《拉依达的嵌入式\驱动面试宝典》—操作系统篇(一)

你好，我是拉依达。
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《拉依达的嵌入式\驱动面试宝典》 最开始我个人的面试学习笔记，里面整合了所有我认为可能遇到的技术面试问题。随着我个人的学习以及参与面试，对内容不断完善。现在我已经步入工作阶段，空闲时间将之前的学习内容进行重新编排整理，并且加入了工作后更新系统的理解。是所有博客中投入最大的一个系列。包含我个人学习中所有的精华内容，希望可以最大限度的帮助到你。

所有问题及其答案均是我个人学习后查阅资料总结，每个回答都做了仔细的分析，在嵌入式及其驱动面试相关问题解析做到独一无二。

其中包含嵌入式软件开发、嵌入式驱动开发、linux驱动开发等职位遇到的所有技术方向问题。**尤其是对驱动等底层问题的解析，适合准备相关工作或者学习提升的同学 **

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三、操作系统

3.1 进程线程管理

操作系统定义？

整个系统完成最基本功能和系统管理的部分。

操作系统组成？

内核、设备驱动程序、启动引导程序、命令行shell/用户界面、文件管理工具、系统工具

内核组成？

• 负责响应中断——中断服务程序
• 负责管理多个进程——调度程序
• 负责管理进程地址空间——内存管理程序
• 网络、进程通信等——系统服务程序

进程的生命流程

1. 父进程调用fork()函数，从一个已有进程复制出一个全新的进程
2. 调用exec()函数，创建新的地址空间，载入新的程序
3. 调用exit() 函数，退出执行，终结进程并释放占用资源
4. 父进程调用wait()函数，查询子进程是否终结

进程描述符 task_struct

• 内核把进程存放在叫任务队列(task list)的双向链表中
• 任务队列(链表)中每一项就是一个task_struct，进程描述符
• 进程描述符包含进程完整信息：打开文件、进程地址空间、挂起信号、进程状态等
• 进程描述符的分配：slab分配器
• 进程的标识：PID号，存放在进程描述符中
  

进程家族树

• 初始进程——init进程，pid=1，内核启动阶段创建
• 父进程——每个进程都有一个父进程，task_struct 中parent指针指向
• 子进程——每个进程有多个子进程，task_struc中children子进程链表

进程的退出

• 进程终结的清理工作和进程描述符删除工作分开进程
• 进程最后调用exit()函数，进程释放内存资源，进行清理。保留进程的进程描述符task_struct 。
• 父进程获得子进程的信息后，子进程的进程描述符删除

什么的进程？什么是线程？

• 进程是资源分配的基本单位，它是程序执行时的一个实例，在程序运行时创建。拥有自己的地址空间。
• 线程是程序执行的最小单位，是进程的一个执行流，一个进程由多个线程组成的。多个线程共用地址空间
• Linux中线程和进程不做区分，线程是一种特殊的进程，本质都是内核的一个task_struct。线程被看作是一个和其他进程共用某些资源的进程。
• 同一时间，如果CPU是单核，只有一个进程在执行，所谓的并发执行，也是顺序执行，只不过由于切换速度太快，你以为这些进程在同步执行而已。多核CPU可以同一时间点有多个进程在执行。

进程的组成

进程实体（进程映像）由三部分组成：程序段、数据段、PCB（进程控制块）组成。

PCB是进程存在的唯一标志。PCB是给操作系统用的，而程序段和数据段是给进程自己使用的。

进程和线程的区别？

1. 进程是资源分配的最小单位。

   线程是程序执行的最小单位，也是处理器调度的基本单位。两者均可并发执行。

2. 进程有自己的独立地址空间，每启动一个进程，系统就会为它分配地址空间，建立数据表来维护代码段、堆栈段和数据段，这种操作非常昂贵。

   而线程是共享进程中的数据，使用相同的地址空间，因此，CPU切换一个线程的花费远比进程小很多，同时创建一个线程的开销也比进程小很多。

3. 线程之间的通信更方便，同一进程下的线程共享全局变量、静态变量等数据，

   进程之间的通信需要以通信的方式（IPC)进行。

4. 进程切换时，消耗的资源大，效率低。多进程程序更健壮，一个进程死掉并不会对另外一个进程造成影响址空间。

   线程切换时，消耗的资源小，效率高。多线程程序只要有一个线程死掉，整个进程也跟着死掉了。

5. 执行过程：每个独立的进程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序入口。但是线程不能独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。

