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操作系统 · 面试清单

面试权重：★★★★☆　校招必考；社招多作为「系统设计 / 线上排查」的追问出现。

一、进程、线程与协程

术语	一句话释义
进程 Process	资源分配的基本单位，有独立虚拟地址空间、文件描述符表
线程 Thread	CPU 调度的基本单位，同进程内共享地址空间与 fd，只私有栈、寄存器、PC
协程 Coroutine	用户态调度的轻量任务，切换不陷入内核、开销约百纳秒级，适合高并发 IO
进程切换 vs 线程切换	进程切换要换页表并刷新 TLB，比同进程内线程切换贵得多
上下文切换 Context Switch	保存/恢复寄存器、栈指针、PC；真实开销主要来自缓存与 TLB 失效
PCB（进程控制块）	内核里描述进程的结构体，进程存在的唯一标志
进程五态	新建 → 就绪 → 运行 → 阻塞 → 终止；阻塞不能直接转运行，必须回就绪
僵尸进程 Zombie	子进程已退出但父进程没 `wait()`，占着 PCB；处理办法是父进程回收或 `SIGCHLD` 处理
孤儿进程 Orphan	父进程先退出，被 init/PID 1 收养，由它负责回收
守护进程 Daemon	脱离控制终端、在后台长期运行；`setsid()` 新建会话
用户态 / 内核态	特权级划分；访问硬件、改页表必须经系统调用陷入内核
系统调用 System Call	用户态请求内核服务的唯一入口，开销远大于函数调用
中断 / 异常 / 陷阱	中断来自外部异步事件；异常来自指令执行出错；陷阱是主动陷入（如系统调用）

二、CPU 调度

术语	一句话释义
抢占式 vs 非抢占式	抢占是时间片到或更高优先级到来就换人；非抢占必须等进程主动让出
FCFS	先来先服务，实现简单，长作业会拖垮后面（护航效应）
SJF / SRTF	最短作业（剩余时间）优先，平均周转时间最优，但需预知运行时间且会饿死长作业
HRRN	高响应比优先，响应比 =（等待+服务）/服务，兼顾等待时间与执行时间
时间片轮转 RR	按时间片轮流占用 CPU，时间片过大退化成 FCFS，过小则切换开销占比高
多级反馈队列 MLFQ	多队列 + 动态升降级，优先级高的队列时间片短；通用性最好，Linux/Windows 都在用
优先级反转	低优先级进程持锁，被中优先级抢走 CPU，导致高优先级进程长期等待；解法是优先级继承或优先级天花板
CFS（Linux 完全公平调度）	用 `vruntime` 记录虚拟运行时间，总是挑 vruntime 最小的任务跑，靠红黑树组织
nice 值	用户可见的静态优先级，-20（最高）~19（最低），权重差约 1.25 倍
CPU 亲和性 Affinity	把进程绑到指定 CPU，减少跨核缓存失效
Load Average	运行中 + 不可中断（D 状态）任务的均值，Linux 下含 IO 等待，所以可能是高负载但 CPU 空闲

三、进程间通信与同步

术语	一句话释义
管道 pipe	匿名、半双工、仅父子等有亲缘关系的进程可用，本质是内核缓冲区
命名管道 FIFO	有文件路径的无亲缘管道，可用于任意进程
消息队列 Message Queue	内核维护的消息链表，有类型边界，可随机读取
共享内存	最快（零拷贝数据），但必须自己配信号量做同步
信号 Signal	异步通知机制，如 `SIGTERM`（可捕获）、`SIGKILL`（不可捕获）
Socket	跨主机通信，本地也可用 Unix Domain Socket，性能优于 TCP 回环
互斥锁 mutex	睡眠等待，适合持锁时间长的临界区，会产生上下文切换
自旋锁 spinlock	忙等不睡眠，适合极短临界区，且不能在单核抢占下乱用；内核里用得多
读写锁	读共享、写独占，适合读多写少
信号量 Semaphore	计数型同步原语；P 申请（可能阻塞）、V 释放
条件变量	必须与互斥锁配合使用，等待前释放锁、唤醒后重新持有；判断条件要用 `while` 而不是 `if`（防虚假唤醒）
CAS	比较并交换，一条原子指令实现无锁（lock-free）编程的基础，需处理 ABA 问题
内存屏障 Barrier	约束编译器与 CPU 的指令重排，保证可见性与顺序性
管程 Monitor	把共享变量与操作封装起来、内置互斥的抽象，Java 的 `synchronized` 是其实现

四、死锁

术语	一句话释义
死锁四个必要条件	互斥、请求与保持、不可剥夺、循环等待，四者同时成立才可能死锁
死锁预防	破坏任一条件，如一次性申请全部资源（破坏请求与保持）、按序申请（破坏循环等待）
死锁避免	运行时判断是否进入不安全状态，代表是银行家算法，成本高、现实少用
死锁检测与恢复	资源分配图找环，可做的是杀进程或回滚；数据库里很常见
鸵鸟策略	不处理，靠重启；大多数通用 OS 的实际选择
活锁 Livelock	进程没阻塞但一直在重试，谁也推进不了；可加随机退避破解
饥饿 Starvation	某进程长期拿不到资源（如低优先级总被抢），而系统整体仍在推进
死锁 vs 饥饿	死锁是循环等待谁都不动；饥饿是别人一直在动、自己被跳过

