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操作系統(tǒng)的四個特性？

并發(fā)：同一段時間內(nèi)多個程序執(zhí)行（與并行區(qū)分，并行指的是同一時刻有多個事件，多處理器系統(tǒng)可以使程序并行執(zhí)行）

共享：系統(tǒng)中的資源可以被內(nèi)存中多個并發(fā)執(zhí)行的進線程共同使用

虛擬：通過分時復用（如分時系統(tǒng)）以及空分復用（如虛擬內(nèi)存）技術(shù)把一個物理實體虛擬為多個

異步：系統(tǒng)進程用一種走走停停的方式執(zhí)行，（并不是一下子走完），進程什么時候以怎樣的速度向前推進是不可預知的

進程線程

進程是指一個內(nèi)存中運行的應用程序，每個進程都有自己獨立的一塊內(nèi)存空間。

線程是比進程更小的執(zhí)行單位，它是在一個進程中獨立的控制流，一個進程可以啟動多個線程，每條線程并行執(zhí)行不同的任務。

進程和線程的區(qū)別如下：

• 調(diào)度：進程是資源管理的基本單位，線程是程序執(zhí)行的基本單位。
• 切換：線程上下文切換比進程上下文切換要快得多。
• 擁有資源： 進程是擁有資源的一個獨立單位，線程不擁有系統(tǒng)資源，但是可以訪問隸屬于進程的資源。
• 系統(tǒng)開銷： 創(chuàng)建或撤銷進程時，系統(tǒng)都要為之分配或回收系統(tǒng)資源，如內(nèi)存空間，I/O設備等，OS所付出的開銷顯著大于在創(chuàng)建或撤銷線程時的開銷，進程切換的開銷也遠大于線程切換的開銷。

并發(fā)和并行

并發(fā)就是在一段時間內(nèi)，多個任務都會被處理；但在某一時刻，只有一個任務在執(zhí)行。單核處理器可以做到并發(fā)。比如有兩個進程A和B，A運行一個時間片之后，切換到B，B運行一個時間片之后又切換到A。因為切換速度足夠快，所以宏觀上表現(xiàn)為在一段時間內(nèi)能同時運行多個程序。最全面的Java面試網(wǎng)站

并行就是在同一時刻，有多個任務在執(zhí)行。這個需要多核處理器才能完成，在微觀上就能同時執(zhí)行多條指令，不同的程序被放到不同的處理器上運行，這個是物理上的多個進程同時進行。

多線程相較單線程的好處

1、并發(fā)提升程序執(zhí)行效率

2、提升CPU利用率，訪存的時候可以切換線程來執(zhí)行

3、更快的響應速度，可以有專門的線程來監(jiān)聽用戶請求和專門的線程來處理請求。比如監(jiān)聽線程和工作線程是兩個線程，這樣監(jiān)聽就負責監(jiān)聽，工作的就負責工作，監(jiān)聽到用戶請求馬上把請求轉(zhuǎn)到工作線程去處理，監(jiān)聽線程繼續(xù)監(jiān)聽

什么是協(xié)程？

協(xié)程是一種用戶態(tài)的輕量級線程。

協(xié)程不是由操作系統(tǒng)內(nèi)核管理，而是完全由用戶程序所控制，這樣帶來的好處就是性能得到了很大的提升，不會像線程切換那樣消耗資源。

協(xié)程可以理解為可以暫停執(zhí)行的函數(shù)。它擁有自己的寄存器上下文和棧。協(xié)程調(diào)度切換時，將寄存器上下文和棧保存到其他地方，在切回來的時候，恢復先前保存的寄存器上下文和棧，直接操作棧則基本沒有內(nèi)核切換的開銷，可以不加鎖的訪問全局變量，所以上下文的切換非?？臁?/p>

線程和協(xié)程有什么區(qū)別呢？

1、線程是搶占式，而協(xié)程是非搶占式的，所以需要用戶自己釋放使用權(quán)來切換到其他協(xié)程，因此同一時間其實只有一個協(xié)程擁有運行權(quán)，相當于單線程的能力。
2、線程是協(xié)程的資源。協(xié)程通過 可以關(guān)聯(lián)任意線程或線程池的執(zhí)行器（Interceptor）來間接使用線程的資源的。

