进程用一种走走停停的方式执行，（并不是一下子走完），进程什么时候以怎样的速度向前推进是不可预知的

操作系统主要有哪些功能？

从资源管理的角度来看，操作系统有 6 大功能：

进程和线程的管理：进程的创建、撤销、阻塞、唤醒，进程间的通信等。
存储管理：内存的分配和管理、外存（磁盘等）的分配和管理等。
文件管理：文件的读、写、创建及删除等。
设备管理：完成设备（输入输出设备和外部存储设备等）的请求或释放，以及设备启动等功能。
网络管理：操作系统负责管理计算机网络的使用。网络是计算机系统中连接不同计算机的方式，操作系统需要管理计算机网络的配置、连接、通信和安全等，以提供高效可靠的网络服务。
安全管理：用户的身份认证、访问控制、文件加密等，以防止非法用户对系统资源的访问和操作。

什么是用户态和内核态？

根据进程访问资源的特点，我们可以把进程在系统上的运行分为两个级别：

内核态：cpu可以访问内存的所有数据，包括外围设备，例如硬盘，网卡，cpu也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。
用户态：只能受限的访问内存，且不允许访问外围设备，占用cpu的能力被剥夺，cpu资源可以被其他程序获取。

最大的区别就是权限不同，在运行在用户态下的程序不能直接访问操作系统内核数据结构和程序。

内核态相比用户态拥有更高的特权级别，因此能够执行更底层、更敏感的操作。不过，由于进入内核态需要付出较高的开销（需要进行一系列的上下文切换和权限检查），应该尽量减少进入内核态的次数，以提高系统的性能和稳定性。

为什么要有用户态和内核态？只有一个内核态不行么？

在 CPU 的所有指令中，有一些指令是比较危险的比如内存分配、设置时钟、IO 处理等，如果所有的程序都能使用这些指令的话，会对系统的正常运行造成灾难性地影响。因此，我们需要限制这些危险指令只能内核态运行。这些只能由操作系统内核态执行的指令也被叫做 特权指令 。
如果计算机系统中只有一个内核态，那么所有程序或进程都必须共享系统资源，例如内存、CPU、硬盘等，这将导致系统资源的竞争和冲突，从而影响系统性能和效率。并且，这样也会让系统的安全性降低，毕竟所有程序或进程都具有相同的特权级别和访问权限。

因此，同时具有用户态和内核态主要是为了保证计算机系统的安全性、稳定性和性能。

用户态和内核态什么时候发生转换？

用户态切换到内核态的 3 种方式：

系统调用（Trap）：用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式，主要是为了使用内核态才能做的事情比如读取磁盘资源。系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现。
中断（Interrupt）：当外围设备完成用户请求的操作后，会向 CPU 发出相应的中断信号，这时 CPU 会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。
异常（Exception）：当 CPU 在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如缺页异常。

在系统的处理上，中断和异常类似，都是通过中断向量表来找到相应的处理程序进行处理。区别在于，中断来自处理器外部，不是由任何一条专门的指令造成，而异常是执行当前指令的结果。

什么是系统调用？

我们运行的程序基本都是运行在用户态，如果我们调用操作系统提供的内核态级别的子功能咋办呢？那就需要系统调用了！

也就是说在我们运行的用户程序中，凡是与系统态级别的资源有关的操作（如文件管理、进程控制、内存管理等)，都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。

这些系统调用按功能大致可分为如下几类：

设备管理：完成设备（输入输出设备和外部存储设备等）的请求或释放，以及设备启动等功能。
文件管理：完成文件的读、写、创建及删除等功能。
进程管理：进程的创建、撤销、阻塞、唤醒，进程间的通信等功能。
内存管理：完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及地址等功能。

系统调用和普通库函数调用非常相似，只是系统调用由操作系统内核提供，运行于内核态，而普通的库函数调用由函数库或用户自己提供，运行于用户态。

总结：系统调用是应用程序与操作系统之间进行交互的一种方式，通过系统调用，应用程序可以访问操作系统底层资源例如文件、设备、网络等。

系统调用的过程了解吗？

系统调用的过程可以简单分为以下几个步骤：

用户态的程序发起系统调用，因为系统调用中涉及一些特权指令（只能由操作系统内核态执行的指令），用户态程序权限不足，因此会中断执行，也就是 Trap（Trap 是一种中断）。
发生中断后，当前 CPU 执行的程序会中断，跳转到中断处理程序。内核程序开始执行，也就是开始处理系统调用。
内核处理完成后，主动触发 Trap，这样会再次发生中断，切换回用户态工作。

进程线程

什么是进程和线程，区别是什么？

进程是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有自己独立的一块内存空间。

线程是比进程更小的执行单位，它是在一个进程中独立的控制流，一个进程可以启动多个线程，每条线程并行执行不同的任务。

进程和线程的区别如下：

调度：进程是系统分配资源的最小单位，线程是程序执行的基本单位。
切换：线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。
拥有资源：进程是拥有资源的一个独立单位，线程不拥有系统资源，但是可以访问隶属于进程的资源。
系统开销：创建或撤销进程时，系统都要为之分配或回收系统资源，如内存空间，I/O设备等，OS所付出的开销显著大于在创建或撤销线程时的开销，进程切换的开销也远大于线程切换的开销。

