很多读者抱怨计算操作系统的知识点比较繁杂，自己也没有多少耐心去看，但是面试的时候又经常会遇到。所以，我带着我整理好的操作系统的常见问题来啦！这篇文章总结了一些我觉得比较重要的操作系统相关的问题比如进程管理、内存管理、虚拟内存等等。
文章形式通过大部分比较喜欢的面试官和求职者之间的对话形式展开。另外，我也只是在大学的时候学习过操作系统，不过基本都忘了，为了写这篇文章这段时间看了很多相关的书籍和博客。如果文中有任何需要补充和完善的地方，你都可以在评论区指出。如果觉得内容不错的话，不要忘记点个在看哦！
我个人觉得学好操作系统还是非常有用的，具体可以看我昨天在星球分享的一段话：
这篇文章只是对一些操作系统比较重要概念的一个概览，深入学习的话，建议大家还是老老实实地去看书。另外，这篇文章的很多内容参考了《现代操作系统》第三版这本书，非常感谢。
一操作系统基础
面试官顶着蓬松的假发向我走来，只见他一手拿着厚重的Thinkpad，一手提着他那淡*的长裙。
1.1什么是操作系统？
面试官：先来个简单问题吧！什么是操作系统？
我：我通过以下四点向您介绍一下什么是操作系统吧！
操作系统（OperatingSystem，简称OS）是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机系统的内核与基石；操作系统本质上是运行在计算机上的软件程序；操作系统为用户提供一个与系统交互的操作界面；操作系统分内核与外壳（我们可以把外壳理解成围绕着内核的应用程序，而内核就是能操作硬件的程序）。
关于内核多插一嘴：内核负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统等等，决定着系统的性能和稳定性。是连接应用程序和硬件的桥梁。内核就是操作系统背后黑盒的核心。
1.2系统调用
面试官：什么是系统调用呢？能不能详细介绍一下。
我：介绍系统调用之前，我们先来了解一下用户态和系统态。
根据进程访问资源的特点，我们可以把进程在系统上的运行分为两个级别：
用户态(usermode):用户态运行的进程或可以直接读取用户程序的数据。系统态(kernelmode):可以简单的理解系统态运行的进程或程序几乎可以访问计算机的任何资源，不受限制。
说了用户态和系统态之后，那么什么是系统调用呢？
我们运行的程序基本都是运行在用户态，如果我们调用操作系统提供的系统态级别的子功能咋办呢？那就需要系统调用了！
也就是说在我们运行的用户程序中，凡是与系统态级别的资源有关的操作（如文件管理、进程控制、内存管理等)，都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。
这些系统调用按功能大致可分为如下几类：
设备管理。完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能。文件管理。完成文件的读、写、创建及删除等功能。进程控制。完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能。进程通信。完成进程之间的消息传递或信号传递等功能。内存管理。完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及地址等功能。
二进程和线程
2.1进程和线程的区别
面试官:好的！我明白了！那你再说一下：进程和线程的区别。
我：好的！下图是Java内存区域，我们从JVM的角度来说一下线程和进程之间的关系吧！
如果你对Java内存区域(运行时数据区)这部分知识不太了解的话可以阅读一下这篇文章：《可能是把Java内存区域讲的最清楚的一篇文章》
从上图可以看出：一个进程中可以有多个线程，多个线程共享进程的堆和方法区(JDK1.8之后的元空间)资源，但是每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈。
总结：线程是进程划分成的更小的运行单位,一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。线程和进程最大的不同在于基本上各进程是独立的，而各线程则不一定，因为同一进程中的线程极有可能会相互影响。线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。
2.2进程有哪几种状态?
面试官：那你再说说进程有哪几种状态?
我：我们一般把进程大致分为5种状态，这一点和线程很像！
创建状态(new)：进程正在被创建，尚未到就绪状态。就绪状态(ready)：进程已处于准备运行状态，即进程获得了除了处理器之外的一切所需资源，一旦得到处理器资源(处理器分配的时间片)即可运行。运行状态(running)：进程正在处理器上上运行(单核CPU下任意时刻只有一个进程处于运行状态)。阻塞状态(waiting)：又称为等待状态，进程正在等待某一事件而暂停运行如等待某资源为可用或等待IO操作完成。即使处理器空闲，该进程也不能运行。结束状态(terminated)：进程正在从系统中消失。可能是进程正常结束或其他原因中断退出运行。
2.3进程间的通信方式
面试官：进程间的通信常见的的有哪几种方式呢?
