操作系統(tǒng)方面的相關面試題總結（上）

1、進程和線程的區(qū)別？

進程和線程都是操作系統(tǒng)中進行任務調度的基本單位，二者之間的主要區(qū)別如下：

• 資源占用：進程是操作系統(tǒng)資源分配的基本單位，一個進程可以擁有多個線程，而線程是進程中的執(zhí)行單元，是CPU調度的基本單位。每個線程共享所屬進程的資源，如代碼段、數(shù)據(jù)段、打開的文件等。而進程之間互相獨立，互不干擾，每個進程有自己獨立的資源空間，不同進程之間需要通過IPC（進程間通信）來進行通信和數(shù)據(jù)共享。
• 調度和切換：操作系統(tǒng)在調度和分配CPU時，將進程作為基本的調度和分配單位，即進程擁有自己的調度隊列。而線程是依附于進程而存在的，一個進程中的多個線程共享進程的時間片和資源，因此在調度和切換時，線程切換比進程切換更快，也更加輕量級。
• 創(chuàng)建和銷毀：進程的創(chuàng)建和銷毀比線程更加復雜，創(chuàng)建一個進程需要為其分配資源、建立PCB（進程控制塊）、建立內核對象等，而銷毀進程需要回收資源、關閉打開的文件等。而線程的創(chuàng)建和銷毀相對簡單，只需要為其分配線程棧、建立TCB（線程控制塊）等即可。
• 通信和同步：進程之間通過IPC（管道、套接字、消息隊列等）進行通信和數(shù)據(jù)共享，而線程之間可以直接訪問同一進程的共享數(shù)據(jù)區(qū)，也可以通過鎖機制實現(xiàn)同步。

綜上所述，進程和線程在資源占用、調度和切換、創(chuàng)建和銷毀、通信和同步等方面有著不同的特點，開發(fā)者在實際編程時需要根據(jù)具體的情況選擇使用進程還是線程來完成任務。

2、協(xié)程與線程的區(qū)別？

協(xié)程和線程都是用于實現(xiàn)多任務的技術，但是它們的實現(xiàn)方式有所不同，具體區(qū)別如下：

• 調度方式不同：線程由操作系統(tǒng)內核進行調度，而協(xié)程則是在用戶空間中進行調度，不需要切換到內核態(tài)。
• 并發(fā)性不同：線程是操作系統(tǒng)調度的最小單位，多個線程可以并行執(zhí)行；協(xié)程則是在單線程內部通過協(xié)作式調度實現(xiàn)并發(fā)。
• 內存使用不同：線程是由操作系統(tǒng)內核創(chuàng)建的，需要占用一定的系統(tǒng)資源，而協(xié)程則是由用戶程序創(chuàng)建，不需要占用額外的系統(tǒng)資源。
• 上下文切換開銷不同：線程在切換時需要保存和恢復所有的寄存器狀態(tài)和內核堆棧，而協(xié)程只需要保存和恢復少量的寄存器狀態(tài)，開銷較小。
• 編程難度不同：線程的編程難度相對較大，因為多線程之間需要共享資源并進行同步，而協(xié)程則是在單線程內部調度，因此編程難度相對較小。

總之，線程是操作系統(tǒng)內核的調度對象，具有獨立的系統(tǒng)資源，可以并行執(zhí)行多個任務；而協(xié)程是用戶程序的調度對象，不需要占用額外的系統(tǒng)資源，通過協(xié)作式調度實現(xiàn)任務之間的切換。

3、并發(fā)和并行的區(qū)別？

并發(fā)和并行都是指同時處理多個任務的方式，但是它們有不同的含義。

并發(fā)是指一個處理器同時處理多個任務，這些任務通常是通過在不同的時間間隔內交替進行的，這樣在同一時刻可以看到有多個任務在運行。這些任務可以是在同一個程序內的不同線程，也可以是在不同程序之間的交互，例如客戶端與服務器之間的通信。

并行是指使用多個處理器同時處理多個任務，這些任務在同一時刻可以看到有多個任務在同時運行。與并發(fā)不同的是，并行需要多個處理器或多個計算核心，而并發(fā)則可以在單個處理器上執(zhí)行多個任務。

簡單來說，并發(fā)是在一個處理器上同時執(zhí)行多個任務，而并行是在多個處理器或計算核心上同時執(zhí)行多個任務。

4、進程與線程的切換流程？

進程與線程的切換流程如下：

1. 當前進程或線程執(zhí)行到阻塞狀態(tài)（如等待I/O完成）時，觸發(fā)切換操作。
2. 操作系統(tǒng)內核保存當前進程或線程的上下文（即當前的寄存器值和程序計數(shù)器等信息），并將處理器分配給另一個進程或線程。
3. 內核從調度隊列中選擇另一個進程或線程，并恢復其保存的上下文信息。
4. 處理器開始執(zhí)行新的進程或線程，從之前保存的狀態(tài)恢復執(zhí)行。