到底什么是上下文切换？

指的是操作系统在多个进程或线程之间切换时，需要保存和恢复进程或线程的状态，以便后续继续执行。上下文切换能使计算机系统在多个任务之间高效地分配CPU资源，给用户一种并行执行多个任务的感觉。

上下文切换的详细过程

保存当前进程的状态：
- CPU寄存器：包括程序计数器（Program Counter）、堆栈指针（Stack Pointer）和通用寄存器等。
- 进程控制块（PCB）：保存进程的所有相关信息，如进程ID、进程状态、优先级等。
选择下一个要运行的进程：通过调度算法（如轮转法、优先级调度等）选择下一个要运行的进程。
恢复下一个进程的状态：从PCB中恢复下一个进程的CPU寄存器状态。
切换到下一个进程：CPU开始执行新的进程上下文中的指令。

上下文切换也分为进程上下文切换和线程上下文切换：

进程上下文切换：
- 涉及切换整个进程的状态，包括内存映射、打开的文件描述符等。
- 开销较大，因为需要切换页表并刷新 TLB（Translation Lookaside Buffer）。
线程上下文切换：
- 只需切换线程的寄存器状态和栈指针，不涉及整个进程的资源。
- 开销较小，因为同一进程下的线程共享相同的内存空间和资源。

何时会发生上下文切换？

时间片用尽：在时间片轮转调度算法中，当一个进程的时间片用尽时。
等待I/O：当一个进程等待I/O操作完成时，会让出CPU给其它进程。
优先级调度：高优先级进程到达时，可能会抢占低优先级进程。
系统调用：进程主动请求上下文切换，例如 sleep 等系统调用。

并发和并行

并发就是在一段时间内，多个任务都会被处理；但在某一时刻，只有一个任务在执行。单核处理器可以做到并发。比如有两个进程A和B，A运行一个时间片之后，切换到B，B运行一个时间片之后又切换到A。因为切换速度足够快，所以宏观上表现为在一段时间内能同时运行多个程序。

并行就是在同一时刻，有多个任务在执行。这个需要多核处理器才能完成，在微观上就能同时执行多条指令，不同的程序被放到不同的处理器上运行，这个是物理上的多个进程同时进行。

有了进程为什么还需要线程?

进程切换是一个开销很大的操作，线程切换的成本较低。
线程更轻量，一个进程可以创建多个线程。
多个线程可以并发处理不同的任务，更有效地利用了多处理器和多核计算机。而进程只能在一个时间干一件事，如果在执行过程中遇到阻塞问题比如 IO 阻塞就会挂起直到结果返回。
同一进程内的线程共享内存和文件，因此它们之间相互通信无须调用内核。

多线程相较单线程的好处

并发提升程序执行效率
提升CPU利用率，访存的时候可以切换线程来执行
更快的响应速度，可以有专门的线程来监听用户请求和专门的线程来处理请求。比如监听线程和工作线程是两个线程，这样监听就负责监听，工作的就负责工作，监听到用户请求马上把请求转到工作线程去处理，监听线程继续监听

什么是协程？

协程是一种用户态的轻量级线程。

协程不是由操作系统内核管理，而是完全由用户程序所控制，这样带来的好处就是性能得到了很大的提升，不会像线程切换那样消耗资源。

协程可以理解为可以暂停执行的函数。它拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈，直接操作栈则基本没有内核切换的开销，可以不加锁的访问全局变量，所以上下文的切换非常快。

线程和协程有什么区别呢？

1、线程是抢占式，而协程是非抢占式的，所以需要用户自己释放使用权来切换到其他协程，因此同一时间其实只有一个协程拥有运行权，相当于单线程的能力。
2、线程是协程的资源。协程通过可以关联任意线程或线程池的执行器（Interceptor）来间接使用线程的资源的。

进程间的通信方式？

进程间通信方式有以下几种：

管道
管道，就是内核里面的一串缓存。管道只能一端写入，另一端读出。通信数据都遵循先进先出原则

管道这种通信方式效率低，不适合进程间频繁地交换数据。

消息队列
对于上面的问题，消息队列的通信模式就可以解决。

比如，A 进程要给 B 进程发送消息，A 进程把数据放在对应的消息队列后就可以正常返回了，B 进程需要的时候再去读取数据就可以了。同理，B 进程要给 A 进程发送消息也是如此。

但是消息队列通信过程中，存在用户态与内核态之间的数据拷贝开销，因为进程写入数据到内核中的消息队列时，会发生从用户态拷贝数据到内核态的过程，同理另一进程读取内核中的消息数据时，会发生从内核态拷贝数据到用户态的过程

共享内存

共享内存的机制，就是拿出一块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中。这样这个进程写入的东西，另外一个进程马上就能看到了，都不需要拷贝来拷贝去，传来传去，大大提高了进程间通信的速度。解决了以上消息队列提出的问题

