操作系统 | realhuang

1. 什么是僵尸进程？

一般在有父子关系的进程中会存在。在子进程退出后，如果父进程没有调用wait()等方式，子进程将不会主动退出，从而成为僵尸进程。

2. 什么是孤儿进程？

当父进程退出后，子进程还没有退出，这些子进程会成为孤儿进程。此时这些子进程将过继给init根进程，并由 init 进程对它们完成状态收集工作。

3. 进程有哪些调度算法？

先来先服务算法
优先级调度算法
时间片轮转算法
短作业优先算法
最短剩余时间优先算法

4. 进程有哪些通信方式？

管道：所谓的管道就是内核中的一串缓存，从管道的一端写入数据，就是缓存在了内核里，另一端读取，也是从内核中读取这段数据。管道可以分为两类：匿名管道和命名管道。匿名管道是单向的，只能在有亲缘关系的进程间通信；命名管道是双向的，可以实现本机任意两个进程通信。
消息队列：消息队列就是保存在内核中的消息链表，包括Posix消息队列和System V消息队列。
共享内存：就是拿出⼀块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中。这样这个进程写⼊的东西，另外的进程⻢上就能看到。共享内存是最快的 IPC 方式，
信号量：它本质上是一个整数计数器，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。
信号：信号可以理解成一种电报，发送方发送内容，指定接收进程，然后发出特定的软件中断，操作系统接到中断请求后，找到接收进程，通知接收进程处理信号。比如kill -9 1050就是一种信号。
socket：与其他通信机制不同的是，它可用于不同机器间的进程通信。

5. 线程有哪些实现方式？

内核态线程实现、⽤户态线程实现、混合线程实现。

现代操作系统基本都是将两种方式结合起来使用。用户态的执行系统负责进程内部线程在非阻塞时的切换；内核态的操作系统负责阻塞线程的切换。即我们同时实现内核态和用户态线程管理。其中内核态线程数量较少，而用户态线程数量较多。每个内核态线程可以服务一个或多个用户态线程。

6. 什么是快表？

同样利用了局部性原理，即在⼀段时间内，整个程序的执行仅限于程序中的某⼀部分。相应地，执行所访问的存储空间也局限于某个内存区域。

利用这⼀特性，把最常访问的几个页表项存储到访问速度更快的硬件，于是计算机科学家们，就在 CPU 芯片中，加入了⼀个专门存放程序最常访问的页表项的 Cache，这个 Cache 就是 TLB（Translation Lookaside Buffer），通常称为页表缓存、转址旁路缓存、快表等。

7. 页面置换算法有哪些？

先进先出置换算法：
最佳页面置换算法：
最近最久未使用置换算法：
时钟页面置换算法：这个算法的思路是，把所有的页面都保存在⼀个类似钟面的环形链表中，⼀个表针指向最老的页面。当发生缺页中断时，算法首先检查表针指向的页面：如果它的访问位位是 0 就淘汰该页面，并把新的页面插入这个位置，然后把表针前移⼀个位置；如果访问位是 1 就清除访问位，并把表针前移⼀个位置，重复这个过程直到找到了⼀个访问位为 0 的页面为止；

最近未使用置换算法：

8. 硬链接和软链接有什么区别？

硬链接与原文件在磁盘上实际上指向同一个数据块，因此修改其中一个文件，另一个文件也会被修改。而软链接只是一个指向原文件的路径名，因此修改原文件不会影响软链接，软链接也可以指向其他路径的文件。

9. 介绍一下零拷贝技术？

在数据传输过程中，普通拷贝一般有四步，涉及到四次用户态和内核态之间的切换，开销较大。

所以为了减少用户态和核心态之间的切换以及内存拷贝的次数，使用了零拷贝技术。

mmap + write

本技术是将内核缓冲区里的数据“映射”到用户空间，这样，操作系统内核和用户空间就不需要再进行任何数据拷贝。

sendfile

在 Linux 内核版本 2.1 中，提供了⼀个专门发送文件的系统调⽤函数 sendfile() 。用这个函数代替read() 和 write() 两个函数，可以减少一次系统调用，也就是减少了两次上下文切换开销。

另外，可以把内核缓冲区内的数据直接拷贝到socket缓冲区，而不是先拷贝到用户态中。这样总共就只有两次线程上下文切换的开销。

在Kafka和Rocket中，都有这些零拷贝技术的运用。

10. 讲讲几种I/O模型？

I/O是面向流的，NIO是面向缓冲区的

内核利用文件描述符来访问文件。文件描述符是非负整数。打开现存文件或新建文件时，内核会返回一个文件描述符。读写文件也需要使用文件描述符来指定待读写的文件。

阻塞I/O：阻塞I/O模型是最常见的I/O模型，它的特点是当应用程序进行I/O操作时，操作系统会一直等待I/O操作完成，直到返回结果，期间应用程序会被阻塞，无法进行其他操作。这种模型在面对高并发和大量I/O操作时可能导致性能下降。

