操作系统

一、进程与线程

• 进程：资源分配的基本单位，拥有独立地址空间、文件描述符、信号处理器
• 线程：CPU 调度的基本单位，共享进程地址空间，拥有独立栈和寄存器
• 进程状态：创建 → 就绪 → 运行 → 阻塞 → 终止，就绪和运行之间由调度器切换
• 进程通信（IPC）：管道（Pipe）/ 消息队列 / 共享内存（最快）/ 信号量 / Socket / 信号
• 线程同步：互斥锁（Mutex）/ 读写锁 / 条件变量 / 信号量（Semaphore）
• 协程：用户态轻量级线程，协作式调度，无内核切换开销，Go goroutine / Java 虚拟线程
• 上下文切换：保存/恢复寄存器、程序计数器、栈指针，进程切换还需切换页表（TLB 失效）

二、CPU 调度算法

• FCFS 先来先服务：简单公平，但短作业可能等待很久（护航效应）
• SJF 最短作业优先：平均等待时间最短，但可能饿死长作业
• RR 时间片轮转：每个进程分配固定时间片，适合交互式系统，时间片太小则切换开销大
• 优先级调度：高优先级先执行，可能饿死低优先级进程，解决：老化机制（动态提升优先级）
• 多级反馈队列：多个优先级队列 + 时间片递增，兼顾响应时间和吞吐量，Linux CFS 的思想基础
• CFS 完全公平调度：Linux 默认调度器，基于虚拟运行时间（vruntime），红黑树管理进程

三、内存管理

• 虚拟内存：每个进程拥有独立虚拟地址空间，通过页表映射到物理内存，实现隔离和超额分配
• 分页机制：虚拟地址 = 页号 + 页内偏移，页表将虚拟页映射到物理页框，页大小通常 4KB
• 多级页表：减少页表内存占用，x86-64 使用四级页表（PGD→PUD→PMD→PTE）
• TLB 快表：页表缓存，命中率极高（>99%），进程切换需刷新 TLB（ASID 优化可避免）
• 缺页中断：访问的页不在物理内存 → 触发缺页异常 → OS 从磁盘加载页面 → 更新页表
• 页面置换算法：OPT（理论最优）/ FIFO / LRU（最近最少使用，实际常用近似 Clock 算法）/ LFU
• 内存分配：伙伴系统（Buddy，管理物理页框）/ Slab 分配器（管理小对象，内核常用）
• 用户空间布局：代码段 → 数据段 → BSS → 堆（向上增长）→ ... → 栈（向下增长）

四、死锁

• 四个必要条件：互斥、占有并等待、不可抢占、循环等待（四个同时满足才会死锁）
• 预防：破坏任一条件，如按序申请资源（破坏循环等待）、一次性申请所有资源（破坏占有并等待）
• 避免：银行家算法，在分配前检查是否存在安全序列，不安全则拒绝分配
• 检测与恢复：资源分配图检测环路，发现死锁后终止进程或抢占资源
• 实际策略：数据库用超时+回滚；Java 用 tryLock 超时；Linux 内核用锁排序

五、文件系统

• inode：存储文件元数据（权限、大小、时间戳、数据块指针），不包含文件名
• 目录：特殊文件，存储文件名到 inode 的映射关系
• 文件分配：连续分配（快但碎片多）/ 链表分配 / 索引分配（inode 直接+间接指针）
• VFS 虚拟文件系统：Linux 统一文件系统接口，上层应用无需关心底层是 ext4/xfs/nfs
• 日志文件系统：ext4/xfs 使用日志（Journal）保证崩溃一致性，先写日志再写数据
• Page Cache：文件数据缓存在内存中，读写先经过缓存，fsync 强制刷盘

六、IO 模型

• 阻塞 IO：read 调用阻塞直到数据就绪并拷贝到用户空间，简单但并发差
• 非阻塞 IO：read 立即返回，未就绪返回 EAGAIN，需轮询，CPU 浪费
• IO 多路复用：select（1024 限制）/ poll（无限制但遍历）/ epoll（事件驱动，O(1) 就绪通知）
• epoll：epoll_create → epoll_ctl（注册 fd）→ epoll_wait（等待事件），LT/ET 两种模式
• 信号驱动 IO：注册信号处理函数，数据就绪时内核发送 SIGIO 信号
• 异步 IO（AIO）：发起请求后立即返回，内核完成数据拷贝后通知应用，真正的异步
• 零拷贝：sendfile / mmap，减少内核态与用户态之间的数据拷贝，Kafka/Nginx 广泛使用

七、经典面试题

• 进程 vs 线程：进程是资源分配单位（独立地址空间），线程是调度单位（共享地址空间），线程切换开销更小
• 用户态 vs 内核态：用户态受限访问，系统调用（trap）切换到内核态，中断/异常也会触发切换
• fork()：创建子进程，Copy-on-Write 优化，父子进程共享页面直到写入时才复制
• 僵尸进程 vs 孤儿进程：僵尸 = 子进程退出但父进程未 wait 回收；孤儿 = 父进程先退出，子进程被 init 收养
• 内存泄漏排查：valgrind / AddressSanitizer / pmap 查看进程内存映射