用户态和内核态
用户态和内核态的区别？
- 内核态：CPU可以执行所有的指令和访问所有的硬件资源，操作具有更高的权限，主要基于操作系统内核运行
- 用户态：CPU只能执行部分指令集，无法直接访问硬件资源，操作权限较低，主要用于运行用户程序
为什么要分为用户态和内核态？
- 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，避免恶意程序对系统资源造成的破坏
- 稳定性：用户程序出现问题，不会影响到整个系统
- 隔离性：使得操作系统内核与用户程序之间有明确的边界，有利于系统的模块化和维护。
进程管理
进程和线程的区别？
- 进程是操作系统分配资源（虚拟内存、文件句柄、信号量…）的基本单位，线程是任务调度的基本单位
- 进程切换会有较大的开销；线程切换开销较小
- 进程中如果某个线程崩溃了，可能整个进程都会崩溃
- 系统在运行时，会为每个进程分配资源；对线程而言，系统不会为线程分配内存，线程的资源来源于进程
进程、线程、协程的区别？
- 进程：操作系统分配资源的基本单位，拥有自己独立的内存空间，每个进程都有独立的堆和栈，不与其他进程共享。稳定性和安全性较高，但是上下文切换的开销较大
- 线程：CPU调度的基本单位，线程共享进程的内存空间，线程之间通信更高效，因为它们可以直接读取共享内存。线程上下文切换开销小，因为只需要保存和恢复线程的上下文。
- 协程：用户态的轻量级线程，调度完全由用户程序控制，不需要内核的参与。协程与其他协程共享堆内存，协程的切换开销非常小，因为只需要保存和恢复协程的上下文，无需进程内核级的上下文切换。协程在处理大量并发任务时具有非常高的效率，需要程序员显示的进行调度和管理。
多线程和单线程的区别？
- 多线程可以提高程序的运行效率，可以充分利用多核处理器的资源，同时处理多个任务，加快程序的执行速度
- 但是存在多线程数据竞争的问题，需要通过锁机制来保证线程的安全，增加了加锁开销的同时还可能会出现死锁。多线程消耗系统的资源，因为每个线程都需要占用一定的内存和处理时间。
多线程太多会引起什么问题？
多线程不是越多越好，过多的线程也会导致一定的问题。
- 切换开销：线程的创建和销毁会消耗系统资源，如果创建太多线程，会占用大量的系统资源，导致系统负载过高，某个线程崩溃后可能会导致进程的崩溃。
- 死锁问题
进程切换和线程切换的区别？
进程切换的开销比线程切换的开销大。
线程共享统一进程的地址空间和资源，线程切换只涉及到线程的堆栈、寄存器、程序计数器等，不涉及进程别的资源，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。
线程切换的步骤
- 上下文保存：当一个线程切换到另一个线程时，操作系统会先保存当前线程的上下文信息（程序计数器、堆栈指针、寄存器状态）
- 切换调度器：操作系统将执行权切换到调度器，调度器负责选择下一个要执行的线程，并根据调度算法做出决策。
- 上下文恢复：调度器选择下一个要执行的线程后，他会从线程保存的上下文信息中恢复线程的执行状态。
- 切换到新线程：调度器将执行权切换到新线程，使其开始执行。
TCB用来管理线程的数据结构，当发生线程的切换时，通过切换TCB来保存和恢复线程的上下文
线程的状态（五种）如何切换？
进程间的通讯方式
管道：
- 匿名管道：通信方式是单向的，数据只能在一个方向上流动，如果要双向通信，需要建立两个管道，只能存在父子关系的进程通信（通过pipe系统调用创建）
- 命名管道：需要在文件系统中创建一个类型为p的设备文件，那么毫无关系的进程就可以通过这个设备文件进行通信。（基于文件系统）
对于管道来说，进程写入的数据都是缓存在内核中，另一个进程读取数据时也是从内核中获取
消息队列：消息队列的消息体可以是用户自定义的数据类型，要求发送方与接收方的消息体的数据类型保持一致，每次数据的写入和读取都需要经过用户态和内核态之间的拷贝过程。
共享内存：直接分配一个共享内存，每个进程都可以直接访问，不需要陷入内核态和用户态之间的数据拷贝，这是最快的进程通信方式，但是带来了一个新的问题，多进程共同竞争共享数据资源会造成数据的混乱，所以就引入了信号量
- 信号量不仅可以实现访问的互斥性，还可以实现进程间的同步（P、V操作）
区别信号量和信号：
- 信号：异步通信机制，用来通知接收进程有某件事要发生，可以在应用进程和内核之间直接交互，但是这个通信机制是基于一台主机，要与不同主机的进程通信只能使用Socket通信
线程间的通讯方式？
