【问+答】操作系统知识要点总结

1.进程与线程的区别?

进程是执行着的应用程序,而线程是进程内部的一个执行序列。一个进程可以有多个线程。线程又叫做轻量级进程。
线程与进程的区别归纳
a.地址空间和其它资源:进程间相互独立,同一进程的各线程间共享。某进程内的线程在其它进程不可见。
b.通信:进程间通信IPC,线程间可以直接读写进程数据段(如全局变量)来进行通信——需要进程同步和互斥手段的辅助,以保证数据的一致性。
c.调度和切换:线程上下文切换比进程上下文切换要快得多。
d.在多线程OS中,进程不是一个可执行的实体。

2.进程有哪几种状态?

就绪状态:进程已获得除处理机以外的所需资源,等待分配处理机资源;
运行状态:占用处理机资源运行,处于此状态的进程数小于等于CPU数;
阻塞状态: 进程等待某种条件,在条件满足之前无法执行;

3.线程有几种状态?  
 
在 Java虚拟机 中,线程从最初的创建到最终的消亡,要经历若干个状态:创建(new)、就绪(runnable/start)、运行(running)、阻塞(blocked)、等待(waiting)、时间等待(time waiting) 和消亡(dead/terminated)。在给定的时间点上,一个线程只能处于一种状态。

4.进程间的通信方式

管道(pipe)及命名管道(named pipe):管道可用于具有亲缘关系的父子进程间的通信,命名管道除了具有管道所具有的功能外,它还允许无亲缘关系进程间的通信;
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:消息队列是消息的链接表,它克服了上两种通信方式中信号量有限的缺点,具有写权限得进程可以按照一定得规则向消息队列中添加新信息;对消息队列有读权限得进程则可以从消息队列中读取信息;
共享内存:可以说这是最有用的进程间通信方式。它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得更新。这种方式需要依靠某种同步操作,如互斥锁和信号量等;
信号量:主要作为进程之间及同一种进程的不同线程之间得同步和互斥手段;
套接字:这是一种更为一般得进程间通信机制,它可用于网络中不同机器之间的进程间通信,应用非常广泛。

5.线程同步的方式

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

6.死锁

所谓死锁是指多个进程因竞争资源而造成的一种僵局(互相等待),若无外力作用,这些进程都将无法向前推进。死锁产生的4个必要条件:
互斥条件:进程要求对所分配的资源(如打印机)进行排他性控制,即在一段时间内某 资源仅为一个进程所占有。此时若有其他进程请求该资源,则请求进程只能等待。
不剥夺条件:进程所获得的资源在未使用完毕之前,不能被其他进程强行夺走,即只能 由获得该资源的进程自己来释放(只能是主动释放)。
请求和保持条件:进程已经保持了至少一个资源,但又提出了新的资源请求,而该资源 已被其他进程占有,此时请求进程被阻塞,但对自己已获得的资源保持不放。
循环等待条件:存在一种进程资源的循环等待链,链中每一个进程已获得的资源同时被 链中下一个进程所请求。

7.死锁处理

一种非常简单的避免死锁的方式就是:指定获取锁的顺序,并强制线程按照指定的顺序获取锁。因此,如果所有的线程都是以同样的顺序加锁和释放锁,就不会出现死锁了。

死锁的处理策略:预防策略、避免策略、检测与恢复策略

8.分页和分段

段式存储管理是一种符合用户视角的内存分配管理方案。在段式存储管理中,将程序的地址空间划分为若干段(segment),如代码段,数据段,堆栈段;这样每个进程有一个二维地址空间,相互独立,互不干扰。段式管理的优点是:没有内碎片(因为段大小可变,改变段大小来消除内碎片)。但段换入换出时,会产生外碎片(比如4k的段换5k的段,会产生1k的外碎片)   
页式存储管理方案是一种用户视角内存与物理内存相分离的内存分配管理方案。在页式存储管理中,将程序的逻辑地址划分为固定大小的页(page),而物理内存划分为同样大小的帧,程序加载时,可以将任意一页放入内存中任意一个帧,这些帧不必连续,从而实现了离散分离。页式存储管理的优点是:没有外碎片(因为页的大小固定),但会产生内碎片(一个页可能填充不满)。

两者的不同点:
目的不同:分页是由于系统管理的需要而不是用户的需要,它是信息的物理单位;分段的目的是为了能更好地满足用户的需要,它是信息的逻辑单位,它含有一组其意义相对完整的信息;

大小不同:页的大小固定且由系统决定,而段的长度却不固定,由其所完成的功能决定;

地址空间不同: 分页的作业的地址空间是一维的,程序员只需要利用一个记忆符,即可表示一个地址。分段的作业地址空间则是二维的,程序员在标识一个地址时,既需要给出段名,又需要给出段的地址值。

信息共享不同:段是信息的逻辑单位,便于存储保护和信息的共享,页的保护和共享受到限制;

