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。
什么是进程和线程？
进程（Process） 是指计算机中正在运行的一个程序实例。举例：你打开的微信就是一个进程。
线程（Thread） 也被称为轻量级进程，更加轻量。多个线程可以在同一个进程中同时执行，并且共享进程的资源比如内存空间、文件句柄、网络连接等。举例：你打开的微信里就有一个线程专门用来拉取别人发你的最新的消息。
进程和线程的区别
线程是进程划分成的更小的运行单位,一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。
线程和进程最大的不同在于基本上各进程是独立的，而各线程则不一定，因为同一进程中的线程极有可能会相互影响。
线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反
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
为什么要使用多线程？
从计算机底层来说： 线程可以比作是轻量级的进程，是程序执行的最小单位,线程间的切换和调度的成本远远小于进程。另外，多核 CPU 时代意味着多个线程可以同时运行，这减少了线程上下文切换的开销。
从当代互联网发展趋势来说： 现在的系统动不动就要求百万级甚至千万级的并发量，而多线程并发编程正是开发高并发系统的方法，利用好多线程机制可以大大提高系统整体的并发能力以及性能。
再深入到计算机底层来探讨：
- 在单核时代：多线程主要是为了提高单进程利用 CPU 和 IO 系统的效率。 举个例子：当我们请求 IO 的时候，如果 Java 进程中只有一个线程，此线程被 IO 阻塞则整个进程被阻塞。CPU 和 IO 设备只有一个在运行，那么可以简单地说系统整体效率只有 50%。当使用多线程的时候，一个线程被 IO 阻塞，其他线程还可以继续使用 CPU。从而提高了 Java 进程利用系统资源的整体效率。
- 在多核时代：多线程主要是为了提高进程利用多核 CPU 的能力。举个例子：假如我们要计算一个复杂的任务，我们只用一个线程的话，不论系统有几个 CPU 核心，都只会有一个 CPU 核心被利用到。而创建多个线程，这些线程可以被映射到底层多个 CPU 上执行，在任务中的多个线程没有资源竞争的情况下，任务执行的效率会有显著性的提高，约等于（单核时执行时间/CPU 核心数）。
线程间的同步的方式有哪些？
线程同步是两个或多个共享关键资源的线程的并发执行。应该同步线程以避免关键的资源使用冲突。下面是几种常见的线程同步的方式：
- 互斥锁(Mutex) ：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。比如 Java 中的
synchronized关键词和各种 Lock 都是这种机制。 - 读写锁（Read-Write Lock） ：允许多个线程同时读取共享资源，但只有一个线程可以对共享资源进行写操作。
- 信号量(Semaphore) ：它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量。
- 屏障（Barrier） ：屏障是一种同步原语，用于等待多个线程到达某个点再一起继续执行。当一个线程到达屏障时，它会停止执行并等待其他线程到达屏障，直到所有线程都到达屏障后，它们才会一起继续执行。比如 Java 中的
CyclicBarrier是这种机制。 - 事件(Event) : Wait/Notify：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便地实现多线程优先级的比较操作。
PCB 是什么？包含哪些信息？
PCB（进程控制块） 即进程控制块，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。你可以将 PCB 视为进程的大脑。当操作系统创建一个新进程时，会为该进程分配一个唯一的进程 ID，并且为该进程创建一个对应的进程控制块。当进程执行时，PCB 中的信息会不断变化，操作系统会根据这些信息来管理和调度进程。
PCB 主要包含下面几部分的内容：
- 进程的描述信息，包括进程的名称、标识符等等；
- 进程的调度信息，包括进程阻塞原因、进程状态（就绪、运行、阻塞等）、进程优先级（标识进程的重要程度）等等；
- 进程对资源的需求情况，包括 CPU 时间、内存空间、I/O 设备等等。
- 进程打开的文件信息，包括文件描述符、文件类型、打开模式等等。
- 处理机的状态信息（由处理机的各种寄存器中的内容组成的），包括通用寄存器、指令计数器、程序状态字 PSW、用户栈指针。
进程有哪几种状态？
