操作系统相关子问题
进程相关
僵尸进程
一个进程使用fork创建子进程，子进程结束后 父进程并没有调用wait或者waitpid方法获取子进程的终止状态，子进程的描述符依然保存在操作系统的进程表中，这样的进程就是一个僵尸进程。
僵尸进程是一个已经死亡的进程，但是没有被完全销毁。它几乎不占用任何内存资源，没有什么可执行的代码，只是在进程表中保留了一个位置，占用了一个进程id。
任何子进程在结束之后都会经历僵尸进程的阶段，状态为Z，直到被父进程处理。
产生原因
Unix的机制来保证父进程可以知道子进程结束时的状态信息：就是子进程结束后释放它占有的资源，包括打开的文件，内存等。但是还保留了一定信息，包括进程号，退出状态等，这些信息会直到父进程调用wait或者waitpid方法时才释放。其中wait会使父进程暂停执行，waitpid则可以加入wait-no-hang选项，如果没有结束的进程会立即返回，不回阻塞进程
危害
如果父进程没有调用上述方法，就会产生僵尸进程，保留的那些信息不会被释放，而进程号是有限的，有可能因此而不能产生新的进程
问题和解决方法
问题：可能会有一个进程定期产生一个子进程，做了一些工作后就结束，但是没有被父进程处理，这样一段时间后就会产生大量僵尸进程。
方法：解决产生僵尸进程的进程，这样那些僵尸进程就会变成孤儿进程，由init来处理
具体方法：
通过信号机制：子进程结束时发送SIGCHILD信号给父进程，父进程处理信号，在信号处理函数中调用wait方法处理僵尸进程。
孤儿进程
一个父进程已经退出，但是它的子进程还在运行当中，这些进程就成了孤儿进程。孤儿进程将被init进程（id号1）收养，并由init进程完成状态收集工作。孤儿进程并不会有什么危害。
几种常见的IO方式
阻塞式IO
当用户进程调用IO操作，应用程序被阻塞，直到数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区才恢复。进行拷贝过程时继续阻塞。所以IO的两个阶段：等待和拷贝，都处于阻塞状态
但是阻塞期间其他进程还可以执行，所以CPU利用率挺高。
非阻塞式IO
进程执行系统调用后，如果数据还没准备好，内核会返回一个错误码，进程可以继续执行。但是进程会定期执行系统调用来询问内核有没有准备好，如果准备好了并且收到了系统调用，就进行拷贝。第二阶段拷贝依然是阻塞的。
不断主动询问占用了很多CPU资源
IO多路复用
异步IO
进程执行IO操作后可以立即返回，并继续执行，不会被阻塞，内核会在所有操作完成之后发送信号。比如说要进行读操作，内核会在把读取的数据放到用户指定的缓冲区内后通知进程。
用户态和内核态
是系统的两个权限等级，代表了不同的访问能力，先说内核态，内核态可以访问内存的所有数据以及外围设备，例如硬盘网卡，但是用户态只能受限访问内存，并且不能访问外围设备，不能占用CPU。
所有应用程序都运行在用户态，需要进行一些内核操作，例如读取硬盘数据时就要进行系统调用，CPU切换到内核态，执行完服务之后切换回用户态并返回系统调用的结果。
为什么要分
- 安全性：防止用户程序执行一些危险指令，恶意或无意破坏系统、内存、硬盘资源
- 封装性：把系统层面的操作封装起来，通过操作系统来调用，操作系统可以检验一些操作的安全性
如何从用户态切换到内核态
- 系统调用：
- 异常：如果用户进程出现了某些异常，需要切换到内核态来通过某些程序处理该异常
- 外设中断：当外设完成某些用户请求的操作后会发出一个中断请求，CPU会转而处理该请求。如果CPU正在处理用户态的程序，就会转而切换到内核态执行相关的处理方法。
死锁
死锁就是两个或者多个并发进程，都持有一定的资源，并且都等待其他进程释放他们持有的资源，进度无法推进，就发生了死锁
死锁产生的必要条件
- 互斥：一个资源同一时间只能被一个进程使用
- 占有等待：一个进程至少占有一个资源，并且在等待其他进程释放资源
- 非抢占：一个进程一旦占有某样资源就不能被抢夺，只能等待它主动释放该资源
- 循环等待：若干进程形成一个头尾相接的环形等待关系，每一个进程都在等待下一个进程释放资源
死锁的处理办法
- 鸵鸟策略：直接忽视死锁 - 指发生死锁不会产生很严重的后果，或者死锁发生的概率很低
- 死锁预防
