1. 前言
從宏觀的角度來(lái)看，操作系統(tǒng)就是我們?nèi)粘Ｊ褂玫?Windows、MacOS、Linux 這類(lèi)的系統(tǒng)，但是這種直觀的用戶交互界面只是操作系統(tǒng)的一小部分功能，操作系統(tǒng)如何決定系統(tǒng)的資源調(diào)度、如何處理內(nèi)存的分配以及如何管理網(wǎng)絡(luò)和文件系統(tǒng)，這些都是隱藏在用戶界面之下的內(nèi)容。
從課程設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，操作系統(tǒng)（Operating System）是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的核心專(zhuān)業(yè)課程，所以可以用來(lái)衡量候選人的計(jì)算機(jī)基本功。
對(duì)于后端程序員，如果是使用 Java 語(yǔ)言，Java 中的多線程會(huì)涉及到進(jìn)程和線程的關(guān)系，這是操作系統(tǒng)中的概念。如果使用 C++ 語(yǔ)言，那么無(wú)法避免內(nèi)存分配和管理，這也是操作系統(tǒng)中的基礎(chǔ)概念，因此操作系統(tǒng)是校招面試中的核心之一。
2. 進(jìn)程和線程
面試官提問(wèn)： 操作系統(tǒng)中的進(jìn)程和線程有什么區(qū)別？
題目解析：
進(jìn)程和線程的區(qū)別是操作系統(tǒng)面試相關(guān)的出現(xiàn)頻率最高的題目，沒(méi)有之一。
在闡述進(jìn)程和線程的定義之前，最好能夠想清楚在操作系統(tǒng)中為什么會(huì)出現(xiàn)進(jìn)程這個(gè)概念。
2.1 進(jìn)程的產(chǎn)生背景
我們希望操作系統(tǒng)能夠同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，例如在播放網(wǎng)易云音樂(lè)的同時(shí)，也能在微信上聊天。計(jì)算機(jī)的核心處理硬件是 CPU，如果計(jì)算機(jī)只有一個(gè) CPU，那么播放音樂(lè)和處理聊天軟件都需要這個(gè) CPU 去執(zhí)行運(yùn)算邏輯，那如何做到時(shí)間上的同時(shí)處理？答案是 CPU 在多個(gè)邏輯任務(wù)之間來(lái)回切換，因?yàn)榍袚Q速度太快，所以看起來(lái)做到了并發(fā)執(zhí)行。
傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式，在執(zhí)行一個(gè)任務(wù)達(dá)到時(shí)間限制時(shí)會(huì)暫停處理，然后切換到處理下一個(gè)任務(wù)。每一個(gè)任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間間隔就是一個(gè)時(shí)間片，被執(zhí)行的任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)，被暫停的任務(wù)處于就緒狀態(tài)，如圖所示：
假設(shè)存在兩個(gè)調(diào)度任務(wù)，CPU 調(diào)度產(chǎn)生并發(fā)的 "錯(cuò)覺(jué)"2.2 進(jìn)程和線程的區(qū)別
首先給出進(jìn)程和線程的基本定義：
進(jìn)程（Process） ：是操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的基本單元， 目的是為了實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的并發(fā)。
線程（Thread） ：線程是進(jìn)程的子任務(wù)，是進(jìn)程中實(shí)際運(yùn)行的任務(wù)，線程是程序執(zhí)行的最小單元。
然后分析兩者之間的主要區(qū)別：
（1）包含關(guān)系：一個(gè)線程肯定歸屬于一個(gè)進(jìn)程，但是一個(gè)進(jìn)程可以包含多個(gè)線程。（2）內(nèi)存管理：操作系統(tǒng)會(huì)給進(jìn)程分配獨(dú)立的內(nèi)存空間，但是一個(gè)進(jìn)程下的多個(gè)線程共享內(nèi)存空間。以 Java 編程為例，同一個(gè) main 函數(shù)進(jìn)程下的多個(gè)線程共享代碼段（代碼和常量），以及數(shù)據(jù)段（全局變量和靜態(tài)變量），這些都是共享的內(nèi)存空間，不過(guò)需要注意，每個(gè)線程會(huì)有獨(dú)立的運(yùn)行?？臻g。（3）單元定義：從內(nèi)存分配的角度就能看出，進(jìn)程是資源分配的最小單元，線程是 CPU 執(zhí)行的最小單元。（4）系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)：創(chuàng)建進(jìn)程和線程的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)是不同的，因?yàn)樵趧?chuàng)建和銷(xiāo)毀進(jìn)程時(shí)，操作系統(tǒng)需要分配和回收內(nèi)存資源，創(chuàng)建線程不需要切換整體內(nèi)存空間，所以創(chuàng)建進(jìn)程的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)遠(yuǎn)大于創(chuàng)建線程；在切換進(jìn)程時(shí)需要保存 CPU 運(yùn)行的上下文，切換線程只需要切換 CPU 中少數(shù)寄存器的內(nèi)容，所以切換進(jìn)程的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)也遠(yuǎn)大于切換線程。