在進程切換時，需要將整個進程的上下文信息保存下來，包括進程的虛擬內存、全局變量等，切換時還需要進行內存映射，開銷比較大。

在線程切換時，只需要保存當前線程的上下文信息即可，線程共享進程的虛擬內存，切換時不需要進行內存映射，開銷較小。

5、為什么虛擬地址空間切換比較耗時？

虛擬地址空間切換的耗時是因為它涉及到了硬件和操作系統(tǒng)的復雜操作。當進程或線程切換時，需要保存當前的程序狀態(tài)（寄存器值、堆棧指針等）和上下文信息（當前指令位置、程序計數(shù)器等）。然后，內核必須選擇另一個進程或線程，并將它的狀態(tài)和上下文信息裝入內存，這樣才能保證程序能夠繼續(xù)運行。這個過程涉及到多個操作系統(tǒng)的內核和硬件機制，例如上下文切換、內存管理和硬件中斷等。

在這個過程中，為了切換到另一個進程或線程，需要保存和恢復大量的狀態(tài)信息，包括內核上下文和硬件寄存器等。這些操作需要耗費大量的CPU時間和內存帶寬，因此切換過程通常是相對比較耗時的。

6、進程間通信方式有哪些？

進程間通信（IPC，Inter-process Communication）指的是在不同進程之間交換信息的機制和方法。常見的進程間通信方式有以下幾種：

• 管道（Pipe）：管道是一種半雙工的通信方式，只能在具有公共祖先的進程之間使用。管道可以實現(xiàn)進程之間的通信，但只能在父子進程或兄弟進程之間使用，因為管道是單向的，而且只能在具有公共祖先的進程之間使用。
• 命名管道（Named Pipe）：命名管道是一種有名的通信方式，可以實現(xiàn)無關進程之間的通信。它可以在不具有親緣關系的進程之間傳遞數(shù)據(jù)，并且可以實現(xiàn)雙向通信。
• 信號量（Semaphore）：信號量是一種計數(shù)器，用于控制多個進程對共享資源的訪問。它可以用來解決進程間的同步和互斥問題。
• 信號（Signal）：信號是一種軟件中斷，用于通知進程發(fā)生了某個事件。它可以用于進程間的通信和同步。
• 共享內存（Shared Memory）：共享內存是一種高效的進程間通信方式，它可以在多個進程之間共享內存區(qū)域，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速交換。
• 消息隊列（Message Queue）：消息隊列是一種進程間通信方式，可以實現(xiàn)不同進程之間的異步通信。
• 套接字（Socket）：套接字是一種網(wǎng)絡通信方式，可以實現(xiàn)不同主機之間的進程間通信。

每種進程間通信方式都有其優(yōu)缺點和適用場景，需要根據(jù)具體的需求進行選擇。

7、進程間同步的方式有哪些？

進程間同步是指在多個進程之間進行數(shù)據(jù)交換或共享資源的操作時，為了避免出現(xiàn)競爭和沖突，需要采用某種機制保證操作的正確性和一致性。常見的進程間同步方式有以下幾種：

• 信號量：使用信號量作為鎖，控制進程對共享資源的訪問。當一個進程要訪問共享資源時，先檢查信號量的值，如果為正，則進程可以訪問資源，并將信號量的值減1；否則，進程必須等待，直到信號量的值為正。當一個進程完成訪問后，需要將信號量的值加1，以便其他進程可以訪問資源。
• 互斥鎖：使用互斥鎖保護共享資源，同一時刻只能有一個進程訪問資源。當一個進程要訪問共享資源時，需要先獲得互斥鎖，如果鎖已經被其他進程持有，則進程需要等待，直到鎖被釋放為止。當進程完成訪問后，需要釋放互斥鎖，以便其他進程可以訪問資源。
• 條件變量：使用條件變量實現(xiàn)進程間的通信和同步。當一個進程要訪問共享資源時，如果發(fā)現(xiàn)資源不可用，則進程可以通過條件變量等待，直到資源可用為止。當另一個進程釋放資源時，可以通過條件變量通知等待的進程，以便它們可以訪問資源。
• 讀寫鎖：讀寫鎖是一種特殊的鎖，可以在多個進程之間共享資源，但是只允許讀操作同時進行，寫操作必須獨占資源。當一個進程要進行讀操作時，需要獲得讀鎖，如果沒有其他進程持有寫鎖，則進程可以獲得鎖并進行讀操作；否則，進程需要等待，直到寫鎖被釋放為止。當一個進程要進行寫操作時，需要獲得寫鎖，此時必須獨占資源，其他進程無法進行讀或寫操作，直到寫鎖被釋放為止。
• 信號：進程可以通過信號來通知其他進程發(fā)生了某些事件。當一個進程需要通知其他進程時，可以向目標進程發(fā)送信號，目標進程可以根據(jù)信號進行相應的處理。常見的信號包括中斷信號、終止信號、用戶自定義信號等。
• 共享內存：使用共享內存實現(xiàn)進程間的數(shù)據(jù)共享。多個進程可以共享同一塊內存區(qū)域，可以通過讀寫內存區(qū)域來進行數(shù)據(jù)交換。