6. 线程执行开销小，但是不利于资源的管理和保护。进程执行开销大，但是能够很好的进行资源管理和保护，可以跨机器迁移。

什么时候用多进程？什么时候用多线程？

1. 创建和销毁较频繁使用线程，因为创建进程花销大。
2. 需要大量数据传送使用线程，因为多线程切换速度快，不需要跨越进程边界。
3. 安全稳定选进程；快速频繁选线程；

多进程、多线程同步（通讯）的方法

进程间通讯：

（1）有名管道/无名管道（2）信号（3）共享内存（4）消息队列（5）信号量（6）socket

线程通讯（锁）：

（1）信号量（2）读写锁（3）条件变量（4）互斥锁（5）自旋锁

线程可以独立运行吗？一个线程崩溃会导致整个进程崩溃吗？

线程不能独立运行，但一个线程崩溃不一定导致整个进程崩溃。

（1）线程属于进程，线程的运行需要依赖进程的地址空间和系统资源。

（2）线程崩溃的本质就是内存出错，若出错的内存没有被其他线程访问，则不会导致其他线程出错，也就不会导致进程崩溃。

不同线程之间不共享的内容？

​ 栈、寄存器、阻塞信号掩码、线程号。

Linux进程状态

五种基本状态：创建、运行、就绪、阻塞、终止

• 创建状态：一个应用程序从系统上启动，首先就是进入创建状态，需要获取系统资源创建进程管理块（PCB：Process Control Block）完成资源分配。
• 就绪状态：在创建状态完成之后，进程已经准备好，但是还未获得处理器资源，无法运行。
• 运行状态：获取处理器资源，被系统调度，开始进入运行状态。如果进程的时间片用完了就进入就绪状态。
• 阻塞状态：在运行状态期间，如果进行了阻塞的操作，如耗时的I/O操作，此时进程暂时无法操作就进入到了阻塞状态，在这些操作完成后就进入就绪状态。
• 终止状态：进程结束或者被系统终止，进入终止状态

select、poll 和epoll的区别

• select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。

• select的时间复杂度O(n)。select采用无差别轮询所有流的方式，找出事件发生的流。最大只能支持1024个文件描述符，每次使用都需要把文件描述符集合从用户态拷贝到内核态，且内核需要遍历所有的fd，这在fd很多的时候会造成大的开销。

• poll 和select 本质没有区别，但是它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的

• epoll的时间复杂度O(1)。epoll没有了文件描述符的限制，使用一个文件描述符管理多个描述符。只在注册的时候拷贝没有添加的文件描述符到红黑树上，使用回调函数来返回数据，效率大大提高。

join和detach的区别？

​ join在当前线程调用join的话，该线程会等待子线程运行结束再继续向下运行。

​ 而detach则是让子线程在后台运行。一般如果子线程和当前线程的一些资源的话，那么该线程就需要使用join来等待子线程使用完自己再向下执行，否则当前线程执行完把资源释放掉就会出错。

fork()和vfork()的作用以及区别

fork()和vfork()都是创建一个进程

• fork()子进程拷贝父进程所有资源，只有pid和ppid不一样；（实际是写时拷贝：平时是只读共享，当写入时才会拷贝）
• vfork()出来的子进程会共享父进程的代码段和数据段，但是子进程会拥有自己的堆栈，而父进程会暂时被挂起，直到子进程调用exec()或者exit()函数才会恢复
• fork()父子进程的执行次序不确定；vfork()保证子进程先运行，在调用exec()或者exit()函数才运行父进程
• clone：选择性的和父进程共享一部分东西。

子进程从父进程继承的资源有哪些？

子进程继承父进程的绝大部分资源，包括堆栈、内存、用户号和组号、打开的文件描述符、当前工作目录、根目录。

子进程独有进程号、不同的父进程号、自己的文件描述符。

cpu处理器的三种活动情况

1. 运行用户空间，执行用户进程。（如：常规的用户态程序）
2. 运行内核空间，处于进程上下文，代表某个特定的进程执行。进程通过进程上下文和内核关联，可以睡眠，可以进行调度（如：用户态程序进行系统调用）
3. 运行内核空间，处于中断上下文，和任何一个进程都无关，处理特定的中断。中断上下文和进程无关，没有后备进程，不能睡眠。因为睡眠系统会进行调度，用后备进程代替当前进程（如：中断服务程序，cpu空闲的空进程）