操作系统 知识点总结

简介：OS 知识点总结

操作系统基础

什么是操作系统？

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。

操作系统的功能？

进程管理 存储管理 文件管理 设备管理 网络管理 安全管理

用户态和内核态

什么是用户态和内核态？

用户态进程只能访问用户程序的数据，内核态进程可以访问所有系统资源。

• 用户态(User Mode) : 用户态运行的进程可以直接读取用户程序的数据，拥有较低的权限。
• 内核态(Kernel Mode) ：内核态运行的进程几乎可以访问计算机的任何系统资源，拥有非常高的权限。

为什么要有用户态和内核态？只有一个内核态不行么？

为了保证系统的安全性、稳定性和性能。

• 如果只有用户态，应用程序无法访问到受保护的系统资源。
• 如果只有内核态，所有进程共享系统资源，会造成系统资源冲突，影响系统的性能和安全性。

用户态和内核态是如何切换的？

三种方式：系统调用 中断 异常

• 系统调用：用户程序主动阻塞
• 中断：来自于处理器外部
• 异常：来自于当前指令

系统调用

什么是系统调用？

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。

当用户程序需要操作系统级别的资源时，必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。

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。

分类：设备管理 文件管理 进程管理 内存管理

系统调用的过程了解吗？

1. 用户程序发起系统调用，并主动进入阻塞态。
2. CPU收到中断信号，进入内核态，查询中断向量表，执行相应的中断服务程序。
3. 中断服务程序完成后，返回到用户态，唤醒用户程序。
4. 用户程序继续执行。

进程和线程

什么是进程和线程？

• 进程是计算机中正在运行的一个程序实例。是资源分配的基本单位。

• 线程和进程类似，但是更加轻量。是处理机调度的基本单位。

进程和线程的区别是什么？

1. 一个进程中可以有多个线程。多个线程共享进程的堆和方法区，但是每个线程有自己的栈空间和程序计数器。
2. 进程切换开销大，但是有利于资源的管理和保护。线程正相反。

有了进程为什么还需要线程?

1. 进程切换开销大，线程更加轻量级。
2. 多线程可以更加充分的利用到多核处理器。
3. 线程间通讯更加方便，不需要经过内核。

为什么要使用多线程?

• 硬件层面：现在的CPU核数越来越多，多线程可以更加充分的利用到多核处理器。
• 软件层面：现在的大型软件并发量越来越大，多线程并发编程正是开发高并发系统的基础。

线程间的同步的方式有哪些？

五种方式：互斥锁(Mutex) 读写锁(Read-Write Lock) 信号量(Semaphore) 屏障(Barrier) 事件(Event)

PCB 是什么？包含哪些信息？

进程控制块：是操作系统中用来管理和跟踪进程的数据结构，每个进程都对应着一个独立的 PCB。

包含：进程的描述信息、调度信息、对资源的需求信息、打开文件表、保存的处理机现场。。。

进程有哪几种状态?

创建 就绪 运行 阻塞 结束

进程间的通信方式有哪些？

匿名管道 命名管道 信号 信号量 消息队列 共享内存 套接字

• 匿名管道：父子进程或者兄弟进程之间通信。
• 命名管道：以磁盘文件的方式存在，可以实现任意两个进程通信。
• 信号：只是一种通知信号。
• 信号量：Semaphore，用户进程同步和互斥。
• 消息队列：消息队列是消息的链表,具有特定的格式,存放在内存中并由消息队列标识符标识。消息队列存放在内核中，只有在内核重启或者显式地删除一个消息队列时，该消息队列才会被真正的删除。消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取.比 FIFO 更有优势。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字 节流以及缓冲区大小受限等缺点。
• 共享内存：多个进程可以访问同一块内存空间。需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等。可以说这是最有用的进程间通信方式。
• 套接字：用于不同主机的进程间通讯。

进程的调度算法有哪些?

先到先服务算法 短作业优先算法 时间片轮转算法 优先级调度算法 多级反馈队列算法

什么是僵尸进程和孤儿进程？

僵尸进程：进程已经终止，但是PCB和占用的资源没有得到释放。

孤儿进程：子进程仍在运行，但是父进程已经终止或不存在。

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。

如何查看是否有僵尸进程？

使用top命令，进程状态为Z

死锁

什么是死锁？

多个进程占有着资源，并请求其他资源。相互等待，形成了循环等待链。导致所有进程无限期阻塞。

产生死锁的四个必要条件是什么?

