1. 進程和線程的區別？創建線程的代價比創建進程小嗎？

• 進程是資源分配和調度的基本單位；線程是 CPU 調度的基本單位。
• 進程有獨立的地址空間，線程共享進程地址空間。
• 創建/銷毀進程開銷大，線程開銷小。
• 是的，因為不需要分配獨立地址空間。

2. 線程共享哪些資源？

• 地址空間（代碼段、數據段、堆等）
• 打開的文件
• 全局變量
• 信號處理器
• 不共享：棧、寄存器、程序計數器。

3. 用戶線程與內核線程區別？

• 用戶線程（User-level）：用戶態管理，切換快，但內核不可見，一個阻塞會導致整個進程阻塞。
• 內核線程（Kernel-level）：內核直接調度，支持多核并行，但切換開銷大。

4. 進程的五種狀態？哪些事件會引起新的進程創建?

新建（new）、就緒（ready）、運行（running）、阻塞（waiting）、終止（terminated）。

• • 系統初始化
  • 用戶請求（如執行程序）
  • 創建系統調用（fork）
  • 批處理作業調度

5. 進程上下文切換是什么？線程上下文切換呢？

保存和恢復進程的 CPU 環境（寄存器、PC、內存映射等），開銷大。

保存/恢復線程的寄存器、棧指針等，不涉及地址空間切換，開銷小。

6. CPU 如何調度進程? 常見調度算法？

• 調度目標：公平性、高吞吐量、低響應時間。
• 常見調度算法：

• • 先來先服務 (FCFS)

• • • 思想：誰先到就先執行，按進入就緒隊列的順序來。
    • 優點：簡單、公平，易于實現。
    • 缺點：長作業會讓后面的短作業等待很久（“護航效應”）。

• • 短作業優先 (SJF)

• • • 思想：優先調度執行時間短的作業。
    • 優點：平均等待時間最短，效率高。
    • 缺點：需要預知運行時間；對長作業不公平，可能一直得不到執行。

• • 高響應比優先 (HRRN)

• • • 思想：綜合考慮等待時間和運行時間，公式：
    • 響應比=（等待時間+運行時間）/運行時間

• • • 優點：兼顧長短作業，避免短作業獨占 CPU。
    • 缺點：實現稍復雜，需要動態計算。

• • 時間片輪轉 (RR)

• • • 思想：每個進程分配一個時間片，時間片到沒執行完就放回隊列，輪流調度。
    • 優點：公平，適合分時系統，響應快。
    • 缺點：時間片過小 → 頻繁切換開銷大；過大 → 退化成 FCFS。

• • 優先級調度

• • • 思想：給每個進程設優先級，優先級高的先執行。
    • 優點：靈活，可以滿足任務的不同緊急性。
    • 缺點：可能導致低優先級進程長期得不到執行（饑餓現象）。

• • 多級反饋隊列 (MFQ，最常用)

• • • 思想：綜合前面幾種算法的優點。
    • 按優先級分多個隊列，高優先級先執行。
    • 新進程先進入高優先級隊列，時間片短；如果沒執行完，就降到低一級隊列，時間片更長。
    • 長作業慢慢“下沉”，短作業一般能在上層快速完成。
    • 優點：公平、靈活，適合通用操作系統。
    • 缺點：實現復雜，參數（隊列數、時間片長短）不好調。

7. 分頁與分段的區別？

1. 1. 分頁（Paging）

按固定大小劃分：整個邏輯空間切成頁，物理內存切成頁框。

頁可以 不連續 地存放在物理內存中。

優點：

消除外部碎片，內存利用率高

方便虛擬內存和置換

缺點：

邏輯連續性在物理上不保證

代碼、數據可能被分散到不同頁上

分頁把邏輯空間劃分為頁，物理內存劃分為頁框，通過頁表實現邏輯頁到物理頁框的映射。頁表存在內存里，為了加速地址轉換引入了快表（TLB）；為減少大頁表的內存消耗，引入了多級頁表；進一步可以用反向頁表+哈希查找來優化空間和效率。程序看到的都是虛擬地址，運行時通過頁表機制映射為物理地址。

1. 1. 分段（Segmentation）

按邏輯模塊劃分：代碼段、數據段、棧段、堆等。

每段在物理內存中 連續存放。

優點：

邏輯清晰，符合程序結構

易于保護（不同段可設置不同權限）

可以共享整個段（如只讀代碼段）

缺點：

可能產生 外部碎片

需要連續內存空間

分段是按程序邏輯劃分內存，每段可變大小，地址由段號+段內偏移組成。段表記錄段基址和段長，實現邏輯地址 → 物理地址映射。

8. 虛擬內存原理？頁面置換算法？

虛擬內存（Virtual Memory）是操作系統將物理內存（RAM）與硬盤空間結合形成的二級存儲體系，通過創建分頁文件（如Windows的pagefile.sys）擴展可用內存容量。當物理內存不足時，系統自動將不活躍的數據轉移到硬盤，騰出空間供當前進程使用。??

