Linux操作系統概述

Q1.什么是GNU？Linux與GNU有什么關系？

A：

1)GNU是GNU is Not Unix的遞歸縮寫，是自由軟件基金會(Free Software Foundation，FSF)的一個項目，該項目已經開發了許多高質量的編程工具，包括emacs編輯器、著名的GNU C和C++編譯器(gcc和g++)；2)Linux的開發使用了許多GNU工具，Linux系統上用于實現POSIX.2標準的工具幾乎都是由GNU項目開發的；Linux內核、GNU工具以及其它一些自由軟件組成了人們常說的Linux系統或Linux發布版。

Q2.Linux系統由哪幾部分組成？Linux內核處于什么位置？

A：

1)Linux系統由四個部分組成：用戶進程，系統調用接口、Linux內核子系統和硬件；2)Linux內核處于用戶進程和硬件之間，包括系統調用接口和Linux內核子系統。

Q3.Linux內核由哪幾部分組成？各個子系統的主要功能是什么？

A：

(1)Linux內核除系統調用外，由五個主要的子系統組成：進程調度、內存管理、虛擬文件系統、網絡和進程間通信(IPC)；(2)各個子系統的主要功能為：1)進程調度：它控制著進程對CPU的訪問，當需要選擇一個進程開始運行時，由調度程序選擇最應該運行的進程；2)內存管理：它允許多個進程安全地共享主內存區域，支持虛擬內存；從邏輯上可以分為硬件無關的部分和硬件相關的部分；3)虛擬文件系統(VFS)：它隱藏了各種不同硬件的具體細節，為所有設備提供統一的接口，支持多達數十種不同的文件系統，分為邏輯文件系統和設備驅動程序；4)網絡：它提供了對各種網絡標準協議的存取和各種網絡硬件的支持，分為網絡協議和網絡驅動程序兩部分；5)進程間通信：支持進程間各種通信機制，包括共享內存、消息隊列和管道等。

內存尋址

Q1.什么是物理地址？什么是虛地址？什么是線性地址？

A：

1)將主板上的物理內存條所提供的內存空間定義為物理內存空間，其中每個內存單元的實際地址就是物理地址；2)將應用程序員看到的內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.在保護模式下，MMU如何把一個虛地址轉換為物理地址？

A：

在保護模式下，內存管理單元(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，即進行地址轉換；MMU是一種硬件電路，它包含分段部件和分頁部件兩個部件，分別叫做分段機制和分頁機制，分段機制是把一個虛擬地址轉換為線性地址，分頁機制是把一個線性地址轉換為物理地址。

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據結構，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，則1M個頁表項的頁表就需要占用4MB空間，而且還要求是連續的，于是采用兩級頁表來實現；兩級頁表就是對頁表再進行分頁，第一級稱為頁目錄，其中存放關于頁表的信息；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制來實現虛擬存儲管理？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范圍的內存；(2)Linux主要采用分頁機制來實現虛擬存儲器管理，原因為：1)Linux的分段機制使得所有的進程都使用相同的段寄存器，這使得內存管理變得簡單；2)Linux的設計目標之一就是能夠被移植到絕大多數流行的處理平臺上，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位結構；Linux定義了三種類型的頁表：頁目錄(PGD)、中間目錄(PMD)和頁表(PT)。

進程

Q1.程序與進程的概念分別是什么？為什么要引入“進程”的概念？

A：

1)程序是一個普通文件，是機器代碼指令和數據的集合，這些指令和數據存儲在磁盤上的一個可執行映像中，可執行映像(executable image)就是一個可執行文件的內容；2)進程代表程序的執行過程，它是一個動態的實體，隨著程序中指令的執行而不斷地變化，在某個時刻進程的內容被稱為進程映像(process image)；3)程序的執行過程可以說是一個執行環境的總和，這個執行環境除了包括程序中各種指令和數據外，還有一些額外數據；而執行環境的動態變化體現了程序的運行，為了對動態變化的過程進行描述，就引入了“進程”概念。

Q2.什么是進程控制塊？它包含哪些基本信息？

A：

1)Linux中把對進程的描述結構叫做task_struct，將這樣的數據結構稱作進程控制塊(PCB)；2)PCB是一個其域多達80多項的相當龐大的數據結構，按其功能將所有域劃分為：狀態信息，鏈接信息、各種標識符、進程間通信信息、時間和定時器信息、調度信息、文件系統信息、虛擬內存信息和處理器環境信息。