（5）穩(wěn)定性分析：因?yàn)椴粫?huì)共用內(nèi)存空間，所以一個(gè)進(jìn)程掛了對(duì)另外的進(jìn)程影響很小，但是同一進(jìn)程下的線程是共享內(nèi)存的，所以一個(gè)線程掛了，會(huì)影響到其他線程。（6）通信：因?yàn)椴煌M(jìn)程處于不同的內(nèi)存空間，所以通信方式比較麻煩，具體方式將在之后的小節(jié)介紹。同一進(jìn)程下的線程之間通信方式相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)楣蚕韮?nèi)存，可以讀寫(xiě)相同的內(nèi)存空間。
3. 小結(jié)
本章節(jié)介紹了操作系統(tǒng)中進(jìn)程的起源原因，以及從操作系統(tǒng)內(nèi)存管理的角度分析了進(jìn)程和線程之間的區(qū)別。
1. 前言
上一小結(jié)談到了操作系統(tǒng)中進(jìn)程和線程的區(qū)別，其中進(jìn)程之間、線程之間的通信方式不同，進(jìn)程通信（Inter-Process Communication，簡(jiǎn)稱 IPC）是指不同進(jìn)程之間交換信息。操作系統(tǒng)中時(shí)刻都在進(jìn)行 IPC，例如微信讀取本地的文件，就是微信程序和文件系統(tǒng)進(jìn)程交互的過(guò)程。
2. 進(jìn)程間通信
面試官提問(wèn)： 操作系統(tǒng)進(jìn)程之間的通信方式有哪些？有什么特點(diǎn)？
題目解析：
操作系統(tǒng)中最常用的 IPC 方式有 5 種，分別是管道、命名管道、信號(hào)、共享內(nèi)存以及套接字。
2.1 管道
管道（pipe），默認(rèn)指無(wú)名管道。管道在兩個(gè)進(jìn)程之間建立一個(gè)通道，一個(gè)進(jìn)程向這個(gè)通道寫(xiě)入字節(jié)流，另一個(gè)進(jìn)程從這個(gè)通道讀取字節(jié)流。用 C 語(yǔ)言描述管道示例：
#include <unistd.h> // 引入linux頭文件int pipe(int fd[2]); // 返回：如果成功返回0，失敗則返回-1
上述定義的 fd 對(duì)象，其中 fd[0] 表示讀文件描述符，f[1] 表示寫(xiě)文件描述符。
管道的寫(xiě)和讀操作假設(shè)存在兩個(gè)進(jìn)程，分別為進(jìn)程 A 和進(jìn)程 B，那么進(jìn)程 A 往 f[1] 寫(xiě)入，進(jìn)程 B 則從自身的 f[0] 讀取內(nèi)容。
需要注意管道是半雙工通信，也就是數(shù)據(jù)的流向是固定的，必須有一端是寫(xiě)入端，另一端是讀取端。
2.2 信號(hào)
信號(hào)（Signal）是 Unix 系統(tǒng)中就已有的 IPC 方式，繼承于 Unix 的 Linux 系統(tǒng)和 MacOS 系統(tǒng)也具有相同的通信方式。
信號(hào)的工作原理是向某個(gè)進(jìn)程發(fā)送特定的消息，目標(biāo)進(jìn)程在收到消息之后，就知道特定事件已經(jīng)發(fā)生，此時(shí)進(jìn)程可以忽略消息即不做處理，或者是處理消息調(diào)用固定的函數(shù)。
以 MacOS 為例，在 shell 終端輸入 kill -l 可以列出支出的全部信號(hào)名稱：HUP INT QUIT ILL TRAP ABRT EMT FPE KILL BUS SEGV SYS PIPE ALRM TERM URG STOP。
MacOS 支持的信號(hào)列表MacOS 支持的信號(hào)列表
2.3 共享內(nèi)存
共享內(nèi)容（Shared Memory）是指兩個(gè)進(jìn)程之間可以讀和寫(xiě)相同的操作系統(tǒng)內(nèi)存空間，每個(gè)進(jìn)程的操作對(duì)另外的進(jìn)程都是可見(jiàn)的，這種通信方式非常類(lèi)似線程之間的通信。
C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的共享內(nèi)存步驟：
（1）shmget() ：創(chuàng)建一段共享內(nèi)存，或者引用已有的共享內(nèi)存的空間；
（2）shmat() ：連接已有的共享內(nèi)存的地址；
（3）shmctl()：建立連接之后，對(duì)共享內(nèi)存進(jìn)行讀寫(xiě)操作；
（4）shmdt()：所有操作都執(zhí)行完成之后，斷開(kāi)連接。
共享內(nèi)存的操作模型2.4 命名管道
命名管道（Named Pipe）實(shí)際上就是先進(jìn)先出隊(duì)列（First In First Out，簡(jiǎn)稱 FIFO），候選人需要區(qū)分命名管道和管道，兩者最大的區(qū)別在于管道只能在具有親緣關(guān)系的兩個(gè)進(jìn)程之間通信，例如父子進(jìn)程之間或者兄弟進(jìn)程之間，命名管道則可以在任何兩個(gè)進(jìn)程之間通信，更加零活。
命名管道的讀寫(xiě)操作命名管道的讀寫(xiě)操作
如圖所示，用戶進(jìn)程 A 是寫(xiě)入進(jìn)程，寫(xiě)入的消息是 1 2 3 4 5，因?yàn)樽裱冗M(jìn)先出的原則，用戶進(jìn)程 B 讀出的消息順序也是 1 2 3 4 5。
2.5 套接字