進程通信

進程間通信方式有以下幾種：

1、管道通信

匿名管道( pipe )：管道是一種半雙工的通信方式，數(shù)據(jù)只能單向流動，而且只能在具有親緣關(guān)系的進程間使用。進程的親緣關(guān)系通常是指父子進程關(guān)系。
有名管道是半雙工的通信方式，數(shù)據(jù)只能單向流動。

2、消息隊列

3、共享內(nèi)存。共享內(nèi)存是最快的 IPC 方式，它是針對其他進程間通信方式運行效率低而專門設計的。它往往與其他通信機制，如信號量，配合使用，來實現(xiàn)進程間的同步和通信。

4、信號量。信號量是一個計數(shù)器，可以用來控制多個進程對共享資源的訪問。它常作為一種鎖機制，防止某進程正在訪問共享資源時，其他進程也訪問該資源。因此，主要作為進程間以及同一進程內(nèi)不同線程之間的同步手段。

什么是死鎖？

死鎖是指兩個或兩個以上的線程在執(zhí)行過程中，因爭奪資源而造成的一種互相等待的現(xiàn)象。若無外力作用，它們都將無法推進下去。

如下圖所示，線程 A 持有資源 2，線程 B 持有資源 1，他們同時都想申請對方持有的資源，所以這兩個線程就會互相等待而進入死鎖狀態(tài)。

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-xqlJiG1P-1678927107037)(http://img.topjavaer.cn/img/死鎖.png)]

下面通過例子說明線程死鎖，代碼來自并發(fā)編程之美。

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

代碼輸出如下：

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

線程 A 通過 synchronized (resource1) 獲得 resource1 的監(jiān)視器鎖，然后通過 Thread.sleep(1000)。讓線程 A 休眠 1s 為的是讓線程 B 得到執(zhí)行然后獲取到 resource2 的監(jiān)視器鎖。線程 A 和線程 B 休眠結(jié)束了都開始企圖請求獲取對方的資源，然后這兩個線程就會陷入互相等待的狀態(tài)，這也就產(chǎn)生了死鎖。

死鎖怎么產(chǎn)生？怎么避免？

死鎖產(chǎn)生的四個必要條件：

• 互斥：一個資源每次只能被一個進程使用

• 請求與保持：一個進程因請求資源而阻塞時，不釋放獲得的資源

• 不剝奪：進程已獲得的資源，在未使用之前，不能強行剝奪

• 循環(huán)等待：進程之間循環(huán)等待著資源

避免死鎖的方法：

• 互斥條件不能破壞，因為加鎖就是為了保證互斥
• 一次性申請所有的資源，避免線程占有資源而且在等待其他資源
• 占有部分資源的線程進一步申請其他資源時，如果申請不到，主動釋放它占有的資源
• 按序申請資源

進程調(diào)度策略有哪幾種？

• 先來先服務：非搶占式的調(diào)度算法，按照請求的順序進行調(diào)度。有利于長作業(yè)，但不利于短作業(yè)，因為短作業(yè)必須一直等待前面的長作業(yè)執(zhí)行完畢才能執(zhí)行，而長作業(yè)又需要執(zhí)行很長時間，造成了短作業(yè)等待時間過長。另外，對I/O密集型進程也不利，因為這種進程每次進行I/O操作之后又得重新排隊。

• 短作業(yè)優(yōu)先：非搶占式的調(diào)度算法，按估計運行時間最短的順序進行調(diào)度。長作業(yè)有可能會餓死，處于一直等待短作業(yè)執(zhí)行完畢的狀態(tài)。因為如果一直有短作業(yè)到來，那么長作業(yè)永遠得不到調(diào)度。

• 最短剩余時間優(yōu)先：最短作業(yè)優(yōu)先的搶占式版本，按剩余運行時間的順序進行調(diào)度。 當一個新的作業(yè)到達時，其整個運行時間與當前進程的剩余時間作比較。如果新的進程需要的時間更少，則掛起當前進程，運行新的進程。否則新的進程等待。

