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进大厂系列：操作系统八股文，速速收藏（四）

31.为什么计算机要给储存结构分级?

计算机将存储结构分级的主要目的是为了优化性能、成本、容量和功耗等因素。不同存储设备在速度、容量和成本上有显著差异。例如，寄存器的访问速度远快于硬盘，内存比硬盘更快但更小，而硬盘则有更大的存储容量但速度较慢。通过分级存储，可以将频繁访问的数据放入更快速的存储层级中（如CPU缓存和内存），将不常用的数据放入较慢但容量更大的存储层级中（如硬盘和SSD）。这样可以提高数据访问的效率，减少高成本存储的使用，并降低整体系统的功耗和散热需求。常见的存储层级包括寄存器、缓存、RAM、固态硬盘/硬盘和外部存储，它们在速度、容量和成本上各有特点，帮助计算机系统平衡性能与资源的使用。分级存储策略使得计算机能够高效地管理和存储数据，同时提升整体性能并控制成本。

32.CPU cache L1 L2 L3 读取数据的时间量级差距有多大?

CPU缓存（L1、L2、L3）之间读取数据的时间量级差距非常大。L1缓存是最接近CPU核心的缓存，通常在1到2个时钟周期内完成访问，容量较小（16KB到128KB），访问速度非常快。L2缓存容量通常为128KB到2MB，访问延迟在3到10个时钟周期之间，速度比L1稍慢。L3缓存的容量最大，可以达到几MB甚至几十MB，通常是多核共享，访问延迟在20到50个时钟周期之间，相比L1和L2缓存，它的访问速度较慢。相比之下，主存（RAM）的访问时间要慢得多，通常在100到300个时钟周期之间。因此，L1缓存的访问速度是主存的100倍以上，而L3缓存的访问速度大约是L1缓存的10倍到20倍。这些差距反映了缓存设计的目的，即将频繁使用的数据保留在更快的缓存中，减少对较慢存储设备的访问，从而提高整体性能。

33.CPU 缓存对程序性能的影响都体现在哪些方面?

CPU缓存对程序性能的影响主要体现在以下几个方面：数据访问速度、局部性原理、吞吐量、指令调度和多核处理器优化。首先，缓存能显著提升数据访问速度。由于L1、L2、L3缓存的访问速度比主存（RAM）快得多，程序访问缓存中的数据比从主存中读取要快几个数量级，减少了内存访问的延迟。其次，CPU缓存与局部性原理密切相关。局部性原理包括时间局部性和空间局部性，即程序在一段时间内倾向于重复访问同一数据或地址空间的相邻位置。CPU缓存通过将最近使用的数据和指令保存在高速缓存中，利用这些局部性特征显著减少了数据的访问时间，尤其在处理大量循环、数组和递归操作时，缓存的效果尤为突出。此外，缓存对吞吐量也有影响。缓存的引入大幅提升了数据传输效率，减少了CPU与主存之间的带宽瓶颈。更高效的缓存利用能使CPU在单位时间内处理更多的指令，从而提升系统的总体吞吐量。指令调度方面，CPU缓存有助于提升指令的并行执行。现代CPU采用流水线和超标量架构，CPU缓存能降低等待内存加载指令的时间，使得指令执行更加流畅。最后，对于多核处理器，缓存也有优化作用。多核处理器通常会有共享的L3缓存，这能降低多个核心之间访问内存的延迟，从而提高多线程程序的执行效率。缓存一致性协议（如MESI协议）进一步确保了不同核心之间的数据一致性，避免了性能瓶颈。因此，CPU缓存是现代计算机中至关重要的性能优化机制，影响着程序的执行速度、响应时间和并行处理能力。

34.内核态和用户态区别?为什么要区分内核态和用户态?