但是，如果多个进程同时修改同一个共享内存，就有可能发生冲突

信号量
所以，为了防止多进程竞争共享资源，造成的数据错乱，就需要保护机制，因此就有了信号量机制。信号量机制就是常说的PV操作：

P 操作，这个操作会把信号量减去 1，相减后如果信号量 < 0，则表明资源已被占用，进程需阻塞等待；相减后如果信号量 >= 0，则表明还有资源可使用，进程可正常继续执行。
V 操作，这个操作会把信号量加上 1，相加后如果信号量 <= 0，则表明当前有阻塞中的进程，于是会将该进程唤醒运行；相加后如果信号量 > 0，则表明当前没有阻塞中的进程；

信号量其实是一个整型的计数器，主要用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于缓存进程间通信的数据。

信号
上面说的进程间通信，都是常规状态下的工作模式。对于异常情况下的工作模式，就需要用「信号」的方式来通知进程。

信号跟信号量没什么关系

信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制，因为可以在任何时候发送信号给某一进程，一旦有信号产生，我们就有下面这几种，用户进程对信号的处理方式。

执行默认操作。Linux 对每种信号都规定了默认操作，例如，SIGTERM 信号，就是终止进程的意思。
捕捉信号。可以为信号定义一个信号处理函数，当信号发生时，就执行相应的信号处理函数。
忽略信号。当不希望处理某些信号的时候，就可以忽略该信号，不做任何处理。有两个信号是应用进程无法捕捉和忽略的，即 SIGKILL 和 SEGSTOP，它们用于在任何时候中断或结束某一进程

Socket
前面提到方式都是在同一台主机上进行进程间通信，那要想**跨网络与不同主机上的进程之间通信，就需要 Socket 通信了。**当然了，Socket也可以同主机上进程通信

可根据创建 Socket 的类型不同，分为三种常见的通信方式，

基于 TCP 协议的通信方式
基于 UDP 协议的通信方式
本地进程间通信方式

进程有哪几种状态?

一般把进程大致分为 5 种状态，这一点和线程很像！

创建状态(new)：进程正在被创建，尚未到就绪状态。
就绪状态(ready)：进程已处于准备运行状态，即进程获得了除了处理器之外的一切所需资源，一旦得到处理器资源(处理器分配的时间片)即可运行。
运行状态(running)：进程正在处理器上运行(单核 CPU 下任意时刻只有一个进程处于运行状态)。
阻塞状态(waiting)：又称为等待状态，进程正在等待某一事件而暂停运行如等待某资源为可用或等待 IO 操作完成。即使处理器空闲，该进程也不能运行。
结束状态(terminated)：进程正在从系统中消失。可能是进程正常结束或其他原因中断退出运行。

状态转换：

运行态→阻塞态：往往是由于等待外设，等待主存等资源分配或等待人工干预而引起的。
阻塞态→就绪态：则是等待的条件已满足，只需分配到处理器后就能运行。
运行态→就绪态：不是由于自身原因，而是由外界原因使运行状态的进程让出处理器，这时候就变成就绪态。例如时间片用完，或有更高优先级的进程来抢占处理器等。
就绪态→运行态：系统按某种策略选中就绪队列中的一个进程占用处理器，此时就变成了运行态。

进程调度策略有那些？

先来先服务：非抢占式的调度算法，按照请求的顺序进行调度。有利于长作业，但不利于短作业，因为短作业必须一直等待前面的长作业执行完毕才能执行，而长作业又需要执行很长时间，造成了短作业等待时间过长。另外，对I/O密集型进程也不利，因为这种进程每次进行I/O操作之后又得重新排队。
短作业优先：非抢占式的调度算法，按估计运行时间最短的顺序进行调度。长作业有可能会饿死，处于一直等待短作业执行完毕的状态。因为如果一直有短作业到来，那么长作业永远得不到调度。
最短剩余时间优先：最短作业优先的抢占式版本，按剩余运行时间的顺序进行调度。当一个新的作业到达时，其整个运行时间与当前进程的剩余时间作比较。如果新的进程需要的时间更少，则挂起当前进程，运行新的进程。否则新的进程等待。
时间片轮转：将所有就绪进程按 FCFS 的原则排成一个队列，每次调度时，把 CPU 时间分配给队首进程，该进程可以执行一个时间片。当时间片用完时，由计时器发出时钟中断，调度程序便停止该进程的执行，并将它送往就绪队列的末尾，同时继续把 CPU 时间分配给队首的进程。
时间片轮转算法的效率和时间片的大小有很大关系：因为进程切换都要保存进程的信息并且载入新进程的信息，如果时间片太小，会导致进程切换得太频繁，在进程切换上就会花过多时间。而如果时间片过长，那么实时性就不能得到保证。
优先级调度：为每个进程分配一个优先级，按优先级进行调度。为了防止低优先级的进程永远等不到调度，可以随着时间的推移增加等待进程的优先级。

什么是僵尸进程和孤儿进程？

在 Unix/Linux 系统中，子进程通常是通过 fork()系统调用创建的，该调用会创建一个新的进程，该进程是原有进程的一个副本。子进程和父进程的运行是相互独立的，它们各自拥有自己的 PCB，即使父进程结束了，子进程仍然可以继续运行。

