操作系统

Q：什么是操作系统？

1. 操作系统（Operating System，简称 OS）是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机的基石。

2. 操作系统本质上是一个运行在计算机上的软件程序 ，用于管理计算机硬件和软件资源。

3. 操作系统存在屏蔽了硬件层的复杂性。

4. 操作系统的内核（Kernel）是操作系统的核心部分，它负责系统的内存管理，硬件设备的管理，文件系统的管理以及应用程序的管理。

   内核是连接应用程序和硬件的桥梁，决定着系统的性能和稳定性。

中央处理器CPU

1. CPU 是一台计算机的运算核心（Core）+控制核心（ Control Unit），可以称得上是计算机的大脑。

2. CPU 主要包括两个部分：控制器+运算器。

3. CPU 的根本任务就是执行指令，对计算机来说最终都是一串由“0”和“1”组成的序列。

进程在系统上的运行分为两个级别：

1. 用户态(user mode) : 用户态运行的进程可以直接读取用户程序的数据。

2. 系统态(kernel mode):可以简单的理解系统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。

系统调用按功能大致可分为如下几类：

• 设备管理。完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能。

• 文件管理。完成文件的读、写、创建及删除等功能。

• 进程控制。完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能。

• 进程通信。完成进程之间的消息传递或信号传递等功能。

• 内存管理。完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及地址等功能。

进程和线程

一个进程中可以有多个线程，多个线程共享进程的堆和方法区 (JDK1.8 之后的元空间)资源，但是每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈 和 本地方法栈。

线程和进程最大的不同在于基本上各进程是独立的，而各线程则不一定，因为同一进程中的线程极有可能会相互影响。线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。

进程间的通信方式

大概有 7 种常见的进程间的通信方式：

1. 管道/匿名管道(Pipes) ：用于具有亲缘关系的父子进程间或者兄弟进程之间的通信。

2. 有名管道(Names Pipes) : 匿名管道由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信。为了克服这个缺点，提出了有名管道。有名管道严格遵循先进先出(first in first out)。有名管道以磁盘文件的方式存在，可以实现本机任意两个进程通信。

3. 信号(Signal) ：信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生；

4. 消息队列(Message Queuing) ：消息队列是消息的链表,具有特定的格式,存放在内存中并由消息队列标识符标识。管道和消息队列的通信数据都是先进先出的原则。与管道（无名管道：只存在于内存中的文件；命名管道：存在于实际的磁盘介质或者文件系统）不同的是消息队列存放在内核中，只有在内核重启(即，操作系统重启)或者显式地删除一个消息队列时，该消息队列才会被真正的删除。消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取.比 FIFO 更有优势。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字 节流以及缓冲区大小受限等缺点。

5. 信号量(Semaphores) ：信号量是一个计数器，用于多进程对共享数据的访问，信号量的意图在于进程间同步。这种通信方式主要用于解决与同步相关的问题并避免竞争条件。

6. 共享内存(Shared memory) ：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的更新。这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等。可以说这是最有用的进程间通信方式。

7. 套接字(Sockets) : 此方法主要用于在客户端和服务器之间通过网络进行通信。套接字是支持 TCP/IP 的网络通信的基本操作单元，可以看做是不同主机之间的进程进行双向通信的端点，简单的说就是通信的两方的一种约定，用套接字中的相关函数来完成通信过程。

线程间的同步方式

线程同步是两个或多个共享关键资源的线程的并发执行。应该同步线程以避免关键的资源使用冲突。操作系统一般有下面三种线程同步的方式：

1. 互斥量(Mutex)：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。比如 Java 中的 synchronized 关键词和各种 Lock 都是这种机制。

2. 信号量(Semaphore) ：它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量。

3. 事件(Event) :Wait/Notify：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操作。

进程的调度算法

为了确定首先执行哪个进程以及最后执行哪个进程以实现最大 CPU 利用率：

• 先到先服务(FCFS)调度算法 : 从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程为之分配资源，使它立即执行并一直执行到完成或发生某事件而被阻塞放弃占用 CPU 时再重新调度。

• 短作业优先(SJF)的调度算法 : 从就绪队列中选出一个估计运行时间最短的进程为之分配资源，使它立即执行并一直执行到完成或发生某事件而被阻塞放弃占用 CPU 时再重新调度。

• 时间片轮转调度算法 : 时间片轮转调度是一种最古老，最简单，最公平且使用最广的算法，又称 RR(Round robin)调度。每个进程被分配一个时间段，称作它的时间片，即该进程允许运行的时间。

