操作系统基础

1. 什么是操作系统

‌操作系统（Operating System，简称OS）是一种系统软件，用于管理和控制计算机的硬件和软件资源，提供给用户一个友好的界面和操作环境‌。

2. 操作系统主要有哪些功能

进程和线程的管理：进程的创建、撤销、阻塞、唤醒，进程间的通信等。
存储管理：内存的分配和管理、外存（磁盘等）的分配和管理等。
文件管理：文件的读、写、创建及删除等。
设备管理：完成设备（输入输出设备和外部存储设备等）的请求或释放，以及设备启动等功能。
网络管理：操作系统负责管理计算机网络的使用。网络是计算机系统中连接不同计算机的方式，操作系统需要管理计算机网络的配置、连接、通信和安全等，以提供高效可靠的网络服务。
安全管理：用户的身份认证、访问控制、文件加密等，以防止非法用户对系统资源的访问和操作。

3. 常见的操作系统有哪些

Windows（独立开发）、Unix、Linux(开源的类 Unix 操作系统)、MacOS（类Unix）

4. 用户态和内核态

4.1 二者定义

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(User Mode) : 用户态运行的进程可以直接读取用户程序的数据，拥有较低的权限，无法直接访问硬件资源。当应用程序需要执行某些需要特殊权限的操作，例如读写磁盘、网络通信等，就需要向操作系统发起系统调用请求，进入内核态。
内核态(Kernel Mode)：内核态运行的进程几乎可以访问计算机的任何资源包括系统的内存空间、设备、驱动程序等，不受限制，拥有非常高的权限。当操作系统接收到进程的系统调用请求时，就会从用户态切换到内核态，执行相应的系统调用，并将结果返回给进程，最后再从内核态切换回用户态。

内核态相比用户态拥有更高的特权级别，因此能够执行更底层、更敏感的操作。不过，由于进入内核态需要付出较高的开销（需要进行一系列的上下文切换和权限检查），应该尽量减少进入内核态的次数，以提高系统的性能和稳定性。

4.2 为什么要有内核态和用户态？只有一个内核态不行吗？

安全性：通过对权限的划分，用户程序无法直接访问硬件资源，从而避免了恶意程序对系统资源的破坏。
稳定性：用户态程序出现问题时，不会影响到整个系统，避免了程序故障导致系统崩溃的风险。
隔离性：内核态和用户态的划分使得操作系统内核与用户程序之间有了明确的边界，有利于系统的模块化和维护。

4.3 用户态和内核态是如何切换的？

系统调用：当用户程序需要请求操作系统服务（如文件操作、网络通信等）时，会通过系统调用切换到内核态。
中断：硬件中断（如定时器中断、I/O设备中断）会导致CPU从用户态切换到内核态，以便操作系统处理这些事件。
异常：程序运行过程中发生异常（如除零错误、非法内存访问）时，系统会切换到内核态进行处理。

4.4 系统调用

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内核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。

进程和线程

1. 什么是进程和线程

进程（Process） 是指计算机中正在运行的一个程序实例。举例：你打开的微信就是一个进程。
线程（Thread） 也被称为轻量级进程，更加轻量。多个线程可以在同一个进程中同时执行，并且共享进程的资源比如内存空间、文件句柄、网络连接等。举例：你打开的微信里就有一个线程专门用来拉取别人发你的最新的消息。

2. 进程和线程区别

本质区别：进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是任务调度和执行的基本单位
并发关系：一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程，多个线程可以并发处理不同的任务，更有效地利用了多处理器和多核计算机（系统动不动就要求百万级甚至千万级的并发量）。
独立关系上：基本上各进程是独立的，每个进程都有自己独立的内存空间，它们之间不会共享资源，如文件、网络连接等。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。因此进程崩溃不会对其他进程产生很大影响。
在开销方面：每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），进程之间的切换会有较大的开销；多个线程之间共享进程的堆和方法区，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC），线程之间切换的开销小

3. 进程是分配资源的基本单位，那么这个资源指的是什么？

虚拟内存、文件句柄、信号量等资源

4. 线程切换为什么比进程切换快，节省了什么资源？

线程切换比进程切换快是因为线程共享同一进程的地址空间和资源，线程切换时只需切换堆栈和程序计数器等少量信息，而不需要切换地址空间，避免了进程切换时需要切换内存映射表等大量资源的开销，从而节省了时间和系统资源。