- 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。
进程间的通信方式有哪些？
- 管道/匿名管道(Pipes) ：用于具有亲缘关系的父子进程间或者兄弟进程之间的通信。
- 有名管道(Named Pipes) : 匿名管道由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信。为了克服这个缺点，提出了有名管道。有名管道严格遵循 先进先出(First In First Out) 。有名管道以磁盘文件的方式存在，可以实现本机任意两个进程通信。
- 信号(Signal) ：信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生；
- 消息队列(Message Queuing) ：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。
- 信号量(Semaphores) ：信号量是一个计数器，用于多进程对共享数据的访问，信号量的意图在于进程间同步。这种通信方式主要用于解决与同步相关的问题并避免竞争条件。
- 共享内存(Shared memory) ：使得多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据的更新。这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等。
- 套接字(Sockets) : 此方法主要用于在客户端和服务器之间通过网络进行通信。套接字是支持 TCP/IP 的网络通信的基本操作单元，可以看做是不同主机之间的进程进行双向通信的端点。
进程的调度算法有哪些？
- 先到先服务调度算法(FCFS，First Come, First Served) : 从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程为之分配资源，使它立即执行并一直执行到完成或发生某事件而被阻塞放弃占用 CPU 时再重新调度。
- 短作业优先的调度算法(SJF，Shortest Job First) : 从就绪队列中选出一个估计运行时间最短的进程为之分配资源，使它立即执行并一直执行到完成或发生某事件而被阻塞放弃占用 CPU 时再重新调度。
- 时间片轮转调度算法（RR，Round-Robin） : 时间片轮转调度是一种最古老，最简单，最公平且使用最广的算法。每个进程被分配一个时间段，称作它的时间片，即该进程允许运行的时间。
- 多级反馈队列调度算法（MFQ，Multi-level Feedback Queue）：前面介绍的几种进程调度的算法都有一定的局限性。如短进程优先的调度算法，仅照顾了短进程而忽略了长进程 。多级反馈队列调度算法既能使高优先级的作业得到响应又能使短作业（进程）迅速完成，因而它是目前被公认的一种较好的进程调度算法，UNIX 操作系统采取的便是这种调度算法。
- 优先级调度算法（Priority）：为每个流程分配优先级，首先执行具有最高优先级的进程，依此类推。具有相同优先级的进程以 FCFS 方式式。可以根据内存要求，时间要求或任何其他资源要求来确定优先级。
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。
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。
什么是死锁？
死锁（Deadlock） 描述的是这样一种情况：多个进程/线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。由于进程/线程被无限期地阻塞，因此程序不可能正常终止。
能列举一个操作系统发生死锁的例子吗？
假设有两个进程 A 和 B，以及两个资源 X 和 Y，它们的分配情况如下：
| 进程 | 占用资源 | 需求资源 |
|---|---|---|
| A | X | Y |
| B | Y | X |
此时，进程 A 占用资源 X 并且请求资源 Y，而进程 B 已经占用了资源 Y 并请求资源 X。两个进程都在等待对方释放资源，无法继续执行，陷入了死锁状态。
产生死锁的四个必要条件是什么？
- 互斥：资源必须处于非共享模式，即一次只有一个进程可以使用。如果另一进程申请该资源，那么必须等待直到该资源被释放为止。
- 占有并等待：一个进程至少应该占有一个资源，并等待另一资源，而该资源被其他进程所占有。
- 非抢占：资源不能被抢占。只能在持有资源的进程完成任务后，该资源才会被释放。
- 循环等待：有一组等待进程 {P0, P1,…, Pn}， P0 等待的资源被 P1 占有，P1 等待的资源被 P2 占有，……，Pn-1 等待的资源被 Pn 占有，Pn 等待的资源被 P0 占有。
