操作系统面试是什么意思

一、操作系统面试的定义

操作系统面试是指在求职过程中，针对操作系统相关知识和技能进行的一种考核方式。操作系统作为计算机系统中最基本的系统软件，承担着管理计算机硬件与软件资源的重要职责，在开发岗位的面试中占据关键地位。

从功能角度来看，操作系统主要有五大管理功能部分。设备管理，它负责内核与外围设备的数据交互，像管理音频输入输出设备等，包括对输入输出设备的分配、初始化、维护与回收等操作。其次是作业管理，负责人机交互、图形界面或者系统任务的管理。文件管理涉及文件的逻辑组织和物理组织、目录结构和管理等，从操作系统的角度负责对文件存储器的存储空间进行分配、维护和回收，同时管理文件的索引、共享和权限保护；从用户角度则是按照文件目录和文件名来进行文件的存取。进程管理中，进程控制块（PCB）是一个进程存在的唯一标志，其负责维护进程的信息和状态，进程管理实质上是系统采用特定的进程调度算法来合理分配处理任务给每个进程。最后是存储管理，它关注数据的存储方式和组织结构。

在面试中，操作系统相关知识的考核涵盖多个方面。例如基本概念方面，包括并发与并行、虚拟化、局部性原理、原子操作等。并发是指宏观上（逻辑上）在一段时间内能同时运行多个程序；而并行则指同一时刻能运行多个指令，并且并行需要硬件支持，如多流水线、多核处理器或者分布式计算系统。局部性原理分为时间局部性和空间局部性，时间局部性是指程序执行代码以后，在一定时间后可能再次执行，数据被访问过，在一定时间后也可能再次被访问，像循环语句就体现了时间局部性；空间局部性则是指访问的数据在内存中是连续存放的，如数组。虚拟化技术是把一个物理实体转换为多个逻辑实体的技术，包括时分复用和空分复用技术两个大类，例如多道程序设计中的时间片轮转就是时分复用的体现，而虚拟内存是典型的空分复用技术。原子操作是不可中断的一个或者一系列操作，不会被线程调度机制打断，运行期间不会有任何的上下文切换，可以避免昂贵的上下锁开销。

二、操作系统面试的常见形式

操作系统面试常见的形式主要有以下几种。

（一）笔试中的操作系统题目 在笔试环节，会有专门针对操作系统知识的选择题、填空题、简答题等。

1. 选择题：可能会考查操作系统的基本概念，例如“以下哪种是进程间通信方式（A. 管道 B. 共享内存 C. 信号量 D. 以上都是）”。这类题目要求求职者对操作系统的各种概念有清晰的理解和记忆，能够准确区分不同的概念、技术或机制。
2. 填空题：比如“虚拟内存利用了____技术来扩充内存容量”，这就需要求职者准确掌握操作系统中的相关技术名称。
3. 简答题：会要求求职者对操作系统的某些原理或机制进行阐述，如“简述进程和线程的区别”。这需要求职者能够清晰、全面地表达自己对相关知识的理解，包括从资源分配、调度、系统开销、通信等多个方面进行对比分析。

（二）面试中的问答环节

1. 基础知识问答
   • 面试官可能会直接提问一些基本概念，如“请解释一下什么是系统调用？”系统调用是运行在用户态的程序调用操作系统提供的系统态级别的子功能的方式，在用户程序中，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向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。
   • 对于进程和线程的关系也经常被问到，例如“进程和线程在资源分配、调度、系统开销等方面有哪些不同？”在资源分配方面，进程是资源分配的基本单位，而线程不拥有系统资源，但可以访问隶属于进程的资源；调度上，线程是程序执行的基本单位，是独立调度的基本单位，同一进程中线程切换不会引起进程切换，但从一个进程中的线程切换到另一个进程中的线程时会引起进程切换；系统开销方面，创建或撤销进程时，系统要分配或回收系统资源，如内存空间、I/O设备等，开销显著大于创建或撤销线程时的开销，进程切换的开销也远大于线程切换的开销。
2. 项目相关提问
   • 如果求职者在简历中有与操作系统相关的项目经验，面试官会针对项目进行深入提问。例如，如果求职者参与过一个多线程并发处理的项目，面试官可能会问“在这个项目中，你是如何处理线程同步和互斥问题的？”这就要求求职者能够结合实际项目，阐述在项目中采用的线程同步机制，如使用互斥量、信号量等，以及如何避免死锁等问题。
   • 对于涉及到操作系统优化的项目，面试官可能会问“你在项目中采取了哪些措施来提高操作系统的性能？”求职者可能需要从内存管理优化（如减少内存碎片、合理利用缓存等）、进程调度优化（如采用合适的调度算法）等方面进行回答。