互斥锁：在访问共享资源时堆互斥量进行加锁，访问完成后释放锁。对共享资源加锁以后，其他试图对这个资源加锁的线程将会被阻塞，直到当前线程释放该互斥锁。
条件变量：一个线程等待“条件变量的条件成立”而挂起；另一个线程使“条件成立”。一般条件变量总是和互斥锁结合在一起
自旋锁：在用户态完成加锁和解锁的操作，不会主动产生线程上下文切换，相比互斥锁来说快一点。先检查锁的状态，如果锁是空闲的，就将锁设置成当前线程持有，加锁失败的线程会一直忙等，直到它拿到锁。一般会将这两个步骤合并成一条原子指令，这样就保证这两个步骤是不可分割的
信号量：信号量表示资源的数量，是一种计数器，用来控制对共享资源的访问，有两个原子操作的系统调用函数来控制信号量（P 、V操作）
读写锁：读写锁适用于能明确区分读操作和写操作的场景，在读多写少的时候能够发挥出优势。
进程调度算法
先来先服务、短作业优先、高响应比优先、时间片轮转、最高优先级调度、多级反馈队列
锁
为什么并发执行线程需要加锁？
主要是为了保护共享数据，防止出现“竞态条件”。
竞态条件：多个线程同时访问和操作同一块数据时，最终结果依赖于线程的执行顺序，可能会导致数据的不一致。
自旋锁是什么
自旋锁加锁失败后，线程会忙等，直到它拿到锁。在用户态完成加锁和解锁操作，不会产生线程的上下文切换。
先查看锁的状态，如果锁是空闲，就把锁设置成当前线程独有。（把这两条操作合并成一条原子指令）
在单核CPU上，需要不断通过时钟中断一个线程获取其他线程，否则自旋锁在单CPU上无法使用，因为一个自旋的线程永不放弃CPU
当加锁失败后，“互斥锁”用线程切换来应对；“自旋锁”用忙等来应对
如果被锁住的代码执行时间很短，就可以选用自旋锁。
死锁的条件
互斥条件、不可剥夺、循环等待、请求和保持
可以通过使用资源有序分配法来破环循环等待的条件
线程A先获取A资源再获取B资源；线程B也是同样先获取A资源再获取B资源。线程A、B都应该以相同的顺序去获取自己想要的资源
银行家算法
可以有效地避免死锁。
在分配资源前，先判断如果分配完资源后，能否让这个线程执行完后释放它所占用的资源，如果可以满足，则分配资源给该线程。
乐观锁和悲观锁
乐观锁：假设多个事务之间很少发生冲突，在读取数据时不会加锁，在更新数据时检查数据的版本，如果版本匹配则执行更新操作，否则就认为发生冲突（适用于读多写少的场景，可以减少锁的竞争）
悲观锁：假设多个事务之间会频发发生冲突，在读取数据时会加上锁，防止其他事务对数据进行修改，当前事务完成操作后才会释放锁（适用于写多的场景，通过加锁保证数据的一致性）
内存管理
操作系统的内存管理是什么？
操作系统设置了虚拟内存，每个进程都有自己独立的虚拟内存，程序不会直接和物理内存打交道。
- 虚拟内存可以使进程对运行内存超过物理内存的大小（因为程序的局部性原理，对于不经常使用的内存，可以把它放到磁盘上）
- 每个进程都有自己的页表，每个进程的虚拟内存是独立的，解决了多进程之间地址冲突的问题
- 页表里的页表项除了一些物理地址外，还有一些标记属性的比特（比如控制一个页的读写权限，标记该页是否存在）
虚拟地址和物理地址之间是通过页表来进行映射的
页表存储在内存里。内存管理单元（MMU）：将虚拟内存地址转化为物理内存地址
什么是虚拟内存，什么是物理内存？
- 虚拟内存：操作系统给每个运行中的程序的一段地址空间，每个内存在运行时认为自己拥有的内存就是虚拟内存，虚拟内存将程序的地址空间划分成固定大小的页，并将这些页映射到物理内存中的不同位置。
- 物理内存：计算机实际存在的内存。
什么是页表？
分页是把虚拟内存和物理内存空间切成一段段固定尺寸的大小，虚拟内存和物理内存是通过页表来进行映射的。
页表存储在内存里。
内存管理单元（MMU）：将虚拟内存地址转化为物理内存地址
当进程访问的虚拟地址在页表中不存在，就会产生缺页异常，操作系统会进行调页处理。
页和页之间是紧密排列的，不会有外部碎片；但是有时程序不足一页，也会给他分配一页，所以会有内部碎片。
虚拟内存地址转成物理内存地址的步骤：
- 当访问一个虚拟地址时，MMU会把虚拟内存地址划分成页号 + 页内偏移量
- MMU会根据页号，从页表里查询对应的物理页号
- MMU将物理页号+偏移量结合得到物理内存地址
堆和栈的区别？
- 分配方式：堆是动态分配内存，由程序员手动申请和释放，用来存储动态数据结构和对象；栈是静态分配内存，由编译器自动分配和释放，用于存储函数的局部变量。
- 内存管理：堆内存需要程序员手动管理内存的分配和释放，管理不当可能会出现内存泄漏；栈由编译器自动管理内存，变量的声明周期由作用域决定
- 大小和速度：堆比栈内存空间较大，动态分配和释放需要时间开销；栈大小有限，内存分配和释放较快。