我：大概有7种常见的进程间的通信方式。
下面这部分总结参考了:《进程间通信IPC(InterProcessCommunication)》这篇文章，推荐阅读，总结的非常不错。
管道/匿名管道(Pipes)：用于具有亲缘关系的父子进程间或者兄弟进程之间的通信。有名管道(NamesPipes):匿名管道由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信。为了克服这个缺点，提出了有名管道。有名管道严格遵循先进先出(firstinfirstout)。有名管道以磁盘文件的方式存在，可以实现本机任意两个进程通信。信号(Signal)：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；消息队列(MessageQueuing)：消息队列是消息的链表,具有特定的格式,存放在内存中并由消息队列标识符标识。管道和消息队列的通信数据都是先进先出的原则。与管道（无名管道：只存在于内存中的文件；命名管道：存在于实际的磁盘介质或者文件系统）不同的是消息队列存放在内核中，只有在内核重启(即，操作系统重启)或者显示地删除一个消息队列时，该消息队列才会被真正的删除。消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取.比FIFO更有优势。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。信号量(Semaphores)：信号量是一个计数器，用于多进程对共享数据的访问，信号量的意图在于进程间同步。这种通信方式主要用于解决与同步相关的问题并避免竞争条件。共享内存(Sharedmemory)：使得多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据的更新。这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等。可以说这是最有用的进程间通信方式。套接字(Sockets):此方法主要用于在客户端和服务器之间通过网络进行通信。套接字是支持TCP/IP的网络通信的基本操作单元，可以看做是不同主机之间的进程进行双向通信的端点，简单的说就是通信的两方的一种约定，用套接字中的相关函数来完成通信过程。2.4线程间的同步的方式
面试官：那线程间的同步的方式有哪些呢?
我：线程同步是两个或多个共享关键资源的线程的并发执行。应该同步线程以避免关键的资源使用冲突。操作系统一般有下面三种线程同步的方式：
互斥量(Mutex)：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。比如Java中的synchronized关键词和各种Lock都是这种机制。信号量(Semphares)：它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量事件(Event):Wait/Notify：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操
2.5进程的调度算法
面试官：你知道操作系统中进程的调度算法有哪些吗?
我：嗯嗯！这个我们大学的时候学过，是一个很重要的知识点！
为了确定首先执行哪个进程以及最后执行哪个进程以实现最大CPU利用率，计算机科学家已经定义了一些算法，它们是：
先到先服务(FCFS)调度算法:从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程为之分配资源，使它立即执行并一直执行到完成或发生某事件而被阻塞放弃占用CPU时再重新调度。短作业优先(SJF)的调度算法:从就绪队列中选出一个估计运行时间最短的进程为之分配资源，使它立即执行并一直执行到完成或发生某事件而被阻塞放弃占用CPU时再重新调度。时间片轮转调度算法:时间片轮转调度是一种最古老，最简单，最公平且使用最广的算法，又称RR(Roundrobin)调度。每个进程被分配一个时间段，称作它的时间片，即该进程允许运行的时间。多级反馈队列调度算法：前面介绍的几种进程调度的算法都有一定的局限性。如短进程优先的调度算法，仅照顾了短进程而忽略了长进程。多级反馈队列调度算法既能使高优先级的作业得到响应又能使短作业（进程）迅速完成。，因而它是目前被公认的一种较好的进程调度算法，UNIX操作系统采取的便是这种调度算法。优先级调度：为每个流程分配优先级，首先执行具有最高优先级的进程，依此类推。具有相同优先级的进程以FCFS方式执行。可以根据内存要求，时间要求或任何其他资源要求来确定优先级。
三操作系统内存管理基础
3.1内存管理介绍
面试官:操作系统的内存管理主要是做什么？
我：操作系统的内存管理主要负责内存的分配与回收（malloc函数：申请内存，free函数：释放内存），另外地址转换也就是将逻辑地址转换成相应的物理地址等功能也是操作系统内存管理做的事情。
3.2常见的几种内存管理机制
面试官:操作系统的内存管理机制了解吗？内存管理有哪几种方式?