上述介紹的 IPC 方式都是同一個(gè)主機(jī)內(nèi)進(jìn)程的交互方式，都是本地通信，套接字（Socket）一般用來(lái)處理不同主機(jī)進(jìn)程之間的通信，也就是遠(yuǎn)程通信，是網(wǎng)絡(luò)通信最常用的方式。Socket 通信需要 TCP 或者 UDP 協(xié)議的支持。使用 C 語(yǔ)言創(chuàng)建 Socket 的示例：
#include <sys/types.h>#include <sys/socket.h> //引入頭文件int socket(int domain, int type, int protocol); //創(chuàng)建一個(gè)socket
3. 小結(jié)
本章節(jié)介紹了 5 種最常見(jiàn)的進(jìn)程間通信方式，候選人需要掌握沒(méi)種通信方式的原理，最好能夠畫(huà)出原型圖，而操作系統(tǒng)級(jí)別的通信一般不需要我們手動(dòng)實(shí)現(xiàn)，有興趣的同學(xué)可以了解下具體的實(shí)現(xiàn)，例如使用 Socket API 實(shí)現(xiàn)通信的編碼方式，但是大部分實(shí)現(xiàn)接口并不會(huì)在面試中被考察，關(guān)注的重點(diǎn)在于定義。
1. 前言
操作系統(tǒng)中的很多資源都是多個(gè)進(jìn)程或者多個(gè)線程之間共享的，例如同一個(gè)文件，可能同時(shí)會(huì)被多個(gè)程序讀寫(xiě)?；蛘呤且粋€(gè)內(nèi)存變量，存在同時(shí)被多個(gè)線程修改的可能。如果資源能夠不能以合理的順序訪問(wèn)就可能產(chǎn)生沖突，這種競(jìng)爭(zhēng)資源的現(xiàn)象可能造成阻塞，引發(fā)死鎖。
2. 死鎖
面試官提問(wèn)： 談?wù)劜僮飨到y(tǒng)中的死鎖是什么，產(chǎn)生死鎖的條件是什么？有什么解決方案？
題目解析：
這是一種經(jīng)典的提問(wèn)方法，對(duì)于一個(gè)問(wèn)題 A，面試官提出問(wèn)題 A 的定義，候選人闡明定義之后，才能確保候選人和面試官彼此討論的是同一個(gè)問(wèn)題，而不是牛頭不對(duì)馬嘴。其次才是討論這個(gè)問(wèn)題的起源，在提出問(wèn)題之后，當(dāng)然需要給出解決方案，解決方案的優(yōu)劣可以反應(yīng)候選人對(duì)面試題目的理解程度。
2.1 死鎖定義
死鎖（DeadLock）可以發(fā)生在多個(gè)進(jìn)程之間或者是多個(gè)線程之間，本文以線程作為觀察對(duì)象。那么死鎖的定義就是多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)資源造成的僵局，如果沒(méi)有外力推動(dòng)，這種僵局會(huì)一直持續(xù)下去，線程的狀態(tài)都無(wú)法繼續(xù)推進(jìn)。例如操作系統(tǒng)中有兩個(gè)線程，分別是線程 A 和線程 B，線程 A 按照先獲取鎖 a 再獲取鎖 b 的順序占用鎖的資源，線程 B 按照先獲取鎖 b 再獲取鎖 a 的順序占用鎖。
線程死鎖案例線程死鎖案例
線程 A 占用了鎖 a，線程 B 占用了鎖 b，線程 A 需要占用鎖 b 之后才能釋放鎖 a，線程 B 則需要占用鎖 a 之后才能釋放鎖 b，兩個(gè)線程都進(jìn)入了等待對(duì)方釋放鎖的狀態(tài)，造成死鎖。
2.2 死鎖條件
造成進(jìn)程或者線程死鎖有四個(gè)必要條件：
（1）互斥條件：進(jìn)程（線程）對(duì)于分配的資源有排他性，排他性是指一個(gè)資源在同一段時(shí)間內(nèi)只能被一個(gè)進(jìn)程（線程）占用。（2）請(qǐng)求和保持條件：進(jìn)程（線程）因?yàn)檎?qǐng)求資源導(dǎo)致阻塞時(shí)，對(duì)于已經(jīng)獲得資源不會(huì)主動(dòng)釋放。通俗來(lái)說(shuō)就是已有的資源不會(huì)放棄，沒(méi)有的資源會(huì)持續(xù)請(qǐng)求。（3）不可剝奪條件：進(jìn)程（線程）在獲得的資源沒(méi)有使用完成之前，資源不能被剝奪，只能等進(jìn)程（線程）主動(dòng)釋放。（4）循環(huán)等待條件：所有等待的進(jìn)程（線程）在發(fā)生死鎖時(shí)，都會(huì)形成一個(gè)死循環(huán)環(huán)路，這也是造成死鎖的直接原因。
2.3 死鎖解決方案
死鎖的解決方案就是從產(chǎn)生死鎖的必要條件入手，如果不滿足必要條件，那么就失去了發(fā)生死鎖的可能性。還是以線程為例，給出死鎖的解決方案：
（1）破壞請(qǐng)求條件：一次性給線程分配所有的資源，例如上述案例直接給線程 A 分配鎖 a 和鎖 b。（2）破壞保持條件：只要存在任何一個(gè)資源不能被分配，已有被分配的資源也不能保持。例如上述案例中線程 A 不能獲得鎖 b，那么需要主動(dòng)釋放鎖 a。（3）破壞不可剝奪條件：只要存在任何一個(gè)資源不能被分配，已有被分配的資源可以被強(qiáng)制釋放。（4）破壞循環(huán)等待條件：所有的線程按照提前指定的順序請(qǐng)求資源，釋放資源的順序剛好相反。
避免死鎖的經(jīng)典算法有銀行家算法，我們把操作系統(tǒng)比喻成銀行家，操作系統(tǒng)管理的資源就是銀行中的資金，進(jìn)程（線程）就是顧客，獲取資源的過(guò)程就是向銀行家索要貸款的過(guò)程，線程在獲取資源前需要申明自己需要的每種資源的最大數(shù)量，操作系統(tǒng)計(jì)算在分配這些資源之后，是否會(huì)讓系統(tǒng)處于不安全的狀態(tài)?？偨Y(jié)來(lái)看，銀行家算法是一個(gè)動(dòng)態(tài)判斷死鎖的算法。
3. 小結(jié)
