操作系统知识点整理（1）

1、进程有哪几种状态，及导致转换的事件？

进程在其生存期内可能处于如下三种基本状态之一：

1）运行态(Run)：进程占有处理机资源，正在运行。 显然，在单处理机系统中任一时刻只能有一个进程处于此种状态。

2）就绪态(Ready)：进程本身具备运行条件，但由于处理机的个数少于可运行进程的个数，暂未投入运行。 即相当于等待处理机资源。

3）等待态(Wait)：也称挂起态、封锁态、睡眠态。 进程本身不具备运行条件，即使分给它处理机也不能运行。 进程正等待某一个事件的发生，如等待某一资源被释放，等待与该进程相关的I/O传输的完成信号等。

进程的三个基本状态之间是可以相互转换的。具体地说，当一个就绪进程获得处理机时，其状态由就绪变为运行；当一个运行进程被剥夺处理机时，如用完系统分给它的时间片、出现更高优先级别的其它进程，其状态由运行变为就绪；当一个运行进程因某事件受阻时，如所申请资源被占用、启动I/O传输未完成，其状态由运行变为等待；当所等待事件发生时，如得到申请资源、I/O传输完成，其状态由等待变为就绪。

2、进程和线程的联系和区别？

进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

线程是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位，他是比进程更小的能独立运行的基本单位，线程自己基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源（如程序计数器，一组寄存器和栈），一个线程可以创建和撤销另一个线程；

进程和线程的关系：

（1）一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。

（2）资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。

（3）线程在执行过程中，需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步。

（4）处理机分给线程，即真正在处理机上运行的是线程。

（5）线程是指进程内的一个执行单元，也是进程内的可调度实体。

线程与进程的区别：

（1）调度：线程作为调度和分配的基本单位，进程作为拥有资源的基本单位。

（2）并发性：不仅进程之间可以并发执行，同一个进程的多个线程之间也可以并发执行。

（3）拥有资源：进程是拥有资源的一个独立单位，线程不拥有系统资源，但可以访问隶属于进程的资源。

（4）系统开销：在创建或撤销进程的时候，由于系统都要为之分配和回收资源，导致系统的明显大于创建或撤销线程时的开销。但进程有独立的地址空间，进程崩溃后，在保护模式下不会对其他的进程产生影响，而线程只是一个进程中的不同的执行路径。线程有自己的堆栈和局部变量，但线程之间没有单独的地址空间，一个线程死掉就等于整个进程死掉，所以多进程的程序要比多线程的程序健壮，但是在进程切换时，耗费的资源较大，效率要差些。

3、进程通信的几种方式？

由于内存管理的一些机制，导致两个进程间并不能直接的进行通信(在独立的用户空间)，因此我们需要利用一些介质来完成两个进程之间的通信。以下是常用的进程间通信方式。

# 管道( pipe )：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。

# 有名管道 (named pipe) ： 有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。

# 信号量( semophore ) ： 信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

# 消息队列( message queue ) ： 消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

# 信号 ( sinal ) ： 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。

# 共享内存( shared memory ) ：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号两，配合使用，来实现进程间的同步和通信。

# 套接字( socket ) ： 套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同及其间的进程通信。

4、线程同步的四种常用方式?

1、 临界区（CCriticalSection）

当多个线程访问一个独占性共享资源时，可以使用临界区对象。拥有临界区的线程可以访问被保护起来的资源或代码段，其他线程若想访问，则被挂起，直到拥有临界区的线程放弃临界区为止。具体应用方式：

1）定义临界区对象CcriticalSection g_CriticalSection;

2）在访问共享资源（代码或变量）之前，先获得临界区对象，g_CriticalSection.Lock（）；

3）访问共享资源后，则放弃临界区对象，g_CriticalSection.Unlock（）；

2、 事件（CEvent）

事件机制，则允许一个线程在处理完一个任务后，主动唤醒另外一个线程执行任务。比如在某些网络应用程序中，一个线程如A负责侦听通信端口，另外一个线程B负责更新用户数据，利用事件机制，则线程A可以通知线程B何时更新用户数据。每个Cevent对象可以有两种状态：有信号状态和无信号状态。Cevent类对象有两种类型：人工事件和自动事件。

自动事件对象，在被至少一个线程释放后自动返回到无信号状态；

人工事件对象，获得信号后，释放可利用线程，但直到调用成员函数ReSet()才将其设置为无信号状态。在创建Cevent对象时，默认创建的是自动事件。

CEvent(BOOL bInitiallyOwn=FALSE,

BOOL bManualReset=FALSE,

LPCTSTR lpszName=NULL,

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsaAttribute=NULL);