内核态和用户态的区别主要体现在权限、功能以及对硬件资源的控制上。内核态（Kernel Mode）是操作系统内核运行的状态，拥有完全的硬件访问权限，可以执行任何机器指令，直接控制硬件资源，进行内存管理、硬盘操作、设备管理等底层任务。用户态（User Mode）则是应用程序运行的状态，程序只能访问被操作系统授权的内存区域，不能直接进行硬件操作。用户态程序只能通过系统调用向操作系统请求服务，操作系统通过内核态的权限来执行这些请求。

区分内核态和用户态的主要原因在于：安全性、稳定性和性能优化。首先，内核态可以访问所有硬件资源，而用户态的程序如果直接访问硬件资源，可能会对系统造成严重的破坏，导致数据丢失、崩溃或安全漏洞。因此，操作系统通过用户态和内核态的隔离来防止用户程序对系统的直接控制，提高系统的安全性和稳定性。其次，通过分离内核态和用户态，操作系统可以对资源访问进行严格控制，避免用户程序错误或恶意行为影响到系统核心部分的运行。最后，这种隔离使得操作系统能够更高效地管理资源，内核态可以专门处理资源分配、任务调度和硬件控制，而用户态的程序可以集中在业务逻辑的实现上，两者分离有助于提高性能和可维护性。总之，区分内核态和用户态的设计理念是为了更好地保护系统的安全性，提供稳定的运行环境，并优化资源管理与程序执行效率。

35.什么时候会由用户态陷入内核态?

系统调用：用户程序在运行过程中需要访问操作系统提供的资源或服务，如文件操作、内存分配、网络通信等。为了实现这些功能，程序需要通过系统调用进入内核态。这些系统调用包括读写文件（如read、write）、进程管理（如fork、exec）、内存管理（如malloc、mmap）等。系统调用是通过中断或特权指令实现的，内核通过这些调用来执行特权操作并返回结果。

异常处理：异常是指程序执行过程中发生的错误或异常情况，如除零错误、访问无效内存地址等。当程序遇到异常时，会产生一个异常中断，操作系统将会中断当前用户程序的执行，进入内核态处理异常，处理完后返回用户态。常见的异常有除零异常、访问违规、页面错误等。

硬件中断：硬件设备（如键盘、鼠标、硬盘、网络接口等）可以通过中断信号请求CPU处理数据。当硬件设备发出中断时，CPU会暂停当前的用户态进程，进入内核态进行中断处理。中断服务程序会在内核态处理中断请求，并在处理完后返回用户态。硬件中断是操作系统与外部硬件交互的关键机制。

软件中断：软件中断通常由程序内部触发，类似于系统调用，但它可以由程序主动请求。在某些系统中，特定的指令（如int指令）会触发软件中断，进入内核态。软件中断常用于异常处理、调试或特定的操作请求。

上下文切换：当操作系统进行任务调度时，可能会发生上下文切换，这涉及从一个用户进程切换到另一个用户进程。虽然这通常是从用户态切换到用户态，但如果操作系统决定进行某些特权操作（例如保存或恢复进程的状态、调度新的进程等），也可能会触发内核态操作。

36.系统调用的过程?

用户程序发起系统调用：当用户程序需要执行操作系统提供的服务时，它通过某些特殊的指令或函数调用发起系统调用。例如，程序调用库函数如open()、read()、write()等。这些库函数本身是用户空间的函数，它们会封装具体的系统调用。

库函数包装系统调用：用户程序通常通过C库（如glibc）中的封装函数进行系统调用。库函数会准备好所需的参数，并通过特定的机制将这些参数传递给操作系统内核。库函数的作用是提供一个用户友好的接口，简化用户程序与内核之间的交互。

触发软中断或特权指令：一旦库函数准备好系统调用参数，它会通过软中断或特权指令（如syscall、int 0x80等）触发一个中断，告知CPU需要进入内核态。CPU将从用户程序的执行上下文切换到操作系统内核的上下文，这时，CPU会保存当前程序的状态（如寄存器、堆栈等），并开始执行内核代码。

进入内核态并执行系统调用处理函数：当CPU进入内核态后，操作系统会根据软中断号或系统调用编号找到对应的系统调用处理函数。系统调用处理函数是在内核态执行的，它负责执行操作系统提供的具体服务，例如文件读写、内存分配、进程管理等。

处理系统调用：在内核态，操作系统会根据系统调用的类型执行相应的任务。例如，如果是一个read系统调用，操作系统会读取指定的文件或设备，并将数据传回给用户程序。如果是malloc，内核会分配内存并返回给用户进程。

返回用户态：系统调用处理完成后，操作系统会将结果返回给用户程序，并通过恢复原先的执行上下文（如寄存器、堆栈等），将CPU从内核态切换回用户态。这个过程通常是通过返回指令（如iret或syscall return）来实现的。

继续执行用户程序：一旦用户程序返回到用户态，它可以根据系统调用的结果继续执行。如果系统调用没有出错，它就会使用操作系统提供的数据或资源；如果发生错误，系统调用会返回错误码，用户程序可以通过检查错误码来处理异常。

37.用户态和内核态是如何切换的?