5. 线程间的通信（同步）的方式有哪些？

互斥锁(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。
读写锁（Read-Write Lock） ：允许多个线程同时读取共享资源，但只有一个线程可以对共享资源进行写操作。
信号量(Semaphore) ：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。
屏障（Barrier） ：屏障是一种同步原语，用于等待多个线程到达某个点再一起继续执行。当一个线程到达屏障时，它会停止执行并等待其他线程到达屏障，直到所有线程都到达屏障后，它们才会一起继续执行。比如 Java 中的 CyclicBarrier 是这种机制。
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作。

6. PCB是什么？包含哪些信息？

PCB（Process Control Block） 即进程控制块，是操作系统中用来管理和跟踪进程的数据结构，每个进程都对应着一个独立的 PCB。

你可以将 PCB 视为进程的大脑。

当操作系统创建一个新进程时，会为该进程分配一个唯一的进程 ID，并且为该进程创建一个对应的进程控制块。当进程执行时，PCB 中的信息会不断变化，操作系统会根据这些信息来管理和调度进程。

进程的描述信息，包括进程的名称、标识符等等；
进程的调度信息，包括进程阻塞原因、进程状态（就绪、运行、阻塞等）、进程优先级（标识进程的重要程度）等等；
进程对资源的需求情况，包括 CPU 时间、内存空间、I/O 设备等等。
进程打开的文件信息，包括文件描述符、文件类型、打开模式等等。
处理机的状态信息（由处理机的各种寄存器中的内容组成的），包括通用寄存器、指令计数器、程序状态字 PSW、用户栈指针。

7. 进程有哪几种状态？

8. 进程间的通信方式有哪些？

管道/匿名管道(Pipes) ：用于父子进程间或者兄弟进程之间的通信，一种单向通信方式，只存在于内存中的文件，允许一个进程将数据写入管道，另一个进程从管道中读取数据。
有名管道(Named Pipes)：允许无亲缘关系的进程之间进行通信。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。
消息队列(Message Queuing) ：克服了管道通信的数据是无格式的字节流的问题，消息队列实际上是保存在内核的「消息链表」，消息队列的消息体是可以用户自定义的数据类型。消息队列支持异步通信，消息可以按照优先级进行处理。
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；
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(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。

9. 进程调度算法

先到先服务调度算法(FCFS，First Come, First Served) : 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。
短作业优先的调度算法(SJF，Shortest Job First) : 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（RR，Round-Robin） : 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。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。
优先级调度算法（Priority）：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。
多级反馈队列调度算法（MFQ，Multi-level Feedback Queue）：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 。多级反馈队列包含多个优先级不同的队列。每个队列都有自己的调度算法，通常高优先级队列采用短作业优先（SJF）或先来先服务（FCFS）等算法，而低优先级队列可能采用轮转调度（Round Robin）等算法。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。

10.共享内存怎么实现的？

共享内存的机制，就是拿出一块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中。这样这个进程写入的东西，另外一个进程马上就能看到了，都不需要拷贝来拷贝去，传来传去，大大提高了进程间通信的速度。

11.什么是僵尸进程和孤儿进程？

僵尸进程：子进程已经终止，但是其父进程仍在运行，且父进程没有调用 wait()或 waitpid()等系统调用来获取子进程的状态信息，释放子进程占用的资源，导致子进程的 PCB 依然存在于系统中，但无法被进一步使用。这种情况下，子进程被称为“僵尸进程”。避免僵尸进程的产生，父进程需要及时调用 wait()或 waitpid()系统调用来回收子进程。
孤儿进程：一个进程的父进程已经终止或者不存在，但是该进程仍在运行。这种情况下，该进程就是孤儿进程。孤儿进程通常是由于父进程意外终止或未及时调用 wait()或 waitpid()等系统调用来回收子进程导致的。为了避免孤儿进程占用系统资源，操作系统会将孤儿进程的父进程设置为 init 进程（进程号为 1），由 init 进程来回收孤儿进程的资源。

死锁

1. 什么是死锁

死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。

假设有两个进程 A 和 B，以及两个资源 X 和 Y，它们的分配情况如下：

进程	占用资源	需求资源
A	X	Y
B	Y	X

此时，进程 A 占用资源 X 并且请求资源 Y，而进程 B 已经占用了资源 Y 并请求资源 X。两个进程都在等待对方释放资源，无法继续执行，陷入了死锁状态。

2. 产生死锁的四个必要条件是什么?

