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Linux操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識
Linux就是一個操作系統(tǒng)，它可以管理整個計算機(jī)硬件，并且可以接收我們的指令，來指揮硬件完成相應(yīng)的任務(wù)，并把結(jié)果反饋給我們。Linux操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識你了解多少呢? 下面是相關(guān)的知識，歡迎閱讀。
Linux操作系統(tǒng)概述
Q1.什么是GNU?Linux與GNU有什么關(guān)系?
A：
1)GNU是GNU is Not Unix的遞歸縮寫，是自由軟件基金會(Free Software Foundation，F(xiàn)SF)的一個項目，該項目已經(jīng)開發(fā)了許多高質(zhì)量的編程工具，包括emacs編輯器、著名的GNU C和C++編譯器(gcc和g++);
2)Linux的開發(fā)使用了許多GNU工具，Linux系統(tǒng)上用于實現(xiàn)POSIX.2標(biāo)準(zhǔn)的工具幾乎都是由GNU項目開發(fā)的;Linux內(nèi)核、GNU工具以及其它一些自由軟件組成了人們常說的Linux系統(tǒng)或Linux發(fā)布版。
Q2.Linux系統(tǒng)由哪幾部分組成?Linux內(nèi)核處于什么位置?
A：
1)Linux系統(tǒng)由四個部分組成：用戶進(jìn)程，系統(tǒng)調(diào)用接口、Linux內(nèi)核子系統(tǒng)和硬件;
2)Linux內(nèi)核處于用戶進(jìn)程和硬件之間，包括系統(tǒng)調(diào)用接口和Linux內(nèi)核子系統(tǒng)。
Q3.Linux內(nèi)核由哪幾部分組成?各個子系統(tǒng)的主要功能是什么?
A：
(1)Linux內(nèi)核除系統(tǒng)調(diào)用外，由五個主要的子系統(tǒng)組成：進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)程間通信(IPC);
(2)各個子系統(tǒng)的主要功能為：
1)進(jìn)程調(diào)度：它控制著進(jìn)程對CPU的訪問，當(dāng)需要選擇一個進(jìn)程開始運行時，由調(diào)度程序選擇最應(yīng)該運行的進(jìn)程;
2)內(nèi)存管理：它允許多個進(jìn)程安全地共享主內(nèi)存區(qū)域，支持虛擬內(nèi)存;從邏輯上可以分為硬件無關(guān)的部分和硬件相關(guān)的部分;
3)虛擬文件系統(tǒng)(VFS)：它隱藏了各種不同硬件的具體細(xì)節(jié)，為所有設(shè)備提供統(tǒng)一的接口，支持多達(dá)數(shù)十種不同的文件系統(tǒng)，分為邏輯文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動程序;
4)網(wǎng)絡(luò)：它提供了對各種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的存取和各種網(wǎng)絡(luò)硬件的支持，分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序兩部分;
5)進(jìn)程間通信：支持進(jìn)程間各種通信機(jī)制，包括共享內(nèi)存、消息隊列和管道等。
內(nèi)存尋址
Q1.什么是物理地址?什么是虛地址?什么是線性地址?
A：
1)將主板上的物理內(nèi)存條所提供的內(nèi)存空間定義為物理內(nèi)存空間，其中每個內(nèi)存單元的實際地址就是物理地址;
2)將應(yīng)用程序員看到的內(nèi)存空間定義為虛擬地址空間(或地址空間)，其中的地址就叫做虛擬地址(或虛地址)，一般用“段:偏移量”的形式來描述，如A815:CF2D;
3)線性地址空間是指一段連續(xù)的、不分段的、范圍為0~4GB的地址空間，一個線性地址就是線性地址空間的一個絕對地址。
Q2.在保護(hù)模式下，MMU如何把一個虛地址轉(zhuǎn)換為物理地址?
A：
在保護(hù)模式下，內(nèi)存管理單元(MMU)由一個或一組芯片組成，其功能是指虛擬地址映射為物理地址，即進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換;MMU是一種硬件電路，它包含分段部件和分頁部件兩個部件，分別叫做分段機(jī)制和分頁機(jī)制，分段機(jī)制是把一個虛擬地址轉(zhuǎn)換為線性地址，分頁機(jī)制是把一個線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址。
Q3.為什么對32位線性地址空間要采用兩級頁表?