（三）实际操作考核（较少见但存在） 在某些特定的岗位面试中，可能会有实际操作考核。

1. Linux命令操作
   • 对于与Linux系统相关的岗位，可能会要求求职者在Linux环境下完成一些操作任务，如“使用命令行查找一个文件并显示其详细信息”，这就需要求职者熟练掌握Linux的文件查找命令（如find）、查看文件详细信息命令（如ls -l）等。
   • 要求求职者进行网络配置操作，如设置IP地址、配置网络路由等，这需要对Linux的网络相关命令（如ifconfig或ip命令）有很好的掌握。
2. 内核相关操作（针对内核开发等岗位）
   • 如果是内核开发岗位，可能会要求求职者对内核代码进行简单的修改或者编译，例如“在内核代码中添加一个系统调用并编译通过”。这需要求职者对内核的结构、编译流程以及系统调用的实现机制有深入的了解。

三、操作系统面试的考察重点

操作系统面试的考察重点涵盖多个重要的知识点。

（一）进程与线程相关知识

1. 进程和线程的概念与区别
   • 进程是资源分配的基本单位，它是一个资源调度的独立单位，包括代码段、数据段、BSS段、堆区、映射区和栈区等部分。线程是程序执行的基本单位，是轻量级的进程，可视为CPU调度的基本单位。线程自己不拥有系统资源，与其他线程共享进程所拥有的全部资源。例如，在一个多任务的操作系统中，运行一个程序会创建一个或多个进程，而每个进程里又包含一个或多个线程。
   • 从调度角度看，进程切换时需要切换虚拟地址空间、内核栈和硬件上下文，系统开销很大；而线程切换只需保存和设置少量寄存器内容，开销相对较小。在通信方面，进程之间的通信需要借助操作系统提供的特定方式（如管道、共享内存、信号量等），而线程之间可以直接读写进程数据段来进行通信。
2. 进程的状态转换与调度算法
   • 进程有就绪、运行、等待等状态。就绪状态是指进程缺少的资源只是处理机，只要获得处理机资源就可立即执行；等待状态是指进程缺少其他资源（除了处理机）或者在等待某一事件。常见的进程调度算法有先来先服务（FCFS），这是一种非抢占式的调度算法，按照请求的顺序进行调度；短业务优先（SJF），也是非抢占式的，按照运行时间最短的业务优先调度；最短剩余时间优先（SRTF）是SJF的抢占式版本，如果新的进程的运行时间比当前进程剩余执行时间短，则发生抢占，挂起当前进程；时间片轮转是所有进程按照FCFS排成一个队列，每次调度时将时间片分给队首进程；优先级调度是为每个进程分配一个优先级，按照优先级进行调度；多级反馈队列则是设置了多个队列，每个队列的时间片大小都不相同，进程在第一个队列没执行完就会被放入第二个队列，每个队列的时间片大小通常按照1,2,4,8...这样的比例。