互斥：资源必须处于非共享模式，即一次只有一个进程可以使用。如果另一进程申请该资源，那么必须等待直到该资源被释放为止。
请求和保持：一个进程至少应该占有一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但又对自己已获得的其他资源保持不放。
不可抢占：已经分配给进程的资源在该进程释放之前，不会被其他进程抢占。
循环等待：有一组等待进程 {P0, P1,..., Pn}， P0 等待的资源被 P1 占有，P1 等待的资源被 P2 占有，……，Pn-1 等待的资源被 Pn 占有，Pn 等待的资源被 P0 占有。

这四个条件是产生死锁的 必要条件 ，也就是说只要系统发生死锁，这些条件必然成立，而只要上述条件之一不满足，就不会发生死锁。

3. 解决死锁的方法

3.1 预防死锁

破坏请求和保持：一个进程必须在执行前就申请到它所需要的全部资源，并且知道它所要的资源都得到满足之后才开始执行。进程要么占有所有的资源然后开始执行，要么不占有资源，不会出现占有一些资源等待一些资源的情况。严重地降低了资源利用率，因为在每个进程所占有的资源中，有些资源是在比较靠后的执行时间里采用的。

破坏循环等待：在层次分配策略下，所有的资源被分成了多个层次，一个进程得到某一次的一个资源后，它只能再申请较高一层的资源；当一个进程要释放某层的一个资源时，必须先释放所占用的较高层的资源，按这种策略，是不可能出现循环等待链的，

3.2 避免死锁

允许同时存在四个必要条件，只要掌握并发进程中与每个进程有关的资源动态申请情况，做出 明智和合理的选择 ，仍然可以避免死锁。

我们将系统的状态分为 安全状态 和 不安全状态 ，每当在为申请者分配资源前先测试系统状态，若把系统资源分配给申请者会产生死锁，则拒绝分配，否则接受申请，并为它分配资源。

银行家算法：先试探分配给该进程资源，然后通过 安全性算法 判断分配后系统是否处于安全状态，若不安全则试探分配作废，让该进程继续等待，若能够进入到安全的状态，则就 真的分配资源给该进程。

3.3 死锁的检测

这种方法对资源的分配不加以任何限制，也不采取死锁避免措施，但系统 定时地运行一个 “死锁检测” 的程序，判断系统内是否出现死锁，如果检测到系统发生了死锁，再采取措施去解除它。

3.4 死锁的解除

当死锁检测程序检测到存在死锁发生时，应设法让其解除，让系统从死锁状态中恢复过来，常用的解除死锁的方法有以下四种：

立即结束所有进程的执行，重新启动操作系统：这种方法简单，但以前所在的工作全部作废，损失很大。
撤销涉及死锁的所有进程，解除死锁后继续运行：这种方法能彻底打破死锁的循环等待条件，但将付出很大代价，例如有些进程可能已经计算了很长时间，由于被撤销而使产生的部分结果也被消除了，再重新执行时还要再次进行计算。
逐个撤销涉及死锁的进程，回收其资源直至死锁解除。
抢占资源：从涉及死锁的一个或几个进程中抢占资源，把夺得的资源再分配给涉及死锁的进程直至死锁解除。

内存管理

1. 内存管理主要做了什么？

内存的分配与回收：对进程所需的内存进行分配和释放，malloc 函数：申请内存，free 函数：释放内存。
地址转换：将程序中的虚拟地址转换成内存中的物理地址。
内存扩充：当系统没有足够的内存时，利用虚拟内存技术或自动覆盖技术，从逻辑上扩充内存。
内存映射：将一个文件直接映射到进程的进程空间中，这样可以通过内存指针用读写内存的办法直接存取文件内容，速度更快。
内存优化：通过调整内存分配策略和回收算法来优化内存使用效率。
内存安全：保证进程之间使用内存互不干扰，避免一些恶意程序通过修改内存来破坏系统的安全性。

2. 虚拟内存

2.1 什么是虚拟内存和物理内存？

虚拟内存：是操作系统提供给每个运行中程序的一种地址空间，每个程序在运行时认为自己拥有的内存空间就是虚拟内存，其大小可以远远大于物理内存的大小。虚拟内存通过将程序的地址空间划分成若干个固定大小的页或段，并将这些页或者段映射到物理内存中的不同位置，从而使得程序在运行时可以更高效地利用物理内存。
物理内存：物理内存是计算机实际存在的内存，是计算机中的实际硬件部件。