非阻塞I/O：非阻塞I/O模型是一种优化阻塞I/O的方式，它的特点是当应用程序进行I/O操作时，操作系统不会一直等待I/O操作完成，而是立即返回一个错误码，表示操作正在进行中。这样应用程序可以不停地进行轮询，直到I/O操作完成。这种模型可以提高应用程序的响应速度和吞吐量。（多个调用可以同时执行，没好的话只是都返回错误码，提高吞吐量）

基于非阻塞的I/O复用：基于非阻塞I/O的多路复用是一种更高效的I/O模型，它的特点是通过一个系统调用同时监听多个文件描述符的读写状态，一旦有数据可读或可写，就会通知应用程序进行处理。这种模型避免了不必要的轮询，提高了应用程序的效率和性能。

无论是阻塞 I/O、还是非阻塞 I/O、非阻塞I/O多路复用，都是同步调用。因为它们在read调用时，内核将数据从内核空间拷贝到应用程序空间，过程都是需要等待的，也就是说这个过程是同步的，如果内核实现的拷贝效率不高，read调用就会在这个同步过程中等待比较长的时间。

异步I/O：真正的异步 I/O 是内核数据准备好和数据从内核态拷贝到⽤户态这两个过程都不用等待。

发起 aio_read 之后，就立即返回，内核自动将数据从内核空间拷贝到应用程序空间，这个拷贝过程同样是异步的，内核自动完成的，和前面的同步操作不一样，应用程序并不需要主动发起拷贝动作。

11. 详细讲讲I/O多路复用？

I/O多路复用，指的是一个进程维护多个socket，也就是多个连接复用一个进程/线程。

I/O多路复用有三种实现机制

select

select执行过程如下：

假如进程A启动时，要监听的socket三个文件描述符为3、4、5，此时网卡还没有接收到有数据到达，进程A便会让出CPU，阻塞线程。此时select会将三个socket连接从用户态拷贝进内核态的等待队列。

等到有数据到达时，网卡通过中断信号告诉CPU，执行中断程序，中断程序做了以下几件事：

将数据写入到对应的socket数据连接
唤醒进程A，重新放入CPU的运行队列

数据到达后，select执行结束，文件描述符集合拷贝到用户态。

select缺点如下：

开销过大。刚开始时select会将文件描述符集从用户态拷贝到内核态，收到数据，select执行完成后又会将其从内核态拷贝到用户态。有两次用户态和内核态之间的上下文切换。（epoll优化为不拷贝）
每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd_set。进程被唤醒后，不知道哪些连接已就绪（收到了数据），需要遍历文件描述符集。（epoll优化为异步事件通知）
select只返回就绪文件的个数，具体哪个可读还要遍历。（epoll优化为返回就绪的文件描述符）
同时能够监听的连接数太少，在编译内核时就确定并且无法修改，一般是 32 位操作系统是 1024，64 位是 2048。（poll、epoll 优化为适应链表方式）

poll

poll主要解决的就是文件描述符集合数量限制的问题，它采用链表进行存储。

但是在使用过程中还是需要遍历整个链表获取哪些socket可读以及哪些socket就绪，时间复杂度太高。

epoll

epoll解决了select的“性能开销大”和“文件描述符数量少”这两个缺点，是性能最高的多路复用实现方式，能支持的并发量也是最大。解决的方法具体如下：

通过维护一个红黑树结构存储所有待检测的文件描述符，在每次有新的socket连接时，通过函数调用将其加入红黑树内。而不是像select/poll一样每次都传入一个集合，减少了用户空间和内核之间的大量数据拷贝和内存分配。

epoll 使用事件驱动的机制，在内核态维护一个链表记录就绪事件，当socket有事件发生时，通过回调函数，内核会将其加入就绪事件列表。而不是进程唤醒后，每次去遍历去找哪个可读，然后标记。

当用户态需要时会调用epoll_wait()函数，会返回有事件发生的文件描述符。而不是只返回就绪文件个数，然后一个个去遍历找哪个可读。

假设一个 work process 处理了 1000 个连接，但其中只有 10 个 IO 完成了，并可以继续往下执行，select/poll 的做法是遍历这 1000 个 FD（File Description，可以理解成每个建立了连接的一个标识），找到那 10 个就绪状态的，并把没做完的事情继续做完，这样检索的效率明显很低。所以 epoll 的做法是当这 10 个 IO 准备就绪时，通过系统的回调函数将 FD 放到一个专门的就绪列表中，这样系统只需要去找这个就绪列表就可以了，这大大提高了系统的响应效率。

可以看讲的较为细的文章：https://mp.weixin.qq.com/s/5xj42JPKG8o5T7hjXIKywg