1.系统调用引发的切换

当用户程序需要操作系统提供的服务时（例如文件操作、进程管理、网络通信等），它会发起一个系统调用。这个过程如下：

用户程序发起系统调用：用户程序通过调用一个库函数（如read、write）来请求操作系统服务。库函数会通过包装函数将请求传递给内核，封装好必要的参数。
触发中断进入内核态：通过软中断（如syscall指令）或特权指令，CPU从用户态进入内核态。系统调用引发的中断通常会设置一个标志位，表示这是用户程序的请求。
保存上下文：进入内核态之前，CPU需要保存当前的用户态程序状态（如程序计数器、寄存器等），以便后续恢复。在内核态执行时，操作系统可以访问硬件资源并执行相关任务。
内核态执行：在内核态，操作系统的内核代码会处理系统调用，并执行相应的操作（例如读文件、分配内存等）。内核完成任务后，会将结果返回给用户程序。
返回用户态：系统调用处理完毕后，操作系统会恢复用户程序的上下文，并使用iret或syscall return指令将CPU从内核态切换回用户态。此时，CPU从内核模式恢复到用户模式，继续执行用户程序。

2. 中断引发的切换

中断是由硬件设备或外部事件触发的，常见的包括定时器中断、I/O设备中断等。中断的过程如下：

外部事件触发中断：例如，定时器中断或者I/O设备请求CPU的服务时，硬件通过发送中断信号让CPU中断当前的程序执行。
进入内核态：CPU收到中断请求后，会暂停当前正在执行的用户程序（或另一个内核进程），保存当前状态，并切换到内核态。
执行中断处理程序：操作系统会处理这个中断（例如读取I/O设备的数据、处理定时器溢出等）。
返回用户态：当中断处理完成后，操作系统会将CPU切换回原先的用户态进程，并恢复程序的状态，继续执行。

3. 异常引发的切换

异常是程序运行中的错误或异常情况，例如非法内存访问、除零错误等。异常处理的过程如下：

触发异常：当程序出现错误时（例如访问非法内存），会产生异常中断。CPU会暂停当前进程，并触发异常处理。
进入内核态：CPU进入内核态，并根据异常类型跳转到内核中预定义的异常处理程序。
处理异常：操作系统处理这个异常，可能会终止出错的程序、打印错误信息或进行其他补救措施。
返回用户态：处理完成后，操作系统会根据异常类型决定是否恢复程序的执行，若程序能恢复，则返回用户态。

4. 上下文切换

上下文切换是操作系统调度任务时发生的过程，它涉及用户态和内核态之间的切换。上下文切换的过程如下：

保存进程上下文：当操作系统决定切换当前运行的进程时，首先需要保存当前进程的上下文（包括寄存器、程序计数器、堆栈指针等）到进程控制块（PCB）中。
选择新进程：操作系统调度程序根据调度策略（如轮转调度、优先级调度等）选择下一个进程。
恢复新进程的上下文：操作系统从新进程的进程控制块（PCB）中恢复该进程的上下文，将CPU的寄存器、程序计数器等恢复到该进程的状态。
切换到新进程：恢复新进程的上下文后，操作系统将控制权转交给新进程，使得新进程在用户态继续执行。

