横眉冷对千夫指，俯首甘为孺子牛。——鲁迅
操作系统面试相关知识汇总：
操作系统知识对于服务问题的排查和定位非常重要。
进程和线程
进程
进程的结构如下图所示：
- 每个进程都包含线程
- 进程里面也包含内存。
- “句柄“在英文中叫做“handle”，文件和网络资源与内存不同，它是所有进程所共有的，也就是说我这个进程和那个进程都是可以打开同一个文件的，或者都是可以同时去抢同一个网络的端口。
是不是把电脑的内存分配一部分给它呢？并不是。
这里的内存是逻辑内存。电脑的32位和64位到底是什么意思呢？就是在内存上面，是指它们内存的寻址空间。32位代表2的32次方，也就是4G大小，也就是每个进程都有一个4G内存的一个空间。这只是说它有4G内存的空间可以用，不是说我就把4G的内存分配给你了。
进程之间的内存的独立是合理且必须的，举个例子，如果我的进程的指针可以改一改，指向你正在输入银行卡密码的进程，那么我就可以得到你微信或者网上银行的内存了，那就很不安全，甚至恐怖了。
线程
线程的结构如下图所示：
我制作的这张图可以说比较形象地说明了线程的内部结构。
首先，线程里面包含栈。我们习惯说“调用堆栈”，实际上这里“堆“没有意义，这里的调用“堆栈”其实就是调用栈。
栈里面有什么？——主线程中的main函数会进行各种调用，每次调用，会把所有的参数和返回的地址压到栈里面，一层一层地放入栈。包括每个函数地局部变量也都会放在栈里面。
线程还有很重要的一个东西“PC”——program counter的意思，里面存放的是下一个要执行的指令的地址。所以总的来说，我们的操作系统运行的是一个一个的线程，进程只是一个容器，线程才是真正运行的东西
TLS——thread local storage——每个进程都有自己的一块内存，那么线程有没有呢？也是有的，就是这个TLS。我们可以在TLS中分配内存，存放变量，这些数据就是我们的线程所独有的数据
总得来说，线程才是我们操作的系统真正运行的，进程只是一个容器，他把一部分东西放在一起，旁边放了一个很强的隔离，把不同的程序隔离开来。
进程和线程的区别和联系？
从宏观上来回答：
a. 进程是系统资源分配的最小单位，线程是程序执行的最小单位
b.进程使用独立的数据空间，而线程共享进程的数据空间
但是这只是很宏观的角度，我们需要从更细的角度去钻研一下，进程(process)和线程(thread)的区别。而且面试官可能会从你的回答来继续后面的问题。
比如面试者回答说”它们的内存结构不同，进程之间不能共享内存，线程之间可以共享内存”，那面试官可以问与内存有关的内容，比如我们如何寻址？
再比如面试者回答“线程之间通信很方便，但是进程之间通信比较复杂”，那么面试官会问进程间通信有哪些方法，比较一下优劣点，等等。
共享内存，因为进程间不能共享内存，所以我们会用一些进程间相互交互的方案，比较常见的就是通过TCP/IP的端口来实现。也有其他方案，但是TCP/IP是最通用的，其他方案可能和某个特定操作系统的相关性要更大一些。
线程间通信就很简单了，只要两个线程的指针指向同一块内存，它们之间就可以通信。
In terms of 开销，进程的开销当然比较大，因为我们要给它分配很多内存，而线程我们只是给它分配一个栈，分配一个PC指针(program counter)就可以了。此外，进程之间切换的开销会大于线程之间切换的开销。
进程间通信(IPC)
之前已经介绍了进程和线程之间的区别，进程就像一个container,里面有很多的线程。而除了有很多线程，更重要的一点，它有一块自己的内存。这块内存是这个进程里面所有线程之间共享的，所以线程之间共享数据很方便——我开一块内存，告诉你地址，你也能用，当然如果同时读写的话会有线程安全性问题，需要加一些同步的机制来防止线程安全性的问题。
但是进程和进程之间都有一块自己独立的内存，这块内存的大小和物理内存大小无关，和系统是32位还是64位有关。进程之间是不能互相看到信息的。
这里列举进程之间通信的7种方法：
- 文件
- 管道/命名管道
- Signal
- 共享内存
- 消息队列
- 同步机制，如信号量(semaphore)
- Socket
1.写一个文件：最简单的方法，一个进程写一个文件，另一个进程去访问这个文件，由此两个进程之间可以交换信息，得以通信。
2.管道：两个进程之间建立消息通信的通道。不命名的管道一般是单向的，一方可以向另一方从管道里发送数据；命名管道可以单向也可以双向。
比如：
-打印一个日志文件：cat XXX
-查找带有某个字符串内容：grep -e “ERROR” –color
此外，如果还用统计，可以用wc（word count）命令