把部分數據放在磁盤，需要時換入內存，不需要時換出。通過頁表+缺頁中斷實現。

TLB替換和虛擬內存換頁都用類似的策略（FIFO、LRU等），本質都是緩存替換思想。但TLB替換只在CPU內部緩存頁表映射，開銷小；虛擬內存換頁涉及把物理頁換出到磁盤，開銷大，需要處理缺頁中斷。

• FIFO（先進先出）
• LRU（最近最少使用）
• LFU（最不經常使用，頻率）

9. 什么是缺頁中斷？什么是 頁面抖動 ？

訪問頁面不在內存時觸發，由操作系統調入缺失頁。

缺頁率過高，頻繁調頁，CPU 時間大多浪費在換頁上。

10. 段頁式管理是什么？

• 基礎是分頁

• • 內存按固定大小頁框管理，邏輯頁連續，物理頁不連續
  • 優點：內存利用率高，換入換出快，消除了外部碎片

• 加上段的概念

• • 虛擬地址空間按邏輯模塊分段（代碼段、數據段、棧段）
  • 每段有獨立段表 → 可單獨管理、保護和共享
  • 段內再分頁 → 段內頁可以分散存放，仍然享受分頁優勢

• 邏輯和物理關系

• • 邏輯上：段內連續，保持程序結構
  • 物理上：段內頁不連續，提高內存利用率
  • 支持虛擬內存換入換出，不影響段的保護和共享

11. 臨界區是什么？互斥 vs 同步 vs 異步 vs 并發？

進程/線程訪問共享資源的代碼片段。

1. 1. 互斥（Mutual Exclusion）

目的：防止多個線程/進程同時訪問共享資源導致沖突。

關鍵點：同一時間 只允許一個線程訪問資源

實現方式：鎖（synchronized、ReentrantLock）、信號量（Semaphore）等

例子：兩個線程同時往銀行賬戶存錢，需要加鎖保證金額正確

1. 1. 同步（Synchronous）

目的：保證操作按順序執行，協調多個任務

特點：

調用者 必須等待操作完成 才能繼續

可以是線程之間的同步，也可以是調用者與被調用者的同步

例子：

方法調用：int res = foo(); → 調用線程必須等 foo() 執行完再繼續

多線程同步：用 CountDownLatch、Barrier 等讓線程按順序執行

1. 1. 異步（Asynchronous）

特點：

調用者 不等待操作完成，可以繼續執行其他任務

操作結果通過回調、Future、Promise、事件通知等方式獲取

例子：

異步 HTTP 請求、異步消息隊列消費、CompletableFuture

1. 1. 并發（Concurrency）

定義：多個任務在同一時間段交替進行執行

特點：

不要求同時執行（同時執行是并行 Parallelism）

利用 CPU 時間片輪轉等機制交替執行

例子：

多線程訪問 CPU → 在時間上交錯執行

操作系統調度多個進程 → 并發處理

12. 如何實現線程間同步？常見同步問題？

線程間同步主要是為了保護共享資源，防止數據競爭。常用方法有：基于鎖的同步（synchronized、ReentrantLock）、信號量（Semaphore）、條件變量或阻塞隊列（wait/notify, BlockingQueue）、原子操作（Atomic 類或 CAS）、屏障/閉鎖（CountDownLatch, CyclicBarrier）等。根據場景選擇最合適的方式。

13. 死鎖是什么？死鎖條件？死鎖檢測和解除？預防死鎖的方式？

• 死鎖條件（必要條件）：

1. 1. 互斥
   2. 占有并等待
   3. 不可剝奪
   4. 循環等待

• 避免死鎖：破壞上述條件之一。
• 預防死鎖：如一次性申請所有資源、資源有序分配。
• 死鎖檢測與解除：

• • 檢測：通過資源分配圖、銀行家算法。
  • 解除：撤銷進程或搶占資源。

• 死鎖定義：多個進程因競爭資源互相等待，無法繼續執行。

14. 資源分配圖

• 節點：

• • 圓形：表示進程（P1, P2…）
  • 方形 / 長方形：表示資源（R1, R2…）

• 邊：

• • 請求邊（→）：進程指向資源，表示進程請求該資源
  • 分配邊（←）：資源指向進程，表示資源已分配給該進程

• 無環 → 系統安全，無死鎖
• 有環（單實例資源） → 系統發生死鎖
• 有環（多實例資源） → 可能死鎖，需要進一步分析
• 單實例資源：每類資源在系統中只有一個可用單位。

• • 例子：打印機、CPU、磁帶機

• 多實例資源：每類資源有多個單位可用。

• • 例子：內存頁框、多個相同型號打印機、數據庫連接池

15. 什么是緩沖區？

緩沖區就是在生產者和消費者之間開的一塊臨時存儲區。生產者（快的）生成數據后不必等待消費者（慢的）處理完，直接放入緩沖區去做其他事情；消費者則可以按自己的速度從緩沖區取數據處理。這樣解決了速度不匹配的問題，同時避免了直接阻塞。