A：
頁表是把線性地址映射到物理地址的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，4GB的線性空間可以被劃分為1M個4KB大小的頁，每個頁表項占4字節(jié)，則1M個頁表項的頁表就需要占用4MB空間，而且還要求是連續(xù)的，于是采用兩級頁表來實現(xiàn);兩級頁表就是對頁表再進(jìn)行分頁，第一級稱為頁目錄，其中存放關(guān)于頁表的信息;4MB的頁表再次分頁，可以分為1K個4KB大小的頁。
Q4.頁面高速緩存的作用是什么?Linux為什么主要采用分頁機(jī)制來實現(xiàn)虛擬存儲管理?它為什么采用三級分頁模式而不是兩級?
A：
(1)頁面高速緩存自動保留處理器最近使用的32項頁表項，因此可以覆蓋128KB范圍的內(nèi)存;
(2)Linux主要采用分頁機(jī)制來實現(xiàn)虛擬存儲器管理，原因為：
1)Linux的分段機(jī)制使得所有的進(jìn)程都使用相同的段寄存器，這使得內(nèi)存管理變得簡單;
2)Linux的設(shè)計目標(biāo)之一就是能夠被移植到絕大多數(shù)流行的處理平臺上，但許多RISC處理器支持的分段功能非常有限;為了保證可移植性，Linux采用三級分頁模式，因為許多處理器都采用64位結(jié)構(gòu);Linux定義了三種類型的頁表：頁目錄(PGD)、中間目錄(PMD)和頁表(PT)。
進(jìn)程
Q1.程序與進(jìn)程的概念分別是什么?為什么要引入“進(jìn)程”的概念?
A：
1)程序是一個普通文件，是機(jī)器代碼指令和數(shù)據(jù)的集合，這些指令和數(shù)據(jù)存儲在磁盤上的一個可執(zhí)行映像中，可執(zhí)行映像(executable image)就是一個可執(zhí)行文件的內(nèi)容;
2)進(jìn)程代表程序的執(zhí)行過程，它是一個動態(tài)的實體，隨著程序中指令的執(zhí)行而不斷地變化，在某個時刻進(jìn)程的內(nèi)容被稱為進(jìn)程映像(process image);
3)程序的執(zhí)行過程可以說是一個執(zhí)行環(huán)境的總和，這個執(zhí)行環(huán)境除了包括程序中各種指令和數(shù)據(jù)外，還有一些額外數(shù)據(jù);而執(zhí)行環(huán)境的動態(tài)變化體現(xiàn)了程序的運行，為了對動態(tài)變化的過程進(jìn)行描述，就引入了“進(jìn)程”概念。
Q2.什么是進(jìn)程控制塊?它包含哪些基本信息?
A：
1)Linux中把對進(jìn)程的描述結(jié)構(gòu)叫做task_struct，將這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱作進(jìn)程控制塊(PCB);
2)PCB是一個其域多達(dá)80多項的相當(dāng)龐大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，按其功能將所有域劃分為：狀態(tài)信息，鏈接信息、各種標(biāo)識符、進(jìn)程間通信信息、時間和定時器信息、調(diào)度信息、文件系統(tǒng)信息、虛擬內(nèi)存信息和處理器環(huán)境信息。
Q3.Linux內(nèi)核的狀態(tài)有哪些?
A：
1)Linux最基本的進(jìn)程狀態(tài)有三種：運行態(tài)、就緒態(tài)和阻塞態(tài)(或等待態(tài));這三種狀態(tài)之間有四種可能的轉(zhuǎn)換關(guān)系：運行態(tài)->阻塞態(tài)、運行態(tài)->就緒態(tài)、就緒態(tài)->運行態(tài)和阻塞態(tài)->就緒態(tài);
2)為了管理上的方便，將就緒態(tài)和運行態(tài)合并為一個狀態(tài)—可運行態(tài)，再包括其它方面的一些改變，將進(jìn)程狀態(tài)劃分為：可運行態(tài)、睡眠(或等待)態(tài)(分為深度睡眠態(tài)和淺度睡眠態(tài))、暫停狀態(tài)和僵死狀態(tài)。
Q4.PCB的組織方式有哪幾種?