• 時間片輪轉(zhuǎn)：將所有就緒進程按 FCFS 的原則排成一個隊列，每次調(diào)度時，把 CPU 時間分配給隊首進程，該進程可以執(zhí)行一個時間片。當時間片用完時，由計時器發(fā)出時鐘中斷，調(diào)度程序便停止該進程的執(zhí)行，并將它送往就緒隊列的末尾，同時繼續(xù)把 CPU 時間分配給隊首的進程。

  時間片輪轉(zhuǎn)算法的效率和時間片的大小有很大關(guān)系：因為進程切換都要保存進程的信息并且載入新進程的信息，如果時間片太小，會導致進程切換得太頻繁，在進程切換上就會花過多時間。 而如果時間片過長，那么實時性就不能得到保證。

• 優(yōu)先級調(diào)度：為每個進程分配一個優(yōu)先級，按優(yōu)先級進行調(diào)度。為了防止低優(yōu)先級的進程永遠等不到調(diào)度，可以隨著時間的推移增加等待進程的優(yōu)先級。

進程有哪些狀態(tài)？

進程一共有5種狀態(tài)，分別是創(chuàng)建、就緒、運行（執(zhí)行）、終止、阻塞。

• 運行狀態(tài)就是進程正在CPU上運行。在單處理機環(huán)境下，每一時刻最多只有一個進程處于運行狀態(tài)。
• 就緒狀態(tài)就是說進程已處于準備運行的狀態(tài)，即進程獲得了除CPU之外的一切所需資源，一旦得到CPU即可運行。
• 阻塞狀態(tài)就是進程正在等待某一事件而暫停運行，比如等待某資源為可用或等待I/O完成。即使CPU空閑，該進程也不能運行。

運行態(tài)→阻塞態(tài)：往往是由于等待外設，等待主存等資源分配或等待人工干預而引起的。
阻塞態(tài)→就緒態(tài)：則是等待的條件已滿足，只需分配到處理器后就能運行。
運行態(tài)→就緒態(tài)：不是由于自身原因，而是由外界原因使運行狀態(tài)的進程讓出處理器，這時候就變成就緒態(tài)。例如時間片用完，或有更高優(yōu)先級的進程來搶占處理器等。
就緒態(tài)→運行態(tài)：系統(tǒng)按某種策略選中就緒隊列中的一個進程占用處理器，此時就變成了運行態(tài)。

操作系統(tǒng)里的內(nèi)存碎片怎么理解？

內(nèi)存碎片通常分為內(nèi)部碎片和外部碎片：

1. 內(nèi)部碎片是由于采用固定大小的內(nèi)存分區(qū)，當一個進程不能完全使用分給它的固定內(nèi)存區(qū)域時就會產(chǎn)生內(nèi)部碎片。通常內(nèi)部碎片難以完全避免
2. 外部碎片是由于某些未分配的連續(xù)內(nèi)存區(qū)域太小，以至于不能滿足任意進程的內(nèi)存分配請求，從而不能被進程利用的內(nèi)存區(qū)域。

有什么解決辦法？

現(xiàn)在普遍采取的內(nèi)存分配方式是段頁式內(nèi)存分配。將內(nèi)存分為不同的段，再將每一段分成固定大小的頁。通過頁表機制，使段內(nèi)的頁可以不必連續(xù)處于同一內(nèi)存區(qū)域。

虛擬內(nèi)存

虛擬存儲器就是具有請求調(diào)入功能，能從邏輯上對內(nèi)存容量加以擴充的一種存儲器系統(tǒng)，虛擬內(nèi)存有多次性，對換性和虛擬性三個特征，它可以將程序分多次調(diào)入內(nèi)存，使得在較小的用戶空間可以執(zhí)行較大的用戶程序，所以同時容納更多的進程并發(fā)執(zhí)行，從而提高系統(tǒng)的吞吐量。發(fā)生缺頁時可以調(diào)入一個段也可以調(diào)入一個頁，取決于內(nèi)存的存儲管理方式。虛擬性表示虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的映射。