五、内存管理

术语	一句话释义
连续分配	首次适应 / 最佳适应 / 最坏适应，核心是找空闲分区，都会产生外部碎片
内部碎片	分配出去的块比请求的大，浪费在块内部（分页的最后一页）
外部碎片	空闲块分散且太小，总量够但拼不出连续空间（分段、伙伴系统）
分页 Paging	把地址空间切成固定大小页（常见 4KB），页表做映射；有内部碎片、无外部碎片
分段 Segmentation	按逻辑单位（代码段、数据段）划分，便于共享与保护，会产生外部碎片
段页式	先分段再分页，兼顾逻辑性与内存利用率，x86 传统模式即此
页表 Page Table	虚拟页号 → 物理页框号的映射表，进程级私有
多级页表	分级按需分配，省内存；代价是一次访问要多级访存
TLB（快表）	页表项的硬件缓存，命中则免访存；`mmap` 大页可减少 TLB miss
大页 HugePage	2MB/1GB 页，显著减少页表项与 TLB miss，数据库与 JVM 常用
交换 Swapping	把整个进程换出到磁盘；与「页面置换」是不同粒度

六、虚拟内存与页面置换

术语	一句话释义
虚拟内存	每个进程看到独立连续地址空间，由 MMU 翻译成物理地址，实现隔离与超配
局部性原理	时间局部性（刚访问的还会访问）+ 空间局部性（邻近地址会被访问），是虚拟内存成立的前提
缺页中断 Page Fault	访问的页不在内存，陷入内核从磁盘装入；分「主缺页」与「次缺页」
按需调页 Demand Paging	只在真正访问时才载入页面，启动快、内存省
OPT（最优置换）	淘汰未来最久不用的页，理论最优但不可实现，只作基准
FIFO	淘汰最早进入的页，实现最简单，可能命中率随内存增大反而下降
Belady 异常	增加物理页框反而缺页更多，FIFO 独有，LRU/OPT 不会有
LRU	淘汰最久未使用的页，效果好但纯实现成本高，实际用 Clock/二次机会近似
抖动 Thrashing	内存不足导致频繁换页，CPU 利用率反而暴跌
工作集 Working Set	某时间窗口内进程实际访问的页集合，是分配页框的依据
写时复制 COW	`fork` 后父子共享物理页，谁写谁复制，避免立即整页拷贝
mmap	文件或匿名内存映射到地址空间，读写走页缓存
OOM Killer	内存耗尽时内核按评分杀进程；`overcommit` 允许分配超过物理内存
内存回收与 LRU 链	内核维护 active/inactive 链表，回收的其实是文件页与匿名页的冷数据

七、文件系统与磁盘

术语	一句话释义
文件描述符 fd	进程级非负整数，指向内核打开文件表项，`0/1/2` 分别是标准输入/输出/错误
inode	存放文件元数据与数据块指针，与文件名解耦；一个 inode 可有多个名字
目录项 dentry	名字到 inode 的映射，构成目录树
硬链接 vs 软链接	硬链接共享同一 inode、不能跨文件系统、删源文件仍有效；软链接是独立文件存路径，可跨分区、源删即失效
VFS	虚拟文件系统，为 ext4/NFS/tmpfs 等提供统一接口
日志式文件系统	先写日志再改metadata，崩溃后可重放，ext4/XFS 都属此类
页缓存 Page Cache	内核对文件内容的缓存，读写默认走它；`dd oflag=direct` 可绕过
缓冲区 vs 页缓存	历史上缓冲块设备、页缓存文件内容，现代内核已合并
RAID 0/1/5/10	0 条带无冗余、1 镜像、5 单校验（允许坏 1 块）、10 镜像+条带，性能与安全折中
块设备 vs 字符设备	块设备可随机访问、有缓存；字符设备按字节流、无缓存（如终端）
机械盘延迟构成	寻道时间 + 旋转延迟 + 传输时间；所以随机 IO 远慢于顺序 IO
SSD 与 TRIM	有擦除块限制，需 TRIM/GC 维持写性能，随机读性能远优于机械盘

八、IO 模型与性能

术语	一句话释义
阻塞 IO	调用后线程睡到数据就绪并拷贝完成，简单但一连接一线程
非阻塞 IO	立即返回，需轮询，浪费 CPU
IO 多路复用	用一个线程监听多个 fd，就绪后再读；主流方案
信号驱动 IO	内核就绪时发信号通知，实际用得少
异步 IO（AIO / io_uring）	提交后完全由内核完成并回调，调用方全程不阻塞；Linux 上是 io_uring
select	有 fd 数量上限（FD_SETSIZE 1024），每次调用要全量拷入拷出，O(n) 扫描
poll	去掉数量上限，仍是 O(n) 遍历
epoll	内核红黑树管理 fd + 就绪链表回调，只返回就绪项，O(1) 取事件，适合大量连接
epoll LT / ET	LT 未处理完会持续通知，写起来简单；ET 只在状态变化时通知一次，必须配合非阻塞 + 循环读到 `EAGAIN`
Reactor 模式	主线程只负责事件分发，业务线程池处理，Netty/Redis 都是这个套路
Proactor 模式	由内核完成读写后回调，需要真正的异步 IO 支持
零拷贝 Zero-Copy	消灭用户态与内核态之间的冗余拷贝。`sendfile` 让数据不进用户态，做文件传输最有效
mmap + write	少一次拷贝，但仍有系统调用与页表开销，适合随机访问大文件
splice	管道间零拷贝转发，用于代理场景
DMA	设备直接读写内存，CPU 只做配置，避免 PIO 占用 CPU
C10K / C10M 问题	单机支撑万级/百万级并发连接的经典命题，答案就是 epoll + 非阻塞 + 多路复用

参考资料

小林coding《操作系统面试题》：https://www.xiaolincoding.com/interview/os.html
面试鸭操作系统题库：https://www.mianshiya.com/bank/1790684063773007874
《深入理解计算机系统》（CSAPP）、《现代操作系统》