• 多级反馈队列调度算法 ：前面介绍的几种进程调度的算法都有一定的局限性。如短进程优先的调度算法，仅照顾了短进程而忽略了长进程 。多级反馈队列调度算法既能使高优先级的作业得到响应又能使短作业（进程）迅速完成。，因而它是目前被公认的一种较好的进程调度算法，UNIX 操作系统采取的便是这种调度算法。

• 优先级调度 ： 为每个流程分配优先级，首先执行具有最高优先级的进程，依此类推。具有相同优先级的进程以 FCFS 方式执行。可以根据内存要求，时间要求或任何其他资源要求来确定优先级。

内存管理基础

Q：操作系统的内存管理主要是做什么？

A： 操作系统的内存管理主要负责内存的分配与回收（malloc 函数：申请内存，free 函数：释放内存），另外地址转换也就是将逻辑地址转换成相应的物理地址等功能也是操作系统内存管理做的事情。

Q：操作系统的内存管理机制了解吗？内存管理有哪几种方式?

A：简单分为连续分配管理方式和非连续分配管理方式这两种。连续分配管理方式是指为一个用户程序分配一个连续的内存空间，常见的如 块式管理 。同样地，非连续分配管理方式允许一个程序使用的内存分布在离散或者说不相邻的内存中，常见的如页式管理 和 段式管理，页是物理单位，段是逻辑单位。分页可以有效提高内存利用率，分段可以更好满足用户需求。段页式管理机制 。段页式管理机制结合了段式管理和页式管理的优点。简单来说段页式管理机制就是把主存先分成若干段，每个段又分成若干页，也就是说 段页式管理机制 中段与段之间以及段的内部的都是离散的。

Linux基础知识总结

在 Linux 系统中有一个重要的概念：一切都是文件。

Linux目录树

常见目录说明：

• /bin： 存放二进制可执行文件(ls、cat、mkdir 等)，常用命令一般都在这里；

• /etc： 存放系统管理和配置文件；

• /home： 存放所有用户文件的根目录，是用户主目录的基点，比如用户 user 的主目录就是/home/user，可以用~user 表示；

• /usr ： 用于存放系统应用程序；

• /opt： 额外安装的可选应用程序包所放置的位置。一般情况下，我们可以把 tomcat 等都安装到这里；

• /proc： 虚拟文件系统目录，是系统内存的映射。可直接访问这个目录来获取系统信息；

• /root： 超级用户（系统管理员）的主目录（特权阶级）；

• /sbin: 存放二进制可执行文件，只有 root 才能访问。这里存放的是系统管理员使用的系统级别的管理命令和程序。如 ifconfig 等；

• /dev： 用于存放设备文件；

• /mnt： 系统管理员安装临时文件系统的安装点，系统提供这个目录是让用户临时挂载其他的文件系统；

• /boot： 存放用于系统引导时使用的各种文件；

• /lib ： 存放着和系统运行相关的库文件 ；

• /tmp： 用于存放各种临时文件，是公用的临时文件存储点；

• /var： 用于存放运行时需要改变数据的文件，也是某些大文件的溢出区，比方说各种服务的日志文件（系统启动日志等。）等；

• /lost+found： 这个目录平时是空的，系统非正常关机而留下“无家可归”的文件（windows 下叫什么.chk）就在这里。

Linux基本命令

目录切换命令

• cd usr： 切换到该目录下 usr 目录

• cd ..（或cd../）： 切换到上一层目录

• cd /： 切换到系统根目录

• cd ~： 切换到用户主目录

• cd -： 切换到上一个操作所在目录

目录的操作命令(增删改查)

• mkdir 目录名称： 增加目录。

• ls/ll（ll 是 ls -l 的别名，ll 命令可以看到该目录下的所有目录和文件的详细信息）：查看目录信息。

• find 目录 参数： 寻找目录（查）。示例：① 列出当前目录及子目录下所有文件和文件夹: find .；② 在/home目录下查找以.txt 结尾的文件名:find /home -name "*.txt" ,忽略大小写: find /home -iname "*.txt" ；③ 当前目录及子目录下查找所有以.txt 和.pdf 结尾的文件:find . \( -name "*.txt" -o -name "*.pdf" \)或find . -name "*.txt" -o -name "*.pdf"。

• mv 目录名称 新目录名称： 修改目录的名称（改）。注意：mv 的语法不仅可以对目录进行重命名而且也可以对各种文件，压缩包等进行 重命名的操作。mv 命令用来对文件或目录重新命名，或者将文件从一个目录移到另一个目录中。后面会介绍到 mv 命令的另一个用法。