38.为什么用户态和内核态的相互切换过程开销比较大

1. 系统调用引发的切换

当用户程序需要操作系统提供的服务时（例如文件操作、进程管理、网络通信等），它会发起一个系统调用。这个过程如下：

用户程序发起系统调用：用户程序通过调用一个库函数（如read、write）来请求操作系统服务。库函数会通过包装函数将请求传递给内核，封装好必要的参数。
触发中断进入内核态：通过软中断（如syscall指令）或特权指令，CPU从用户态进入内核态。系统调用引发的中断通常会设置一个标志位，表示这是用户程序的请求。
保存上下文：进入内核态之前，CPU需要保存当前的用户态程序状态（如程序计数器、寄存器等），以便后续恢复。在内核态执行时，操作系统可以访问硬件资源并执行相关任务。
内核态执行：在内核态，操作系统的内核代码会处理系统调用，并执行相应的操作（例如读文件、分配内存等）。内核完成任务后，会将结果返回给用户程序。
返回用户态：系统调用处理完毕后，操作系统会恢复用户程序的上下文，并使用iret或syscall return指令将CPU从内核态切换回用户态。此时，CPU从内核模式恢复到用户模式，继续执行用户程序。

2. 中断引发的切换

中断是由硬件设备或外部事件触发的，常见的包括定时器中断、I/O设备中断等。中断的过程如下：

外部事件触发中断：例如，定时器中断或者I/O设备请求CPU的服务时，硬件通过发送中断信号让CPU中断当前的程序执行。
进入内核态：CPU收到中断请求后，会暂停当前正在执行的用户程序（或另一个内核进程），保存当前状态，并切换到内核态。
执行中断处理程序：操作系统会处理这个中断（例如读取I/O设备的数据、处理定时器溢出等）。
返回用户态：当中断处理完成后，操作系统会将CPU切换回原先的用户态进程，并恢复程序的状态，继续执行。

3. 异常引发的切换

异常是程序运行中的错误或异常情况，例如非法内存访问、除零错误等。异常处理的过程如下：

触发异常：当程序出现错误时（例如访问非法内存），会产生异常中断。CPU会暂停当前进程，并触发异常处理。
进入内核态：CPU进入内核态，并根据异常类型跳转到内核中预定义的异常处理程序。
处理异常：操作系统处理这个异常，可能会终止出错的程序、打印错误信息或进行其他补救措施。
返回用户态：处理完成后，操作系统会根据异常类型决定是否恢复程序的执行，若程序能恢复，则返回用户态。

4. 上下文切换

上下文切换是操作系统调度任务时发生的过程，它涉及用户态和内核态之间的切换。上下文切换的过程如下：

保存进程上下文：当操作系统决定切换当前运行的进程时，首先需要保存当前进程的上下文（包括寄存器、程序计数器、堆栈指针等）到进程控制块（PCB）中。
选择新进程：操作系统调度程序根据调度策略（如轮转调度、优先级调度等）选择下一个进程。
恢复新进程的上下文：操作系统从新进程的进程控制块（PCB）中恢复该进程的上下文，将CPU的寄存器、程序计数器等恢复到该进程的状态。
切换到新进程：恢复新进程的上下文后，操作系统将控制权转交给新进程，使得新进程在用户态继续执行。

39.什么是硬件中断和软件中断?

硬件中断和软件中断是计算机系统中两种常见的中断类型，用于打断程序的正常执行并进行某些特殊操作。硬件中断由外部硬件设备发起，如键盘、鼠标、磁盘等，触发时CPU会暂停当前的任务，转而执行硬件中断服务程序（ISR）。硬件中断通常用于实时处理硬件事件，并且通常具有较高的优先级。比如当用户按下键盘或磁盘完成了数据传输时，硬件会发出中断信号，告诉CPU需要立即处理这些事件。软件中断则由程序主动触发，通常用于执行系统调用或处理异常。程序在需要操作系统服务时，如内存分配、文件操作等，会通过软件中断请求进入内核态，进行相关的系统级操作。软件中断通常是同步的，由程序明确触发，处理的优先级较低。

硬件中断和软件中断的主要区别在于触发来源、优先级、同步性和目的。硬件中断由外部硬件设备触发，属于异步中断，通常用于响应外部事件，优先级较高；而软件中断由程序内部触发，通常用于系统调用或异常处理，优先级较低，且通常是同步的。两者在处理流程上相似：无论是硬件中断还是软件中断，CPU都会保存当前的执行状态，跳转到中断服务程序进行处理，处理完后恢复执行状态，继续执行原程序。

40.什么是硬中断和软中断?

