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2023-08-04 07:39 兴业银行_金融科技部_Fintech金融科技岗

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【34】C++岗位求职面试八股文第三十三篇（操作系统）

系列文章目录

第一篇：语言基础

第二篇：设计模式

第三篇：数据库

第四篇：计算机网络

第五篇：操作系统

第六篇：LInux

第七篇：数据结构

第八篇：智力题

[81]内存池

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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申请内存，这样做的缺点在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

[82]说说Linux的fork的作用

fork函数用来创建一个子进程。对于父进程，fork()函数返回新创建的子进程的PID。对于子进程，fork()函数调用成功会返回0。如果创建出错，fork()函数返回-1。

fork()函数创建一个新进程后，会为这个新进程分配进程空间，将父进程的进程空间中的内容复制到子进程的进程空间中，包括父进程的数据段和堆栈段，并且和父进程共享代码段。这时候，子进程和父进程一模一样，都接受系统的调度。

写时拷贝在fork之后两个进程用的是相同的物理空间（内存区），子进程的代码段、数据段、堆栈都是指向父进程的物理空间，也就是说，两者的虚拟空间不同，但其对应的物理空间是同一个。当父子进程中有更改相应段的行为发生时，再为子进程相应的段分配物理空间，如果不是因为exec，内核会给子进程的数据段、堆栈段分配相应的物理空间（至此两者有各自的进程空间，互不影响），而代码段继续共享父进程的物理空间（两者的代码完全相同）。而如果是因为exec，由于两者执行的代码不同，子进程的代码段也会分配单独的物理空间。

子进程和父进程只共享代码段，父子进程并不共享栈、数据段、堆存储空间，子进程（栈、数据段、堆存储空间）虚拟内存到物理内存映射空间分配是在写时拷贝。

[83]说说什么是孤儿进程，什么是僵尸进程，如何解决僵尸进程

孤儿进程：是指一个父进程退出后，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，并且由init进程对它们完整状态收集工作。僵尸进程：是指一个进程使用fork函数创建子进程，如果子进程退出，而父进程并没有调用wait()或者waitpid()系统调用取得子进程的终止状态，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中，占用系统资源，这种进程称为僵尸进程。如何解决僵尸进程：1.在fork子进程之后我们都要及时使用wait系统调用；2.子进程退出的时候，内核都会给父进程一个SIGCHLD信号，所以我们可以建立一个捕获SIGCHLD信号的信号处理函数，在函数体中调用wait（或waitpid），就可以清理退出的子进程以达到防止僵尸进程的目的。3. 结束其父进程使用kill命令。 kill -s SIGCHLD pid(父进程pid)

[84]说说什么是守护进程，如何实现？

守护进程：守护进程是运行在后台的一种生存期长的特殊进程。它独立于控制终端，处理一些系统级别任务。web服务器进程http⼀般采⽤以d结尾的名字，特殊的孤⼉进程如何实现：（1）fork创建子进程，终止父进程。（2）调用setsid() 创建一个新会话，脱离父进程影响。（3）将当前目录更改为根目录。使用fork() 创建的子进程也继承了父进程的当前工作目录。（4）重设文件权限掩码。文件权限掩码是指屏蔽掉文件权限中的对应位。（5）关闭不再需要的文件描述符。子进程从父进程继承打开的文件描述符。

Linux内核是不区分进程和线程的, 只在⽤户层⾯上进⾏区分。所以，线程所有操作函数 pthread_* 是库函数，⽽⾮系统调⽤。

[85]系统调用与库函数区别：库函数是对系统调用的封装

系统调用：操作系统为用户提供了一系列接口，这些接口提供了对硬件设备的操作。举个例子我们用printf想终端打印hello world，程序中调用printf，而printf实际上调用的是write，从而打印信息到终端。库函数：库函数是对系统调用的封装。系统调用作为内核提供给用户的接口，它执行的效率是比较高效和精简的，但有时候我们需要对获取的信息进行一些处理，我们把这些处理过程封装起来提供给程序员，有利于编码。库函数有可能包含一个系统调用，有可能包含几个系统调用，也有可能不包含系统调用，一些简单的操作就涉及到内核的功能。系统调用的意义：安全方便