本章節(jié)介紹了死鎖的定義、產(chǎn)生原因以及典型的解決方案，與死鎖對(duì)應(yīng)的還有活鎖的概念，活鎖在嘗試獲取資源失敗之后，會(huì)主動(dòng)釋放自己持有的鎖，然后再重試整個(gè)拿鎖流程。與活鎖對(duì)應(yīng)的是進(jìn)程的饑餓，如果一個(gè)進(jìn)程永遠(yuǎn)拿不到需要的資源，服務(wù)會(huì)一直阻塞，被比喻為饑餓。關(guān)于死鎖，還會(huì)涉及到編程實(shí)戰(zhàn)中如何避免死鎖以及死鎖的檢測(cè)條件，候選人可以自行深入探討。
1. 前言
之前的小節(jié)中介紹了操作系統(tǒng)的進(jìn)程，操作系統(tǒng)中有個(gè)創(chuàng)建進(jìn)程的重要方法就是 fork 函數(shù)，當(dāng)需要執(zhí)行和本進(jìn)程相關(guān)的獨(dú)立任務(wù)時(shí)，一般需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)有血緣關(guān)系的子進(jìn)程。
2. fork 函數(shù)
面試官提問(wèn)： Linux 系統(tǒng)中的 fork 函數(shù)是什么，有什么用途？
題目解析：
首先從定義上看，fork 函數(shù)的作用是在一個(gè)進(jìn)程的基礎(chǔ)上創(chuàng)建新的進(jìn)程，原有的進(jìn)程被定義為父進(jìn)程，新的進(jìn)程被定義為子進(jìn)程。
在 C 語(yǔ)言中調(diào)用 fork() 函數(shù)即實(shí)現(xiàn) fork 功能，示例：
#include<unistd.h> //包含fork函數(shù)的頭文件pid_t fork(void); //fork的返回類(lèi)型為pid_t，我們可以看成int類(lèi)型認(rèn)識(shí)一個(gè)函數(shù)，需要從函數(shù)的定義入手，了解函數(shù)做了什么事情，入?yún)⑹鞘裁?，出參是什么。我們?C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的一個(gè)典型的 fork 的程序入手，示例：
#include <unistd.h>#include <stdio.h> int main (){ pid_t fpid; int count = 0; fpid = fork(); if (fpid == 0) { //返回值是0，說(shuō)明是子進(jìn)程 printf("i am the child process, process id is %d\n", getpid()); count++; } else if(fpid > 0) { //返回值>0，說(shuō)明是父進(jìn)程 printf("i am the parent process, process id is %d\n", getpid()); count++; } else { //返回值<0,說(shuō)明fork發(fā)生異常 printf("fork encounter exception, process id is %d\n", getpid()); } //打印計(jì)數(shù)器 printf("after fork, counting result : %d\n", count); return 0;}
在 MacOS 系統(tǒng)上編譯運(yùn)行案例示例代碼，運(yùn)行結(jié)果如下圖。
test.c 編譯執(zhí)行結(jié)果
如果是不了解函數(shù)原理的前提下，僅僅從代碼層面分析，在調(diào)用 fork() 函數(shù)之后，代碼會(huì)進(jìn)入 if-else 判斷邏輯，在控制臺(tái)輸出一條語(yǔ)句，然后在控制臺(tái)打印計(jì)數(shù)器的數(shù)值。但是從真正執(zhí)行的結(jié)果來(lái)看，這兩個(gè)打印動(dòng)作都分別執(zhí)行了兩次，并不符合我們的預(yù)期。fork 之后的代碼邏輯被執(zhí)行了兩次，而且兩次進(jìn)入的不同的分支，所以重點(diǎn)在于 fork 函數(shù)到底有啥作用。
按照定義、入?yún)⒑统鰠⑷阶叩目蚣?，首先是分析函?shù)的定義，調(diào)用 fork 函數(shù)之后發(fā)生了什么事情：
（1）分配內(nèi)存：分配新的內(nèi)存空間給子進(jìn)程；
（2）拷貝數(shù)據(jù)：拷貝父進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)給子進(jìn)程；
（3）加入列表：將新生成的子進(jìn)程添加到操作系統(tǒng)的進(jìn)程列表；
（4）返回結(jié)果：fork 函數(shù)調(diào)度并且返回。
然后是分析 fork 函數(shù)的入?yún)?，fork 函數(shù)入?yún)⑹?void，也就是自動(dòng)同步進(jìn)程的上下文，不需要手動(dòng)聲明。
最后是分析 fork 函數(shù)的出參，fork 函數(shù)和程序員日常接觸的函數(shù)不同，我們?cè)?C 或者 Java 中定義的函數(shù)只會(huì)有一個(gè)返回值，fork 函數(shù)則是調(diào)用一次，返回二次。調(diào)用方（例如上述案例的 main 函數(shù)）根據(jù)返回值的不同判斷處于父進(jìn)程還是子進(jìn)程。
（1）返回值 < 0：調(diào)用失敗，一般是因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)中的進(jìn)程個(gè)數(shù)達(dá)到上限或者內(nèi)存不足以分配給新的進(jìn)程；
