[Java知识库]操作系统企业面试高频题

前言

企业面试中，操作系统经常被问到。这里参考牛客网一些面经。进行问题汇总与总结。
牛客网面经: 【面试经验】求职面试宝典

汇总问题

(1) 什么是进程 线程

进程，是系统进行资源分配和调度的一个独立的单位, 是程序的一次执行过程。
线程是被系统独立调度和分配的基本单位，统一进程下的线程共享该进程的资源。

一个进程崩溃，不会对其他进程产生影响；而一个线程崩溃，会让同一进程内的其他线程也死掉。

进程间通信比较复杂，而同一进程的线程由于共享代码段和数据段，所以通信比较容易。

进程在创建、切换和销毁时开销比较大，而线程比较小。进程创建的时候需要分配系统资源，而销毁的的时候需要释放系统资源。进程切换需要分两步：切换页目录、刷新TLB以使用新的地址空间；切换内核栈和硬件上下文（寄存器）；而同一进程的线程间逻辑地址空间是一样的，不需要切换页目录、刷新TLB。

(2) 线程的哪些资源共享，哪些资源不共享

该问题和解答来自:【前端工程师面试宝典】| 牛客网

共享的资源有
a. 堆 由于堆是在进程空间中开辟出来的，所以它是理所当然地被共享的；因此new出来的都是共享的（16位平台上分全局堆和局部堆，局部堆是独享的）

b. 全局变量 它是与具体某一函数无关的，所以也与特定线程无关；因此也是共享的

c. 静态变量虽然对于局部变量来说，它在代码中是“放”在某一函数中的，但是其存放位置和全局变量一样，存于堆中开辟的.bss和.data段，是共享的

d. 文件等公用资源 这个是共享的，使用这些公共资源的线程必须同步。Win32 提供了几种同步资源的方式，包括信号、临界区、事件和互斥体。

独享的资源有

a. 栈 栈是独享的

b. 寄存器 这个可能会误解，因为电脑的寄存器是物理的，每个线程去取值难道不一样吗？其实线程里存放的是副本，包括程序计数器PC

(3) 进程间通信的方式

共享存储

• 数据结构的共享
• 存储区的共享

消息传递

• 直接通信方式 (消息归案在缓冲队列)
• 间接通信方式 (消息发送到某个中间实体)

管道通信

(4) 查询进程指令、查询端口指令、杀死进程指令

ps -aux | grep java
ps 命令用于查看当前正在运行的进程。
-aux 显示所有状态

netstat -tunlp | grep 端口号
参数可见 Linux查看端口占用情况 | 菜鸟教程

kill -9 【pid】
详细参数可看 kill命令 | 菜鸟教程

(5) 虚拟内存的好处
https://www.nowcoder.com/tutorial/93/156e55e0579d4a678e857b34d572c278

1.扩大地址空间；

2.内存保护：每个进程运行在各自的虚拟内存地址空间，互相不能干扰对方。虚存还对特定的内存地址提供写保护，可以防止代码或数据被恶意篡改。

3.公平内存分配。采用了虚存之后，每个进程都相当于有同样大小的虚存空间。

4.当进程通信时，可采用虚存共享的方式实现。

5.当不同的进程使用同样的代码时，比如库文件中的代码，物理内存中可以只存储一份这样的代码，不同的进程只需要把自己的虚拟内存映射过去就可以了，节省内存

6.虚拟内存很适合在多道程序设计系统中使用，许多程序的片段同时保存在内存中。当一个程序等待它的一部分读入内存时，可以把CPU交给另一个进程使用。在内存中可以保留多个进程，系统并发度提高

7.在程序需要分配连续的内存空间的时候，只需要在虚拟内存空间分配连续空间，而不需要实际物理内存的连续空间，可以利用碎片

虚拟内存的代价：

1.虚存的管理需要建立很多数据结构，这些数据结构要占用额外的内存

2.虚拟地址到物理地址的转换，增加了指令的执行时间。

3.页面的换入换出需要磁盘I/O，这是很耗时的

4.如果一页中只有一部分数据，会浪费内存。

(5) 缺页中断过程

1、保护CPU现场

2、分析中断原因

3、转入缺页中断处理程序进行处理

4、恢复CPU现场，继续执行

(6) 并发(concurrency)和并行(parallelism)
https://www.nowcoder.com/tutorial/93/156e55e0579d4a678e857b34d572c278

并发（concurrency）：指宏观上看起来两个程序在同时运行，比如说在单核cpu上的多任务。但是从微观上看两个程序的指令是交织着运行的，你的指令之间穿插着我的指令，我的指令之间穿插着你的，在单个周期内只运行了一个指令。这种并发并不能提高计算机的性能，只能提高效率。
并行（parallelism）：指严格物理意义上的同时运行，比如多核cpu，两个程序分别运行在两个核上，两者之间互不影响，单个周期内每个程序都运行了自己的指令，也就是运行了两条指令。这样说来并行的确提高了计算机的效率。所以现在的cpu都是往多核方面发展。

