以下是操作系统常见的面试题及详细解答，按主题分类：
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## **一、操作系统基础概念**
### **1. 什么是操作系统？它的主要功能有哪些？**
**答：**
操作系统（OS）是管理计算机硬件资源和软件资源的系统软件，提供用户与计算机交互的接口。
**主要功能：**
1. **进程管理：** 创建、调度、终止进程。
2. **内存管理：** 分配、回收和优化内存使用。
3. **文件管理：** 文件的创建、读取、写入和删除。
4. **设备管理：** 管理输入/输出设备及其驱动程序。
5. **用户接口：** 提供命令行或图形用户界面。
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### **2. 什么是内核？用户态和内核态有什么区别？**
**答：**
**内核：** 操作系统的核心部分，负责底层资源管理，如进程、内存、文件和设备控制。
**区别：**
- **用户态：**
- 应用程序运行的模式。
- 不能直接访问硬件或操作系统内核。
- **内核态：**
- 操作系统运行的模式。
- 可以直接访问硬件资源。
- **切换：** 系统调用或中断会将用户态切换为内核态。
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### **3. 什么是系统调用？**
**答：**
系统调用是用户程序与操作系统内核交互的接口，用于请求操作系统提供服务，例如文件操作、内存分配或进程管理。
**常见的系统调用：**
- 文件操作：`open()`, `read()`, `write()`, `close()`。
- 进程管理：`fork()`, `exec()`, `wait()`, `exit()`。
- 内存管理：`mmap()`, `brk()`。
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## **二、进程和线程**
### **4. 进程和线程的区别？**
**答：**
- **进程：** 操作系统资源分配的最小单位，每个进程都有独立的内存空间。
- **线程：** 进程中的执行单元，共享进程的资源，如内存、文件句柄。
**主要区别：**
1. **资源：** 进程独占资源，线程共享进程资源。
2. **通信：** 进程间通信（IPC）复杂，线程间通信简单。
3. **开销：** 创建/切换进程开销大，线程开销小。
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### **5. 进程间通信方式有哪些？**
**答：**
1. **管道 (Pipe)：** 单向通信，适用于父子进程。
2. **消息队列：** 有名或匿名队列，支持多对多通信。
3. **共享内存：** 通过内存区域实现高效通信。
4. **信号量：** 用于进程同步。
5. **Socket：** 网络通信方式，支持分布式进程。
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### **6. 什么是进程的状态？**
**答：**
进程状态包括：
1. **就绪 (Ready)：** 等待分配 CPU。
2. **运行 (Running)：** 占用 CPU，执行指令。
3. **阻塞 (Blocked)：** 等待 I/O 或资源。
4. **终止 (Terminated)：** 执行结束。
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## **三、内存管理**
### **7. 什么是分页和分段？它们的区别？**
**答：**
**分页：**
- 将内存分为固定大小的页（Page），逻辑地址用页号和偏移量表示。
- 优点：减少外部碎片。
**分段：**
- 将内存划分为大小不一的段（Segment），每段表示一个逻辑单元。
- 优点：更符合用户视角，支持动态扩展。
**区别：**
1. 分页解决内存管理，分段关注逻辑划分。
2. 分页固定大小，分段大小不固定。
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### **8. 什么是虚拟内存？如何实现？**
**答：**
虚拟内存是指将不在物理内存中的程序部分临时存储到磁盘，逻辑上扩展内存空间。
**实现：**
1. **分页：** 利用页表将虚拟地址映射到物理地址。
2. **页替换算法：**
- **FIFO (先进先出)：** 替换最早进入的页。
- **LRU (最近最少使用)：** 替换最久未使用的页。
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## **四、文件系统**
### **9. 什么是 inode？**
**答：**
`inode` 是文件系统中的索引节点，用于存储文件的元数据，包括文件大小、权限、所有者和指向数据块的指针。
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### **10. 文件系统的常见结构有哪些？**
**答：**
1. **层次目录结构：** 树形目录组织文件。
2. **FAT：** 简单、高效，广泛用于 USB 和 SD 卡。
3. **EXT：** Linux 文件系统，支持日志功能。
4. **NTFS：** Windows 文件系统，支持权限和压缩。
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## **五、CPU 调度**
### **11. 常见的 CPU 调度算法有哪些？**
**答：**
1. **先来先服务 (FCFS)：** 按到达时间顺序调度。
2. **短作业优先 (SJF)：** 优先执行最短作业。
3. **优先级调度：** 按任务优先级调度。
4. **时间片轮转 (RR)：** 每个任务分配固定时间片。
5. **多级队列调度：** 将任务分组到不同队列，分层调度。
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## **六、死锁**
### **12. 什么是死锁？如何避免？**
**答：**
**死锁：** 两个或多个进程相互等待对方释放资源，导致无法继续执行。
**死锁的四个必要条件：**
1. **互斥：** 资源不可共享。
2. **占有且等待：** 一个进程持有资源并等待其他资源。
3. **不可剥夺：** 资源不可强制回收。
4. **循环等待：** 存在资源循环等待链。
**避免：**
- 破坏上述条件之一：
1. **银行家算法：** 确保分配资源后系统仍处于安全状态。
2. **时间戳法：** 按顺序分配资源，避免循环等待。
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## **七、高频问题**
### **13. 什么是多线程的上下文切换？开销如何优化？**
**答：**
**上下文切换：** 保存当前线程状态并切换到另一个线程。
**开销优化：**
- 减少线程数量，避免频繁切换。
- 使用协程替代线程。
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### **14. 什么是僵尸进程和孤儿进程？如何处理？**
**答：**
- **僵尸进程：** 子进程结束但父进程未调用 `wait()`，导致 PCB 残留。
- **处理：** 父进程调用 `wait()` 清理子进程资源。
- **孤儿进程：** 父进程终止，但子进程继续运行。
- **处理：** 系统将孤儿进程的父进程指向 `init`。
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