（2）返回值 = 0：調(diào)用成功，并且處于子進(jìn)程；
（3）返回值 > 0：調(diào)用成功，并且處于父進(jìn)程。
現(xiàn)在就不難理解，從調(diào)用 fork() 函數(shù)，代碼實(shí)際上是被父子進(jìn)程分別執(zhí)行了一次，父進(jìn)程的進(jìn)程 id 是 52331，子進(jìn)程的進(jìn)程 id 是 52332。
在掌握原理之后，我們繼續(xù)探究 fork 函數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。fork 函數(shù)的本質(zhì)在原有的進(jìn)程基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程，所以在網(wǎng)絡(luò)通信中使用較多，例如在客戶端發(fā)送一個(gè) HTTP 請(qǐng)求打到服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器進(jìn)程 fork 出一個(gè)子進(jìn)程用于處理單個(gè)請(qǐng)求，父進(jìn)程則繼續(xù)等待其他的請(qǐng)求。
3. 小結(jié)
本章節(jié)介紹了 Linux 的 fork 函數(shù)，fork 如同其英文名，就是進(jìn)程的分叉。fork 函數(shù)簡(jiǎn)化了操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理，又提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的多進(jìn)程生成方案，在操作系統(tǒng)中的地位非常核心，候選人需要注意 fork 函數(shù)調(diào)用 1 次，返回 2 次的核心特性以及返回值。
1. 前言
Linux 是基于 Unix 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的開(kāi)源操作系統(tǒng)內(nèi)核，目前常見(jiàn)的發(fā)行版本 Ubuntu、RedHat、CentOS 等，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器一般都部署的是 Linux 系統(tǒng)。因?yàn)槭褂脠?chǎng)景不同，Windows 系統(tǒng)更適合個(gè)人日常辦公，相對(duì)于 Windows 系統(tǒng)的復(fù)雜圖形化界面而言，Linux 一般只在遠(yuǎn)程服務(wù)器上部署純命令行界面，所以熟悉 Linux 系統(tǒng)的常用命令比較重要。
2. Linux 常用命令
面試官提問(wèn)： Linux 系統(tǒng)的常用操作命令能枚舉一下嗎？
題目解析：
這是一道偏實(shí)戰(zhàn)的題目，面試官的本意是考察候選人對(duì)于 Linux 系統(tǒng)實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)，可以從列舉出一些常用的 Linux 命令并且給出使用案例。
2.1 ls
ls 是英文 List 的縮寫(xiě)，會(huì)枚舉出當(dāng)前工作目錄的所有文件。
ls 命令效果2.2 cd
cd 是英文 change directory 的縮寫(xiě)，用于切換當(dāng)前工作目錄。
（1）cd + 目錄，進(jìn)入到該目錄。
（2）cd + ~，進(jìn)入 Home 目錄。
（3）cd + ..，返回到上一個(gè)目錄。
cd 命令效果2.3 cat
cat 是英文 concatenate and print files 的縮寫(xiě)，用于連接文件并且打印輸出到控制臺(tái)。
（1）cat + 文件名，打印輸出文件內(nèi)容。
（2）cat + 文件名 1 + > + 文件名 2，將文件 1 的內(nèi)容輸出到文件 2 中。
cat 命令效果2.4 grep
grep 是英文 Global Regular Expression Print（全局正則表達(dá)式匹配打印） 的縮寫(xiě)，是一個(gè)常用的文本搜索工具，使用正則表達(dá)式匹配規(guī)則，然后輸出匹配結(jié)果。
（1）例如 netstat -ntlp 命令會(huì)在控制臺(tái)輸出當(dāng)前所有的 TCP 端口使用情況，那么配合 grep 使用可以單獨(dú)提煉出需要的端口。netstat -ntulp | grep 3306 用于單獨(dú)查看 3306 TCP 端口的使用情況。
（2）例如 cat + 文件名輸出文件內(nèi)容之后，查詢文件指定內(nèi)容。
grep 命令查詢 test.txt 文件中的 Hello 內(nèi)容，輸出存在 Hello 的行
2.5 mv & cp
mv 是英文 move 的縮寫(xiě)，mv 命令的作用是移動(dòng)操作系統(tǒng)的文件。用法是 mv + 原始文件路徑 + 目標(biāo)文件路徑。
cp 是英文 copy 的縮寫(xiě)，也是文件操作命令，作用是復(fù)制操作系統(tǒng)的文件。用法是 cp + 原始文件路徑 + 目標(biāo)文件路徑。
最基礎(chǔ)的案例如下：
（1）mv test.txt ./test.txt 將 test.txt 文件移動(dòng)到上一層文件夾中。
（2）cp test.txt ./test.txt 將 test.txt 文件復(fù)制到上一層文件夾中。
2.6 Ping
ping 命令是操作系統(tǒng)中常用的網(wǎng)絡(luò)命令，Windows 系統(tǒng)也可以執(zhí)行 ping 操作，區(qū)別是 Linux 下的 ping 進(jìn)程不會(huì)自動(dòng)停止。