当一个进程调用 exit()系统调用结束自己的生命时，内核会释放该进程的所有资源，包括打开的文件、占用的内存等，但是该进程对应的 PCB 依然存在于系统中。这些信息只有在父进程调用 wait()或 waitpid()系统调用时才会被释放，以便让父进程得到子进程的状态信息。

这样的设计可以让父进程在子进程结束时得到子进程的状态信息，并且可以防止出现“僵尸进程”（即子进程结束后 PCB 仍然存在但父进程无法得到状态信息的情况）。

僵尸进程：子进程已经终止，但是其父进程仍在运行，且父进程没有调用 wait()或 waitpid()等系统调用来获取子进程的状态信息，释放子进程占用的资源，导致子进程的 PCB 依然存在于系统中，但无法被进一步使用。这种情况下，子进程被称为“僵尸进程”。避免僵尸进程的产生，父进程需要及时调用 wait()或 waitpid()系统调用来回收子进程。
孤儿进程：一个进程的父进程已经终止或者不存在，但是该进程仍在运行。这种情况下，该进程就是孤儿进程。孤儿进程通常是由于父进程意外终止或未及时调用 wait()或 waitpid()等系统调用来回收子进程导致的。为了避免孤儿进程占用系统资源，操作系统会将孤儿进程的父进程设置为 init 进程（进程号为 1），由 init 进程来回收孤儿进程的资源。

死锁

什么是死锁？

死锁（Deadlock）是指两个或两个以上的线程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象。若无外力作用，它们都将无法推进下去。

例如，线程 A 持有资源 2，线程 B 持有资源 1，他们同时都想申请对方持有的资源，所以这两个线程就会互相等待而进入死锁状态。

下面通过例子说明线程死锁，代码来自并发编程之美。

public class DeadLockDemo {
    private static Object resource1 = new Object();//资源 1
    private static Object resource2 = new Object();//资源 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");
                }
            }
        }, "线程 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");
                }
            }
        }, "线程 2").start();
    }
}

代码输出如下：

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

线程 A 通过 synchronized (resource1) 获得 resource1 的监视器锁，然后通过 Thread.sleep(1000)。让线程 A 休眠 1s 为的是让线程 B 得到执行然后获取到 resource2 的监视器锁。线程 A 和线程 B 休眠结束了都开始企图请求获取对方的资源，然后这两个线程就会陷入互相等待的状态，这也就产生了死锁。

死锁怎么产生？怎么避免？

死锁产生的四个必要条件：也就是说只要系统发生死锁，这些条件必然成立，而只要上述条件之一不满足，就不会发生死锁。

互斥：一个资源每次只能被一个进程使用
请求与保持：一个进程因请求资源而阻塞时，不释放获得的资源
不剥夺：进程已获得的资源，在未使用之前，不能强行剥夺
循环等待：进程之间循环等待着资源

避免死锁的方法：

互斥条件不能破坏，因为加锁就是为了保证互斥
破坏请求与保持条件：一次性申请所有的资源。
破坏不可剥夺条件：占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源。
破坏循环等待条件：靠按序申请资源来预防。按某一顺序申请资源，释放资源则反序释放。破坏循环等待条件。（预防死锁）

内存管理

操作系统里的内存碎片怎么理解？

内存碎片通常分为内部碎片和外部碎片：

内部碎片是由于采用固定大小的内存分区，当一个进程不能完全使用分给它的固定内存区域时就会产生内部碎片。通常内部碎片难以完全避免
外部碎片是由于某些未分配的连续内存区域太小，以至于不能满足任意进程的内存分配请求，从而不能被进程利用的内存区域。

内存碎片会导致内存利用率下降，如何减少内存碎片是内存管理要非常重视的一件事情。

有什么解决办法？

现在普遍采取的内存分配方式是段页式内存分配。将内存分为不同的段，再将每一段分成固定大小的页。通过页表机制，使段内的页可以不必连续处于同一内存区域。

常见的内存管理方式有哪些？

内存管理方式可以简单分为下面两种：

连续内存管理：为一个用户程序分配一个连续的内存空间，内存利用率一般不高。
非连续内存管理：允许一个程序使用的内存分布在离散或者说不相邻的内存中，相对更加灵活一些。

非连续内存管理有哪些方式？

非连续内存管理存在下面 3 种方式：

段式管理：以段(—段连续的物理内存)的形式管理/分配物理内存。应用程序的虚拟地址空间被分为大小不等的段，段是有实际意义的，每个段定义了一组逻辑信息，例如有主程序段 MAIN、子程序段 X、数据段 D 及栈段 S 等。
页式管理：把物理内存分为连续等长的物理页，应用程序的虚拟地址空间也被划分为连续等长的虚拟页，是现代操作系统广泛使用的一种内存管理方式。
段页式管理机制：结合了段式管理和页式管理的一种内存管理机制，把物理内存先分成若干段，每个段又继续分成若干大小相等的页。

什么是虚拟内存?有什么用？

虚拟存储器就是具有请求调入功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统，虚拟内存有多次性，对换性和虚拟性三个特征，它可以将程序分多次调入内存，使得在较小的用户空间可以执行较大的用户程序，所以同时容纳更多的进程并发执行，从而提高系统的吞吐量。发生缺页时可以调入一个段也可以调入一个页，取决于内存的存储管理方式。虚拟性表示虚拟内存和物理内存的映射。

