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什么是操作系统？请简要概述一下
操作系统是管理计算机硬件和软件资源的计算机程序，提供一个计算机用户与计算机硬件系统之间的接
口。
向上对用户程序提供接口，向下接管硬件资源。
操作系统本质上也是一个软件，作为最接近硬件的系统软件，负责处理器管理、存储器管理、设备管
理、文件管理和提供用户接口。
操作系统有哪些分类？
操作系统常规可分为批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统。
若一个操作系统兼顾批操作和分时的功能，则称该系统为通用操作系统。
常见的通用操作系统有：Windows、Linux、MacOS等。
什么是内核态和用户态？
为了避免操作系统和关键数据被用户程序破坏，将处理器的执行状态分为内核态和用户态。
内核态是操作系统管理程序执行时所处的状态，能够执行包含特权指令在内的一切指令，能够访问系统
内所有的存储空间。
用户态是用户程序执行时处理器所处的状态，不能执行特权指令，只能访问用户地址空间。
用户程序运行在用户态,操作系统内核运行在内核态。
如何实现内核态和用户态的切换？
处理器从用户态切换到内核态的方法有三种：系统调用、异常和外部中断。
1. 系统调用是操作系统的最小功能单位，是操作系统提供的用户接口，系统调用本身是一种软中断。
2. 异常，也叫做内中断，是由错误引起的，如文件损坏、缺页故障等。
3. 外部中断，是通过两根信号线来通知处理器外设的状态变化，是硬中断。
并发和并行的区别
1. 并发（concurrency）：指宏观上看起来两个程序在同时运行，比如说在单核cpu上的多任务。但是
从微观上看两个程序的指令是交织着运行的，指令之间交错执行，在单个周期内只运行了一个指
令。这种并发并不能提高计算机的性能，只能提高效率（如降低某个进程的相应时间）。
2. 并行（parallelism）：指严格物理意义上的同时运行，比如多核cpu，两个程序分别运行在两个核
上，两者之间互不影响，单个周期内每个程序都运行了自己的指令，也就是运行了两条指令。这样
说来并行的确提高了计算机的效率。所以现在的cpu都是往多核方面发展。
什么是进程？
进程是操作系统中最重要的抽象概念之一，是资源分配的基本单位，是独立运行的基本单位。
进程的经典定义就是一个执行中程序的实例。系统中的每个程序都运行在某个进程的上下文（context）
中。
上下文是由程序正确运行所需的状态组成的。这个状态包括存放在内存中的程序的代码和数据，它的
栈、通用目的寄存器的内容、程序计数器、环境变量以及打开文件描述符的集合。
进程一般由以下的部分组成：
1. 进程控制块PCB，是进程存在的唯一标志，包含进程标识符PID，进程当前状态，程序和数据地
址，进程优先级、CPU现场保护区（用于进程切换），占有的资源清单等。
2. 程序段
3. 数据段
进程的基本操作
以Unix系统举例：
1. 进程的创建：fork()。新创建的子进程几乎但不完全与父进程相同。子进程得到与父进程用户级虚拟
地址空间相同的(但是独立的)一份副本，包括代码和数据段、堆、共享库以及用户栈。子进程还获
得与父进程任何打开文件描述符相同的副本，这就意味着当父进程调用 fork 时，子进程可以读写父
进程中打开的任何文件。父进程和新创建的子进程之间最大的区别在于它们有不同的 PID。fork函
数是有趣的（也常常令人迷惑）， 因为它只被调用一次，却会返回两次：一次是在调用进程（父进
程）中，一次是在新创建的子进程中。在父进程中，fork 返回子进程的 PID。在子进程中，fork 返
回 0。因为子进程的 PID 总是为非零，返回值就提供一个明 确的方法来分辨程序是在父进程还是在
子进程中执行。
pid_t fork(void);
2. 回收子进程：当一个进程由于某种原因终止时，内核并不是立即把它从系统中清除。相反，进程被
保持在一种已终止的状态中，直到被它的父进程回收（reaped）。当父进程回收已终止的子进程
时，内核将子进程的退出状态传递给父进程，然后抛弃已终止的进程。一个进程可以通过调用
waitpid 函数来等待它的子进程终止或者停止。
pid_t waitpid(pid_t pid, int *statusp, int options);
3. 加载并运行程序：execve 函数在当前进程的上下文中加载并运行一个新程序。
int execve(const char *filename, const char *argv[], const char *envp[]);
4. 进程终止：
void exit(int status);
简述进程间通信方法
每个进程各自有不同的用户地址空间,任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程之间
要交换数据必须通过内核,在内核中开辟一块缓冲区,进程A把数据从用户空间拷到内核缓冲区,进程B再从
内核缓冲区把数据读走,内核提供的这种机制称为进程间通信。
不同进程间的通信本质：进程之间可以看到一份公共资源；而提供这份资源的形式或者提供者不同，造
成了通信方式不同。
进程间通信主要包括管道、系统IPC（包括消息队列、信号量、信号、共享内存等）、以及套接字
socket。
进程如何通过管道进行通信
管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe系统函数即可
创建一个管道。有如下特质：
1. 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)
2. 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。
3. 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。
管道的原理: 管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区实现。
管道的局限性：
1. 数据自己读不能自己写。
2. 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。
3. 由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能在一个方向上流动。
4. 只能在有公共祖先的进程间使用管道。
进程如何通过共享内存通信？
它使得多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据得更
新。这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等。
特点：
1. 共享内存是最快的一种IPC，因为进程是直接对内存进行操作来实现通信，避免了数据在用户空间
和内核空间来回拷贝。
2. 因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步处理。
3. 信号量和共享内存通常结合在一起使用，信号量用来同步对共享内存的访问。
什么是信号
一个信号就是一条小消息，它通知进程系统中发生了一个某种类型的事件。 Linux 系统上支持的30 种不
同类型的信号。 每种信号类型都对应于某种系统事件。低层的硬件异常是由内核异常处理程序处理的，
正常情况下，对用户进程而言是不可见的。信号提供了一种机制，通知用户进程发生了这些异常。
1. 发送信号：内核通过更新目的进程上下文中的某个状态，发送（递送）一个信号给目的进程。发送
信号可以有如下两种原因：
内核检测到一个系统事件，比如除零错误或者子进程终止。
—个进程调用了kill 函数， 显式地要求内核发送一个信号给目的进程。一个进程可以发送信号
给它自己。