執(zhí)行 ping 命令會(huì)使用 ICMP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用來(lái)檢測(cè)當(dāng)前主機(jī)和目標(biāo)主機(jī)是否聯(lián)通。
（1）ping + 域名，最常用的是 ping www.baidu.com，百度服務(wù)器肯定不會(huì)宕機(jī)，如果連接失敗，說(shuō)明是本機(jī)網(wǎng)絡(luò)存在故障。
（2）ping + IP 地址，檢測(cè)指定 IP 地址的機(jī)器是否聯(lián)通。
ping 百度服務(wù)器，輸出結(jié)果能看到連接的機(jī)器 IP 地址，以及網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間
2.7 chmod
chomd 是英文 change mode 的縮寫(xiě)，用于改變文件的讀寫(xiě)權(quán)限。
Linux 系統(tǒng)的文件調(diào)用權(quán)限分為三種：文件所有者（Owner）、組（Group）、其他用戶（Other Users）。所有者一般是創(chuàng)建文件的用戶，所有者可以讓同組用戶訪問(wèn)文件，以及改變文件對(duì)于其他用戶的讀寫(xiě)限制。
Linux 的文件權(quán)限管理很?chē)?yán)格，每個(gè)文件和每個(gè)目錄（目錄本質(zhì)上也是一個(gè)文件）都有讀和寫(xiě)的權(quán)限限制，指定的用戶有指定的權(quán)限訪問(wèn)指定的內(nèi)容。
權(quán)限范圍：u（user）表示文件的所有者；g（group）表示和文件所有者同一個(gè)組的用戶；o（other）表示除當(dāng)前用戶的其他人；a（all）表示所有用戶組的所有人。
操作范圍：r（read）表示設(shè)置文件為可讀權(quán)限；w（write）表示設(shè)置文件為可寫(xiě)權(quán)限；x（execute）表示設(shè)置文件為可執(zhí)行權(quán)限。
一些常見(jiàn)案例如下：
（1）chmod a+x test.txt 表示設(shè)置 test.txt 文件對(duì)所有用戶都開(kāi)放了可執(zhí)行權(quán)限。
（2）chmod a-x test.txt 表示設(shè)置 test.txt 文件對(duì)所有用戶都關(guān)閉了可執(zhí)行權(quán)限。
3. 小結(jié)
本章節(jié)介紹了幾個(gè)最基礎(chǔ)的 Linux 系統(tǒng)常見(jiàn)操作命令，除了上述命令之外，還有一些常用命令，例如 rmdir、find、sudo、top 命令等。候選人可以自行在 MacOS 系統(tǒng)或者 Ubuntu 系統(tǒng)上實(shí)踐操作。
1. 前言
之前的小節(jié)中介紹了操作系統(tǒng)的進(jìn)程，操作系統(tǒng)中有個(gè)創(chuàng)建進(jìn)程的重要方法就是 fork 函數(shù)，當(dāng)需要執(zhí)行和本進(jìn)程相關(guān)的獨(dú)立任務(wù)時(shí)，一般需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)有血緣關(guān)系的子進(jìn)程。
2. fork 函數(shù)
面試官提問(wèn)： Linux 系統(tǒng)中的 fork 函數(shù)是什么，有什么用途？
題目解析：
首先從定義上看，fork 函數(shù)的作用是在一個(gè)進(jìn)程的基礎(chǔ)上創(chuàng)建新的進(jìn)程，原有的進(jìn)程被定義為父進(jìn)程，新的進(jìn)程被定義為子進(jìn)程。
在 C 語(yǔ)言中調(diào)用 fork() 函數(shù)即實(shí)現(xiàn) fork 功能，示例：
#include<unistd.h> //包含fork函數(shù)的頭文件pid_t fork(void); //fork的返回類(lèi)型為pid_t，我們可以看成int類(lèi)型代碼塊12
認(rèn)識(shí)一個(gè)函數(shù)，需要從函數(shù)的定義入手，了解函數(shù)做了什么事情，入?yún)⑹鞘裁?，出參是什么。我們?C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的一個(gè)典型的 fork 的程序入手，示例：
#include <unistd.h>#include <stdio.h> int main (){ pid_t fpid; int count = 0; fpid = fork(); if (fpid == 0) { //返回值是0，說(shuō)明是子進(jìn)程 printf("i am the child process, process id is %d\n", getpid()); count++; } else if(fpid > 0) { //返回值>0，說(shuō)明是父進(jìn)程 printf("i am the parent process, process id is %d\n", getpid()); count++; } else { //返回值<0,說(shuō)明fork發(fā)生異常 printf("fork encounter exception, process id is %d\n", getpid()); } //打印計(jì)數(shù)器 printf("after fork, counting result : %d\n", count); return 0;}