避免了用户直接对底层硬件的编程。比如像终端打印信息，终端对系统来说是硬件资源，如果没有系统调用，用户则需要编写终端设备驱动的代码，以及控制终端如何显示的代码
隐藏背后的技术细节：使用write系统调用，用户则不用关系数据在磁盘的那个磁道的那个扇区，以及数据要加载到内存的什么位置。
保证系统的安全性和稳定性：避免了用户直接对内核空间的操作，避免了安全隐患。
方便程序的编程：大家都使用一个接口，移植起来就很方便，如果是自己写自己的，移植性会不好。

系统调用和库函数的比较（以下前提是库函数中没有使用系统调用）

所有c函数库是相同的，但是不同操作系统的系统调用则不相同
函数库调用是调用函数库中的程序，而系统调用调用的是内核的服务
库函数的调用是在用户空间执行，而系统调用则是在内核空间执行
函数库调用属于过程调用，开销较小，而系统调用需要进行用户态和内核态的上下文切换，开销较大

[86]多进程与多线程区别与适用场景

多进程优点：1、每个进程互相独立，不影响主程序的稳定性，子进程崩溃没关系；2、通过增加CPU，就可以容易扩充性能；3、可以尽量减少线程加锁/解锁的影响，极大提高性能4、每个子进程都有2GB地址空间和相关资源，总体能够达到的性能上限非常大。多进程缺点：1、逻辑控制复杂，需要和主程序交互；2、需要跨进程边界，如果有大数据量传送，就不太好，适合小数据量传送、密集运算多进程调度开销比较大；3、最好是多进程和多线程结合，即根据实际的需要，每个CPU开启一个子进程，这个子进程开启多线程可以为若干同类型的数据进行处理。当然你也可以利用多线程+多CPU+轮询方式来解决问题……

多线程的优点：1、无需跨进程边界；2、程序逻辑和控制方式简单；3、所有线程可以直接共享内存和变量等；4、线程方式消耗的总资源比进程方式好。多线程缺点：1、每个线程与主程序共用地址空间，受限于2GB地址空间；2、线程之间的同步和加锁控制比较麻烦；3、一个线程的崩溃可能影响到整个程序的稳定性；4、到达一定的线程数程度后，即使再增加CPU也无法提高性能，例如Windows Server 2003，大约是1500个左右的线程数就快到极限了（线程堆栈设定为1M），如果设定线程堆栈为2M，还达不到1500个线程总数；适用场景：频繁修改：需要频繁创建和销毁的优先使用多线程计算量：需要大量计算的优先使用多线程因为需要消耗大量CPU资源且切换频繁，所以多线程好一点相关性：任务间相关性比较强的用多线程，相关性比较弱的用多进程。因为线程之间的数据共享和同步比较简单。多分布：可能要扩展到多机分布的用多进程，多核分布的用多线程。线程切换也会导致上下文切换（因为线程函数在代码区，系统调用在内核态）

[87]三种线程的实现

用户线程、内核线程、轻量级线程LWP用户线程：⽤户空间实现的线程，由基于⽤户态的线程库管理优点： 1. 管理不需要内核直接参与; 2. ⽤户线程切换由线程库调度，不需要⽤户态与内核态之间转换。缺点： 1. ⼀旦⽤户线程发起系统调⽤⽽阻塞;其他线程无法执行 2. ⼀旦某个⽤户线程正在运⾏，只有当其交出CPU执⾏权，其他⽤户线程才可以运⾏，⽆法被打断， 3. ⽤户线程的创建、终⽌、同步、调度等都不是由操作系统直接参与。

内核线程：由操作系统管理、调度，其TCB是存放在内核中。⼀般由操作系统事先创建内核线程集(类似于线程池)，数量ᰁ有限。优点： 1. 当⼀个内核线程发起系统调⽤阻塞时不会影响其它内核线程的执⾏;缺点： 1. 需要由内核来维护内核线程的上下⽂信息及运⾏状态等，占⽤内核资源; 2. 内核线程创建、终⽌、切换都是在内核中进⾏，开销⽐较⼤轻量级线程 LWP：内核⽀持的⽤户线程，每个LWP都需要⼀个内核线程的⽀持(CPU资源分配、调度)，实际上⽤户线程是运⾏在LWP上的（本质是用户线程，受内核控制）

内核线程切换需要内核态与用户态切换；而用户线程不需要。

[88]进程与线程的关系

1.进程是资源分配的基本单位，线程是CPU调度和分派的基本单位

2.线程是进程的一部分，一个线程只能属于一个进程，一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程

3.每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），程序间的切换开销大，线程可看做轻量级的进程，同一类线程共享代码和数据空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC），寄存器，线程间切换开销小

