计算机系统常见面试题总结

1.   进程和线程的区别

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，进程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，它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），但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。

进程与应用程序的区别在于应用程序作为一个静态文件存储在计算机系统的硬盘等存储空间中，而进程则是处于动态条件下由操作系统维护的系统资源管理实体。

2.   Windows下的内存是如何管理的？

　　Windows提供了3种方法来进行内存管理：虚拟内存，最适合用来管理大型对象或者结构数组；内存映射文件，最适合用来管理大型数据流（通常来自文件）以及在单个计算机上运行多个进程之间共享数据；内存堆栈，最适合用来管理大量的小对象。

　　Windows操纵内存可以分两个层面：物理内存和虚拟内存。

　　其中物理内存由系统管理，不允许应用程序直接访问，应用程序可见的只有一个2G地址空间，而内存分配是通过堆进行的。对于每个进程都有自己的默认堆，当一个堆创建后，就通过虚拟内存操作保留了相应大小的地址块（不占有实际的内存，系统消耗很小）。当在堆上分配一块内存时，系统在堆的地址表里找到一个空闲块（如果找不到，且堆创建属性是可扩充的，则扩充堆大小），为这个空闲块所包含的所有内存页提交物理对象（在物理内存上或硬盘的交换文件上），这时就可以访问这部分地址。提交时，系统将对所有进程的内存统一调配，如果物理内存不够，系统试图把一部分进程暂时不访问的页放入交换文件，以腾出部分物理内存。释放内存时，只在堆中将所在的页解除提交（相应的物理对象被解除），继续保留地址空间。

如果要知道某个地址是否被占用/可不可以访问，只要查询此地址的虚拟内存状态即可。如果是提交，则可以访问。如果仅仅保留，或没保留，则产生一个软件异常。此外，有些内存页可以设置各种属性。如果是只读，向内存写也会产生软件异常。

3.   描述实时系统的基本特性

在特定时间内完成特定的任务，实时性与可靠性。

所谓“实时操作系统”，实际上是指操作系统工作时，其各种资源可以根据需要随时进行动态分配。由于各种资源可以进行动态分配，因此其处理事务的能力较强、速度较快。  

应该说，实时操作系统是在早期的操作系统基础上发展起来的，早期的操作系统的各种资源都是事先已经分配好的，工作期间这些资源不能再重新进行分配。因此其处理事务的能力较差、速度较慢，现在则称之为“非实时操作系统”。但“非实时操作系统”诞生时，其功能、性能等在当时也是非常强的，人们在未认识到更好的操作系统之前并不将其这样称呼。将来如果新的、功能更强的、实时性能更高的操作系统出现，也许现在称之为“实时”的操作系统则可能将让位于新的“实时操作系统”了。从这方面讲“实时操作系统”是一个相对的概念的

 

4.   死锁的必要条件，怎么处理死锁。

定义：如果一个进程集合中的每一个进程都在等待只能由该进程集合中其他进程才能引发的事件，那么，该进程集合就是死锁。

产生死锁的原因：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。

产生死锁的必要条件：

1互斥条件：每个资源要么已经分配给一个进程，要么就是可用。

2占有和保持条件：已经得到了某个资源的进程可以再请求新的资源。

3不可抢占条件：已经分配给一个进程的资源不可强制性的被占用，它只能被占有它的进程显示释放。

4 环路等待条件：在发生死锁时，必然存在一个进程--资源的环形链。

解决死锁的基本方法：

预防死锁：

1 资源一次性分配：（破坏占有和保持条件）

2 可剥夺资源：即当某进程新的资源未满足时，释放已占有的资源（破坏不可抢夺条件）

3 资源有序分配法：系统给每类资源赋予一个编号，每一个进程按编号递增的顺序请求资源，释放则相反（破坏环路等待条件）

避免死锁:

预防死锁的几种策略，会严重地损害系统性能。因此在避免死锁时，要施加较弱的限制，从而获得较满意的系统性能。由于在避免死锁的策略中，允许进程动态地申请资源。因而，系统在进行资源分配之前预先计算资源分配的安全性。若此次分配不会导致系统进入不安全状态，则将资源分配给进程；否则，进程等待。其中最具有代表性的避免死锁算法是银行家算法。

检测死锁

首先为每个进程和每个资源指定一个唯一的号码，然后建立资源分配表和进程等待表.