2.2 虚拟内存的作用

隔离进程：物理内存通过虚拟地址空间访问，虚拟地址空间与进程一一对应。每个进程都认为自己拥有了整个物理内存，进程之间彼此隔离，一个进程中的代码无法更改正在由另一进程或操作系统使用的物理内存。
提升物理内存利用率：有了虚拟地址空间后，操作系统只需要将进程当前正在使用的部分数据或指令加载入物理内存。
简化内存管理：进程都有一个一致且私有的虚拟地址空间，程序员不用和真正的物理内存打交道，而是借助虚拟地址空间访问物理内存，从而简化了内存管理。
多个进程共享物理内存：进程在运行过程中，会加载许多操作系统的动态库。这些库对于每个进程而言都是公用的，它们在内存中实际只会加载一份，这部分称为共享内存。
提高内存使用安全性：控制进程对物理内存的访问，隔离不同进程的访问权限，提高系统的安全性。
提供更大的可使用内存空间：可以让程序拥有超过系统物理内存大小的可用内存空间。这是因为当物理内存不够用时，可以利用磁盘充当，将物理内存页（通常大小为 4 KB）保存到磁盘文件（会影响读写速度），数据或代码页会根据需要在物理内存与磁盘之间移动。

2.3 没有虚拟内存有什么问题？

用户程序可以访问任意物理内存，可能会不小心操作到系统运行必需的内存，进而造成操作系统崩溃，严重影响系统的安全。
同时运行多个程序容易崩溃。比如你想同时运行一个微信和一个 QQ 音乐，微信在运行的时候给内存地址 1xxx 赋值后，QQ 音乐也同样给内存地址 1xxx 赋值，那么 QQ 音乐对内存的赋值就会覆盖微信之前所赋的值，这就可能会造成微信这个程序会崩溃。
程序运行过程中使用的所有数据或指令都要载入物理内存，根据局部性原理，其中很大一部分可能都不会用到，白白占用了宝贵的物理内存资源。

2.4 什么是虚拟地址和物理地址？

物理地址（Physical Address） 是真正的物理内存中地址，更具体点来说是内存地址寄存器中的地址。程序中访问的内存地址不是物理地址，而是 虚拟地址（Virtual Address） 。

也就是说，我们编程开发的时候实际就是在和虚拟地址打交道。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虚拟地址。

操作系统一般通过 CPU 芯片中的一个重要组件 MMU(Memory Management Unit，内存管理单元) 将虚拟地址转换为物理地址，这个过程被称为 地址翻译/地址转换（Address Translation） 。

2.5 虚拟地址与物理内存地址是如何映射的？

MMU 将虚拟地址翻译为物理地址的主要机制有 3 种:

分段机制
分页机制
段页机制

其中，现代操作系统广泛采用分页机制，需要重点关注！

3. 什么是内存碎片？

4. 常见的内存管理方式有哪些？

连续内存管理：为一个用户程序分配一个连续的内存空间，内存利用率一般不高。
非连续内存管理：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，相对更加灵活一些。

早期计算机操作系统的一种连续内存管理方式，存在严重的内存碎片问题。块式管理会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

非连续内存管理存在下面 3 种方式：

段式管理：以段(一段连续的物理内存)的形式管理/分配物理内存。应用程序的虚拟地址空间被分为大小不等的段，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。
页式管理：把物理内存分为连续等长的物理页，应用程序的虚拟地址空间也被划分为连续等长的虚拟页，是现代操作系统广泛使用的一种内存管理方式。
段页式管理机制：结合了段式管理和页式管理的一种内存管理机制，把物理内存先分成若干段，每个段又继续分成若干大小相等的页。

5. 分段机制

应用程序的虚拟地址空间被分为大小不等的段，段是有实际意义的，每个段定义了一组逻辑信息。

5.1 段表有什么用？地址翻译过程是怎样的？

6. 分页机制

分页机制（Paging） 把主存（物理内存）分为连续等长的物理页，应用程序的虚拟地址空间划也被分为连续等长的虚拟页。现代操作系统广泛采用分页机制。这里的页是连续等长的，不同于分段机制下不同长度的段。