注意 ⚠️：这四个条件是产生死锁的 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。
解决死锁的方法？
解决死锁的方法可以从多个角度去分析，一般的情况下，有预防，避免，检测和解除四种。
- 预防：是采用某种策略，限制并发进程对资源的请求，从而使得死锁的必要条件在系统执行的任何时间上都不满足。
- 避免：是系统在分配资源时，根据资源的使用情况提前做出预测，从而避免死锁的发生。
- 检测：是指系统设有专门的机构，当死锁发生时，该机构能够检测死锁的发生，并精确地确定与死锁有关的进程和资源。
- 解除：是与检测相配套的一种措施，用于将进程从死锁状态下解脱出来。
死锁的预防
只要破坏四个必要条件中的任何一个就能够预防死锁的发生。
- 静态分配策略：静态分配策略可以破坏死锁产生的第二个条件（占有并等待）。所谓静态分配策略，就是指一个进程必须在执行前就申请到它所需要的全部资源，并且知道它所要的资源都得到满足之后才开始执行。进程要么占有所有的资源然后开始执行，要么不占有资源，不会出现占有一些资源等待一些资源的情况。
- 层次分配策略：层次分配策略破坏了产生死锁的第四个条件(循环等待)。在层次分配策略下，所有的资源被分成了多个层次，一个进程得到某一层次的一个资源后，它只能再申请较高一层的资源；当一个进程要释放某层的一个资源时，必须先释放所占用的较高层的资源，按这种策略，是不可能出现循环等待链的。
死锁的避免
死锁的避免：允许系统中同时存在四个必要条件，根据并发进程中与每个进程有关的资源动态申请情况，做出 明智和合理的选择 ，仍然可以避免死锁
- 将系统的状态分为 安全状态 和 不安全状态 ，每当在为申请者分配资源前先测试系统状态，若把系统资源分配给申请者会产生死锁，则拒绝分配，否则接受申请，并为它分配资源。
银行家算法：当一个进程申请使用资源的时候，银行家算法 通过先 试探 分配给该进程资源，然后通过 安全性算法 判断分配后系统是否处于安全状态，若不安全则试探分配作废，让该进程继续等待，若能够进入到安全的状态，则就 真的分配资源给该进程。
死锁检测和解除
这种方法对资源的分配不加以任何限制，也不采取死锁避免措施，但系统 定时地运行一个 死锁检测 的程序，判断系统内是否出现死锁，如果检测到系统发生了死锁，再采取措施去解除它。
进程-资源分配图：操作系统中的每一刻时刻的系统状态都可以用进程-资源分配图来表示，进程-资源分配图是描述进程和资源申请及分配关系的一种有向图，可用于检测系统是否处于死锁状态。
死锁检测步骤
- 如果进程-资源分配图中无环路，则此时系统没有发生死锁。
- 如果进程-资源分配图中有环路，且每个资源类仅有一个资源，则系统中已经发生了死锁。
- 如果进程-资源分配图中有环路，且涉及到的资源类有多个资源，此时系统未必会发生死锁。如果能在进程-资源分配图中找出一个 既不阻塞又非独立的进程 ，该进程能够在有限的时间内归还占有的资源，也就是把边给消除掉了，重复此过程，直到能在有限的时间内 消除所有的边 ，则不会发生死锁，否则会发生死锁。(消除边的过程类似于 拓扑排序)
死锁的解除
当死锁检测程序检测到存在死锁发生时，应设法让其解除，让系统从死锁状态中恢复过来，常用的解除死锁的方法有以下四种：
- 立即结束所有进程的执行，重新启动操作系统：这种方法简单，但以前所在的工作全部作废，损失很大。
- 撤销涉及死锁的所有进程，解除死锁后继续运行：这种方法能彻底打破死锁的循环等待条件，但将付出很大代价。
- 逐个撤销涉及死锁的进程，回收其资源直至死锁解除。
- 抢占资源：从涉及死锁的一个或几个进程中抢占资源，把夺得的资源再分配给涉及死锁的进程直至死锁解除。
内存管理
操作系统的内存管理主要做了什么？
操作系统的内存管理非常重要，主要负责下面这些事情：
- 内存的分配与回收：对进程所需的内存进行分配和释放，
malloc函数：申请内存，free函数：释放内存。 - 地址转换：将程序中的虚拟地址转换成内存中的物理地址。
- 内存扩充：当系统没有足够的内存时，利用虚拟内存技术或自动覆盖技术，从逻辑上扩充内存。
- 内存映射：将一个文件直接映射到进程的进程空间中，这样可以通过内存指针用读写内存的办法直接存取文件内容，速度更快。
- 内存优化：通过调整内存分配策略和回收算法来优化内存使用效率。
- 内存安全：保证进程之间使用内存互不干扰，避免一些恶意程序通过修改内存来破坏系统的安全性。
什么是内存碎片？
内存碎片 是由内存的申请和释放产生的，通常分为下面两种：
- 内部内存碎片(Internal Memory Fragmentation)：已经分配给进程但未被使用的内存。导致内部内存碎片的主要原因是，当采用固定比例比如 2 的幂次方进行内存分配时，进程所分配的内存可能会比其实际所需要的大。