解除死锁:

当发现有进程死锁后，便应立即把它从死锁状态中解脱出来，常采用的方法有：

1 剥夺资源：从其它进程剥夺足够数量的资源给死锁进程，以解除死锁状态；

2撤消进程：可以直接撤消死锁进程或撤消代价最小的进程，直至有足够的资源可用，死锁状态.消除为止；所谓代价是指优先级、运行代价、进程的重要性和价值等。

5.   IPC几种通信方式。

为什么要进行进程间的通讯(IPC(Inter-process communication))

数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程，发送的数据量在一个字节到几M字节之间。

    共享数据：多个进程想要操作共享数据，一个进程对共享数据的修改，别的进程应该立刻看到。

    通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。

    资源共享：多个进程之间共享同样的资源。为了作到这一点，需要内核提供锁和同步机制。

进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个
4000
进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。

linux常用的进程间的通讯方式

（1）、管道(pipe)：管道可用于具有亲缘关系的进程间的通信，是一种半双工的方式，数据只能单向流动，允许一个进程和另一个与它有共同祖先的进程之间进行通信。

（2）、命名管道(namedpipe)：命名管道克服了管道没有名字的限制，同时除了具有管道的功能外（也是半双工），它还允许无亲缘关系进程间的通信。命名管道在文件系统中有对应的文件名。命名管道通过命令mkfifo或系统调用mkfifo来创建。

（3）、信号（signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接收进程有某种事件发生了，除了进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction（实际上，该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用sigaction函数重新实现了signal函数）。

（4）、消息队列：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺

（5）、共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。

（6）、内存映射：内存映射允许任何多个进程间通信，每一个使用该机制的进程通过把一个共享的文件映射到自己的进程地址空间来实现它。

（7）、信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。

（8）、套接字（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。

6.   几种线程间的通信机制

1、锁机制

    1.1 互斥锁：提供了以排它方式阻止数据结构被并发修改的方法。

    1.2 读写锁：允许多个线程同时读共享数据，而对写操作互斥。

    1.3 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。

2、信号量机制：包括无名线程信号量与有名线程信号量

3、信号机制：类似于进程间的信号处理。

线程间通信的主要目的是用于线程同步，所以线程没有象进程通信中用于数据交换的通信机制。

 

7.   什么是虚拟内存。

1、电脑中所运行的程序均需经由内存执行，若执行的程序占用内存很大或很多，则会导致内存消耗殆尽。为解决该问题，Windows中运用了虚拟内存技术，即匀出一部分硬盘空间来充当内存使用。

    2、当内存耗尽时，电脑就会自动调用硬盘来充当内存，以缓解内存的紧张。若计算机运行程序或操作所需的随机存储器(RAM)不足时，则Windows 会用虚拟存储器进行补偿。它将计算机的RAM和硬盘上的临时空间组合。

    3、当RAM运行速率缓慢时，它便将数据从RAM移动到称为“分页文件”的空间中。将数据移入分页文件可释放RAM，以便完成工作。一般而言，计算机的RAM容量越大，程序运行得越快。

    4、若计算机的速率由于RAM可用空间匮乏而减缓，则可尝试通过增加虚拟内存来进行补偿。但是，计算机从RAM读取数据的速率要比从硬盘读取数据的速率快，因而扩增RAM容量（可加内存条）是最佳选择。

8.   虚拟地址、逻辑地址、线性地址、物理地址的区别。

虚拟地址：指的是由程序产生的由段选择符和段内偏移地址两个部分组成的地址。为什么叫它是虚拟的地址呢？因为这两部分组成的地址并没有直接访问物理内存，而是要通过分段地址的变换机构处理或映射后才会对应到相应的物理内存地址。