内存碎片不同:页式存储管理的优点是没有外碎片(因为页的大小固定),但会产生内碎片(一个页可能填充不满);而段式管理的优点是没有内碎片(因为段大小可变,改变段大小来消除内碎片)。但段换入换出时,会产生外碎片(比如4k的段换5k的段,会产生1k的外碎片)。

9.进程调度策略

(1)先来先服务(FCFS,First-Come-First-Served): 此算法的原则是按照作业到达后备作业队列(或进程进入就绪队列)的先后次序来选择作业(或进程)。

(2)短作业优先(SJF,Shortest Process Next):这种调度算法主要用于作业调度,它从作业后备队列中挑选所需运行时间(估计值)最短的作业进入主存运行。

(3)时间片轮转调度算法(RR,Round-Robin):当某个进程执行的时间片用完时,调度程序便停止该进程的执行,并将它送就绪队列的末尾,等待分配下一时间片再执行。然后把处理机分配给就绪队列中新的队首进程,同时也让它执行一个时间片。这样就可以保证就绪队列中的所有进程,在一给定的时间内,均能获得一时间片处理机执行时间。

(4)高响应比优先(HRRN,Highest Response Ratio Next): 按照高响应比((已等待时间+要求运行时间)/ 要求运行时间)优先的原则,在每次选择作业投入运行时,先计算此时后备作业队列中每个作业的响应比RP然后选择其值最大的作业投入运行。

(5)优先权调度算法(Priority): 按照进程的优先权大小来调度,使高优先权进程得到优先处理的调度策略称为优先权调度算法。

(6) 多级队列调度算法:多队列调度是根据作业的性质和类型的不同,将就绪队列再分为若干个子队列,所有的作业(或进程)按其性质排入相应的队列中,而不同的就绪队列采用不同的调度算法。

10.虚拟内存

虚拟内存,虚拟内存是一种内存管理技术,它会使程序自己认为自己拥有一块很大且连续的内存,然而,这个程序在内存中不是连续的,并且有些还会在磁盘上,在需要时进行数据交换。

优点:可以弥补物理内存大小的不足;一定程度的提高反应速度;减少对物理内存的读取从而保护内存延长内存使用寿命;

缺点:占用一定的物理硬盘空间;加大了对硬盘的读写;设置不得当会影响整机稳定性与速度。

虚拟地址空间是对于一个单一进程的概念,这个进程看到的将是地址从0000开始的整个内存空间。虚拟存储器是一个抽象概念,它为每一个进程提供了一个假象,好像每一个进程都在独占的使用主存。每个进程看到的存储器都是一致的,称为虚拟地址空间。从最低的地址看起:程序代码和数据,堆,共享库,栈,内核虚拟存储器。大多数计算机的字长都是32位,这就限制了虚拟地址空间为4GB。

11.页面置换算法

(1)最佳置换算法(Optimal):即选择那些永不使用的,或者是在最长时间内不再被访问的页面置换出去。(它是一种理想化的算法,性能最好,但在实际上难于实现)。

(2)先进先出置换算法FIFO:该算法总是淘汰最先进入内存的页面,即选择在内存中驻留时间最久的页面予以淘汰。

(3)最近最久未使用置换算法LRU(Least Recently Used):该算法是选择最近最久未使用的页面予以淘汰,系统在每个页面设置一个访问字段,用以记录这个页面自上次被访问以来所经历的时间T,当要淘汰一个页面时,选择T最大的页面。

(4)Clock置换算法:也叫最近未用算法NRU(Not RecentlyUsed)。该算法为每个页面设置一位访问位,将内存中的所有页面都通过链接指针链成一个循环队列。当某页被访问时,其访问位置“1”。在选择一页淘汰时,就检查其访问位,如果是“0”,就选择该页换出;若为“1”,则重新置为“0”,暂不换出该页,在循环队列中检查下一个页面,直到访问位为“0”的页面为止。由于该算法只有一位访问位,只能用它表示该页是否已经使用过,而置换时是将未使用过的页面换出去,所以把该算法称为最近未用算法。

(5)最少使用置换算法LFU:该算法选择最近时期使用最少的页面作为淘汰页。

12.孤儿进程和僵尸进程

一般情况下,子进程是由父进程创建,而子进程和父进程的退出是无顺序的,两者之间都不知道谁先退出。

正常情况下父进程先结束会调用 wait 或者 waitpid 函数等待子进程完成再退出,而一旦父进程不等待直接退出,则剩下的子进程会被init(pid=1)进程接收,成会孤儿进程。(进程树中除了init都会有父进程)。

如果子进程先退出了,父进程还未结束并且没有调用 wait 或者 waitpid 函数获取子进程的状态信息,则子进程残留的状态信息( task_struct 结构和少量资源信息)会变成僵尸进程

子进程退出时向父进程发送SIGCHILD信号,父进程处理SIGCHILD信号。在信号处理函数中调用wait进行处理僵尸进程。 原理是将子进程成为孤儿进程,从而其的父进程变为init进程,通过init进程可以处理僵尸进程。

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