Linux下，進程不能直接讀寫內(nèi)存物理地址，只能訪問【虛擬內(nèi)存地址】。操作系統(tǒng)會把虛擬內(nèi)存地址–>物理地址。

虛擬內(nèi)存解決有限的內(nèi)存空間加載較大應用程序的問題，根據(jù)需要在內(nèi)存和磁盤之間來回傳送數(shù)據(jù)。

通過段頁表的形式，虛擬內(nèi)存中取一段連續(xù)的內(nèi)存空間映射到主內(nèi)存中，主內(nèi)存空間的程序段可以不連續(xù) 。

什么是分頁？

把內(nèi)存空間劃分為大小相等且固定的塊，作為主存的基本單位。因為程序數(shù)據(jù)存儲在不同的頁面中，而頁面又離散的分布在內(nèi)存中，因此需要一個頁表來記錄映射關(guān)系，以實現(xiàn)從頁號到物理塊號的映射。

訪問分頁系統(tǒng)中內(nèi)存數(shù)據(jù)需要兩次的內(nèi)存訪問 (一次是從內(nèi)存中訪問頁表，從中找到指定的物理塊號，加上頁內(nèi)偏移得到實際物理地址；第二次就是根據(jù)第一次得到的物理地址訪問內(nèi)存取出數(shù)據(jù))。

什么是分段？

分頁是為了提高內(nèi)存利用率，而分段是為了滿足程序員在編寫代碼的時候的一些邏輯需求(比如數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)保護，動態(tài)鏈接等)。

分段內(nèi)存管理當中，地址是二維的，一維是段號，二維是段內(nèi)地址；其中每個段的長度是不一樣的，而且每個段內(nèi)部都是從0開始編址的。由于分段管理中，每個段內(nèi)部是連續(xù)內(nèi)存分配，但是段和段之間是離散分配的，因此也存在一個邏輯地址到物理地址的映射關(guān)系，相應的就是段表機制。

分頁和分段有什區(qū)別？

• 分頁對程序員是透明的，但是分段需要程序員顯式劃分每個段。
• 分頁的地址空間是一維地址空間，分段是二維的。
• 頁的大小不可變，段的大小可以動態(tài)改變。
• 分頁主要用于實現(xiàn)虛擬內(nèi)存，從而獲得更大的地址空間；分段主要是為了使程序和數(shù)據(jù)可以被劃分為邏輯上獨立的地址空間并且有助于共享和保護。

頁面置換算法

為什么要頁面置換：

因為應用程序是分多次裝入內(nèi)存的，所以運行到一定的時間，一定會發(fā)生缺頁。地址映射的過程中，如果頁面中發(fā)現(xiàn)要訪問的頁面不在內(nèi)存中，會產(chǎn)生缺頁中斷。此時操作系統(tǒng)必須在內(nèi)存里選擇一個頁面把他移出內(nèi)存，為即將調(diào)入的頁面讓出空間。選擇淘汰哪一頁的規(guī)則就是頁面置換算法

幾種頁面置換算法：

最佳置換算法（理想）：將當前頁面中在未來最長時間內(nèi)不會被訪問的頁置換出去

先進先出：淘汰最早調(diào)入的頁面

最近最久未使用 LRU：每個頁面有一個t來記錄上次頁面被訪問直到現(xiàn)在，每次置換時置換t值最大的頁面（用寄存器或棧實現(xiàn)）

時鐘算法clock（也被稱為最近未使用算法NRU）：頁面設置訪問為，將頁面鏈接為一個環(huán)形列表，每個頁有一個訪問位0/1, 1表示又一次獲救的機會，下次循環(huán)指針指向它時可以免除此次置換，但是會把訪問位置為0， 代表他下次如果碰到循環(huán)指針就該被置換了。頁面被訪問的時候訪問位設為1。頁面置換的時候，如果當前指針的訪問位為0，置換，否則將這個值置為0，循環(huán)直到遇到訪問位為0的頁面。