3.Signal：linux系统中最常用。一个进程给另一个进程发送信号，一般是一串数字，这个数字有自己特定的含义。比如”kill”可以 send a signal to a process,强行”kill”掉。
4.共享内存：虽然进程之间是彼此独立的，但是操作系统可以提供一个机制，两个进程可以约定好，打开一个文件，这个文件映射到内存中，也就是多个进程使用同一块内存。
共享内存方式适用于进程间数据共享的场景。
5.消息队列：一个进程可以向另一个进程发消息。
进程间数据交换的场景可以使用Unix Socket或者消息队列。
6.同步机制，信号量。
很经典的知识点。如果进程或者线程进入之后，可能不是在进行写操作，而是进行读之类的操作，此时没必要只限制一个进程或者线程去执行。
信号量用一个整型(sem)表示，它是一个有符号数。针对信号量有两个原子操作：
- P()(Perlaag(荷兰语，减少))
- sem减1
- 若sem < 0,进入等待，否则继续
- V()(Verhoog(荷兰语，增加))
- sem加1
- 若sem<=0,唤醒一个等待进程
可以用火车站台举例子，如果只有两个车站和站台，只有2个资源的信号量，那么一开始sem是2。来了一辆车，sem会减1，若sem减小到了0，那么再来的资源就只能等待了。
信号量有两种：二进制信号量(0或1)、一般/计数信号量(可以取任何非负值)
P()操作可能会让进程阻塞挂起、V()操作可能可以唤醒进程。
在临界区之前用P()操作，在临界区之后用V()操作加回去。
使用二值信号量的一个例子：如果要设置两个Thread的同步关系，那么可以把condition初始化值设置为0：condition = new Semaphore(0)，
让Thread在执行条件(比如condition())之前执行减法P()操作，这样condition就不得不暂停，直到condition里面的信号量回到0才能继续执行。此时可以在ThreadB中执行V()操作，此时才可以把ThreadA唤醒，使得Thread继续执行。
也可以用信号量解决有缓冲区的生产者-消费者问题。此时需要用到计数信号量。
图中的情况和Lock完全不同。生产者可能生产很多内容都往buffer里面”挤”，但是作为消费者的线程，可能不能一口气消耗掉所有buffer里面的数据。
有关生产者消费者模型的问题，有以下要求(约束)：
- 在任何一个时间只能有一个线程操作缓冲区(互斥)
- 当缓冲区为空，消费者必须等待生产者(调度/同步约束)
- 当缓存区满，生产者必须等待消费者(调度/同步约束)
解决这三个约束的办法，就是定义三个信号量，每个约束单独用一个信号量控制：
- 二进制信号量(处理互斥)
- 一般信号量fullBuffers(一开始为0，取不到数据，标记消费者是否可以去取数据了)
- 一般信号量emptyBuffers(一开始为n，可以用P()函数去取)
具体定义操作：
上面这两个函数中，即用到了互斥机制，也用到了同步机制，来解决生产者和消费者的问题。
fullBuffers一开始是0。emptyBuffers里面一开始设置可以放入n。
生产者函数：Deposit、消费者函数：Remove()
需要注意初始值的赋值，需要知道一开始Buffer是不是空的。
一个问题：上述生产者消费者模型中，P、V操作的顺序有影响吗？——答：因为V操作不会阻塞，所以交换V操作没有问题。
但是生产者的P操作不能交换，因为P操作是阻塞的，可能产生死锁。比如生产者很快，Buffer满了，生产者先执行mutex的P操作，可以执行。但是之后执行emptyBuffer()的时候，因为此时Buffer满了，emptyBuffers已经是0了，所以再执行P操作之后，Deposit会进入到睡眠状态。之后消费者如果P顺序不变，第一个fullBuufers操作没问题，但是第二个mutex会卡住，导致最后不能执行到emptyBuffers操作的V操作，无法唤醒生产者的操作，产生死锁。
所以，对信号量的操作的顺序需要注意。
7.Socket：最后一种，而且没回答出来这个其实整个答案都不算好。因为前面6种只能作为同一个机器的进程之间的通信，而Socket可以是不同机器的进程之间的通信。
可以在机器上开一个端口，作为一个服务器，让用户连接。这种通信包含了网络上的服务端和服务器的这种结构。
用浏览器去访问一个网站，这时浏览器的进程和远端服务器的进程要进行通信。
Socket可以作为不同机器之间进程的通信——通过客户端，服务器的方法。这里面走的一般是TCP的协议或者UDP的协议。
线程调度
介绍两个调度算法：时间片轮转调度算法和动态优先级调度算法