在 MacOS 系統(tǒng)上編譯運(yùn)行案例示例代碼，運(yùn)行結(jié)果如下圖。
test.c 編譯執(zhí)行結(jié)果
如果是不了解函數(shù)原理的前提下，僅僅從代碼層面分析，在調(diào)用 fork() 函數(shù)之后，代碼會(huì)進(jìn)入 if-else 判斷邏輯，在控制臺(tái)輸出一條語(yǔ)句，然后在控制臺(tái)打印計(jì)數(shù)器的數(shù)值。但是從真正執(zhí)行的結(jié)果來(lái)看，這兩個(gè)打印動(dòng)作都分別執(zhí)行了兩次，并不符合我們的預(yù)期。fork 之后的代碼邏輯被執(zhí)行了兩次，而且兩次進(jìn)入的不同的分支，所以重點(diǎn)在于 fork 函數(shù)到底有啥作用。
按照定義、入?yún)⒑统鰠⑷阶叩目蚣?，首先是分析函?shù)的定義，調(diào)用 fork 函數(shù)之后發(fā)生了什么事情：
（1）分配內(nèi)存：分配新的內(nèi)存空間給子進(jìn)程；（2）拷貝數(shù)據(jù)：拷貝父進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)給子進(jìn)程；（3）加入列表：將新生成的子進(jìn)程添加到操作系統(tǒng)的進(jìn)程列表；（4）返回結(jié)果：fork 函數(shù)調(diào)度并且返回。
然后是分析 fork 函數(shù)的入?yún)?，fork 函數(shù)入?yún)⑹?void，也就是自動(dòng)同步進(jìn)程的上下文，不需要手動(dòng)聲明。
最后是分析 fork 函數(shù)的出參，fork 函數(shù)和程序員日常接觸的函數(shù)不同，我們?cè)?C 或者 Java 中定義的函數(shù)只會(huì)有一個(gè)返回值，fork 函數(shù)則是調(diào)用一次，返回二次。調(diào)用方（例如上述案例的 main 函數(shù)）根據(jù)返回值的不同判斷處于父進(jìn)程還是子進(jìn)程。
（1）返回值 < 0：調(diào)用失敗，一般是因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)中的進(jìn)程個(gè)數(shù)達(dá)到上限或者內(nèi)存不足以分配給新的進(jìn)程；（2）返回值 = 0：調(diào)用成功，并且處于子進(jìn)程；（3）返回值 > 0：調(diào)用成功，并且處于父進(jìn)程。
現(xiàn)在就不難理解，從調(diào)用 fork() 函數(shù)，代碼實(shí)際上是被父子進(jìn)程分別執(zhí)行了一次，父進(jìn)程的進(jìn)程 id 是 52331，子進(jìn)程的進(jìn)程 id 是 52332。
在掌握原理之后，我們繼續(xù)探究 fork 函數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。fork 函數(shù)的本質(zhì)在原有的進(jìn)程基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程，所以在網(wǎng)絡(luò)通信中使用較多，例如在客戶端發(fā)送一個(gè) HTTP 請(qǐng)求打到服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器進(jìn)程 fork 出一個(gè)子進(jìn)程用于處理單個(gè)請(qǐng)求，父進(jìn)程則繼續(xù)等待其他的請(qǐng)求。
3. 小結(jié)
本章節(jié)介紹了 Linux 的 fork 函數(shù)，fork 如同其英文名，就是進(jìn)程的分叉。fork 函數(shù)簡(jiǎn)化了操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理，又提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的多進(jìn)程生成方案，在操作系統(tǒng)中的地位非常核心，候選人需要注意 fork 函數(shù)調(diào)用 1 次，返回 2 次的核心特性以及返回值。
1. 前言
操作系統(tǒng)的核心管理邏輯可以簡(jiǎn)化為進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件管理。之前的小節(jié)已經(jīng)介紹了進(jìn)程的基本概念，每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)立的地址空間，這些地址空間被分為大小相同的塊，定義為頁(yè)（Page）。然而物理機(jī)的內(nèi)存硬件空間是有限的，舉例來(lái)說(shuō)，我們裝配最常見(jiàn)的 4G 內(nèi)存條，但是很多進(jìn)程例如單機(jī)游戲，運(yùn)行時(shí)都需要占用幾個(gè) G 的內(nèi)存空間，所以就需要用到虛擬內(nèi)存。
2. 頁(yè)面置換算法
面試官提問(wèn)： 操作系統(tǒng)的頁(yè)面置換算法是什么？常用算法有哪些？
題目解析：
首先要明確頁(yè)面置換算法是針對(duì)內(nèi)存管理的算法。
頁(yè)面置換算法是虛擬內(nèi)存的運(yùn)行機(jī)制核心，內(nèi)存被分頁(yè)之后，每個(gè)頁(yè)都是一段連續(xù)的地址，每個(gè)進(jìn)程擁有的都是一段虛擬地址，需要經(jīng)過(guò)內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit，也就是 MMU）將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。
