基础

概念

• 周转时间：指从作业进入系统开始，直至其完成并退出系统为止所经历额时间- 分时系统：一台计算机分时提供给多个用户同时使用

1. 硬实时任务：必须满足任务对截止时间的要求
2. 软实时任务，不严格

• windows是单用户多任务操作系统，linux是多用户多任务操作系统

• 操作系统的基本特征：并发、共享、虚拟、异步
• 并行是同一时刻发生，并发是在同一时间间隔内发生
• 进程是能独立运行并作为资源分配的基本单位
• 线程作为独立运行和独立调度的基本单位，基本上不拥有系统资源，所以调度开销小
• 进程的异步性：以不可预知的速度向前推进
• 调度包括作业调度（选择作业分配资源分别为它们建立进程），进程调度（选择进程分配CPU），中级调度（进程挂起解挂）
• 缓冲：解决CPU高速和I/O低速间的矛盾性

进程管理

• 进程实体：程序段、数据段、PCB
• PCB: 进程标识符、处理机状态、进程调度信息、进程控制信息
• 原语：若干条原子操作组成 ，原子操作是不可分割的基本单位，管态下执行，常驻内存
• 进程的创建：申请空白PCB，分配资源，初始化进程控制块，插入就绪队列
• 进程同步制约关系：1.间接制约关系（互斥，不知道对方是谁），2.直接制约关系（同步，知道对方的存在）
• 同步进制规则：空闲让进，忙则等待，有限等待，让权等待
• 信号量集：Swait(S,d1,d2); 需要不少于d1,减去d2个；Swait(S,1,1)和wait一样，Swait(S,1,0)是开关
• 管程：模块化，定义公共数据结构，如消息队列
• 高级进程通信机制：共享存储器系统（共享数据结构或者开辟内存区），消息传递系统，管道通信（1.互斥，2.同步，3.需要确定对方已存在）
• 消息传递通信的方法:1.直接通信方式,Send和Receive，2.间接通信方式，需要通过作为共享数据结构的实体，实体叫做信箱，信箱包括私用（用户创建），公用信箱（os创建），共享信箱（进程创建，指定共享进程的名称）

处理机调度和死锁

• 带权周转时间：周转时间与系统为它提供服务的时间之比
• 调度算法：先来先服务FCFS，短作业有限SJF，高优先权调度算法，高响应比优先调度，优先权为周转时间与要求服务时间的比值，时间片轮转调度
• 产生死锁的原因：竞争资源，进程间推进顺序不合理
• 死锁必要条件：互斥，请求和保持，不剥夺，环路等待
• 解决死锁：银行家算法
• 预防死锁：摒弃请求和保持，摒弃不剥夺，摒弃环路等待
• 程序的装入和链接：绝对装入，可重定位装入，动态运行时装入；静态链接，装入时动态链接，运行时动态链接
• 连续分配方式：单一连续分配，固定分区分配，动态分区分配
• 分区分配算法：首次适应算法（从首部开始找），循环首次适应算法（从开始找），最佳适应算法，最坏适应算法，快速适应算法
• 页面置换算法：最佳置换算法（选择未来最长时间不再访问的），最近最久未使用LRU（选择以前未访问时间最长的）

线程间的通信方式

锁机制：包括互斥锁、条件变量、读写锁

1. 互斥锁提供了以排他方式防止数据结构被并发修改的方法。

2. 读写锁允许多个线程同时读共享数据，而对写操作是互斥的。

条件变量可以以原子的方式阻塞进程，直到某个特定条件为真为止。对条件的测试是在互斥锁的保护下进行的。条件变量始终与互斥锁一起使用。 信号量机制(Semaphore)：包括无名线程信号量和命名线程信号量

信号机制(Signal)：类似进程间的信号处理

线程间的通信目的主要是用于线程同步，所以线程没有像进程通信中的用于数据交换的通信机制。

PCB结构

进程实体：程序段、数据段、PCB

PCB: 进程标识符、处理机状态、进程调度信息、进程控制信息

参考

但pcb还有一些复杂的

• 进程调度信息： 优先级
• 进程通信：与信号量相关的等待队列
• 进程链接：父子进程
• 时间和定时器：进程创建时间，时间片上剩余时间
• 文件系统信息：进程可以打开或关闭文件，文件属于系统资源，Linux 内核要对进程使用文件的情况进行记录
• 虚拟内存信息: 除了内核线程（Kernel Thread），每个进程都拥有自己的地址空间（也叫虚拟空间）
• 面管理信息: 当物理内存不足时，Linux 内存管理子系统需要把内存中的部分页面交换到外存，其交换是以页为单位的。

QA

用户态和内核态是如何切换的？

当应用程序执行系统调用时，CPU 将从用户态切换到内核态，进入内核空间执行相应的内核代码，然后再切换回用户态。

进程和线程的联系和区别？

进程是一个正在执行的程序实例。每个进程都有自己独立的地址空间、全局变量、堆栈、和文件描述符等资源。

线程是进程中的一个执行单元。一个进程可以包含多个线程，它们共享进程的地址空间和资源。

线程上下文切换了解吗？

这还得看线程是不是属于同⼀个进程：

• 当两个线程不是属于同⼀个进程，则切换的过程就跟进程上下⽂切换⼀样；
• 当两个线程是属于同⼀个进程，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据；