8、線程同步的方式有哪些？

線程同步的方式有以下幾種：

• 互斥量（Mutex）：用于保護共享資源，只有一個線程可以獲取到互斥量，其他線程需要等待該線程釋放互斥量后才能繼續(xù)執(zhí)行。
• 信號量（Semaphore）：用于控制訪問一定數(shù)量的共享資源，通過計數(shù)器實現(xiàn)。
• 事件（Event）：用于線程間的通信，一個線程發(fā)起事件后等待其他線程響應該事件。
• 條件變量（Condition Variable）：用于線程間的協(xié)作，允許一個線程等待另一個線程滿足某個條件。
• 屏障（Barrier）：用于多個線程并發(fā)執(zhí)行時，在特定點將線程阻塞，等待所有線程都達到這個點后再一起繼續(xù)執(zhí)行。
• 讀寫鎖（Reader-Writer Lock）：用于在多個線程中共享某些數(shù)據(jù)，讀寫鎖允許多個線程同時讀取共享數(shù)據(jù)，但只允許一個線程寫入共享數(shù)據(jù)。

在實際的多線程應用中，不同的同步方式有不同的使用場景，需要根據(jù)具體情況選擇合適的方式。

9、線程的分類？

線程可以分為用戶線程和內核線程。

用戶線程是由用戶空間的線程庫（如pthread庫）實現(xiàn)的線程，也稱為輕量級線程。用戶線程的調度和管理由線程庫完成，內核對它們一無所知，因此創(chuàng)建、切換和銷毀用戶線程的開銷很小，但是由于不能直接調用系統(tǒng)調用，當用戶線程被阻塞時，整個進程就會被阻塞，因此用戶線程通常用于不需要頻繁阻塞的場合。

內核線程是由操作系統(tǒng)內核實現(xiàn)的線程，也稱為重量級線程。內核線程的調度和管理由操作系統(tǒng)完成，可以直接調用系統(tǒng)調用，因此可以處理更加復雜的任務。內核線程的創(chuàng)建、切換和銷毀開銷較大，但是由于可以使用多核，可以提高系統(tǒng)的并發(fā)度和吞吐量。

在實際應用中，用戶線程和內核線程的使用是根據(jù)具體的情況而定，需要根據(jù)應用的特點進行權衡。

10、什么是臨界區(qū)？怎么解決沖突？

臨界區(qū)是指一段代碼區(qū)域，在并發(fā)情況下被多個線程訪問時，會導致共享數(shù)據(jù)出現(xiàn)沖突的區(qū)域。為了避免并發(fā)訪問帶來的問題，需要采用同步機制來對臨界區(qū)進行保護。

解決臨界區(qū)問題的常用方式有以下幾種：

• 互斥鎖：利用互斥鎖來保護臨界區(qū)。在進入臨界區(qū)之前，線程必須先獲得互斥鎖的鎖，進入臨界區(qū)后執(zhí)行代碼操作，然后釋放鎖。只有獲得鎖的線程才能進入臨界區(qū)執(zhí)行操作。
• 讀寫鎖：在多讀少寫的場景中，采用讀寫鎖可以提高并發(fā)效率。讀寫鎖允許多個線程同時讀取共享數(shù)據(jù)，但只允許一個線程寫入共享數(shù)據(jù)。在寫入共享數(shù)據(jù)之前，線程必須獲得寫鎖，進入臨界區(qū)后執(zhí)行代碼操作，然后釋放鎖。在讀取共享數(shù)據(jù)之前，線程必須獲得讀鎖，讀取完成后釋放鎖。
• 條件變量：條件變量是一種線程間的通信機制，用于協(xié)調線程的執(zhí)行。它的使用需要和互斥鎖配合。當一個線程進入臨界區(qū)后，發(fā)現(xiàn)條件不滿足時，會進入等待狀態(tài)。此時，它會釋放互斥鎖并進入等待狀態(tài)，等待條件變量被其它線程滿足。當其它線程滿足條件變量后，會通過喚醒等待線程的方式來使其從等待狀態(tài)返回。
• 原子操作：原子操作是指不能被中斷的操作，可以保證在并發(fā)情況下的數(shù)據(jù)一致性。在需要修改共享數(shù)據(jù)的場景中，可以使用原子操作來保護臨界區(qū)。原子操作的執(zhí)行過程中不會被其它線程中斷，保證了線程安全。