时间片轮转调度是一种最古老，最简单而且最公平的算法，每个进程被分配一段时间，称作是时间片，轮流分享CPU的计算资源。这个时间片的设置比较讲究。比如linux早期是百分之一秒，现在设置为千分之一秒。
和之前做过的堆机场吞吐量优化的项目类似，动态优先级调度算法就是给每个进程都设置一个权值，而且这个权值会随自变量而改变，而系统会根据每个进程的优先级来判断之后优先调度哪一个进程。
存储和寻址
存储整体结构如下图：
最底层是硬盘，可以长久存放程序，而且一般都比较大。
然后是内存，它里面存放的数据断电就会没有，但是它可以更加快速地随机地进行访问。
再往上就进入了CPU。CPU除了运算模块，还有缓存。缓存也有各种级别，有些缓存是共有的，有些是自己独有的。
再往上就是离CPU运算单元更近的，寄存器。
这些存储单元的存储速度有什么特点？从上到下由快到慢。寄存器是最快的因为他就在运算模块的旁边。硬盘是最慢的。价格也是由贵到便宜。
谷歌的搜索会把整个互联网放在它们的内存中，尤其是对访问量高的网页。访问量低的网页才会被放在硬盘里。这样基于内存的搜索引擎肯定是又快又好的。
寻址过程
那么我们操作系统是如何寻址的？——也就是说给定一个地址之后，操作系统是怎么在这个层次性的结构中找到需要的数据呢？
需要结合寻址空间：
- 寻址空间：每一个进程里面的指针可以取到的地址的范围。这个寻址空间和我们机器上装了多少存储空间，某时刻有多少个进程，都没有关系。每个进程都有自己独立的寻址空间。
那这个寻址空间有多大呢？一般会考虑到两种大小的寻址空间：32位和64位。
32位：2的32次方位字节(Byte,注意不是Bit，也就说不是位或者比特)。1G=2^10 M =2^10 * 2^10 K = 2^10 * 2^10 * 2^10 B，所以32位为 2^32/2^10/2^10/2^10 = 2^2 = 4G
64位：可以有10^19次方Byte的寻址空间，这个空间非常大，一时半会不需要考虑不够用……
举一个寻址的例子：int n = *p;，这段代码翻译成汇编，其实就是：MOV EAX, [EBX]
具体流程如下图所示：
这段代码,int n = p，p代表一个地址，p表示把指向int类型的数据的指针p指向的内容读取出来，赋值给n
图中虚线表示，逻辑内存对应到物理内存是不一定对应得出来的，有可能它在物理内存里面（直接取出来就可以），也可能不在物理内存里面，在虚拟内存里面。操作系统会在硬盘上开辟一个空间作为虚拟内存，虚拟内存不会把具体多少字节放过去，而是把p的分页放进去（通常几k或者几兆这样，根据操作系统配置而定）。
通常硬盘是比较大的，只要放得下，可以不断把内存中的东西放到硬盘上去。
如果想要放入物理内存但是发现物理内存不够，那么就只能用算法在物理内存里面找到一块很久没有用过的地方，用新的分页部分把它替换出来，这个过程称作是“分页”或“交换”，这个时候p就进入了物理内存里面。
如果在win的C盘发现有一块空间（几百兆或者几G）是不能访问的，那么这是win分配的虚拟内存的块空间。
在Linux中用户也是没有权限看到这块空间的，然后物理内存里面有了p的数据，我们可以把它取出来，放到寄存器里面。
一个运行良好的系统，绝大部分数据都是在物理内存里面的，这样能够很快。但是物理内存使用过多会造成过度分页，由于硬盘很慢，这样的话系统就会变得很慢。
中断
中断的概念：中断指处理机处理程序运行中出现的紧急事件的整个过程.程序运行过程中，系统外部、系统内部或者现行程序本身若出现紧急事件，处理机立即中止现行程序的运行，自动转入相应的处理程序(中断服务程序)，待处理完后，再返回原来的程序运行，这整个过程称为程序中断。
中断的流程：改变工作模式至中断模式 -> 保存现场 -> 分析中断原因，跳到中断起始地址处理中断 -> 返回到原来模式 -> 恢复现场继续执行原来的程序。
操作系统问题集合
进程和线程的区别和联系？
（1）粒度性分析：线程的粒度小于进程。
（2）调度性分析：进程是资源拥有的基本单位，线程是独立调度与独立运行的基本单位，出了寄存器，程序计数器等必要的资源外基本不拥有其他资源。
（3）系统开销分析：由于线程基本不拥有系统资源，所以在进行切换时，线程切换的开销远远小于进程。
两者联系：进程和线程都是操作系统所运行的程序运行的基本单元。
简单说说寻址的过程？
-可以结合上述内容。
32位操作系统和64位操作系统区别是什么？
-32位和64位是它们的寻址空间大小的区别，这和系统物理内存大小无关。
说出你知道的进程间通信机制？
-参考上述七种方法，最重要的是socket，最容易忽略的是“读写文件”（读文件和写文件）。
说一下中断的概念和流程？
参考上面内容。