 逻辑地址：指由程序产生的与段相关的偏移地址部分。不过有些资料是直接把逻辑地址当成虚拟地址，两者并没有明确的界限。

  线性地址：指的是虚拟地址到物理地址变换之间的中间层，是处理器可寻指的内存空间（称为线性地址空间）中的地址。程序代码会产生逻辑地址，或者说是段中的偏移地址，加上相应段的基地址就生成了一个线性地址。如果启用了分页机制，那么线性地址可以再经过变换产生物理地址。若是没有采用分页机制，那么线性地址就是物理地址。

   物理地址：指的是现在CPU外部地址总线上的寻址物理内存的地址信号，是地址变换的最终结果！

9.     线程同步几种方式。

临界区（CCriticalSection）：通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问。
事件（CEvent）：为协调共同对一个共享资源的单独访问而设计的。
互斥量（CMutex）：为控制一个具有有限数量用户资源而设计。
信号量（CSemaphore）：用来通知线程有一些事件已发生，从而启动后继任务的开始。
生产者、消费者问题

10. 线程的实现方式. (也就是用户线程与内核线程的区别)

根据操作系统内核是否对线程可感知，可以把线程分为内核线程和用户线程。

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。

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。用户线程多见于一些历史悠久的操作系统，例如Unix操作系统，不需要用户态/核心态切换，速度快，操作系统内核不知道多线程的存在，因此一个线程阻塞将使得整个进程（包括它的所有线程）阻塞。由于这里的处理器时间片分配是以进程为基本单位，所以每个线程执行的时间相对减少为了在操作系统中加入线程支持，采用了在用户空间增加运行库来实现线程，这些运行库被称为“线程包”，用户线程是不能被操作系统所感知的。

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。

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。

11. 用户态和核心态的区别。

当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，我们就称进程处于内核运行态（或简称为内核态）。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（用户态）。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。这与处于内核态的进程的状态有些类似。
用户态切换到内核态的3种方式：系统调用、异常、外围设备中断。

12. 用户栈和内核栈的区别。

intel的cpu分为四个运行级别ring0~ring3，内核创建进程，创建进程的同时创建进程控制块，创建进程自己的堆栈。一个进程有两个堆栈，用户栈和系统栈。用户堆栈的空间指向用户地址空间，内核堆栈的空间指向内核地址空间。
有个CPU堆栈指针寄存器，进程运行的状态有用户态和内核态，当进程运行在用户态时。CPU堆栈指针寄存器指向的是用户堆栈地址，使用的是用户堆栈；当进程运行在内核态时，CPU堆栈指针寄存器指向的是内核堆栈地址，使用的是内核堆栈。
 

13. Windows内存管理的方式(块式、页式、段式、段页式).

内存管理是操作系统中的重要部分，两三句话恐怕谁也说不清楚吧～～我先说个大概，希望能够抛砖引玉吧 当程序运行时需要从内存中读出这段程序的代码。代码的位置必须在物理内存中才能被运行，由于现在的操作系统中有非常多的程序运行着，内存中不能够完全放下，所以引出了虚拟内存的概念。把哪些不常用的程序片断就放入虚拟内存，当需要用到它的时候在load入主存（物理内存）中。这个就是内存管理所要做的事。内存管理还有另外一件事需要做：计算程序片段在主存中的物理位置，以便CPU调度。 内存管理有块式管理，页式管理，段式和段页式管理。现在常用段页式管理。

 块式管理：把主存分为一大块、一大块的，当所需的程序片断不在主存时就分配一块主存空间，把程序片断load入主存，就算所需的程序片度只有几个字节也只能把这一块分配给它。这样会造成很大的浪费，平均浪费了50％的内存空间，但是易于管理。

页式管理：把主存分为一页一页的，每一页的空间要比一块一块的空间小很多，显然这种方法的空间利用率要比块式管理高很多。

 段式管理：把主存分为一段一段的，每一段的空间又要比一页一页的空间小很多，这种方法在空间利用率上又比页式管理高很多，但是也有另外一个缺点。一个程序片断可能会被分为几十段，这样很多时间就会被浪费在计算每一段的物理地址上（计算机最耗时间的大家都知道是I/O吧）。