我：这个在学习操作系统的时候有了解过。
简单分为连续分配管理方式和非连续分配管理方式这两种。连续分配管理方式是指为一个用户程序分配一个连续的内存空间，常见的如块式管理。同样地，非连续分配管理方式允许一个程序使用的内存分布在离散或者说不相邻的内存中，常见的如页式管理和段式管理。
块式管理：远古时代的计算机操系统的内存管理方式。将内存分为几个固定大小的块，每个块中只包含一个进程。如果程序运行需要内存的话，操作系统就分配给它一块，如果程序运行只需要很小的空间的话，分配的这块内存很大一部分几乎被浪费了。这些在每个块中未被利用的空间，我们称之为碎片。页式管理：把主存分为大小相等且固定的一页一页的形式，页较小，相对相比于块式管理的划分力度更大，提高了内存利用率，减少了碎片。页式管理通过页表对应逻辑地址和物理地址。段式管理：页式管理虽然提高了内存利用率，但是页式管理其中的页实际并无任何实际意义。段式管理把主存分为一段段的，每一段的空间又要比一页的空间小很多。但是，最重要的是段是有实际意义的，每个段定义了一组逻辑信息，例如,有主程序段MAIN、子程序段X、数据段D及栈段S等。段式管理通过段表对应逻辑地址和物理地址。
面试官：回答的还不错！不过漏掉了一个很重要的段页式管理机制。段页式管理机制结合了段式管理和页式管理的优点。简单来说段页式管理机制就是把主存先分成若干段，每个段又分成若干页，也就是说段页式管理机制中段与段之间以及段的内部的都是离散的。
我：谢谢面试官！刚刚把这个给忘记了～
3.3快表和多级页表
面试官：页表管理机制中有两个很重要的概念：快表和多级页表，这两个东西分别解决了页表管理中很重要的两个问题。你给我简单介绍一下吧！
我：在分页内存管理中，很重要的两点是：
虚拟地址到物理地址的转换要快。解决虚拟地址空间大，页表也会很大的问题。
快表
为了解决虚拟地址到物理地址的转换速度，操作系统在页表方案基础之上引入了快表来加速虚拟地址到物理地址的转换。我们可以把块表理解为一种特殊的高速缓冲存储器（Cache），其中的内容是页表的一部分或者全部内容。作为页表的Cache，它的作用与页表相似，但是提高了访问速率。由于采用页表做地址转换，读写内存数据时CPU要访问两次主存。有了快表，有时只要访问一次高速缓冲存储器，一次主存，这样可加速查找并提高指令执行速度。
使用快表之后的地址转换流程是这样的：
根据虚拟地址中的页号查快表；如果该页在快表中，直接从快表中读取相应的物理地址；如果该页不在快表中，就访问内存中的页表，再从页表中得到物理地址，同时将页表中的该映射表项添加到快表中；当快表填满后，又要登记新页时，就按照一定的淘汰策略淘汰掉快表中的一个页。
看完了之后你会发现快表和我们平时经常在我们开发的系统使用的缓存（比如Redis）很像，的确是这样的，操作系统中的很多思想、很多经典的算法，你都可以在我们日常开发使用的各种工具或者框架中找到它们的影子。
多级页表
引入多级页表的主要目的是为了避免把全部页表一直放在内存中占用过多空间，特别是那些根本就不需要的页表就不需要保留在内存中。
总结
为了提高内存的空间性能，提出了多级页表的概念；但是提到空间性能是以浪费时间性能为基础的，因此为了补充损失的时间性能，提出了快表（即TLB）的概念。不论是快表还是多级页表实际上都利用到了程序的局部性原理，局部性原理在后面的虚拟内存这部分会介绍到。
3.4分页机制和分段机制的共同点和区别
面试官：分页机制和分段机制有哪些共同点和区别呢？
我：
共同点：分页机制和分段机制都是为了提高内存利用率，较少内存碎片。页和段都是离散存储的，所以两者都是离散分配内存的方式。但是，每个页和段中的内存是连续的。区别：页的大小是固定的，由操作系统决定；而段的大小不固定，取决于我们当前运行的程序。分页仅仅是为了满足操作系统内存管理的需求，而段是逻辑信息的单位，在程序中可以体现为代码段，数据段，能够更好满足用户的需要。
3.5逻辑(虚拟)地址和物理地址
面试官：你刚刚还提到了逻辑地址和物理地址这两个概念，我不太清楚，你能为我解释一下不？
我：em...好的嘛！我们编程一般只有可能和逻辑地址打交道，比如在C语言中，指针里面存储的数值就可以理解成为内存里的一个地址，这个地址也就是我们说的逻辑地址，逻辑地址由操作系统决定。物理地址指的是真实物理内存中地址，更具体一点来说就是内存地址寄存器中的地址。物理地址是内存单元真正的地址。
3.6CPU寻址了解吗?为什么需要虚拟地址空间?
面试官：CPU寻址了解吗?为什么需要虚拟地址空间?
我：这部分我真不清楚！
于是面试完之后我默默去查阅了相关文档！留下了没有技术的泪水。。。
现代处理器使用的是一种称为虚拟寻址(VirtualAddressing)的寻址方式。使用虚拟寻址，CPU需要将虚拟地址翻译成物理地址，这样才能访问到真实的物理内存。实际上完成虚拟地址转换为物理地址转换的硬件是CPU中含有一个被称为内存管理单元（MemoryManagementUnit,MMU）的硬件。如下图所示：
为什么要有虚拟地址空间呢？
先从没有虚拟地址空间的时候说起吧！没有虚拟地址空间的时候，程序都是直接访问和操作的都是物理内存。但是这样有什么问题呢？
用户程序可以访问任意内存，寻址内存的每个字节，这样就很容易（有意或者无意）破坏操作系统，造成操作系统崩溃。想要同时运行多个程序特别困难，比如你想同时运行一个