11、什么是死鎖？死鎖產生的條件？

死鎖（Deadlock）指的是在多個進程（線程）中，每個進程（線程）由于等待其他進程（線程）釋放資源而被阻塞，進而導致整個進程（線程）系統(tǒng)無法前進的一種狀態(tài)。

死鎖產生的條件通常有以下四個必要條件：

• 互斥條件（Mutual exclusion）：一個資源每次只能被一個進程（線程）使用，即在一段時間內只有一個進程（線程）能訪問該資源。
• 請求與保持條件（Hold and wait）：一個進程（線程）因請求資源而阻塞時，持有已獲得的資源不放。
• 不剝奪條件（No preemption）：一個進程（線程）已經獲得的資源，在未使用完之前，不能被剝奪，只能在使用完后自己釋放。
• 環(huán)路等待條件（Circular wait）：若干進程（線程）之間形成一種頭尾相接的循環(huán)等待資源關系。

解決死鎖的方法有以下幾種：

• 預防死鎖：通過破壞死鎖產生的四個必要條件之一，來避免死鎖的產生。
• 避免死鎖：通過動態(tài)地分配資源來避免死鎖的產生，需要預知每個進程對資源的最大需求量和系統(tǒng)可用資源數(shù)。
• 檢測死鎖：通過檢測系統(tǒng)中是否存在死鎖，以及哪些進程或線程陷入了死鎖狀態(tài)，然后采取相應的措施來解除死鎖。
• 解除死鎖：通過剝奪進程或線程的某些資源來解除死鎖，以恢復進程或線程的正常執(zhí)行。

12、進程調度策略有哪幾種？

在操作系統(tǒng)中，進程調度是指操作系統(tǒng)通過一定的調度策略來選擇下一個需要執(zhí)行的進程。下面是常見的進程調度策略：

• 先來先服務調度（First-Come, First-Served，F(xiàn)CFS）：按照進程到達的先后順序進行調度，先到先服務，無法解決短作業(yè)等待時間長的問題。
• 短作業(yè)優(yōu)先調度（Shortest-Job-First，SJF）：按照進程需要執(zhí)行的時間長短進行排序，優(yōu)先選擇執(zhí)行時間最短的進程，可以減少平均等待時間，但是需要預知每個進程的執(zhí)行時間。
• 優(yōu)先級調度（Priority Scheduling）：按照進程的優(yōu)先級進行調度，高優(yōu)先級進程先執(zhí)行，可以根據(jù)進程的重要程度進行調度，但是可能會導致低優(yōu)先級進程長時間等待。
• 時間片輪轉調度（Round-Robin，RR）：每個進程被分配一個時間片，當時間片用完時，操作系統(tǒng)會調度下一個進程，并把當前進程加入到隊列的末尾，可以保證公平性，但是當時間片過長或過短時，可能會影響進程的響應時間和吞吐量。
• 多級反饋隊列調度（Multilevel Feedback Queue，MLFQ）：將進程隊列分成多個級別，每個級別都有不同的優(yōu)先級和時間片大小，根據(jù)進程的運行情況動態(tài)調整進程的優(yōu)先級和時間片大小，可以兼顧短進程和長進程的執(zhí)行，但是需要復雜的算法和參數(shù)調整。

13、什么是緩沖區(qū)溢出？有什么危害？原因是什么？

緩沖區(qū)溢出（Buffer Overflow）是指程序嘗試將數(shù)據(jù)寫入超出預先分配的緩沖區(qū)的范圍之外，導致數(shù)據(jù)覆蓋了相鄰的內存空間，可能會導致程序崩潰、數(shù)據(jù)損壞、系統(tǒng)崩潰、安全漏洞等問題。

緩沖區(qū)溢出通常是由于編程錯誤、缺陷或惡意攻擊者利用程序漏洞而引起的。程序在處理輸入數(shù)據(jù)時，如果沒有對輸入進行充分的檢查和驗證，就容易發(fā)生緩沖區(qū)溢出漏洞。攻擊者可以通過利用這種漏洞，將有害代碼注入程序，執(zhí)行惡意操作，例如竊取敏感信息、執(zhí)行未授權的操作或者引起拒絕服務攻擊等。

緩沖區(qū)溢出是計算機系統(tǒng)中最常見的安全漏洞之一，因此在軟件開發(fā)過程中，應該采取預防措施，例如輸入驗證、使用安全的編程語言和庫、限制輸入大小、使用防御性編程技術等，以減少緩沖區(qū)溢出的發(fā)生。同時，定期進行安全評估和測試，發(fā)現(xiàn)和修復漏洞，也是保障系統(tǒng)安全的重要措施。