Linux下，进程不能直接读写内存物理地址，只能访问【虚拟内存地址】。操作系统会把虚拟内存地址-->物理地址。

虚拟内存解决有限的内存空间加载较大应用程序的问题，根据需要在内存和磁盘之间来回传送数据。

通过段页表的形式，虚拟内存中取一段连续的内存空间映射到主内存中，主内存空间的程序段可以不连续。

没有虚拟内存有什么问题？

如果没有虚拟内存的话，程序直接访问和操作的都是物理内存，看似少了一层中介，但多了很多问题。例如：

用户程序可以访问任意物理内存，可能会不小心操作到系统运行必需的内存，进而造成操作系统崩溃，严重影响系统的安全。
同时运行多个程序容易崩溃。比如你想同时运行一个微信和一个 QQ 音乐，微信在运行的时候给内存地址 1xxx 赋值后，QQ 音乐也同样给内存地址 1xxx 赋值，那么 QQ 音乐对内存的赋值就会覆盖微信之前所赋的值，这就可能会造成微信这个程序会崩溃。
程序运行过程中使用的所有数据或指令都要载入物理内存，根据局部性原理，其中很大一部分可能都不会用到，白白占用了宝贵的物理内存资源。
……

什么是虚拟地址和物理地址？

物理地址（Physical Address） 是真正的物理内存中地址，更具体点来说是内存地址寄存器中的地址。程序中访问的内存地址不是物理地址，而是 虚拟地址（Virtual Address） 。

也就是说，编程开发的时候实际就是在和虚拟地址打交道。比如在 C 语言中，指针里面存储的数值就可以理解成为内存里的一个地址，这个地址也就是虚拟地址。

操作系统一般通过 CPU 芯片中的一个重要组件 MMU(Memory Management Unit，内存管理单元) 将虚拟地址转换为物理地址，这个过程被称为 地址翻译/地址转换（Address Translation） 。

通过 MMU 将虚拟地址转换为物理地址后，再通过总线传到物理内存设备，进而完成相应的物理内存读写请求。

MMU 将虚拟地址翻译为物理地址的主要机制有两种: 分段机制 和 分页机制 。

什么是分段？

分页是为了提高内存利用率，而分段是为了满足程序员在编写代码的时候的一些逻辑需求(比如数据共享，数据保护，动态链接等)。

分段内存管理当中，地址是二维的，一维是段号，二维是段内地址；其中每个段的长度是不一样的，而且每个段内部都是从0开始编址的。由于分段管理中，每个段内部是连续内存分配，但是段和段之间是离散分配的，因此也存在一个逻辑地址到物理地址的映射关系，相应的就是段表机制。

分段机制为什么会导致内存外部碎片？

分段机制容易出现外部内存碎片，即在段与段之间留下碎片空间(不足以映射给虚拟地址空间中的段)。从而造成物理内存资源利用率的降低。

举个例子：假设可用物理内存为 5G 的系统使用分段机制分配内存。现在有 4 个进程，每个进程的内存占用情况如下：

进程 1：0~1G（第 1 段）
进程 2：1~3G（第 2 段）
进程 3：3~4.5G（第 3 段）
进程 4：4.5~5G（第 4 段）

此时，我们关闭了进程 1 和进程 4，则第 1 段和第 4 段的内存会被释放，空闲物理内存还有 1.5G。由于这 1.5G 物理内存并不是连续的，导致没办法将空闲的物理内存分配给一个需要 1.5G 物理内存的进程。

什么是分页？

把内存空间划分为大小相等且固定的块，作为主存的基本单位。因为程序数据存储在不同的页面中，而页面又离散的分布在内存中，因此需要一个页表来记录映射关系，以实现从页号到物理块号的映射。

访问分页系统中内存数据需要两次的内存访问 (一次是从内存中访问页表，从中找到指定的物理块号，加上页内偏移得到实际物理地址；第二次就是根据第一次得到的物理地址访问内存取出数据)。

分页和分段有什区别？

分页对程序员是透明的，但是分段需要程序员显式划分每个段。
分页的地址空间是一维地址空间，分段是二维的。
页的大小不可变，段的大小可以动态改变。
分页主要用于实现虚拟内存，从而获得更大的地址空间；分段主要是为了使程序和数据可以被划分为逻辑上独立的地址空间并且有助于共享和保护。

单级页表有什么问题？为什么需要多级页表？

以 32 位的环境为例，虚拟地址空间范围共有 2^32（4G）。假设一个页的大小是 2^12（4KB），那页表项共有 4G / 4K = 2^20 个。每个页表项为一个地址，占用 4 字节，2^20 * 2^2 / 1024 * 1024= 4MB。也就是说一个程序啥都不干，页表大小就得占用 4M。

系统运行的应用程序多起来的话，页表的开销还是非常大的。而且，绝大部分应用程序可能只能用到页表中的几项，其他的白白浪费了。

为了解决这个问题，操作系统引入了 多级页表 ，多级页表对应多个页表，每个页表也前一个页表相关联。32 位系统一般为二级页表，64 位系统一般为四级页表。

这里以二级页表为例进行介绍：二级列表分为一级页表和二级页表。一级页表共有 1024 个页表项，一级页表又关联二级页表，二级页表同样共有 1024 个页表项。二级页表中的一级页表项是一对多的关系，二级页表按需加载（只会用到很少一部分二级页表），进而节省空间占用。