--bInitiallyOwn：指定事件对象初始化状态，TRUE为有信号，FALSE为无信号；

--bManualReset：指定要创建的事件是属于人工事件还是自动事件。TRUE为人工事件，FALSE为自动事件；

后两个参数一般设为NULL，在此不作过多说明。

3、 互斥量（CMutex）

互斥对象和临界区对象非常相似，只是其允许在进程间使用，而临界区只限制与同一进程的各个线程之间使用，

但是更节省资源，更有效率。

4、 信号量（CSemphore）

当需要一个计数器来限制可以使用某共享资源的线程数目时，可以使用“信号量”对象。CSemaphore类对象保存了对当前访问某一个指定资源的线程的计数值，该计数值是当前还可以使用该资源的线程数目。如果这个计数达到了零，则所有对这个CSemaphore类对象所控制的资源的访问尝试都被放入到一个队列中等待，直到超时或计数值不为零为止。

CSemaphore(

LONG lInitialCount = 1,

LONG lMaxCount = 1,

LPCTSTR pstrName = NULL,

LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsaAttributes = NULL );

--lInitialCount:信号量对象的初始计数值，即可访问线程数目的初始值；

--lMaxCount：信号量对象计数值的最大值，该参数决定了同一时刻可访问由信号量保护的资源的线程最大数目；

后两个参数在同一进程中使用一般为NULL，不作过多讨论；

一般是将当前可用资源计数设置为最大资源计数，每增加一个线程对共享资源的访问，当前可用资源计数就减1，只要当前可用资源计数大于0，就可以发出信号量信号。如果为0，则放入一个队列中等待。线程在处理完共享资源后，应在离开的同时通过ReleaseSemaphore（）函数将当前可用资源数加1。

BOOL ReleaseSemaphore(

HANDLE hSemaphore, // hSemaphore:信号量句柄

　　　　　LONG lReleaseCount, // lReleaseCount：信号量计数值

LPLONG lpPreviousCount); // 参数一般为NULL

5、用户线程与内核线程的区别？

1）内核线程建立和销毁都是由操作系统负责、通过系统调用完成的，操作系统在调度时，参考各进程内的线程运行情况做出调度决定，如果一个进程中没有就绪态的线程，那么这个进程也不会被调度占用CPU。

2）用户线程指不需要内核支持而在用户程序中实现的线程，其不依赖于操作系统核心，用户进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。

3）引入用户线程，具体而言，有以下四个方面的优势：

1、可以在不支持线程的操作系统中实现。

2、创建和销毁线程、线程切换代价等线程管理的代价比内核线程少得多。

3、允许每个进程定制自己的调度算法，线程管理比较灵活。

4、线程能够利用的表空间和堆栈空间比内核级线程多。

4）用户线程的缺点主要有以下两点：

1、同一进程中只能同时有一个线程在运行，如果有一个线程使用了系统调用而阻塞，那么整个进程都会被挂起。

2、页面失效也会产生类似的问题。

内核线程的优缺点刚好跟用户线程相反。实际上，操作系统可以使用混合的方式来实现线程。

6、用户态和核心态的区别？

1）当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，就称进程处于内核运行态。此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。

当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态。即此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时，此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核态。因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。

2）内核态与用户态是操作系统的两种运行级别，跟intel cpu没有必然的联系。当程序运行在3级特权级上时，就可以称之为运行在用户态，因为这是最低特权级，是普通的用户进程运行的特权级，大部分用户直接面对的程序都是运行在用户态；反之，当程序运行在0级特权级上时，就可以称之为运行在内核态。

3）用户态切换到内核态的3种方式：

a. 系统调用

这是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式，用户态进程通过系统调用申请使用操作系统提供的服务程序完成工作，比如fork()实际上就是执行了一个创建新进程的系统调用。而系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现，例如Linux的int 80h中断。

b. 异常

当CPU在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如缺页异常。

c. 外围设备的中断

当外围设备完成用户请求的操作后，会向CPU发出相应的中断信号，这时CPU会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。

7、用户栈和内核栈的区别？

1）当进程由于中断进入内核态时，系统会把一些用户态的数据信息保存到内核栈中，当返回到用户态时，取出内核栈中得信息恢复出来，返回到程序原来执行的地方。用户栈就是进程在用户空间时创建的栈，比如一般的函数调用，将会用到用户栈。

2）内核栈是属于操作系统空间的一块固定区域，可以用于保存中断现场、保存操作系统子程序间相互调用的参数、返回值等。

3）为何要设置两个不同的栈?