A：
PCB的組織方式有：進(jìn)程鏈表、散列表、可運行隊列和等待隊列。
Q5.主要的調(diào)度算法包括哪些?一個好的調(diào)度算法要考慮哪些方面?
A：
1)主要的調(diào)度算法包括：時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法、優(yōu)先級調(diào)度算法(非搶占式優(yōu)先級算法和搶占式優(yōu)先級算法)、多級反饋隊列調(diào)度算法和實時調(diào)度算法;
2)一個好的調(diào)度算法應(yīng)該考慮五個方面：公平、高效、響應(yīng)時間、周轉(zhuǎn)時間和吞吐量。
內(nèi)存管理
Q1.為什么把進(jìn)程的地址空間劃分為“內(nèi)核空間”和“用戶空間”?
A：
Linux的虛擬地址空間的大小為4GB，內(nèi)核將這4GB的空間分為兩部分，較高的1GB(虛地址0xC0000000到0xFFFFFFFF)供內(nèi)核使用，稱為“內(nèi)核空間”;而較低的3GB(虛地址0x00000000到0xBFFFFFFF)供各個進(jìn)程使用，稱為“用戶空間”;因為每個進(jìn)程可以通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核，因此，內(nèi)核空間由系統(tǒng)內(nèi)的所有進(jìn)程共享;于是，從具體進(jìn)程的角度來看，每個進(jìn)程都可以擁有4GB的虛擬地址空間(也叫做虛擬內(nèi)存)。
Q2.Linux是如何實現(xiàn)“請求調(diào)頁”的?
A：
1)如果被訪問的頁不在內(nèi)存，也就是說，這個頁還沒有被存放在任何一個物理頁面中，那么，內(nèi)核分配一個新的頁面并將其適當(dāng)?shù)爻跏蓟@種技術(shù)稱為“請求調(diào)頁”;
2)“請求調(diào)頁”是一種動態(tài)內(nèi)存分配技術(shù)，它將頁面的分配推遲到不能再推遲為止，也就是說，一直推遲到進(jìn)程要訪問的頁不在物理內(nèi)存時為止，由此引起一個缺頁異常;該技術(shù)的引入主要是因為進(jìn)程開始運行時并不訪問其地址空間中的全部地址。
中斷和異常
Q1.什么是中斷?什么是異常?二者有何不同?
A：
1)中斷控制是為克服對I/O接口采用程序查詢控制服務(wù)方式所帶來的處理器低效率而產(chǎn)生的，它的主要優(yōu)點是只有在I/O接口需要服務(wù)時才能得到處理器的響應(yīng)，而不需要處理器不斷地進(jìn)行查詢;因此，最初的中斷全部是對外部設(shè)備而言的，稱為外部中斷(或硬件中斷);
2)異常也叫做內(nèi)部中斷，它是為解決機(jī)器運行時所出現(xiàn)的某些隨機(jī)事件及編程的方便而出現(xiàn)的;
3)中斷分為外部可屏蔽中斷(INTR)和外部非屏蔽中斷(NMI)，所有I/O設(shè)備產(chǎn)生的中斷請求(IRQ)均引起可屏蔽中斷，而緊急事件(如硬件故障)引起的故障則產(chǎn)生非屏蔽中斷;
4)異常又分為故障(fault)和陷阱(trap)，它們的共同特點是既不使用中斷控制器，又不能被屏蔽(異常其實是CPU發(fā)出的終端信號)。
Q2.什么是中斷向量?Linux是如何分配中斷向量的?
A：
(1)為使處理器可以容易地識別每種中斷源，將256種向量中斷從0到255進(jìn)行編號，即賦以一個中斷類型碼n，把這個8位的無符號整數(shù)叫做向量，即中斷向量;
(2)Linux對256個中斷向量的分配如下：
1)編號為0~31的向量對應(yīng)于異常和非屏蔽中斷;
2)編號為32~47的向量(即由I/O設(shè)備引起的中斷)分配給可屏蔽中斷;
3)剩余的、編號為48~255的向量用來標(biāo)識軟中斷;Linux只用其中的一個(即128或0x80向量)來實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。
Q3.什么是中斷描述符表?什么是門描述符?