操作系统内存不足时会发生什么？
应用程序通过malloc函数申请内存时，实际上申请的是虚拟内存，此时不会分配物理内存。
- CPU去访问虚拟内存，如果虚拟内存没有映射到物理内存，就会产生缺页中断（从用户态变成内核态）
- 缺页中断处理函数会看是否有空闲的物理内存
- 如果有：就直接分配物理内存，并建立虚拟内存与物理内存之间的映射关系
- 如果没有：就开始进行回收内存的工作（后台内存回收、直接内存回收）
- 如果直接内存回收后，空闲的物理内存仍然无法满足此次物理内存的申请，就会触发OOM机制，OOM机制会选择一个占用物理内存较高的进程杀死，直到释放足够的内存。
有两类内存是可以被回收的：
- 文件页（内核缓存的磁盘数据、内核缓存的文件数据）：回收干净页的方式是直接释放内存；回收脏页的方式是先写回磁盘再释放内存
- 大部分文件页都可以直接释放内存，以后有需要再从磁盘中读取即可。
- 被应用程序修改过，还没写回磁盘的数据，需要先写回磁盘，再进行内存释放
- 匿名页：没有实际的载体，这部分内存可能还要被再次访问，不能直接释放内存，回收的机制是通过Swap机制，把不经常访问的内存写入磁盘，然后释放内存，给其他更需要的进程使用
文件页和匿名页都是基于LRU算法，优先回收不经常访问的页。
页面置换算法有哪些？
最佳页面置换算法、先进先出置换算法、最近最久未使用（LRU）、时钟页面置换算法、最不常使用算法（LFU）
中断
什么是中断？
中断使得计算机具备应对突发事件的能力，提高了CPU的工作效率，如果没有中断，CPU只能按照原来的程序来运行，轮询查询各个外设操作，工作效率低且不能响应紧急事件。
CPU停下当前的工作，去处理其他事情，处理完后回来继续执行刚才的任务。
- 外部中断（来源于CPU外部）
- 可屏蔽中断：主要来自外部设备（硬盘、打印机、网卡…），不会影响系统运行，可以后边再处理。
- 不可屏蔽中断（电源掉电、硬件线路故障…）
- 内部中断（来源于CPU内部）
- 陷阱：有意的、故意安排的异常事件。（print函数，底层的实现中会有一条中断指令，这就是陷阱指令，接下来会使用中断进行系统调用）
- 故障：如果能处理这个错误，就将程序返回到引起故障的指令，不能处理就报错（缺页，将缺失的物理页从磁盘中重新调入内存，再次执行引起故障的指令便可正常运行）
- 终止：执行过程中发生了致命错误，不可修复。（不会将控制返回原程序，而是直接终止源程序）
中断的流程？
- 发生中断：当外部设备需要处理器的响应时，就会发生中断信号，处理器在收到中断信号后，就会停止当前执行的指令，保存当前执行的现场（程序计数器、寄存器状态..），跳转到中断处理程序中执行
- 中断响应：处理器接收到中断信号后，会从中断向量表中找到对应中断程序入口的地址。
- 中断处理：处理器跳到中断程序入口地址后开始执行中断处理程序，中断处理程序会根据终端类型进行相应处理。处理完毕后回到原程序继续执行
网络IO
有什么IO模型？
- 阻塞IO模型：应用程序发起IO操作会被阻塞，操作完成后才返回结果
- 非阻塞IO模型：应用程序发起IO操作后立即返回，但是需要不断轮询来检查IO操作是否完成
- IO复用模型：应用程序可以同时等待多个IO操作，当其中任何一个IO操作准备就绪时，应用程序会被通知
- 信号驱动IO模型：应用程序发起IO操作后，可以继续做其他事，当IO操作完成后，操作系统向应用程序发送信号来通知其完成
- 异步IO模型：应用程序发起IO操作后可以立即做其他事，等IO操作完成时，应用程序会得到通知
服务器处理并发请求有哪几种方式？
- 单线程web服务器方式：web服务器一次处理一个请求，请求结束后读取并处理下一个请求
- 多进程/线程web服务器：web服务器生成多个进程或线程并行处理用户请求，但是一旦并发请求数量达到成千上万时，会消耗大量的系统资源。
- IO多路复用web服务器：web服务器可以IO多路复用，达到只用一个线程就能监听和处理多个客户端的IO事件
- 多路复用多线程web服务器：有多个进程，一个进程里又有多个线程，一个线程处理一个请求
IO多路复用
复用一个线程，处理多个socket中的事件，能够资源复用，防止创建过多的线程导致上下文切换的开销。
什么是零拷贝？
传统的IO工作方式：从磁盘中读取数据，通过网卡向外发送（需要4次上下文切换，4次数据拷贝【2次由DMA完成，2次由CPU完成】）
零拷贝技术：通过一次系统调用合并了磁盘读取和网络发送的操作，降低了上下文切换次数（只需要2次上下文切换，2次数据拷贝【2次的数据拷贝都是由CPU完成】）