硬中断（硬件中断）

硬中断是由计算机外部或内部硬件设备发出的中断信号，用于通知CPU处理某些硬件事件。硬中断通常是由外部硬件设备（如键盘、鼠标、磁盘、网络适配器等）触发，用于告诉CPU有事件需要立即处理，打断当前的程序执行。

特点：

由硬件触发：硬中断是由外部硬件设备发出的信号，CPU通过硬件中断信号的触发来中断当前程序的执行。
高优先级：硬中断通常具有较高的优先级，以确保及时响应硬件事件，如外部设备输入、定时器溢出等。
实时性要求高：硬中断用于响应实时性要求较高的事件，如键盘输入、传感器信号、网络数据包等。
异步性：硬中断是异步的，不需要程序的显式调用，硬件设备可能在任何时刻触发中断。

软中断（软件中断）

软中断是由程序或软件系统主动发起的中断，通常用于程序内的系统调用、异常处理等情况。软中断通过执行特殊指令（如INT指令）或系统调用来请求操作系统或硬件执行特定任务。

特点：

由软件触发：软中断是由程序主动触发的，可以由操作系统内部的任务或者应用程序通过指定的指令或调用实现。
低优先级：软中断的优先级通常较低，它是由程序内部发起的，不像硬中断那样需要优先响应硬件设备的需求。
同步性：软中断通常是同步的，即它是在程序明确发起后立即执行的，与硬件中断不同，后者是异步的。
可控性：软中断的触发由程序控制，程序可以根据需要发起中断进行系统调用或处理异常。

41.为什么要有软中断?

系统调用（System Call）机制

软中断提供了一种机制，使得用户态的程序可以请求操作系统内核的服务。在操作系统中，用户程序无法直接访问硬件资源，必须通过内核提供的接口（即系统调用）来进行资源管理（如文件操作、内存分配等）。软中断是实现这一机制的关键技术之一。

用户态与内核态的切换：用户程序通常在用户态执行，但某些操作必须由操作系统内核完成，如硬盘读写、进程管理、网络通信等。软中断通过触发中断，将控制权从用户态切换到内核态，让操作系统执行相关任务后再返回用户态。
透明性和安全性：通过软中断，用户程序可以在不直接操作硬件的情况下进行系统级的操作，同时操作系统可以对程序执行的权限进行控制，从而保证系统的安全性和稳定性。

异常处理（Exception Handling）

软中断在异常处理方面也发挥着重要作用。当程序出现错误（如除零错误、非法指令、内存访问错误等）时，CPU会触发软中断（异常），进入内核态，操作系统会根据异常类型进行处理。

捕获和处理异常：当程序运行时出现错误，软中断使得系统能够在发生错误时及时介入，停止错误的传播，保护系统稳定。操作系统通过软中断可以捕获异常并执行相应的异常处理程序，如修复内存错误、抛出异常或终止程序等。
异常隔离：通过软中断机制，异常处理与正常执行的程序逻辑分离，避免错误在程序中蔓延，有助于提高程序的健壮性。

执行用户级操作的内核代码

软中断也用于执行一些需要在内核中处理的任务，但这些任务并不属于硬件设备的操作。例如，操作系统内部的任务调度、信号处理、虚拟内存管理等。

任务调度和上下文切换：操作系统使用软中断来实现任务调度和上下文切换。当操作系统决定切换进程时，它通过软中断中断当前进程的执行，保存进程的状态，加载下一个进程的状态，并将控制权转交给新的进程。
内核调度：操作系统内核需要根据优先级或其他调度策略决定哪个进程应该获得CPU的控制权。软中断为内核提供了一种机制，允许在需要时控制任务的执行顺序和调度。

灵活的控制流程

软中断使得程序能够在运行时灵活地控制流程。例如，通过软中断可以实现调试、追踪和日志记录等功能。当程序执行到特定点时，程序可以通过软中断触发调试操作，允许开发人员分析程序执行过程或记录关键的状态信息。