A：
1)在實地址模式下，CPU將內(nèi)存中從0開始的1KB空間作為一個中斷向量表，表中每個表項占4個字節(jié);但在保護(hù)模式，由4個字節(jié)的表項構(gòu)成的中斷向量表滿足不了要求;因此在保護(hù)模式下，中斷向量表中的表項由8個字節(jié)組成，中斷向量表也改稱為中斷描述符表(IDT);
2)IDT中的每個表項叫做一個門描述符(gate descriptor)。
Q4.門描述符有哪些類型?它們有什么不同?
A：
門描述符中類型碼占3位，表示門描述符的類型，主要分為以下幾類：
1)中斷門(interrupt gate)：其類型碼為110，包含了一個中斷或異常處理程序所在段的選擇符和段內(nèi)偏移量;
2)陷阱門(trap gate)：其類型碼為111;
3)系統(tǒng)門(system gate)：是Linux內(nèi)核特別設(shè)置的，用來讓用戶態(tài)的進(jìn)程訪問陷阱門。
系統(tǒng)調(diào)用
Q1.什么是系統(tǒng)調(diào)用?為什么要引入系統(tǒng)調(diào)用?
A：
(1)操作系統(tǒng)為用戶態(tài)的進(jìn)程與硬件設(shè)備(如CPU、磁盤和打印機(jī)等)之間的交互提供了一組接口，這些接口使得程序更具有可移植性，因為不同的操作系統(tǒng)只要所提供的一組接口相同，那么在這些操作系統(tǒng)之上就可以正確地編譯和執(zhí)行相同的程序，這組接口就是所謂的“系統(tǒng)調(diào)用”;
(2)引入系統(tǒng)調(diào)用的原因有：
1)這使得編程更加容易;
2)這極大地提高了系統(tǒng)的安全性;
3)最重要的一點，這些接口使得操作系統(tǒng)更具有可移植性。
內(nèi)核中的同步
Q1.什么是臨界區(qū)?什么是競爭狀態(tài)?什么是同步?
A：
1)臨界區(qū)(critical regions)就是訪問和操作共享數(shù)據(jù)的代碼段，多個內(nèi)核任務(wù)并發(fā)訪問同一個資源通常是不安全的;
2)如果兩個內(nèi)核任務(wù)可能處于同一個臨界區(qū)，就是一種錯誤現(xiàn)象;如果確實發(fā)生了這種情況，就稱它為競爭狀態(tài);
3)避免并發(fā)和防止競爭狀態(tài)稱為同步(synchronization)。
Q2.簡要介紹一下死鎖及避免死鎖的方法。
A：
死鎖包括自死鎖和ABBA死鎖，
1)產(chǎn)生死鎖有四個原因：互斥使用、不可搶占、請求和保持，以及循環(huán)等待;
2)避免死鎖的方法有：破壞“不可剝奪”條件、破壞“請求和保持”條件、破壞“循環(huán)等待”條件。
Q3.內(nèi)核中造成并發(fā)執(zhí)行的原因是什么?
A：
“并發(fā)”分為“偽并發(fā)”和“真并發(fā)”兩種，內(nèi)核中造成并發(fā)執(zhí)行的原因有以下幾種：
1)中斷：它可能隨時打斷當(dāng)前正在執(zhí)行的代碼;
2)內(nèi)核搶占：內(nèi)核中的任務(wù)可能會被另一個任務(wù)搶占;
3)睡眠及其與用戶空間的同步：在內(nèi)核執(zhí)行的進(jìn)程可能會睡眠，這就會喚醒調(diào)度程序，調(diào)度一個新的用戶進(jìn)程執(zhí)行;
4)對稱多處理：兩個或多個處理器可以同時執(zhí)行代碼。
Q4.給出信號量的定義，并說明down()和up()的含義。
A：
1)Linux中的信號量是一種睡眠鎖，它是1968年由Dijkstra提出的，如果一個任務(wù)試圖獲得一個已被持有的信號量，信號量會將其推入等待隊列，然后讓其睡眠;當(dāng)持有信號量的進(jìn)程將信號量釋放后，在等待隊列中的一個任務(wù)將被喚醒，從而可以獲得這個信號量;
2)信號量支持兩個原子操作P()和V()，前者叫做測試操作，后者叫做增加操作;后來的系統(tǒng)把這兩種操作分別叫做down()和up();
3)down()操作通過對信號量計數(shù)減1來請求獲得一個信號量;up()操作用來釋放信號量，該操作也被稱作“提升”(upping)信號量，因為它會增加信號量的計數(shù)值。
文件系統(tǒng)
Q1.Linux目錄樹結(jié)構(gòu)是怎樣的?它與Windows的目錄樹結(jié)構(gòu)有什么區(qū)別?為什么Linux的文件系統(tǒng)采用固定的目錄形式?
