C++ 操作系统 常考面试题总结

1. 进程通信中的管道实现原理

管道是半双工的进程间通信方式，核心基于内核缓冲区实现：

1. 系统在内核中开辟一块临时的缓冲区，作为管道的载体；
2. 管道以文件描述符的形式暴露给进程，进程通过读/写文件描述符，完成对内核缓冲区的读写操作；
3. 数据按先进先出原则传输，写进程向缓冲区写入数据，读进程从缓冲区读取数据，内核自动维护读写位置；
4. 分为匿名管道和命名管道：匿名管道基于pipe系统调用创建，仅能用于父子进程间通信；命名管道基于mkfifo创建，以文件形式存在于文件系统，可用于无亲缘关系的进程间通信。

2. 简述mmap的原理和使用场景

原理

mmap是内存映射文件机制，核心是将磁盘文件的部分或全部，直接映射到进程的虚拟地址空间：

1. 进程调用mmap时，内核在进程虚拟地址空间中分配一段连续的虚拟内存区域；
2. 内核建立该虚拟区域与磁盘文件的映射关系，但不立即加载文件数据到物理内存；
3. 进程首次访问该虚拟内存时，触发缺页中断，内核才将对应文件数据加载到物理内存，并更新页表；
4. 进程对映射区域的读写，会被内核同步到磁盘文件（或通过msync主动同步），实现内存与文件的双向绑定。

使用场景

• 大文件高效读写：避免频繁read/write的用户态与内核态切换，减少数据拷贝；
• 进程间通信：多个进程映射同一文件，实现共享内存式通信；
• 高性能网络IO：结合sendfile实现零拷贝，提升数据传输效率。

3. 互斥量能不能在进程中使用？

可以，但需满足共享内存条件，分为两种情况：

1. 线程级互斥量：默认基于进程内的局部内存创建，仅能用于同一进程内的线程同步，无法跨进程使用；
2. 进程级互斥量：通过将互斥量创建在共享内存区（如mmap映射区、shmget共享内存），并设置进程共享属性（如POSIX互斥量的PTHREAD_PROCESS_SHARED属性），即可实现跨进程同步。

4. 协程是轻量级线程，轻量级表现在哪里？

协程的“轻量级”核心体现在调度和资源开销上，与操作系统线程对比差异显著：

1. 调度开销：协程由用户态调度器管理，而非操作系统内核，切换时无需陷入内核、无需保存/恢复CPU寄存器、无需更新页表，切换耗时仅为线程的1/100甚至更低；
2. 内存开销：线程默认栈大小为几MB，而协程栈为几KB到几十KB（可动态扩容），单个进程可创建数万个协程，远多于线程的创建上限；
3. 资源依赖：协程基于线程实现（N:M模型），多个协程复用一个线程的内核资源，减少内核态资源的占用。

5. 常见信号有哪些，表示什么含义？

信号是操作系统向进程发送的异步通知，核心常见信号及含义如下：

1. SIGINT (2)：中断信号，由Ctrl+C触发，通知进程终止运行；
2. SIGTERM (15)：终止信号，kill命令默认发送，允许进程捕获并执行清理逻辑后退出；
3. SIGKILL (9)：强制终止信号，无法被捕获、阻塞或忽略，用于强制杀死进程；
4. SIGSEGV (11)：段错误信号，进程访问非法内存地址时触发；
5. SIGPIPE (13)：管道破裂信号，向读端已关闭的管道写入数据时触发；
6. SIGCHLD (17)：子进程状态变化信号，子进程退出或暂停时，内核向父进程发送该信号。

6. 线程同步方式有哪些？

线程同步的核心是解决临界区资源竞争问题，常见方式分为基础机制和高级机制：

基础同步机制

1. 互斥锁：保证同一时间只有一个线程能进入临界区，适用于排他性资源访问；
2. 读写锁：区分读操作和写操作，读共享、写排他，适合读多写少的场景；
3. 信号量：分为二进制信号量（等价于互斥锁）和计数信号量，可实现多线程的资源计数与同步；
4. 条件变量：配合互斥锁使用，实现线程间的“等待-唤醒”机制，解决线程间的依赖问题。

高级同步机制

1. 屏障：等待所有线程到达指定点后，再继续执行，适用于批量任务协同；
2. 自旋锁：线程获取锁失败时不阻塞，而是循环尝试，适合临界区执行时间极短的场景。

7. 什么是死锁，产生的条件，如何解决？

死锁定义

多个进程/线程因竞争资源，互相持有对方所需的资源，且均不释放已持资源，导致所有进程/线程陷入永久阻塞的状态。

产生的四个必要条件（缺一不可）

1. 互斥条件：资源为排他性资源，同一时间仅能被一个进程/线程占用；
2. 请求与保持条件：进程/线程持有部分资源时，又请求其他进程/线程持有的资源；
3. 不可剥夺条件：进程/线程已持有的资源，无法被其他进程/线程强制剥夺，只能主动释放；
4. 循环等待条件：多个进程/线程形成资源请求的闭环，即A等B的资源，B等C的资源，C等A的资源。