操作系統(tǒng)的 CPU 和內(nèi)存都是稀缺資源，所以資源比較緊張，內(nèi)存具有非常高的 I/O 速度，但是空間很小。硬盤(pán)具有很大的存儲(chǔ)空間，但是 I/O 能力一般。所以操作系統(tǒng)綜合了兩者的特性，將硬盤(pán)作為內(nèi)存的緩存，虛擬內(nèi)存就是硬盤(pán)空間的一部分。進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，操作系統(tǒng)訪問(wèn)內(nèi)存空間，如果訪問(wèn)的頁(yè)面在內(nèi)存中不存在則從硬盤(pán)中將其調(diào)入，如果內(nèi)存沒(méi)有空閑空間，則將內(nèi)存中的一段數(shù)據(jù)調(diào)出到硬盤(pán)空間。
我們介紹三種最常見(jiàn)的內(nèi)存管理算法：LRU、FIFO、OPT 算法。
2.1 LRU 算法
LRU（Least Recently Used）即最近最少使用算法，算法的核心思想是如果在過(guò)去一段時(shí)間沒(méi)有訪問(wèn)過(guò)的頁(yè)面，在未來(lái)最近一段時(shí)間也不會(huì)訪問(wèn)。
算法的實(shí)現(xiàn)是給每個(gè)頁(yè)面設(shè)置一個(gè)時(shí)間戳，記錄最近一次訪問(wèn)的時(shí)間，如果發(fā)生缺頁(yè)錯(cuò)誤，則從所有頁(yè)面中淘汰時(shí)間戳最久遠(yuǎn)的一個(gè)。
LRU 算法案例示例：
訪問(wèn)頁(yè)面序號(hào)5028048
物理塊 15558888
物理塊 2
000000
物理塊 3
22244
是否發(fā)生缺頁(yè)是是是是否是否
對(duì)于第 4 次訪問(wèn)頁(yè)面時(shí)，因?yàn)樗形锢韷K都有頁(yè)面，所以發(fā)生缺頁(yè)錯(cuò)誤，需要替換出最近最少訪問(wèn)的頁(yè)面，也就是序號(hào)為 5 的頁(yè)面，即物理塊 1 的內(nèi)容被置換。
2.2 FIFO 算法
FIFO（First In First Out）即先進(jìn)先出算法，也就是常見(jiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的隊(duì)列模型。當(dāng)物理塊存儲(chǔ)空間不夠時(shí)，優(yōu)先淘汰在最先進(jìn)入物理塊的頁(yè)面，也就是駐留時(shí)間最久的頁(yè)面。
FIFO 算法雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但是不符合操作系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，因?yàn)轳v留時(shí)間最久的頁(yè)面，大多數(shù)情況是經(jīng)常訪問(wèn)的頁(yè)面，F(xiàn)IFO 算法會(huì)增加缺頁(yè)錯(cuò)誤的概率。
FIFO 算法案例示例：
訪問(wèn)頁(yè)面序號(hào)5028048
物理塊 15558888
物理塊 2
000040
物理塊 3
22224
是否發(fā)生缺頁(yè)是是是是否是否
FIFO 算法相對(duì)于 LRU 的區(qū)別在于，只考慮頁(yè)面的駐留時(shí)間，在第 6 次訪問(wèn)頁(yè)面時(shí)，不會(huì)因?yàn)樯洗问切蛱?hào) 0 的頁(yè)面剛進(jìn)行了訪問(wèn)就不進(jìn)行替換，因?yàn)樾蛱?hào) 0 的頁(yè)面是最早進(jìn)入物理塊的，所以替換為了序號(hào)為 4 的頁(yè)面。
2.3 OPT 算法
OPT（Optiomal）最優(yōu)頁(yè)面置換算法，算法的核心思想是置換最長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)使用的頁(yè)面，這需要預(yù)判未來(lái)的頁(yè)面置換順序，目前的操作系統(tǒng)無(wú)法做到對(duì)于進(jìn)程未來(lái)需要使用的頁(yè)面進(jìn)行預(yù)測(cè)，所以算法也沒(méi)有實(shí)際落地的實(shí)現(xiàn)。主要作用是對(duì)于已經(jīng)給定的頁(yè)面順序，作為最優(yōu)置換算法的比較標(biāo)桿，比如對(duì)于給定的頁(yè)面順序 5 0 2 8 0 4 8 可以對(duì)比 FIFO 算法以及 OPT 算法的頁(yè)面置換效率，判斷 FIFO 算法是否足夠高效。
訪問(wèn)頁(yè)面序號(hào)50280480
物理塊 155588888
物理塊 2
0000000
物理塊 3
222444
是否發(fā)生缺頁(yè)是是是是否是否否
對(duì)于訪問(wèn)頁(yè)面序號(hào)是 4 時(shí)，因?yàn)榭梢钥吹轿磥?lái)會(huì)有頁(yè)面序號(hào) 8 和 0 的訪問(wèn)，不會(huì)有序號(hào) 2 的訪問(wèn)，所以置換物理塊 3 中的頁(yè)面序號(hào) 2。
3. 小結(jié)
頁(yè)面調(diào)度的目的是盡可能少的發(fā)生缺頁(yè)錯(cuò)誤，因?yàn)榘l(fā)生缺頁(yè)錯(cuò)誤時(shí)需要從硬盤(pán)置換空間，所以會(huì)降低進(jìn)程的執(zhí)行效率。常見(jiàn)的頁(yè)面置換算法除了本文介紹的 FIFO、LRU、OPT，還有時(shí)鐘置換算法，候選人可以自行了解。