- 破坏互斥：资源可以被多个进程访问，但是某些资源不具备这个属性，所以无法操作
- 破坏占有等待
- 一次性申请所有需要的资源，否则不运行
- 申请资源之前先释放自己占有的资源
- 但是很多时候不知道一个进程需要的所有资源，降低系统并发性
- 破坏不可抢占：允许进程抢占别的已占有资源
- 破坏循环等待：给资源同一编号，进程只能按照编号顺序来请求资源，只有占用小号资源才能申请大号资源
- 死锁避免
- 动态检测资源分配，确保系统处于安全状态，只有处于安全状态时才会进行资源分配。安全状态是指：即使所有进程突然请求所需要的资源，也有某种资源分配的顺序使得每一个进程执行完毕
- 银行家算法
- 死锁解除
- 利用抢占，挂起某些进程然后占有它的资源
- 回滚：让某些进程回滚到之前的状态，自愿释放资源到解除死锁的阶段
- 杀死进程：按照优先级杀死进程直到解除死锁
内存相关
分页和分段
页式存储：页是对虚拟地址空间的划分，页框是对物理内存空间的划分。内存管理单元MMU管理着地址空间和物理内存的转换。其中的页表存储着页（地址空间）和页框（物理内存空间）的映射表。虚拟地址分成两部分，一部分存储页面号，一部分存储偏移量。
按进程需要的页数分配，逻辑上相邻的页物理上不一定相邻
段式存储：将进程自己的地址空间按照逻辑划分成若干个段，如代码段、数据段等。内存空间页被动态划分成不同长度的区域，分配时以段为基本单位。
段页式：用户进程的地址空间先按段划分，段内再按页划分，内存空间按照页来划分
区别是什么
目的：分页是为了管理内存，通过虚拟内存获得更大的地址空间。分段是为了满足用户需要，程序和数据可以被划分为逻辑上独立的地址空间
大小：段的大小不固定，由其所完成的功能决定；页的大小固定，由系统决定
地址空间维度：页是一维的，给定一个虚拟地址，页号和页偏移可以被计算出来；段是二维的，需要通过段号加段内偏移来确定。
虚拟内存
每个程序都有自己的地址空间，地址空间被划分为大小相等的页，页映射到物理内存空间。但不需要所有页都在物理内存中，有一部分被存储在磁盘上。当程序需要用到某些不在物理内存空间中的页时，需要由操作系统把它从磁盘置换到内存中。这样，逻辑上有很大的内存空间，其实有一部分时存储在磁盘上的
地址空间到物理空间的映射
由MMU内存管理单元实现，其中的页表存储了页到页框的映射表，其中还包含有效位（是在内存还是磁盘中）、访问位（是否被访问过）、修改位（是否被修改过）等
页面置换算法
最佳页面置换算法：把未来很长一段时间内不会被用到的页面置换掉-理论算法
最近未使用LRU：将最近最久未使用的页面置换出去。实现方式是链表，每次一个页面被访问，把它移动到链表头，置换时候置换掉链表尾部的页面
先进先出FIFO：置换掉在内存中停留时间最长的页面-会把常用的页面置换出去
第二次机会算法：相当于优化FIFO，解决了常用页面被置换的问题。为每一个页面设置一个R位，被读和写时置为1，需要置换链表头部的页时，检查R位，如果是0就置换，如果是1，就将R置0，放入链表尾部。
时钟：省去第二次机会算法在链表中移动的开销，将页面首尾相连，指针指向最老的那个页面
局部性原理
时间上：最近被访问的页在不久的将来还会被访问
空间上：内存中被访问的页周围的页也很可能被访问
颠簸
指频繁的页调度，置换掉一个页，那个页有马上被需要，又置换回来，频繁发生缺页中断。
解决方法（根本原因就是内存不足）
- 降低运行的程序量（释放内存）
- 增加物理内存（增加内存）
- 修改页面置换算法
磁盘调度
磁盘
- 盘面（找到对应的盘面）
- 磁道（盘面上的同心圆 - 寻道时间）
- 扇区（旋转时间）
磁盘调度算法
寻道时间最长，磁盘调度是使磁盘的平均寻道时间最短
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先来先服务FCFS
公平简单，但是不做任何优化，平均寻道时间较长
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最短寻道时间优先
优先调度与所在磁道最近的磁道。平均时间较短，但是会出现饥饿
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电梯算法
按照一个方向来进行磁盘调度，等到该方向没有未完成的请求，改变方向