调试和日志：程序可以在特定的代码点触发软中断，以便进行调试或记录日志，帮助开发人员追踪程序的执行和状态。

跨平台支持

软中断可以为跨平台开发提供统一的接口。不同的操作系统和硬件平台可能有不同的硬件中断机制，但软中断提供了一种统一的方式来实现操作系统与应用程序之间的交互，开发者不需要关心底层的硬件差异。

抽象硬件差异：通过软中断，操作系统能够抽象不同硬件平台之间的差异，为用户程序提供一致的系统调用接口。

资源访问控制

软中断可以作为操作系统资源访问控制的一部分。在软中断中，操作系统能够验证当前用户进程是否具有执行某个操作的权限，从而避免非法访问敏感资源。比如，内核通过软中断来确保用户程序只能在授权的情况下访问特定的系统资源。

42.说一下Linux 启动的流程

开机自检（Power-On Self Test, POST）

计算机开机后，硬件首先进行自检，检查系统是否正常启动。这一过程由 BIOS 或 UEFI（如果是较新的系统）完成。BIOS 会检查硬件、初始化内存、设置硬件设备等，并加载启动设备的引导程序。

加载引导加载程序（Bootloader）

在 POST 结束后，BIOS/UEFI 将控制权交给硬盘上的启动引导程序。Linux 系统通常使用以下几种引导加载程序之一：

GRUB (Grand Unified Bootloader)：最常用的 Linux 引导加载程序。
LILO (Linux Loader)：一种较早的 Linux 引导加载程序，但现已较少使用。
systemd-boot：在一些较新的 Linux 系统中，使用 systemd 来管理启动过程。

过程：

BIOS/UEFI 查找引导设备，并加载引导加载程序（通常是 grub 或 lilo）的第一阶段。
引导加载程序开始执行，它会在硬盘上查找可用的操作系统，通常会列出所有可启动的操作系统选项（如 Linux 和 Windows）供用户选择。
如果用户没有选择，GRUB 会根据配置文件自动选择一个操作系统，通常是默认的 Linux 内核。

引导加载程序加载内核（Kernel）

引导加载程序的第二阶段会加载操作系统的内核文件（通常是 /boot/vmlinuz-* 文件）到内存中。内核是操作系统的核心，负责与硬件交互、管理系统资源、提供系统调用等。

过程：

GRUB 从硬盘加载内核镜像。
内核启动并将控制权交给操作系统内核本身。

内核初始化（Kernel Initialization）

内核被加载到内存后，它开始执行一系列初始化操作。这个阶段包括了硬件驱动程序的加载和设备的初始化。内核开始将硬件与操作系统进行连接，确保系统能够访问存储、显示器、网络等硬件设备。

过程：

内核解压缩：内核被压缩存储，启动时需要解压。
初始化硬件：内核识别并初始化所有硬件（例如 CPU、内存、磁盘、网络接口等）。
挂载根文件系统：内核通过指定的根文件系统（通常是 /dev/sda1 或其他设备）挂载根目录文件系统，加载必要的驱动和模块。
初始化设备驱动程序：内核会加载各种硬件驱动程序，确保系统的硬件正常运行。

启动系统进程（Init Process）

内核初始化完成后，会启动第一个用户空间进程，这个进程是 init（在系统d系统中是 systemd）。它是用户空间的第一个进程，PID 为 1，负责启动系统的其他进程。

过程：

内核启动 init 进程，并将控制权交给它。
init 进程会读取 /etc/inittab（在传统的 SysV init 系统中）或者 systemd 的配置文件来决定如何初始化系统。
启动系统服务：init 或 systemd 根据预定义的目标（如 multi-user 模式、图形界面模式等）启动一系列后台服务（如网络、时间同步、日志管理等）。
挂载文件系统：init 进程挂载所有必要的文件系统，并确保它们处于可访问状态。

启动守护进程（Daemon Processes）

在 init 或 systemd 启动之后，它会启动一系列守护进程，这些进程是 Linux 系统中的后台服务进程，通常是以 daemon 方式运行。

systemd：在较新的 Linux 发行版中，systemd 负责管理系统进程和服务。systemd 会根据目标（例如 graphical.target、multi-user.target）启动必要的服务和进程。
SysV init：在老版本的 Linux 系统中，init 会通过运行脚本来启动服务。