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剖析面试最常见问题之操作系统基础知识篇

剖析面试最常见问题之操作系统基础知识篇

什么是操作系统?

我通过以下四点介绍什么操作系统:

  • 操作系统(英语:Operating System,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 ;
  • 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)。

操作系统分内核与外壳

操作系统分内核与外壳

进程和线程的区别是什么?

这个问题我们在《剖析面试最常见问题之 Java 并发基础知识》这一章节已经提到过一次,阅读过这篇文章的朋友可以检测一下自己是否掌握。

下图是 Java 内存区域,通过下图我们从 JVM 的角度来说一下线程和进程之间的关系。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》

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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

进程有哪几种状态?

  • 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。

process-state

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对比:线程的生命周期和状态?

进程间的通信的几种方式?

下面这部分总结参考了:《进程间通信IPC (InterProcess Communication)》 这篇文章,推荐阅读,总结的非常不错。

  1. 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。
  2. 有名管道(Names Pipes) : 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(first in first out)。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。
  3. 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;
  4. 消息队列(Message Queuing) :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。
  5. 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。
  6. 共享内存(Shared memory) :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得更新。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。
  7. 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。

线程同步的方式有哪些?

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:

  1. 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。
  2. 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
  3. 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
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