16. 中斷與輪詢的區別？中斷與系統調用區別？

輪詢是CPU主動周期性檢查設備狀態，低效且可能延遲；中斷是設備或事件主動通知CPU，CPU只在需要時處理，效率高、響應快。中斷機制是現代操作系統的主要I/O處理方式。

中斷是異步的，因為它的觸發時間不可預測，由外部設備或異常事件主動產生，不依賴CPU或程序主動調用。CPU在執行程序時，隨時可能被中斷打斷去執行中斷服務程序，因此中斷是異步的。

系統調用是用戶程序主動請求操作系統服務的過程，CPU 在系統調用指令處順序切換到內核態執行，不會突然中斷其他任務；調用完成后返回用戶態繼續執行原程序。與中斷不同，中斷是異步事件，會打斷 CPU 當前執行的程序

17. 文件的索引結構？

文件索引結構用于管理文件在磁盤上的塊分配，常見的有連續分配（簡單快速，但容易產生外部碎片）、鏈式分配（消除外部碎片，但隨機訪問慢）、索引分配（建立索引塊支持隨機訪問，可多級管理大文件。

a. (1) 連續分配（Contiguous Allocation）

• • 文件占用磁盤上 連續的塊
  • 優點：隨機訪問快，索引簡單
  • 缺點：容易產生外部碎片，文件擴展困難
  • 索引表示：

文件名 → 起始塊號 + 文件長度

b. (2) 鏈式分配（Linked Allocation）

• • 文件的每個塊包含 下一個塊的指針
  • 優點：消除外部碎片，文件可動態增長
  • 缺點：隨機訪問慢，需要順序遍歷
  • 索引表示：

塊1 → 塊2 → 塊3 → … → 塊n

c. (3) 索引分配（Indexed Allocation）

• • 每個文件有一個 索引塊，記錄文件所有塊號
  • 優點：支持隨機訪問，不要求連續空間
  • 缺點：索引塊占用額外空間
  • 多級索引：

• • • 單級：索引塊直接記錄文件塊號
    • 多級：索引塊指向其他索引塊 → 支持大文件

• • 示例：UNIX i-node

i-node:
直接塊 0~11 → 文件塊
一級間接塊 → 指向文件塊
二級間接塊 → 指向一級索引塊
三級間接塊 → 支持超大文件

18. 僵尸進程與孤兒進程？

僵尸進程是子進程已退出，但父進程未回收其 PCB，導致占用少量系統資源；孤兒進程是父進程先退出，子進程仍在運行，系統會由 init 進程收養并回收。僵尸進程需要父進程主動回收，孤兒進程系統自動處理。

19. 熱備份與冷備份？

熱備份是在系統運行過程中進行備份，用戶可以繼續訪問系統，但需要考慮數據一致性問題；冷備份是在系統停機時備份，操作簡單、天然一致，但會中斷業務。熱備份適合高可用場景，冷備份適合低頻全量備份。

• 熱備份：

• • 數據庫正在處理用戶請求，同時用快照或日志復制數據
  • MySQL InnoDB 在線備份、Oracle RMAN 在線備份

• 冷備份：

• • 停掉數據庫服務 → 復制整個數據庫文件
  • 簡單、可靠，但會造成服務停機

20. 常用的編譯優化技術

a. (1) 代碼生成優化

• • 常量折疊（Constant Folding）

• • • 編譯期計算常量表達式
    • 示例：int a = 3 + 4; → 編譯器直接生成 int a = 7;

• • 常量傳播（Constant Propagation）

• • • 將已知常量替換到表達式中，提高編譯效率

• • 冗余代碼消除（Dead Code Elimination）

• • • 刪除永遠不會執行或結果不影響程序的代碼

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b. (2) 循環優化

• • 循環展開（Loop Unrolling）

• • • 減少循環控制開銷，提高執行效率

• • 循環交換（Loop Interchange）

• • • 調整多重循環順序，提高緩存命中率

• • 循環合并/拆分（Loop Fusion/Splitting）

• • • 合并相似循環減少開銷，或拆分循環提高并行性

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c. (3) 數據流優化

• • 公共子表達式消除（Common Subexpression Elimination, CSE）

• • • 避免重復計算同一表達式

• • 強度降低（Strength Reduction）

• • • 用位運算或加法替換乘法/除法等昂貴操作

• • 寄存器分配優化（Register Allocation）

• • • 盡量將頻繁訪問的變量放入寄存器

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d. (4) 內存與訪問優化

• • 內存對齊與緩存優化

• • • 調整數據布局，提高 CPU cache 命中率

• • 延遲加載（Lazy Evaluation）

• • • 只有真正需要時才計算或訪問數據

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e. (5) 函數與調用優化

• • 內聯展開（Function Inlining）

• • • 減少函數調用開銷

• • 尾遞歸優化（Tail Recursion Optimization）

• • • 將尾遞歸轉換為循環，減少棧空間

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f. (6) 并行與向量化優化

• • 自動向量化（SIMD）

• • • 編譯器將循環或操作轉為并行向量指令

• • 多線程/并行優化

• • • 利用 CPU 多核加速循環或獨立計算