（二）内存管理

1. 内存管理的基本概念
   • 包括分段和分页机制。分段是将程序按照逻辑模块进行划分，每个段有自己的段名、段长和段基址，便于程序和数据的共享与保护；分页是将物理内存和虚拟内存划分成固定大小的页，通过页表来实现虚拟地址到物理地址的映射。例如，在32位的操作系统中，虚拟地址空间可能被划分为多个固定大小的页，页表记录了每个虚拟页对应的物理页信息。
   • 虚拟内存是操作系统为每个进程创造的一种独占系统内存空间的假象，通过将部分暂时不用的内存数据交换到磁盘等外部存储设备上（内存交换），从而可以运行比实际物理内存大的程序。当发生内存不足（OOM）时，操作系统会根据一定的策略来回收内存或者杀死某些进程。
2. 逻辑地址转换
   • 逻辑地址是程序中使用的地址，通过页表的映射可以转换为物理地址。在地址转换过程中，CPU首先根据逻辑地址中的页号查找页表，得到对应的物理页号，再结合逻辑地址中的页内偏移量得到最终的物理地址。这个过程中，如果页表不在高速缓存（TLB）中，还需要从内存中读取页表，这会增加地址转换的时间成本。

（三）并发和锁

1. 同步和互斥概念
   • 同步是指多个进程或线程按照一定的顺序协同工作，例如生产者 - 消费者问题中，生产者生产数据后，消费者才能消费数据，它们之间存在着同步关系。互斥是指多个进程或线程对临界资源（如打印机等在同一时间只能被一个进程或线程使用的资源）的访问进行限制，保证在某一时刻只有一个进程或线程能够访问该资源。
2. 常见的锁机制及死锁
   • 常见的锁有互斥锁、读写锁等。互斥锁用于保证在同一时刻只有一个线程或进程能够访问临界资源；读写锁则允许多个线程同时读，但在写操作时只能有一个线程进行。死锁是指多个进程或线程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局，例如有两个进程A和B，A占用了资源R1并等待资源R2，而B占用了资源R2并等待资源R1，这样就形成了死锁。死锁产生的条件有互斥条件（资源不能共享）、请求和保持条件（进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求）、不可剥夺条件（资源只能由拥有者释放）、循环等待条件（存在一个进程 - 资源的循环等待链）。为了预防死锁，可以采用破坏死锁产生的条件的方法，如采用资源静态分配策略破坏请求和保持条件等。

（四）内核态与用户态相关知识

1. 内核态与用户态的区别
   • 用户态运行的进程可以直接读取用户程序的数据，而内核态运行的进程或程序几乎可以访问计算机的任何资源，不受限制。例如，在进行文件读取操作时，用户态的程序只能发起读取请求，而实际的磁盘I/O操作是由内核态的程序来完成的。
2. 内核态陷入与中断异常
   • 当用户态进程需要调用内核态的功能时（如系统调用），就会发生内核态陷入，这是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式。中断异常是指当CPU在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常（如缺页异常），这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，从而转到内核态；或者当外围设备完成用户请求的操作后，会向CPU发出相应的中断信号，CPU暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换，如硬盘读写操作完成后系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。

（五）操作系统的其他重要知识

1. 系统调用
   • 系统调用按功能大致可分为设备管理、文件管理、进程控制、进程通信、内存管理等几类。例如在文件管理方面的系统调用有创建文件（如open系统调用中的O_CREAT标志）、读取文件（read系统调用）、写入文件（write系统调用）等；在进程控制方面有创建进程（fork系统调用）、撤销进程（exit系统调用）等。这些系统调用是用户态进程与内核态进行交互的重要方式，使得用户程序能够利用操作系统提供的各种功能。
2. 进程间通信（IPC）方式
   • 管道通信分为有名管道（FIFO文件）和无名管道（内存文件）。有名管道以FIFO文件的形式存在于文件系统中，即使没有亲缘关系的进程也可以进行通信，且是半双工通信；无名管道只能半双工通信，并且只能在具有亲缘关系的进程（如父子进程）之间进行。信号量是一个计数器，通常用来控制不同进程对临界区资源访问的互斥和同步。共享内存是映射一段能被其他进程所访问的内存，由一个进程创建，多个进程可以访问，是最快的IPC方式，往往与信号量配合使用来实现进程间的同步和通信。消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列和System V消息队列，有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。Socket可用于不同机器间的进程通信，与其他通信机制不同的是它不受限于同一台机器上的进程通信。