改進型Clock算法：在clock算法的基礎上添加一個修改位，優(yōu)先替換訪問位和修改位都是0的頁面，其次替換訪問位為0修改位為1的頁面。

最少使用算法LFU：設置寄存器記錄頁面被訪問次數(shù)，每次置換當前訪問次數(shù)最少的。

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)

內(nèi)核態(tài)：cpu可以訪問內(nèi)存的所有數(shù)據(jù)，包括外圍設備，例如硬盤，網(wǎng)卡，cpu也可以將自己從一個程序切換到另一個程序。

用戶態(tài)：只能受限的訪問內(nèi)存，且不允許訪問外圍設備，占用cpu的能力被剝奪，cpu資源可以被其他程序獲取。

最大的區(qū)別就是權(quán)限不同，在運行在用戶態(tài)下的程序不能直接訪問操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序。

為什么要有這兩種狀態(tài)？

內(nèi)核速度快但是資源有限，能控制的進程數(shù)不多，所以需要速度慢一些的用戶態(tài)協(xié)助，但是為了避免用戶態(tài)被惡意利用，所以限制了用戶態(tài)程序的權(quán)限。

需要限制不同的程序之間的訪問能力，防止他們獲取別的程序的內(nèi)存數(shù)據(jù)，或者獲取外圍設備的數(shù)據(jù)，并發(fā)送到網(wǎng)絡，CPU劃分出兩個權(quán)限等級 – 用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。

什么時候轉(zhuǎn)換

1、系統(tǒng)調(diào)用：

用戶進程主動發(fā)起的。用戶態(tài)進程通過系統(tǒng)調(diào)用申請使用操作系統(tǒng)提供的服務程序完成工作，比如fork()就是執(zhí)行一個創(chuàng)建新進程的系統(tǒng)調(diào)用

用戶程序使用系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用會轉(zhuǎn)換為內(nèi)核態(tài)并調(diào)用操作系統(tǒng)

2、發(fā)生異常：

會從當前運行進程切換到處理次此異常的內(nèi)核相關(guān)程序中

3、外圍設備的中斷：

所有程序都運行在用戶態(tài)，但在從硬盤讀取數(shù)據(jù)、或從鍵盤輸入時，這些事情只有操作系統(tǒng)能做，程序需要向操作系統(tǒng)請求以程序的名義來執(zhí)行這些操作。這個時候用戶態(tài)程序切換到內(nèi)核態(tài)。

什么是緩沖區(qū)溢出？有什么危害？

緩沖區(qū)溢出是指當計算機向緩沖區(qū)填充數(shù)據(jù)時超出了緩沖區(qū)本身的容量，溢出的數(shù)據(jù)覆蓋在合法數(shù)據(jù)上。

危害有以下兩點：

• 程序崩潰，導致拒絕額服務
• 跳轉(zhuǎn)并且執(zhí)行一段惡意代碼

造成緩沖區(qū)溢出的主要原因是程序中沒有仔細檢查用戶輸入。

IO多路復用

IO多路復用是指內(nèi)核一旦發(fā)現(xiàn)進程指定的一個或者多個IO條件準備讀取，它就通知該進程。IO多路復用適用如下場合：

• 當客戶處理多個描述字時（一般是交互式輸入和網(wǎng)絡套接口），必須使用I/O復用。
• 當一個客戶同時處理多個套接口時，而這種情況是可能的，但很少出現(xiàn)。
• 如果一個TCP服務器既要處理監(jiān)聽套接口，又要處理已連接套接口，一般也要用到I/O復用。
• 如果一個服務器即要處理TCP，又要處理UDP，一般要使用I/O復用。
• 如果一個服務器要處理多個服務或多個協(xié)議，一般要使用I/O復用。
• 與多進程和多線程技術(shù)相比，I/O多路復用技術(shù)的最大優(yōu)勢是系統(tǒng)開銷小，系統(tǒng)不必創(chuàng)建進程/線程，也不必維護這些進程/線程，從而大大減小了系統(tǒng)的開銷。

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