段页式管理：结合了段式管理和页式管理的优点。把主存分为若干页，每一页又分为若干段。

二维逻辑地址：段号+段内地址
分页与分段的主要区别：

1）、段是信息的逻辑单位，它是根据用户的需要划分的，因此段对用户是可见的；页是信息的物理单位，是为了管理主存的方便而划分的，对用户是透明的。

2）、页的大小固定不变，由系统决定。段的大小是不固定的，它由其完成的功能决定。

3）、段式向用户提供的是二维地址空间，页式向用户提供的是一维地址空间，其页号和页内偏移是机器硬件的功能。

4）、由于段是信息的逻辑单位，因此便于存贮保护和信息的共享，页的保护和共享受到限制。

分页与分段存储管理系统虽然在很多地方相似，但从概念上讲，两者是完全不同的，它们之间的区别如下：

  ①页是信息的物理单位。分页的目的是实现离散分配，减少外部碎片，提高内存利用率。段是信息的逻辑单位。每一段在逻辑上是一组相对完整的信息集合。

  ②分页式存储管理的作业地址空间是一维的，而分段式存储管理的作业地址空间是二维的。

  ③页的大小固定且由系统确定，是等长的。而段的长度不定。

  ④分页的优点体现在内存空间的管理上，而分段的优点体现在地址空间的管理上。

14. 几种页面置换算法，会算所需换页数。(LRU用程序如何实现？)

 地址映射过程中，若在页面中发现所要访问的页面不再内存中，则产生缺页中断。当发生缺页中断时操作系统必须在内存选择一个页面将其移出内存，以便为即将调入的页面让出空间。而用来选择淘汰哪一页的规则叫做页面置换算法。常见的置换算法有：
1）最佳置换算法（OPT）（理想置换算法）
这是一种理想情况下的页面置换算法，但实际上是不可能实现的。该算法的基本思想是：发生缺页时，有些页面在内存中，其中有一页将很快被访问（也包含紧接着的下一条指令的那页），而其他页面则可能要到10、100或者1000条指令后才会被访问，每个页面都可以用在该页面首次被访问前所要执行的指令数进行标记。最佳页面置换算法只是简单地规定：标记最大的
b208
页应该被置换。这个算法唯一的一个问题就是它无法实现。当缺页发生时，操作系统无法知道各个页面下一次是在什么时候被访问。虽然这个算法不可能实现，但是最佳页面置换算法可以用于对可实现算法的性能进行衡量比较。
2）先进先出置换算法（FIFO）
最简单的页面置换算法是先入先出（FIFO）法。这种算法的实质是，总是选择在主存中停留时间最长（即最老）的一页置换，即先进入内存的页，先退出内存。理由是：最早调入内存的页，其不再被使用的可能性比刚调入内存的可能性大。建立一个FIFO队列，收容所有在内存中的页。被置换页面总是在队列头上进行。当一个页面被放入内存时，就把它插在队尾上。
这种算法只是在按线性顺序访问地址空间时才是理想的，否则效率不高。因为那些常被访问的页，往往在主存中也停留得最久，结果它们因变“老”而不得不被置换出去。
FIFO的另一个缺点是，它有一种异常现象，即在增加存储块的情况下，反而使缺页中断率增加了。当然，导致这种异常现象的页面走向实际上是很少见的。
3）最近最久未使用（LRU）算法
FIFO算法和OPT算法之间的主要差别是，FIFO算法利用页面进入内存后的时间长短作为置换依据，而OPT算法的依据是将来使用页面的时间。如果以最近的过去作为不久将来的近似，那么就可以把过去最长一段时间里不曾被使用的页面置换掉。它的实质是，当需要置换一页时，选择在最近一段时间里最久没有使用过的页面予以置换。这种算法就称为最久未使用算法（Least Recently Used，LRU）。
4）Clock置换算法（LRU算法的近似实现）