- 外部内存碎片(External Memory Fragmentation)：由于未分配的连续内存区域太小，以至于不能满足任意进程所需要的内存分配请求，这些小片段且不连续的内存空间被称为外部内存碎片。也就是说，外部内存碎片指的是那些并未分配给进程但又不能使用的内存。
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。
连续内存管理
- 块式管理：是早期计算机操作系统的一种连续内存管理方式，存在严重的内存碎片问题。块式式会将内存分为几个固定大小的块，每个块中只包含一个进程。如果程序运行需要内存的话，操作系统就分配给它一块，如果程序运行只需要很小的空间的话，分配的这块内存很大一部分几乎被浪费了。这些在每个块中未被利用的空间，我们称之为内部内存碎片。除了内部内存碎片之外，由于两个内存块之间可能还会有外部内存碎片，这些不连续的外部内存碎片由于太小了无法再进行分配。
- 伙伴系统（Buddy System）：在 Linux 系统中，连续内存管理采用了伙伴系统算法来实现，这是一种经典的内存分配算法，可以有效解决外部内存碎片的问题。伙伴系统的主要思想是将内存按 2 的幂次划分，并将相邻的内存块组合成一对伙伴。
- SLAB：对于内部内存碎片的问题，Linux 采用 SLAB 进行解决。
非连续内存管理
- 段式管理：以段的形式管理/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。
虚拟内存
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。
虚拟内存的作用
- 隔离进程：物理内存通过虚拟地址空间访问，虚拟地址空间与进程一一对应。每个进程都认为自己拥有了整个物理内存，进程之间彼此隔离。
- 提升物理内存利用率：操作系统只需要将进程当前正在使用的部分数据或指令加载入物理内存。
- 简化内存管理：程序员不用和真正的物理内存打交道，而是借助虚拟地址空间访问物理内存。
- 多个进程共享物理内存：进程在运行过程中，会加载许多操作系统的动态库，这些库对于每个进程而言都是公用的。
- 提高内存使用安全性：控制进程对物理内存的访问，隔离不同进程的访问权限。
- 提供更大的可使用内存空间：允许程序拥有超过系统物理内存大小的可用内存空间。
没有虚拟内存有什么问题？
- 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。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，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。
分段机制（Segmentation）
分段机制以段(一段连续的物理内存)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。
段表有什么用？地址翻译过程
段表 用于存储每个段的基地址和段长度，是实现地址翻译的关键数据结构。
分页机制（Paging）
分页机制把主存（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。现代操作系统广泛采用分页机制。
常见的页面置换算法有哪些？
- 最佳页面置换算法（OPT，Optimal）：选择在最长时间内不再被访问的页面予以淘汰。
- 先进先出页面置换算法（FIFO，First In First Out） : 总是淘汰最先进入内存的页面。
- 最近最久未使用页面置换算法（LRU ，Least Recently Used）：选择现有页面中最近最久未使用的页面予以淘汰。
- 最少使用页面置换算法（LFU，Least Frequently Used） : 选择之前一段时间内使用最少的页面作为淘汰页。
- 时钟页面置换算法（Clock）：逐出的页面都是最近没有使用的那个。
FIFO 页面置换算法性能为何不好？
主要原因主要有二：
- 经常访问或者需要长期存在的页面会被频繁调入调出：较早调入的页往往是经常被访问或者需要长期存在的页。
- 存在 Belady 现象：被置换的页面并不是进程不会访问的，有时就会出现分配的页面数增多但缺页率反而提高的异常现象。
哪一种页面置换算法实际用的比较多？
LRU 算法：实际使用中应用的比较多，也被认为是最接近 OPT 的页面置换算法
局部性原理
局部性原理 指的是在程序执行过程中，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。
- 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。
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