A：
文件是一個抽象的概念，它是存放一切數(shù)據(jù)或信息的倉庫;
1)Linux的目錄樹結(jié)構(gòu)為：根目錄(/)在上，其它的平行在下;
2)Windows操作系統(tǒng)也是采用樹型結(jié)構(gòu)，但其樹型結(jié)構(gòu)的根是磁盤分區(qū)的盤符，有幾個分區(qū)就有幾個樹型結(jié)構(gòu)，它們之間的關(guān)系式并列的;而在Linux中，無論操作系統(tǒng)管理幾個磁盤分區(qū)，這樣的目錄樹只有一個;
3)這樣做的原因是：Linux是一個多用戶系統(tǒng)，制定這樣一個固定的目錄規(guī)劃有助于對系統(tǒng)文件和不同的用戶文件進(jìn)行統(tǒng)一管理;
4)Linux中的文件類型包括：常規(guī)文件、目錄文件、設(shè)備文件、管道文件和鏈接文件。
Q2.什么是虛擬文件系統(tǒng)?什么是虛擬文件系統(tǒng)界面?
A：
1)將各種不同文件系統(tǒng)的操作和管理納入到一個統(tǒng)一的框架中，使得用戶程序可以通過同一個文件系統(tǒng)界面，也就是同一組系統(tǒng)調(diào)用，對各種不同的文件系統(tǒng)以及文件進(jìn)行操作;用戶程序可以不關(guān)心不同文件系統(tǒng)的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，而使用系統(tǒng)提供的統(tǒng)一、抽象、虛擬的文件系統(tǒng)界面;這種統(tǒng)一的框架就是所謂的虛擬文件系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，一般簡稱虛擬文件系統(tǒng)(VFS);
2)VFS的對象類型包括：超級塊(superblock)對象、索引節(jié)點(inode)對象、目錄項(dentry)對象和文件(file)對象;
3)虛擬文件系統(tǒng)界面是虛擬文件系統(tǒng)所提供的抽象界面，它主要由一組標(biāo)準(zhǔn)的、抽象的操作構(gòu)成，這些函數(shù)(操作)以系統(tǒng)調(diào)用的形式供用戶調(diào)用。
設(shè)備驅(qū)動
Q1.為什么把設(shè)備分為“塊設(shè)備”和“字符設(shè)備”兩大類?
A：
1)Linux將設(shè)備看成文件，具有三方面的含義：第一，每個設(shè)備都對應(yīng)一個文件名，在內(nèi)核中也就對應(yīng)一個索引節(jié)點;第二，對文件操作的系統(tǒng)調(diào)用大都適用于設(shè)備文件;第三，從應(yīng)用程序的角度看，設(shè)備文件的邏輯空間是一個線性空間;對于同一個具體的設(shè)備而言，文件操作和設(shè)備驅(qū)動是同一個事物的不同層次，概念上可以將一個系統(tǒng)劃分為應(yīng)用、文件系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動三個層次;
2)Linux將設(shè)備分為兩大類，一類是像磁盤那樣的以塊或扇區(qū)為單位、成塊進(jìn)行輸入/輸出的設(shè)備，稱為塊設(shè)備;另一類是像鍵盤那樣以字符(字節(jié))為單位，逐個字符進(jìn)行輸入/輸出的設(shè)備，稱為字符設(shè)備;文件系統(tǒng)通常都建立在塊設(shè)備上。
Q2.什么是設(shè)備驅(qū)動程序?
A：
Linux中處理和管理硬件控制器的軟件就是設(shè)備驅(qū)動程序。
Q3.I/O端口一般包括哪些寄存器?各自功能是什么?
A：
1)I/O端口包括控制寄存器、狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器三大類;
2)根據(jù)訪問外設(shè)寄存器的不同方式，將CPU分為兩大類：一類是“內(nèi)存映射”(memory-mapped)方式，另一類是“I/O映射”(I/O- mapped)方式。
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