假设只需要 2 个二级页表，那两级页表的内存占用情况为: 4KB（一级页表占用） + 4KB * 2（二级页表占用） = 12 KB。

换页机制有什么用？

换页机制的思想是当物理内存不够用的时候，操作系统选择将一些物理页的内容放到磁盘上去，等要用到的时候再将它们读取到物理内存中。也就是说，换页机制利用磁盘这种较低廉的存储设备扩展的物理内存。

这也就解释了一个日常使用电脑常见的问题：为什么操作系统中所有进程运行所需的物理内存即使比真实的物理内存要大一些，这些进程也是可以正常运行的，只是运行速度会变慢。

这同样是一种时间换空间的策略，你用 CPU 的计算时间，页的调入调出花费的时间，换来了一个虚拟的更大的物理内存空间来支持程序的运行。

什么是页缺失？

常见的页缺失有下面这两种：

硬性页缺失（Hard Page Fault）：物理内存中没有对应的物理页。于是，Page Fault Handler 会指示 CPU 从已经打开的磁盘文件中读取相应的内容到物理内存，而后交由 MMU 建立相应的虚拟页和物理页的映射关系。
软性页缺失（Soft Page Fault）：物理内存中有对应的物理页，但虚拟页还未和物理页建立映射。于是，Page Fault Handler 会指示 MMU 建立相应的虚拟页和物理页的映射关系。

发生上面这两种缺页错误的时候，应用程序访问的是有效的物理内存，只是出现了物理页缺失或者虚拟页和物理页的映射关系未建立的问题。如果应用程序访问的是无效的物理内存的话，还会出现 无效缺页错误（Invalid Page Fault） 。

为什么要页面置换

因为应用程序是分多次装入内存的，所以运行到一定的时间，一定会发生缺页。地址映射的过程中，如果页面中发现要访问的页面不在内存中，会产生缺页中断。此时操作系统必须在内存里选择一个页面把他移出内存，为即将调入的页面让出空间。选择淘汰哪一页的规则就是页面置换算法

常见的几种页面置换算法？

最佳置换算法（理想）：将当前页面中在未来最长时间内不会被访问的页置换出去
先进先出：淘汰最早调入的页面
最近最久未使用 LRU：每个页面有一个t来记录上次页面被访问直到现在，每次置换时置换t值最大的页面（用寄存器或栈实现）
时钟算法clock（也被称为最近未使用算法NRU）：页面设置访问为，将页面链接为一个环形列表，每个页有一个访问位0/1, 1表示又一次获救的机会，下次循环指针指向它时可以免除此次置换，但是会把访问位置为0，代表他下次如果碰到循环指针就该被置换了。页面被访问的时候访问位设为1。页面置换的时候，如果当前指针的访问位为0，置换，否则将这个值置为0，循环直到遇到访问位为0的页面。
改进型Clock算法：在clock算法的基础上添加一个修改位，优先替换访问位和修改位都是0的页面，其次替换访问位为0修改位为1的页面。
最少使用算法LFU：设置寄存器记录页面被访问次数，每次置换当前访问次数最少的。

哪一种页面置换算法实际用的比较多？

LRU 算法是实际使用中应用的比较多，也被认为是最接近 OPT （最佳置换算法）的页面置换算法。

不过，需要注意的是，实际应用中这些算法会被做一些改进，就比如 InnoDB Buffer Pool（ InnoDB 缓冲池，MySQL 数据库中用于管理缓存页面的机制）就改进了传统的 LRU 算法，使用了一种称为"Adaptive LRU"的算法（同时结合了 LRU 和 LFU 算法的思想）。

段页机制了解吗?

结合了段式管理和页式管理的一种内存管理机制，把物理内存先分成若干段，每个段又继续分成若干大小相等的页。

在段页式机制下，地址翻译的过程分为两个步骤：

段式地址映射。
页式地址映射。

局部性原理

要想更好地理解虚拟内存技术，必须要知道计算机中著名的 局部性原理（Locality Principle）。另外，局部性原理既适用于程序结构，也适用于数据结构，是非常重要的一个概念。

局部性原理是指在程序执行过程中，数据和指令的访问存在一定的空间和时间上的局部性特点。其中，时间局部性是指一个数据项或指令在一段时间内被反复使用的特点，空间局部性是指一个数据项或指令在一段时间内与其相邻的数据项或指令被反复使用的特点。

在分页机制中，页表的作用是将虚拟地址转换为物理地址，从而完成内存访问。在这个过程中，局部性原理的作用体现在两个方面：

时间局部性：由于程序中存在一定的循环或者重复操作，因此会反复访问同一个页或一些特定的页，这就体现了时间局部性的特点。为了利用时间局部性，分页机制中通常采用缓存机制来提高页面的命中率，即将最近访问过的一些页放入缓存中，如果下一次访问的页已经在缓存中，就不需要再次访问内存，而是直接从缓存中读取。
空间局部性：由于程序中数据和指令的访问通常是具有一定的空间连续性的，因此当访问某个页时，往往会顺带访问其相邻的一些页。为了利用空间局部性，分页机制中通常采用预取技术来预先将相邻的一些页读入内存缓存中，以便在未来访问时能够直接使用，从而提高访问速度。