(7) 说一下页表寻址

页式内存管理，内存分成固定长度的一个个页片。操作系统为每一个进程维护了一个从虚拟地址到物理地址的映射关系的数据结构，叫页表，页表的内容就是该进程的虚拟地址到物理地址的一个映射。

页表中的每一项都记录了这个页的基地址。通过页表，由逻辑地址的高位部分先找到逻辑地址对应的页基地址，再由页基地址偏移一定长度就得到最后的物理地址，偏移的长度由逻辑地址的低位部分决定。

一般情况下，这个过程都可以由硬件完成，所以效率还是比较高的。

页式内存管理的优点就是比较灵活，内存管理以较小的页为单位，方便内存换入换出和扩充地址空间。

(8) 请问线程需要保存哪些上下文，SP、PC、EAX这些寄存器是干嘛用的
https://www.nowcoder.com/tutorial/93/156e55e0579d4a678e857b34d572c278

线程在切换的过程中需要保存当前线程Id、线程状态、堆栈、寄存器状态等信息。其中寄存器主要包括SP PC EAX等寄存器，其主要功能如下：
SP:堆栈指针，指向当前栈的栈顶地址

PC:程序计数器，存储下一条将要执行的指令

EAX:累加寄存器，用于加法乘法的缺省寄存器

(9) 请你说一说线程间的同步方式，最好说出具体的系统调用
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信号量
信号量是一种特殊的变量，可用于线程同步。它只取自然数值，并且只支持两种操作：

P(SV):如果信号量SV大于0，将它减一；如果SV值为0，则挂起该线程。

V(SV)：如果有其他进程因为等待SV而挂起，则唤醒，然后将SV+1；否则直接将SV+1。

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(10) OS缺页置换算法
https://www.nowcoder.com/tutorial/93/156e55e0579d4a678e857b34d572c278

当访问一个内存中不存在的页，并且内存已满，则需要从内存中调出一个页或将数据送至磁盘对换区，替换一个页，这种现象叫做缺页置换。当前操作系统最常采用的缺页置换算法如下：

先进先出(FIFO)算法：置换最先调入内存的页面，即置换在内存中驻留时间最久的页面。按照进入内存的先后次序排列成队列，从队尾进入，从队首删除。

最近最少使用（LRU）算法: 置换最近一段时间以来最长时间未访问过的页面。根据程序局部性原理，刚被访问的页面，可能马上又要被访问；而较长时间内没有被访问的页面，可能最近不会被访问。

当前最常采用的就是LRU算法。

(11) 请你说一下多进程和多线程的使用场景
https://www.nowcoder.com/tutorial/93/156e55e0579d4a678e857b34d572c278

多进程模型的优势是CPU
多线程模型主要优势为线程间切换代价较小，因此适用于I/O密集型的工作场景，因此I/O密集型的工作场景经常会由于I/O阻塞导致频繁的切换线程。同时，多线程模型也适用于单机多核分布式场景。

多进程模型，适用于CPU密集型。同时，多进程模型也适用于多机分布式场景中，易于多机扩展。

(12) 请你说一说死锁发生的条件以及如何解决死锁
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死锁是指两个或两个以上进程在执行过程中，因争夺资源而造成的下相互等待的现象。死锁发生的四个必要条件如下：
互斥条件：进程对所分配到的资源不允许其他进程访问，若其他进程访问该资源，只能等待，直至占有该资源的进程使用完成后释放该资源；

不剥夺：进程已获得的资源，在未完成使用之前，不可被剥夺，只能在使用后自己释放

请求并保持：进程获得一定的资源后，又对其他资源发出请求，但是该资源可能被其他进程占有，此时请求阻塞，但该进程不会释放自己已经占有的资源

循环等待：进程发生死锁后，必然存在一个进程-资源之间的环形链

解决死锁的方法即破坏上述四个条件之一，主要方法如下：

资源一次性分配，从而剥夺请求和保持条件

可剥夺资源：即当进程新的资源未得到满足时，释放已占有的资源，从而破坏不可剥夺的条件

资源有序分配法：系统给每类资源赋予一个序号，每个进程按编号递增的请求资源，释放则相反，从而破坏环路等待的条件

(13) 请你说一下多线程，线程同步的几种方式
https://www.nowcoder.com/tutorial/93/156e55e0579d4a678e857b34d572c278

进程是对运行时程序的封装，是系统进行资源调度和分配的的基本单位，实现了操作系统的并发；

线程是进程的子任务，是CPU调度和分派的基本单位，用于保证程序的实时性，实现进程内部的并发；线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。每个线程都独自占用一个虚拟处理器：独自的寄存器组，指令计数器和处理器状态。每个线程完成不同的任务，但是共享同一地址空间（也就是同样的动态内存，映射文件，目标代码等等），打开的文件队列和其他内核资源。

线程间通信的方式:
1、临界区：
通过多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问；

2、互斥量 Synchronized/Lock：
采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问

3、信号量 Semphare：
为控制具有有限数量的用户资源而设计的，它允许多个线程在同一时刻去访问同一个资源，但一般需要限制同一时刻访问此资源的最大线程数目。

4、事件(信号)，Wait/Notify：
通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操作

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