5）最少使用（LFU）置换算法

15. 操作系统的四个特性。

  并发性（concurrency）：指在计算机系统中存在着许多并发执行的活动。对计算机系统 而言，并发是指宏观上看系统内有多道程序同时运行，微观上看是串行运行。因为在 大多数计算机系统中一般只有一个CPU，在任意时刻只能有一道程序占用CPU。
  共享性（sharing）：系统中各个并发活动要共享计算机系统中的各种软、硬件资源，因此操作系统必须解决在多道程序间合理地分配和使用资源问题。 
  虚拟性（virtual）：虚拟是操作系统中的重要特征，所谓虚拟是指把物理上的一台设备 变成逻辑上的多台设备。例如，在操作系统中采用了spooling技术，可以利用快速、 大容量可共享的磁盘作为中介，模拟多个非共享的低速的输入输出设备，这样的设备 称为虚拟设备。 
  异步性：在多道程序环境下允许多个进程并发执行，但只有进程在获得所需的资源后方能执行。在单处理机环境下，由于系统中只有一台处理机，因而每次只允许一个进程执行，其余进程只能等待。

16. Spooling。

脱机输入和脱机输出。Spooling是一种虚拟设备技术、一种资源转换技术。

在多道环境下，可以用OS的一道管理程序实现从I/O设备输入数据并存放到磁盘上，模拟脱机输入；用OS的另一道管理程序将磁盘上的数据输出到I/O设备上，模拟脱机输出；这种假脱机I/O操作称为Spooling技术。

17. 动态链接及静态链接.

静态链接库与动态链接库都是共享代码的方式，如果采用静态链接库，则无论你愿不愿意，lib 中的指令都全部被直接包含在最终生成的 EXE 文件中了。但是若使用 DLL，该 DLL 不必被包含在最终 EXE 文件中，EXE 文件执行时可以“动态”地引用和卸载这个与 EXE 独立的 DLL 文件。静态链接库和动态链接库的另外一个区别在于静态链接库中不能再包含其他的动态链接库或者静态库，而在动态链接库中还可以再包含其他的动态或静态链接 库

动态链接是指在生成可执行文件时不将所有程序用到的函数链接到一个文件，因为有许多函数在操作系统带的dll文件中，当程序运行时直接从操作系统中找。   

而静态链接就是把所有用到的函数全部链接到exe文件中。

动态链接是只建立一个引用的接口，而真正的代码和数据存放在另外的可执行模块中，在运行时再装入；   

而静态链接是把所有的代码和数据都复制到本模块中，运行时就不再需要库了。

18. 多线程的使用场景

1、  常见的浏览器、Web服务(现在写的web是中间件帮你完成了线程的控制)，web处理请求，各种专用服务器(如游戏服务器)

2、 servlet多线程

3、  FTP下载，多线程操作文件

4、  数据库用到的多线程

5、  分布式计算

6、 tomcat，tomcat内部采用多线程，上百个客户端访问同一个WEB应用，tomcat接入后就是把后续的处理扔给一个新的线程来处理，这个新的线程最后调用我们的servlet程序，比如doGet或者dpPost方法

7、  后台任务：如定时向大量(100W以上)的用户发送邮件；定期更新配置文件、任务调度(如quartz)，一些监控用于定期信息采集

8、  自动作业处理：比如定期备份日志、定期备份数据库

9、  异步处理：如发微博、记录日志

10、 页面异步处理：比如大批量数据的核对工作(有10万个手机号码，核对哪些是已有用户)

11、 数据库的数据分析(待分析的数据太多)，数据迁移

12、 多步骤的任务处理，可根据步骤特征选用不同个数和特征的线程来协作处理，多任务的分割，由一个主线程分割给多个线程完成

13、 desktop应用开发，一个费时的计算开个线程，前台加个进度条显示

14、  swing编程

19. 竞争条件

两个或多个进程读写某些共享数据时，而最后的结果取决于进程运行的精确时序。

20. 生产消费者模型(信号量)

#define N 100

 

typedef intsemaphore

semaphore mutx =1;

semaphore empty= N;

semaphore full =0;

 

voidproducer(void)

{

         int item;

 

         while(TRUE)

         {

                  down(&empty);

                  down(&mutx);

                  insert_item(item);

                  up(&mutx);

                  up(&full);

}

}

 

voidconsumer(void)

{

         while(TRUE)

         {

                  down (&full);

                  down (&mutx);

                  remove_item();

                  up (&mutx)；

                  up (&empty);

         }

}