总之，局部性原理是计算机体系结构设计的重要原则之一，也是许多优化算法的基础。在分页机制中，利用时间局部性和空间局部性，采用缓存和预取技术，可以提高页面的命中率，从而提高内存访问效率

什么是缓冲区溢出？有什么危害？

缓冲区溢出是指当计算机向缓冲区填充数据时超出了缓冲区本身的容量，溢出的数据覆盖在合法数据上。

危害有以下两点：

程序崩溃，导致拒绝额服务
跳转并且执行一段恶意代码

造成缓冲区溢出的主要原因是程序中没有仔细检查用户输入。

网络IO

了解过哪些io模型？

阻塞I/O模型：应用程序发起I/O操作后会被阻塞，直到操作完成才返回结果。适用于对实时性要求不高的场景。
非阻塞I/O模型：应用程序发起I/O操作后立即返回，不会被阻塞，但需要不断轮询或者使用 select/poll/epoll等系统调用来检查I/O操作是否完成。适合于需要进行多路复用的场景，例如需要同时处理多个socket连接的服务器程序。
I/O复用模型：通过select、poll、epoll等系统调用，应用程序可以同时等待多个I/O操作，当其中任何一个I/O操作准备就绪时，应用程序会被通知。适合于需要同时处理多个I/O操作的场景，比如高并发的服务端程序。
信号驱动I/O模型：应用程序发起I/O操作后，可以继续做其他事情，当I/O操作完成时，操作系统会向应用程序发送信号来通知其完成。适合于需要异步I/O通知的场景，可以提高系统的并发能力。
异步I/O模型：应用程序发起I/O操作后可以立即做其他事情，当I/O操作完成时，应用程序会得到通知。异步I/O模型由操作系统内核完成I/O操作，应用程序只需等待通知即可。适合于需要大量并发连接和高性能的场景，能够减少系统调用次数，提高系统效率。

服务器处理并发请求有哪几种方式？

多进程/多线程web服务器：web服务器生成多个进程或线程并行处理多个用户请求，进程或线程可以按需或事先生成。有的web服务器应用程序为每个用户请求生成一个单独的进程或线程来进行响应，不过，一旦并发请求数量达到成千上万时，多个同时运行的进程或线程将会消耗大量的系统资源。（即每个进程只能响应一个请求，并且一个进程对应一个线程）
I/O多路复用web服务器：web服务器可以I/O多路复用，达到只用一个线程就能监听和处理多个客户端的 i/o 事件。
多路复用多线程web服务器：将多进程和多路复用的功能结合起来形成的web服务器架构，其避免了让一个进程服务于过多的用户请求，并能充分利用多CPU主机所提供的计算能力。（这种架构可以理解为有多个进程，并且一个进程又生成多个线程，每个线程处理一个请求）

IO多路复用

IO多路复用是一种复用IO处理方式，指的是复用一个线程，处理多个socket中的事件。能够资源复用，防止创建过多线程导致的上下文切换的开销。IO多路复用适用如下场合：

当客户处理多个描述字时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。
当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。
如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。
如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。
如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。
与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

select 实现多路复用的方式是，将已连接的 Socket 都放到一个文件描述符集合，然后调用 select 函数将文件描述符集合拷贝到内核里，让内核来检查是否有网络事件产生，检查的方式很粗暴，就是通过遍历文件描述符集合的方式，当检查到有事件产生后，将此 Socket 标记为可读或可写，接着再把整个文件描述符集合拷贝回用户态里，然后用户态还需要再通过遍历的方法找到可读或可写的 Socket，然后再对其处理。

所以，对于 select 这种方式，需要进行 2 次「遍历」文件描述符集合，一次是在内核态里，一个次是在用户态里，而且还会发生 2 次「拷贝」文件描述符集合，先从用户空间传入内核空间，由内核修改后，再传出到用户空间中。

select 使用固定长度的 BitsMap，表示文件描述符集合，而且所支持的文件描述符的个数是有限制的，在 Linux 系统中，由内核中的 FD_SETSIZE 限制，默认最大值为 1024，只能监听 0~1023 的文件描述符。

poll 不再用 BitsMap 来存储所关注的文件描述符，取而代之用动态数组，以链表形式来组织，突破了 select 的文件描述符个数限制，当然还会受到系统文件描述符限制。

但是 poll 和 select 并没有太大的本质区别，都是使用「线性结构」存储进程关注的 Socket 集合，因此都需要遍历文件描述符集合来找到可读或可写的 Socket，时间复杂度为 O(n)，而且也需要在用户态与内核态之间拷贝文件描述符集合，这种方式随着并发数上来，性能的损耗会呈指数级增长。

epoll

如下的代码中，先用e poll_create 创建一个 epol l对象 epfd，再通过 epoll_ctl 将需要监视的 socket 添加到epfd中，最后调用 epoll_wait 等待数据。

epoll 通过 epoll_create、epoll_ctl 和 epoll_wait 三个系统调用来实现。

int s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bind(s, ...);
listen(s, ...)