互斥 请求和保持 非抢占式 循环等待

能写一个模拟产生死锁的代码吗？

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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 {
                    
                } 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();
    }
}

精简版

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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) {
                Thread.sleep(1000);
                synchronized (resource2) {
                    //无法进入到这里
                }
            }
        }, "线程 1").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (resource2) {
                Thread.sleep(1000);
                synchronized (resource1) {
                    //无法进入到这里
                }
            }
        }, "线程 2").start();
    }
}

解决死锁的方法

预防 避免 检测 解除

死锁的预防

资源静态分配（打破请求并保持条件）：进程必须在执行前就必须申请到所需的全部资源。

资源按序申请（打破循环等待条件）：资源只能按照约定好的顺序进行申请。

死锁的避免

银行家算法：在每次资源分配前都判断系统是否会进入到不安全状态

死锁的检测

定时地运行一个 “死锁检测” 的程序，利用资源分配图判断系统内是否出现死锁

死锁的解除

• 结束所有进程，系统重启
• 结束所有涉及死锁的进程
• 逐个结束涉及死锁的进程，直到死锁解除
• 抢占资源

内存管理

内存管理主要做了什么？

内存的分配与回收 地址转换 内存扩充 内存映射 内存优化 内存安全 …

什么是内存碎片？

内部碎片：已经分配给进程，但未使用的内存空间

外部碎片：未分配给进程，但又无法使用到的内存空间

• 页式内存管理 会导致 内部碎片
• 段式内存管理 会导致 外部碎片
• 段页式内存管理 都会导致

常见的内存管理方式有哪些？

连续内存管理 非连续内存管理

虚拟内存

什么是虚拟内存?有什么用？

虚拟内存(Virtual Memory) 是计算机系统内存管理非常重要的一个技术，本质上来说它只是逻辑存在的，是一个假想出来的内存空间，主要作用是作为进程访问主存（物理内存）的桥梁并简化内存管理。

隔离进程，提高物理内存利用率，简化内存管理，多个进程共享物理内存，提高内存使用安全性，提供更大的可使用内存空间

什么是虚拟地址和物理地址？

程序访存时访问的是虚拟地址，经过内存管理单元转换成物理地址，再访存。

什么是虚拟地址空间和物理地址空间？

• 虚拟地址空间是虚拟地址的集合，是虚拟内存的范围。每一个进程都有一个一致且私有的虚拟地址空间。
• 物理地址空间是物理地址的集合，是物理内存的范围。

虚拟地址与物理内存地址是如何映射的？

虚拟地址 = 逻辑页号 + 页内地址

物理地址 = 物理页号 + 页内地址

通过查询页表，将逻辑页号转换成物理页号

分段机制为什么会导致内存外部碎片？

段的长度不固定

单级页表有什么问题？为什么需要多级页表？

使用单级页表会导致页表本身很大，浪费内存空间

TLB 有什么用？使用 TLB 之后的地址翻译流程是怎样的？

TLB是快表，缓存了部分页表。是为了加快地址转换速度

换页机制有什么用？

使得应用程序可以使用的内存空间大于物理内存大小，代价是页面调入调出消耗时间

常见的页面置换算法有哪些?

页面置换算法：用来选择淘汰哪一个物理页的规则

最佳页面置换算法(OPT)，先进先出算法(FIFO)，最近最久未使用算法(LRU)，最不经常使用算法(LFU)，时钟置换算法(Clock)

FIFO算法存在Belady异常：页面数增多但缺页率反而提高

分页机制和分段机制有哪些共同点和区别？

共同点：

1. 都是非连续内存管理方式
2. 都采用了地址映射的方法，将虚拟地址映射到物理地址，以实现对内存的管理和保护。

区别：

1. 分页以页作为基本单位，长度固定；分段以段作为基本单位，长度不固定。
2. 分页会产生内部碎片；分段会产生外部碎片。
3. 分页机制对程序没有任何要求，程序只需要按照虚拟地址进行访问即可；而分段机制需要程序员将程序分为多个段，并且显式地使用段寄存器来访问不同的段。

局部性原理

时间局部性：当前访问的页，可能会被反复访问。

空间局部性：当前访问的页，附近的页可能也会被访问到。

文件系统

文件系统主要做了什么？

文件系统主要负责管理和组织计算机存储设备上的文件和目录

存储管理，文件管理，目录管理，文件访问控制

硬链接和软链接有什么区别？

硬链接：指向源文件的inode节点，共享同一个文件。

软链接：类似于快捷方式，只是保存了文件路径。

硬链接为什么不能跨文件系统？

因为不同文件系统的inode节点号可能冲突

常见的磁盘调度算法有哪些？

先来先服务算法(FCFS)，最短寻道时间优先算法(SSTF)，SCAN，C-SCAN，LOOK，C-LOOK