共享原因：内核的代码和数据是为所有的进程共享的，如果不为每一个进程设置对应的内核栈，那么就不能实现不同的进程执行不同的代码。

安全原因：如果只有一个栈，那么用户就可以修改栈内容来突破内核安全保护。

4）堆栈切换

当系统因为系统调用（软中断）或硬件中断，CPU切换到特权工作模式，进程陷入内核态，进程使用的栈也要从用户栈转向系统栈。

从用户态到内核态要两步骤，首先是将用户堆栈地址保存到内核堆栈中，然后将CPU堆栈指针寄存器指向内核堆栈。

当由内核态转向用户态，步骤首先是将内核堆栈中得用户堆栈地址恢复到CPU堆栈指针寄存器中。

8、内存池、进程池、线程池？

1）内存池(Memory Pool)：

是一种内存分配方式。通常我们习惯直接使用new、malloc等API申请分配内存，这样做的缺点在于：由于所申请内存块的大小不定，当频繁使用时会造成大量的内存碎片并进而降低性能。

内存池则是在真正使用内存之前，先申请分配一定数量的、大小相等(一般情况下)的内存块留作备用。当有新的内存需求时，就从内存池中分出一部分内存块，若内存块不够再继续申请新的内存。这样做的一个显著优点是尽量避免了内存碎片，使得内存分配效率得到提升。

2）进程池技术的应用至少由以下两部分组成：

资源进程：

预先创建好的空闲进程，管理进程会把工作分发到空闲进程来处理。

管理进程：

管理进程负责创建资源进程，把工作交给空闲资源进程处理，回收已经处理完工作的资源进程。跟资源进程间进行交互，通过IPC，信号，信号量，消息队列，管道等。

3）线程池：

是一种多线程处理形式，处理过程中将任务添加到队列，然后在创建线程后自动启动这些任务。线程池线程都是后台线程。每个线程都使用默认的堆栈大小，以默认的优先级运行，并处于多线程单元中。如果某个线程在托管代码中空闲（如正在等待某个事件）,则线程池将插入另一个辅助线程来使所有处理器保持繁忙。如果所有线程池线程都始终保持繁忙，但队列中包含挂起的工作，则线程池将在一段时间后创建另一个辅助线程但线程的数目永远不会超过最大值。超过最大值的线程可以排队，但他们要等到其他线程完成后才启动。组成部分：

1、线程池管理器（ThreadPoolManager）:用于创建并管理线程池。

2、工作线程：线程池中线程。

3、任务接口：每个任务必须实现的接口，以供工作线程调度任务的执行。

4、任务队列：用于存放没有处理的任务。提供一种缓冲机制。

9、死锁的概念，产生原因，处理避免方法？

产生死锁的原因主要是：

（1） 因为系统资源不足。

（2） 进程运行推进的顺序不合适。

（3） 资源分配不当等。

如果系统资源充足，进程的资源请求都能够得到满足，死锁出现的可能性就很低，否则就会因争夺有限的资源而陷入死锁。其次，进程运行推进顺序与速度不同，也可能产生死锁。

产生死锁的四个必要条件：

（1） 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。

（2） 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。

（3） 不剥夺条件：进程已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。

（4） 循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

这四个条件是死锁的必要条件，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。

死锁的解除与预防：

1）忽略该问题。例如鸵鸟算法，该算法可以应用在极少发生死锁的的情况下。为什么叫鸵鸟算法呢，因为传说中鸵鸟看到危险就把头埋在地底下，可能鸵鸟觉得看不到危险也就没危险了吧。跟掩耳盗铃有点像。

2）检测死锁并且恢复。

3）仔细地对资源进行动态分配，以避免死锁。

4）通过破除死锁四个必要条件之一，来防止死锁产生。

10、进程的调度算法？

1）先来先服务(First Come First Service，FCFS)

按照进程进入就绪队列的先后顺序选择可以占用处理器的进程。这是一种不可抢占方式的调度算法，优点是实现简单，缺点是后来的进程等待CPU的时间较长。它现今主要用作辅助调度法；

2）短执行进程优先算法(Shortest Process First，SPF)

就是从就绪队列中选择一个CPU执行时间预期最短的进程，将处理器分配给它。虽然较公平，但实现难度较大，因为要准确预定下一个进程的CPU执行周期是很困难的。

3）最高优先级优先(Highest Priority First，HPF)

核心是确定进程的优先级。一般可分为两类，即静态法和动态法。现在的操作系统中，如果使用优先级调度的话，则大多采用动态优先级的调度策略。

4）进程的动态优先级一般可以根据以下两个方面来确定：

1、根据进程占有CPU时间的长短来决定。一个进程占有处理机的时间愈长，则在被阻塞之后再次获得调度的优先级就越低。反之，其获得调度的可能性就会越大。

2、根据就绪进程等待CPU的时间长短来决定。一个就绪进程在就绪队列中等待的时间越长，则它获得调度选中的优先级就越高。

5）时间片轮转(Round Robin，RR)法

基本思路是让每个进程在就绪队列中的等待时间与享受服务的时间成比例。需要将CPU的处理时间分成固定大小的时间片，例如，几十毫秒至几百毫秒。显然，轮转法只能用来调度分配一些可以抢占的资源。