int epfd = epoll_create(...);
epoll_ctl(epfd, ...); //将所有需要监听的socket添加到epfd中

while(1) {
    int n = epoll_wait(...);
    for(接收到数据的socket){
        //处理
    }
}

epoll 通过以下内容，来解决 select/poll 的问题。

epoll 在内核里使用红黑树来跟踪进程所有待检测的文件描述字，把需要监控的 socket 通过 epoll_ctl() 函数加入内核中的红黑树里，红黑树是个高效的数据结构，增删改一般时间复杂度是 O(logn)。而 select/poll 内核里没有类似 epoll 红黑树这种保存所有待检测的 socket 的数据结构，所以 select/poll 每次操作时都传入整个 socket 集合给内核，而 epoll 因为在内核维护了红黑树，可以保存所有待检测的 socket ，所以只需要传入一个待检测的 socket，减少了内核和用户空间大量的数据拷贝和内存分配。
epoll 使用事件驱动的机制，内核里维护了一个链表来记录就绪事件，当某个 socket 有事件发生时，通过callback回调函数来实现异步回调，此时内核会将已经准备好的连接加入到这个就绪事件列表中，当用户调用 epoll_wait() 函数时，只会返回有事件发生的文件描述符的个数，不需要像 select/poll 那样需要轮询扫描整个 socket 集合，大大提高了检测的效率。
没有文件描述符的个数限制，因此会造成限制的是内存大小
通过mmap（内核空间和用户空间映射到同一块内存）的内存映射机制来减少内存复制

从下图可以看到 epoll 相关的接口作用：

epoll 的方式即使监听的 Socket 数量越多的时候，效率不会大幅度降低，能够同时监听的 Socket 的数目也非常的多了，上限就为系统定义的进程打开的最大文件描述符个数。因而，epoll 被称为解决 C10K 问题的利器。

epoll 的边缘触发和水平触发有什么区别？

边缘触发

epoll 支持两种事件触发模式，分别是边缘触发（*edge-triggered，ET*）**和**水平触发（*level-triggered，LT*）。

使用边缘触发模式时，当被监控的 Socket 描述符上有可读事件发生时，服务器端只会从 epoll_wait 中苏醒一次，即使进程没有调用 read 函数从内核读取数据，也依然只苏醒一次，因此我们程序要保证一次性将内核缓冲区的数据读取完；

如果使用边缘触发模式，I/O 事件发生时只会通知一次，而且不知道到底能读写多少数据，所以在收到通知后应尽可能地读写数据，以免错失读写的机会。因此，会循环从文件描述符读写数据，那么如果文件描述符是阻塞的，没有数据可读写时，进程会阻塞在读写函数那里，程序就没办法继续往下执行。也就是说，如果应用程序没有一次性处理完所有事件，或者处理过程中没有重新注册事件，可能会导致 epoll_wait 在没有新事件时仍然频繁返回，也就是所谓的空轮询问题。所以，边缘触发模式一般和非阻塞 I/O 搭配使用，程序会一直执行 I/O 操作，直到系统调用（如 read 和 write）返回错误，错误类型为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。

水平触发

使用水平触发模式时，当被监控的 Socket 上有可读事件发生时，服务器端不断地从 epoll_wait 中苏醒，直到内核缓冲区数据被 read 函数读完才结束，目的是告诉我们有数据需要读取；

水平触发的意思是只要满足事件的条件，比如内核中有数据需要读，就一直不断地把这个事件传递给用户；而边缘触发的意思是只有第一次满足条件的时候才触发，之后就不会再传递同样的事件了。

如果使用水平触发模式，当内核通知文件描述符可读写时，接下来还可以继续去检测它的状态，看它是否依然可读或可写。所以在收到通知后，没必要一次执行尽可能多的读写操作。

水平触发模式下，epoll 会在文件描述符状态变化后持续通知，直到事件被处理。这可以减少空轮询的发生，但也还是会有空轮询的产生。

零拷贝是什么？

传统 IO 的工作方式，从硬盘读取数据，然后再通过网卡向外发送，我们需要进行 4 上下文切换，和 4 次数据拷贝，其中 2 次数据拷贝发生在内存里的缓冲区和对应的硬件设备之间，这个是由 DMA 完成，另外 2 次则发生在内核态和用户态之间，这个数据搬移工作是由 CPU 完成的。

为了提高文件传输的性能，于是就出现了零拷贝技术，它通过一次系统调用（sendfile 方法）合并了磁盘读取与网络发送两个操作，降低了上下文切换次数。另外，拷贝数据都是发生在内核中的，天然就降低了数据拷贝的次数。

零拷贝技术的文件传输方式相比传统文件传输的方式，减少了 2 次上下文切换和数据拷贝次数，只需要 2 次上下文切换和数据拷贝次数，就可以完成文件的传输，而且 2 次的数据拷贝过程，都不需要通过 CPU，2 次都是由 DMA 来搬运。

总体来看，零拷贝技术可以把文件传输的性能提高至少一倍以上。

操作系统 常见面试题

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