6.1 页表有什么用？地址翻译过程是怎样的？

6.2 单级页表有什么问题？为什么需要多级页表？

如果使用单机页表，页表项太占空间。

多级页表属于时间换空间的典型场景，利用增加页表查询的次数减少页表占用的空间。

6.3 快表（TLB）有什么用？使用 TLB 之后的地址翻译流程是怎样的？

TLB在高速缓冲区，速度比较快。TLB 的设计思想非常简单，但命中率往往非常高，效果很好。这就是因为被频繁访问的页就是其中的很小一部分。

用虚拟地址中的虚拟页号作为 key 去 TLB 中查询；
如果能查到对应的物理页的话，就不用再查询页表了，这种情况称为 TLB 命中（TLB hit)。
如果不能查到对应的物理页的话，还是需要去查询主存中的页表，同时将页表中的该映射表项添加到 TLB 中，这种情况称为 TLB 未命中（TLB miss)。
当 TLB 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。

6.4 换页机制有什么用？

换页机制的思想是当物理内存不够用的时候，操作系统选择将一些物理页的内容放到磁盘上去，等要用到的时候再将它们读取到物理内存中。也就是说，换页机制利用磁盘这种较低廉的存储设备扩展的物理内存。

6.5 常见的页面置换算法有哪些?

最佳页面置换算法（OPT，Optimal）：优先选择淘汰的页面是以后永不使用的，或者是在最长时间内不再被访问的页面，这样可以保证获得最低的缺页率。但由于人们目前无法预知进程在内存下的若干页面中哪个是未来最长时间内不再被访问的，因而该算法无法实现，只是理论最优的页面置换算法，可以作为衡量其他置换算法优劣的标准。

先进先出页面置换算法（FIFO，First In First Out） : 最简单的一种页面置换算法，总是淘汰最先进入内存的页面，即选择在内存中驻留时间最久的页面进行淘汰。该算法易于实现和理解，一般只需要通过一个 FIFO 队列即可满足需求。不过，它的性能并不是很好。

最近最久未使用页面置换算法（LRU ，Least Recently Used）：LRU 算法赋予每个页面一个访问字段，用来记录一个页面自上次被访问以来所经历的时间 T，当须淘汰一个页面时，选择现有页面中其 T 值最大的，即最近最久未使用的页面予以淘汰。LRU 算法是根据各页之前的访问情况来实现，因此是易于实现的。OPT 算法是根据各页未来的访问情况来实现，因此是不可实现的。

最少使用页面置换算法（LFU，Least Frequently Used） : 和 LRU 算法比较像，不过该置换算法选择的是之前一段时间内使用最少的页面作为淘汰页。

时钟页面置换算法（Clock）：可以认为是一种最近未使用算法，即逐出的页面都是最近没有使用的那个。

FIFO 页面置换算法性能为何不好？

经常访问或者需要长期存在的页面会被频繁调入调出：较早调入的页往往是经常被访问或者需要长期存在的页，这些页会被反复调入和调出。

哪一种页面置换算法实际用的比较多？

LRU 算法是实际使用中应用的比较多，也被认为是最接近 OPT 的页面置换算法。

7. 分页机制和分段机制有哪些共同点和区别？

共同点：

都是非连续内存管理的方式。
都采用了地址映射的方法，将虚拟地址映射到物理地址，以实现对内存的管理和保护。

区别：

分页机制以页面为单位进行内存管理，而分段机制以段为单位进行内存管理。页的大小是固定的，由操作系统决定，通常为 2 的幂次方。而段的大小不固定，取决于我们当前运行的程序。
页是物理单位，即操作系统将物理内存划分成固定大小的页面，每个页面的大小通常是 2 的幂次方，例如 4KB、8KB 等等。而段则是逻辑单位，是为了满足程序对内存空间的逻辑需求而设计的，通常根据程序中数据和代码的逻辑结构来划分。
分段机制容易出现外部内存碎片，即在段与段之间留下碎片空间(不足以映射给虚拟地址空间中的段)。分页机制解决了外部内存碎片的问题，但仍然可能会出现内部内存碎片。
分页机制采用了页表来完成虚拟地址到物理地址的映射，页表通过一级页表和二级页表来实现多级映射；而分段机制则采用了段表来完成虚拟地址到物理地址的映射，每个段表项中记录了该段的起始地址和长度信息。
分页机制对程序没有任何要求，程序只需要按照虚拟地址进行访问即可；而分段机制需要程序员将程序分为多个段，并且显式地使用段寄存器来访问不同的段。