• mv 目录名称 目录的新位置： 移动目录的位置---剪切（改）。注意：mv 语法不仅可以对目录进行剪切操作，对文件和压缩包等都可执行剪切操作。另外 mv 与 cp 的结果不同，mv 好像文件“搬家”，文件个数并未增加。而 cp 对文件进行复制，文件个数增加了。

• cp -r 目录名称 目录拷贝的目标位置： 拷贝目录（改），-r 代表递归拷贝 。注意：cp 命令不仅可以拷贝目录还可以拷贝文件，压缩包等，拷贝文件和压缩包时不 用写-r 递归。

• rm [-rf] 目录 : 删除目录（删）。注意：rm 不仅可以删除目录，也可以删除其他文件或压缩包，为了增强大家的记忆， 无论删除任何目录或文件，都直接使用rm -rf 目录/文件/压缩包。

文件的操作命令(增删改查)

• touch 文件名称: 文件的创建（增）。

• cat/more/less/tail 文件名称 ：文件的查看（查） 。命令 tail -f 文件 可以对某个文件进行动态监控，例如 tomcat 的日志文件， 会随着程序的运行，日志会变化，可以使用 tail -f catalina-2016-11-11.log 监控 文 件的变化 。

• vim 文件： 修改文件的内容（改）。vim 编辑器是 Linux 中的强大组件，是 vi 编辑器的加强版，vim 编辑器的命令和快捷方式有很多，但此处不一一阐述，大家也无需研究的很透彻，使用 vim 编辑修改文件的方式基本会使用就可以了。在实际开发中，使用 vim 编辑器主要作用就是修改配置文件，下面是一般步骤： vim 文件------>进入文件----->命令模式------>按i进入编辑模式----->编辑文件 ------->按Esc进入底行模式----->输入：wq/q! （输入 wq 代表写入内容并退出，即保存；输入 q!代表强制退出不保存）。

• rm -rf 文件： 删除文件（删）。

压缩文件的操作命令

1）打包并压缩文件：

Linux 中的打包文件一般是以.tar 结尾的，压缩的命令一般是以.gz 结尾的。而一般情况下打包和压缩是一起进行的，打包并压缩后的文件的后缀名一般.tar.gz。 命令：tar -zcvf 打包压缩后的文件名 要打包压缩的文件 ，其中：

• z：调用 gzip 压缩命令进行压缩

• c：打包文件

• v：显示运行过程

• f：指定文件名

比如：假如 test 目录下有三个文件分别是：aaa.txt bbb.txt ccc.txt，如果我们要打包 test 目录并指定压缩后的压缩包名称为 test.tar.gz 可以使用命令：tar -zcvf test.tar.gz aaa.txt bbb.txt ccc.txt 或 tar -zcvf test.tar.gz /test/

2）解压压缩包：

命令：tar [-xvf] 压缩文件

其中：x：代表解压

示例：

• 将 /test 下的 test.tar.gz 解压到当前目录下可以使用命令：tar -xvf test.tar.gz

• 将 /test 下的 test.tar.gz 解压到根目录/usr 下:tar -xvf test.tar.gz -C /usr（- C 代表指定解压的位置）

Linux 的权限命令

操作系统中每个文件都拥有特定的权限、所属用户和所属组。权限是操作系统用来限制资源访问的机制，在 Linux 中权限一般分为读(readable)、写(writable)和执行(excutable)，分为三组。分别对应文件的属主(owner)，属组(group)和其他用户(other)，通过这样的机制来限制哪些用户、哪些组可以对特定的文件进行什么样的操作。

通过 ls -l 命令我们可以 查看某个目录下的文件或目录的权限

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文件的类型：

• d： 代表目录

• -： 代表文件

• l： 代表软链接（可以认为是 window 中的快捷方式）

Linux 中权限分为以下几种：

• r：代表权限是可读，r 也可以用数字 4 表示

• w：代表权限是可写，w 也可以用数字 2 表示

• x：代表权限是可执行，x 也可以用数字 1 表示

文件和目录权限的区别：

对文件和目录而言，读写执行表示不同的意义。

对于文件：

权限名称	可执行操作
r	可以使用 cat 查看文件的内容
w	可以修改文件的内容
x	可以将其运行为二进制文件

对于目录：

权限名称	可执行操作
r	可以查看目录下列表
w	可以创建和删除目录下文件
x	可以使用 cd 进入目录

在 linux 中的每个用户必须属于一个组，不能独立于组外。在 linux 中每个文件有所有者、所在组、其它组的概念。

• 所有者(u) ：一般为文件的创建者，谁创建了该文件，就天然的成为该文件的所有者，用 ls ‐ahl 命令可以看到文件的所有者 也可以使用 chown 用户名 文件名来修改文件的所有者 。