4.在操作系统中能同时运行多个进程（程序）在同一个进程（程序)中多个线程同时执行（通过CPU调度，在每个时间片中只有一个线程执行）同一个进程中的线程无法实现并行，线程是串行的

5.系统在运行的时候会为每个进程分配不同的内存空间线程除了CPU外，系统不会为线程分配内存（线程所使用的资源来自其所属进程的资源），线程组之间只能共享资源

6.没有现成的进程可以看做单线程的，如果一个进程内有多个线程，则执行过程不是一条线的，维斯多条线（线程）共同完成线程是进程的一部分，故线程被称为轻权进程/轻量级进程

[89]线程的优缺点

优点： 1. 提⾼程序并发性 2. 开销⼩ 3. 数据通信、共享数据⽅便缺点： 1. 库函数，不稳定 2. 调试、编写困难3. 对信号⽀持不好

[90]线程如何减少开销

线程创建快，进程创建需要资源管理信息，⽐如内存管理信息和⽂件管理信息，⽽线程创建后是共享其所属进程的资源管理信息;
线程终⽌时间快，需要回收的仅有少ᰁ寄存器和私有的栈区;
线程切换快，因为线程切换仅涉及到少ᰁ寄存器和栈区，（指的是用户线程）⽽进程上下⽂切换有CPU寄存器和程序计数器(CPU上下⽂)、虚拟内存空间、⻚表切换、TLB失效等;
线程因为创建时共享了其所述进程绝⼤多数资源，因此天⽣具有很好的线程间通信交互效率。

[91]线程栈地址：

当进程栈地址空间不够⽤时，指定新建线程使⽤由malloc分配的空间作为⾃⼰的栈空间。应避免在多线程引⼊信号机制

[92]多线程优点

1.多线程有共享同⼀地址空间和可⽤数据的能⼒，这是多进程没有的。 2.线程⽐进程开销⼩，更容易创建和释放。 3.多个线程是IO密集型时，多线程可以使这些活动彼此᯿叠运⾏，可以加快程序执⾏的速度

[93]任务调度算法：

⾮抢占式：FCFC 先来先服务、SJF短作业优先（有枪战式和非强占式）抢占式：SRTN最短剩余时间优先时间片轮转、优先级调度、多级反馈队列

[94]页面淘汰算法：

最佳算法（OPT算法）每次选择的淘汰⻚⾯将是以后永不使⽤，或者在最⻓时间内都不再访问的⻚⾯
先进先出算法（FIFO算法）每次淘汰选择在主存中居留时间最⻓（即进⼊最早）的⼀⻚淘汰
最近最久未使⽤淘汰算法(Least Recently Used)（LRU算法）看时间
最不经常使⽤淘汰算法（LFU算法）淘汰最近应⽤次数最少的⻚；先看次数，再看时间颠簸：导致系统效率急剧下降的主存和辅存之间的频繁⻚⾯置换现象缺页率：（缺⻚次数/访问总次数）

[95]说说进程通信的方式有哪些，优缺点，为什么要通信

数据传输、资源共享、通知事件、进程控制进程间通信主要包括管道、系统IPC（包括消息队列、信号量、信号、共享内存，内存映射）、套接字socket

管道：包括无名管道和命名管道，无名管道半双工，只能用于具有亲缘关系的进程直接的通信（父子进程或者兄弟进程），可以看作一种特殊的文件，存在于内核；命名管道可以允许无亲缘关系进程间的通信，存在于硬盘。系统IPC消息队列：消息的链接表，放在内核中。消息队列独立于发送与接收进程，进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除；消息队列可以实现消息的随机查询，可以按照消息的类型读取。信号量semaphore：是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。信号量用于实现进程间的互斥与同步。信号：用于通知接收进程某个事件的发生。内存共享：使多个进程访问同一块内存空间。套接字socket：用于不同主机直接的通信。

优缺点管道：速度慢，容量有限消息队列：容量受到系统限制，且要注意第一次读的时候，要考虑上一次没有读完数据的问题。信号量：不能传递复杂消息，共享内存区：能够很容易控制容量，速度快，最快但要保持同步，比如一个进程在写的时候，另一个进程要注意读写的问题，相当于线程中的线程安全（信号量保证），当然，共享内存区同样可以用作线程间通讯，不过没这个必要，线程间本来就已经共享了一块内存的。