8. 段页机制

结合了段式管理和页式管理的一种内存管理机制，把物理内存先分成若干段，每个段又继续分成若干大小相等的页。

9. 局部性原理

时间局部性：由于程序中存在一定的循环或者重复操作，因此会反复访问同一个页或一些特定的页，这就体现了时间局部性的特点。为了利用时间局部性，分页机制中通常采用缓存机制来提高页面的命中率，即将最近访问过的一些页放入缓存中，如果下一次访问的页已经在缓存中，就不需要再次访问内存，而是直接从缓存中读取。

空间局部性：由于程序中数据和指令的访问通常是具有一定的空间连续性的，因此当访问某个页时，往往会顺带访问其相邻的一些页。为了利用空间局部性，分页机制中通常采用预取技术来预先将相邻的一些页读入内存缓存中，以便在未来访问时能够直接使用，从而提高访问速度。

中断和异常

1. 什么是中断？

CPU停下当前的工作任务，去处理其他事情，处理完后回来继续执行刚才的任务，这一过程便是中断。

外部中断：来源于CPU外部，必然是某个硬件产生的，所以外部中断又被称为硬件中断。

内部中断：来自于处理器内部，其中软中断是由软件主动发起的中断，常被用于系统调用（system call）；而异常则是指令执行期间CPU内部产生的错误引起的

2. 中断的流程

‌中断请求‌：当外部设备或内部事件产生中断请求信号时，CPU会检测这些信号并确定中断源。‌
‌中断响应‌：CPU在接收到中断请求后，会根据中断优先级暂停当前任务，并准备执行中断服务程序（ISR）。在这个过程中，CPU会保护当前的执行环境，包括程序计数器、状态寄存器和通用寄存器的内容。
‌保护现场‌：CPU将当前执行任务的状态保存到堆栈中，以便在中断处理完毕后能够恢复到原来的状态继续执行。
‌执行中断服务程序‌：CPU跳转到中断向量表中查找的中断服务程序的入口地址，开始执行相应的代码。
‌中断处理‌：在中断服务程序中，CPU会执行必要的操作来处理中断，如数据读写、状态更新等。
‌恢复现场‌：中断服务程序执行完毕后，CPU会恢复之前保存的执行环境，包括程序计数器和寄存器的内容。
‌中断返回‌：CPU返回到被中断的任务的下一条指令处，继续执行程序。

3. 中断的作用

中断使得计算机系统具备应对对处理突发事件的能力，提高了CPU的工作效率，如果没有中断系统，CPU就只能按照原来的程序编写的先后顺序，对各个外设进行查询和处理，即轮询工作方式，轮询方法貌似公平，但实际工作效率却很低，却不能及时响应紧急事件。

文件系统

1.常见的磁盘调度算法有哪些？

先来先服务算法（First-Come First-Served，FCFS）：按照请求到达磁盘调度器的顺序进行处理，先到达的请求的先被服务。FCFS 算法实现起来比较简单，不存在算法开销。不过，由于没有考虑磁头移动的路径和方向，平均寻道时间较长。同时，该算法容易出现饥饿问题，即一些后到的磁盘请求可能需要等待很长时间才能得到服务。

最短寻道时间优先算法（Shortest Seek Time First，SSTF）：也被称为最佳服务优先（Shortest Service Time First，SSTF）算法，优先选择距离当前磁头位置最近的请求进行服务。SSTF 算法能够最小化磁头的寻道时间，但容易出现饥饿问题，即磁头附近的请求不断被服务，远离磁头的请求长时间得不到响应。实际应用中，需要优化一下该算法的实现，避免出现饥饿问题。

扫描算法（SCAN）：也被称为电梯（Elevator）算法，基本思想和电梯非常类似。磁头沿着一个方向扫描磁盘，如果经过的磁道有请求就处理，直到到达磁盘的边界，然后改变移动方向，依此往复。SCAN 算法能够保证所有的请求得到服务，解决了饥饿问题。但是，如果磁头从一个方向刚扫描完，请求才到的话。这个请求就需要等到磁头从相反方向过来之后才能得到处理。

循环扫描算法（Circular Scan，C-SCAN）：SCAN 算法的变体，只在磁盘的一侧进行扫描，并且只按照一个方向扫描，直到到达磁盘边界，然后回到磁盘起点，重新开始循环。