• 文件所在组(g) ：当某个用户创建了一个文件后，这个文件的所在组就是该用户所在的组用 ls ‐ahl命令可以看到文件的所有组也可以使用 chgrp 组名 文件名来修改文件所在的组。

• 其它组(o) ：除开文件的所有者和所在组的用户外，系统的其它用户都是文件的其它组。

修改文件/目录的权限的命令：chmod

修改/test 下的 aaa.txt 的权限为文件所有者有全部权限，文件所有者所在的组有读写权限，其他用户只有读的权限。

chmod u=rwx,g=rw,o=r aaa.txt 或者 chmod 764 aaa.txt

Linux用户管理/系统用户组管理

Linux 系统是一个多用户多任务的分时操作系统，任何一个要使用系统资源的用户，都必须首先向系统管理员申请一个账号，然后以这个账号的身份进入系统。

Linux 用户管理相关命令:

• useradd 选项 用户名:添加用户账号

• userdel 选项 用户名:删除用户帐号

• usermod 选项 用户名:修改帐号

• passwd 用户名:更改或创建用户的密码

• passwd -S 用户名 :显示用户账号密码信息

• passwd -d 用户名: 清除用户密码

Linux 系统用户组的管理相关命令:

• groupadd 选项 用户组 :增加一个新的用户组

• groupdel 用户组:要删除一个已有的用户组

• groupmod 选项 用户组 : 修改用户组的属性

其他常用命令

• pwd： 显示当前所在位置

• sudo + 其他命令：以系统管理者的身份执行指令，也就是说，经由 sudo 所执行的指令就好像是 root 亲自执行。

• grep 要搜索的字符串 要搜索的文件 --color： 搜索命令，--color 代表高亮显示

• ps -ef/ps -aux： 这两个命令都是查看当前系统正在运行进程，两者的区别是展示格式不同。如果想要查看特定的进程可以使用这样的格式：ps aux|grep redis （查看包括 redis 字符串的进程），也可使用 pgrep redis -a。

  注意：如果直接用 ps（（Process Status））命令，会显示所有进程的状态，通常结合 grep 命令查看某进程的状态。

• kill -9 进程的pid： 杀死进程（-9 表示强制终止。）

  先用 ps 查找进程，然后用 kill 杀掉

• 网络通信命令：

  • 查看当前系统的网卡信息：ifconfig

  • 查看与某台机器的连接情况：ping

  • 查看当前系统的端口使用：netstat -an

• shutdown： shutdown -h now： 指定现在立即关机；shutdown +5 "System will shutdown after 5 minutes"：指定 5 分钟后关机，同时送出警告信息给登入用户。

• reboot： reboot： 重开机。reboot -w： 做个重开机的模拟（只有纪录并不会真的重开机）。

Linux环境变量

在 Linux 系统中，环境变量是用来定义系统运行环境的一些参数，比如每个用户不同的主目录（HOME）。

环境变量分类

按照作用域来分，环境变量可以简单的分成:

• 用户级别环境变量 : ~/.bashrc、~/.bash_profile。

• 系统级别环境变量 : /etc/bashrc、/etc/environment、/etc/profile、/etc/profile.d。

上述配置文件执行先后顺序为：/etc/enviroment –> /etc/profile –> /etc/profile.d –> ~/.bash_profile –> /etc/bashrc –> ~/.bashrc

如果要修改系统级别环境变量文件，需要管理员具备对该文件的写入权限。

建议用户级别环境变量在 ~/.bash_profile中配置，系统级别环境变量在 /etc/profile.d 中配置。

按照生命周期来分，环境变量可以简单的分成:

• 永久的：需要用户修改相关的配置文件，变量永久生效。

• 临时的：用户利用 export 命令，在当前终端下声明环境变量，关闭 shell 终端失效。

读取环境变量

通过 export 命令可以输出当前系统定义的所有环境变量。

env 命令也可以列出所有环境变量。

echo 命令可以输出指定环境变量的值。

环境变量修改

通过 export命令可以修改指定的环境变量。不过，这种方式修改环境变量仅仅对当前 shell 终端生效，关闭 shell 终端就会失效。修改完成之后，立即生效。

通过 vim 命令修改环境变量配置文件。这种方式修改环境变量永久有效。

vim ~/.bash_profile

如果修改的是系统级别环境变量则对所有用户生效，如果修改的是用户级别环境变量则仅对当前用户生效。

修改完成之后，需要 source 命令让其生效或者关闭 shell 终端重新登录。

source /etc/profile