所以，线程的上下⽂切换相⽐进程，开销要⼩很多。

活锁和饥饿锁了解吗？

饥饿锁：

饥饿锁，这个饥饿指的是资源饥饿，某个线程一直等不到它所需要的资源，从而无法向前推进，就像一个人因为饥饿无法成长。

活锁：

在活锁状态下，处于活锁线程组里的线程状态可以改变，但是整个活锁组的线程无法推进。

活锁可以用两个人过一条很窄的小桥来比喻：为了让对方先过，两个人都往旁边让，但两个人总是让到同一边。这样，虽然两个人的状态一直在变化，但却都无法往前推进。

什么是快表？

同样利用了局部性原理，即在⼀段时间内，整个程序的执⾏仅限于程序中的某⼀部分。相应地，执⾏所访问的存储空间也局限于某个内存区域。

利⽤这⼀特性，把最常访问的⼏个⻚表项存储到访问速度更快的硬件，于是计算机科学家们，就在 CPU 芯⽚中，加⼊了⼀个专⻔存放程序最常访问的⻚表项的 Cache，这个 Cache 就是 TLB（Translation Lookaside Buffer） ，通常称为⻚表缓存、转址旁路缓存、快表等。

什么是缺页中断？

缺页中断（Page Fault）是虚拟内存管理的一个重要概念。当一个程序访问的页（页面）不在物理内存中时，就会发生缺页中断。操作系统需要从磁盘上的交换区（或页面文件）中将缺失的页调入内存。

零拷贝了解吗？

假如需要文件传输，使用传统 I/O，数据读取和写入是用户空间到内核空间来回赋值，而内核空间的数据是通过操作系统的 I/O 接口从磁盘读取或者写入，这期间发生了多次用户态和内核态的上下文切换，以及多次数据拷贝。

目的就是把磁盘文件数据 写到socket缓冲区里。

实现方式

• mmap + write

mmap() 系统调⽤函数会直接把内核缓冲区⾥的数据「映射」到⽤户空间，这样，操作系统内核与⽤户空间就不需要再进⾏任何的数据拷⻉操作。

• sendfile 新的方式

在 Linux 内核版本 2.1 中，提供了⼀个专⻔发送⽂件的系统调⽤函数 sendfile() 。

⾸先，它可以替代前⾯的 read() 和 write() 这两个系统调⽤，这样就可以减少⼀次系统调⽤，也就减少了 2 次上下⽂切换的开销。

其次，该系统调⽤，可以直接把内核缓冲区⾥的数据拷⻉到 socket 缓冲区⾥，不再拷⻉到⽤户态，这样就只有 2 次上下⽂切换，和 3 次数据拷⻉。

linux进程SIGCHLD信号

当一个子进程改变了它的状态时（停止运行，继续运行或者退出），有两件事会发生在父进程中：

• 得到 SIGCHLD 信号；
• waitpid() 或者 wait() 调用会返回。

其中子进程发送的 SIGCHLD 信号包含了子进程的信息，比如进程 ID、进程状态、进程使用 CPU 的时间等。

在子进程退出时，它的进程描述符不会立即释放，这是为了让父进程得到子进程信息，父进程通过 wait() 和 waitpid() 来获得一个已经退出的子进程的信息。

孤儿进程

一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么这些子进程将成为孤儿进程。

孤儿进程将被 init 进程（进程号为 1）所收养，并由 init 进程对它们完成状态收集工作。

由于孤儿进程会被 init 进程收养，所以孤儿进程不会对系统造成危害。

僵尸进程

一个子进程的进程描述符在子进程退出时不会释放，只有当父进程通过 wait() 或 waitpid() 获取了子进程信息后才会释放。如果子进程退出，而父进程并没有调用 wait() 或 waitpid()，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中，这种进程称之为僵尸进程。

僵尸进程通过 ps 命令显示出来的状态为 Z（zombie）。

系统所能使用的进程号是有限的，如果产生大量僵尸进程，将因为没有可用的进程号而导致系统不能产生新的进程。

要消灭系统中大量的僵尸进程，只需要将其父进程杀死，此时僵尸进程就会变成孤儿进程，从而被 init 进程所收养，这样 init 进程就会释放所有的僵尸进程所占有的资源，从而结束僵尸进程。

中断分类

1. 外中断

由 CPU 执行指令以外的事件引起，如 I/O 完成中断，表示设备输入/输出处理已经完成，处理器能够发送下一个输入/输出请求。此外还有时钟中断、控制台中断等。

2. 异常

由 CPU 执行指令的内部事件引起，如非法操作码、地址越界、算术溢出等。

3. 陷入

在用户程序中使用系统调用。