解决方法

1. 预防死锁：破坏死锁的任一必要条件（如按序申请资源，破坏循环等待；资源预分配，破坏请求与保持）；
2. 避免死锁：通过银行家算法等，动态判断资源分配是否会导致死锁，仅在安全时分配资源；
3. 检测与解除：定时检测系统是否存在死锁，若存在则通过剥夺资源、杀死进程等方式解除。

8. 有了进程，为什么还要有线程？

进程是操作系统资源分配的基本单位，线程是CPU调度的基本单位，引入线程的核心目的是提升并发效率、降低开销：

1. 创建与切换开销：进程创建时需分配独立的地址空间、页表、文件描述符等资源，切换时需刷新MMU、切换地址空间，开销极大；线程共享进程的地址空间和资源，创建仅需分配栈和寄存器，切换仅需保存线程上下文，开销远低于进程；
2. 通信效率：进程间通信需借助内核（管道、共享内存等），存在用户态与内核态切换；线程共享进程的堆内存和全局变量，可直接通信，效率极高；
3. 并发粒度：进程的并发粒度较粗，一个进程阻塞（如IO等待）会导致整个进程无法执行；线程阻塞时，同一进程的其他线程可继续占用CPU执行，提升了CPU利用率。

9. 单核机器上写多线程程序，是否要考虑加锁，为什么？

需要加锁，核心原因与CPU调度的时间片轮转机制和指令重排序有关：

1. 时间片轮转：单核CPU通过时间片轮转调度线程，线程执行到临界区中间时，可能被操作系统挂起，切换到其他线程执行；若临界区资源未加锁，后续线程会读取到不完整的资源数据，导致数据竞争；
2. 指令重排序：编译器和CPU为优化性能，会对指令进行重排序，多线程环境下，未加锁的临界区操作可能出现执行顺序错乱，破坏数据一致性；
3. 示例：两个线程同时对全局变量i执行i++（非原子操作，分为读、加、写三步），若不加锁，可能出现两个线程同时读取i=0，最终i仅变为1，而非预期的2。

10. 多线程和多进程的不同？

11. 简述互斥锁的机制，互斥锁与读写锁的区别？

互斥锁机制

互斥锁基于原子操作和阻塞唤醒实现，核心逻辑：

1. 互斥锁包含一个状态位（锁定/未锁定），通过原子指令（如test_and_set）实现锁的获取；
2. 线程请求锁时，若锁为未锁定状态，原子性将其设为锁定，线程进入临界区；
3. 若锁为锁定状态，请求线程会被阻塞，放入等待队列，直到持有锁的线程释放锁；
4. 持有锁的线程执行完临界区代码后，释放锁并唤醒等待队列中的线程。

互斥锁与读写锁的区别

12. 什么是信号量，有什么作用？

信号量定义

信号量是一种计数器，基于PV操作（wait/signal）实现进程/线程间的同步与互斥，由操作系统保证PV操作的原子性。

核心作用

1. 实现互斥：使用二进制信号量（值为0或1），等价于互斥锁，实现临界区的排他性访问；
2. 实现同步：使用计数信号量（值为非负整数），通过计数控制资源的可用数量，实现线程间的依赖等待（如生产者-消费者模型中，控制缓冲区的空/满数量）；
3. 资源计数：限制同时访问某资源的进程/线程数量（如连接池的最大连接数限制）。

13. 进程、线程的中断切换过程是怎样的？

进程/线程的切换本质是上下文的保存与恢复，触发于中断（外部中断、异常中断、系统调用），核心步骤分为进程切换和线程切换，二者核心差异在于是否切换地址空间：

通用切换流程

1. 中断触发：CPU执行指令时检测到中断，暂停当前进程/线程的执行；
2. 保存上下文：将当前进程/线程的CPU寄存器值（程序计数器、栈指针、通用寄存器等）保存到内核栈中；
3. 中断处理：内核执行中断服务程序，判断是否需要进行进程/线程调度；
4. 选择下一个任务：调度器根据调度算法（如RR、CFS），从就绪队列中选择下一个要执行的进程/线程；
5. 恢复上下文：从下一个进程/线程的内核栈中，恢复CPU寄存器值；
6. 返回执行：CPU跳转到新进程/线程的指令地址，继续执行。

进程切换 vs 线程切换

• 进程切换：额外增加地址空间切换步骤，内核需刷新MMU、切换页表、清空TLB，开销极大；
• 线程切换：线程共享进程地址空间，无需切换页表和MMU，仅需保存/恢复线程专属的上下文，开销极低。

14. 简述自旋锁和互斥锁的使用场景

自旋锁核心特性

线程获取锁失败时，不阻塞、不放弃CPU，而是通过循环轮询的方式尝试获取锁，直到成功。

互斥锁核心特性

线程获取锁失败时，会被阻塞，放弃CPU，进入等待队列，直到被唤醒。

使用场景划分

1. 自旋锁适用场景：临界区执行时间极短（微秒级），轮询的开销远小于线程阻塞唤醒的开销；多核CPU环境，避免单核下自旋导致的CPU资源浪费；内核态编程（如中断处理程序），无法进行阻塞操作的场景。
2. 互斥锁适用场景：临界区执行时间较长（毫秒级及以上），自旋