Q3.Linux內核的狀態有哪些？

A：

1)Linux最基本的進程狀態有三種：運行態、就緒態和阻塞態(或等待態)；這三種狀態之間有四種可能的轉換關系：運行態->阻塞態、運行態->就緒態、就緒態->運行態和阻塞態->就緒態；2)為了管理上的方便，將就緒態和運行態合并為一個狀態—可運行態，再包括其它方面的一些改變，將進程狀態劃分為：可運行態、睡眠(或等待)態(分為深度睡眠態和淺度睡眠態)、暫停狀態和僵死狀態。

Q4.PCB的組織方式有哪幾種？

A：

PCB的組織方式有：進程鏈表、散列表、可運行隊列和等待隊列。

Q5.主要的調度算法包括哪些？一個好的調度算法要考慮哪些方面？

A：

1)主要的調度算法包括：時間片輪轉調度算法、優先級調度算法(非搶占式優先級算法和搶占式優先級算法)、多級反饋隊列調度算法和實時調度算法；2)一個好的調度算法應該考慮五個方面：公平、高效、響應時間、周轉時間和吞吐量。

內存管理

Q1.為什么把進程的地址空間劃分為“內核空間”和“用戶空間”？

A：

Linux的虛擬地址空間的大小為4GB，內核將這4GB的空間分為兩部分，較高的1GB(虛地址0xC0000000到0xFFFFFFFF)供內核使用，稱為“內核空間”；而較低的3GB(虛地址0x00000000到0xBFFFFFFF)供各個進程使用，稱為“用戶空間”；因為每個進程可以通過系統調用進入內核，因此，內核空間由系統內的所有進程共享；于是，從具體進程的角度來看，每個進程都可以擁有4GB的虛擬地址空間(也叫做虛擬內存)。

Q2.Linux是如何實現“請求調頁”的？

A：

1)如果被訪問的頁不在內存，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，內核分配一個新的頁面并將其適當地初始化，這種技術稱為“請求調頁”；2)“請求調頁”是一種動態內存分配技術，它將頁面的分配推遲到不能再推遲為止，也就是說，一直推遲到進程要訪問的頁不在物理內存時為止，由此引起一個缺頁異常；該技術的引入主要是因為進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方式所帶來的處理器低效率而產生的，它的主要優點是只有在I/O接口需要服務時才能得到處理器的響應，而不需要處理器不斷地進行查詢；因此，最初的中斷全部是對外部設備而言的，稱為外部中斷(或硬件中斷)；2)異常也叫做內部中斷，它是為解決機器運行時所出現的某些隨機事件及編程的方便而出現的；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設備產生的中斷請求(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的向量對應于異常和非屏蔽中斷；2)編號為32~47的向量(即由I/O設備引起的中斷)分配給可屏蔽中斷；3)剩余的、編號為48~255的向量用來標識軟中斷；Linux只用其中的一個(即128或0x80向量)來實現系統調用。

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；但在保護模式，由4個字節的表項構成的中斷向量表滿足不了要求；因此在保護模式下，中斷向量表中的表項由8個字節組成，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偏移量；2)陷阱門(trap gate)：其類型碼為111；3)系統門(system gate)：是Linux內核特別設置的，用來讓用戶態的進程訪問陷阱門。

系統調用

Q1.什么是系統調用？為什么要引入系統調用？

A：

(1)操作系統為用戶態的進程與硬件設備(如CPU、磁盤和打印機等)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只要所提供的一組接口相同，那么在這些操作系統之上就可以正確地編譯和執行相同的程序，這組接口就是所謂的“系統調用”；(2)引入系統調用的原因有：1)這使得編程更加容易；2)這極大地提高了系統的安全性；3)最重要的一點，這些接口使得操作系統更具有可移植性。

內核中的同步

Q1.什么是臨界區？什么是競爭狀態？什么是同步？

A：

1)臨界區(critical regions)就是訪問和操作共享數據的代碼段，多個內核任務并發訪問同一個資源通常是不安全的；2)如果兩個內核任務可能處于同一個臨界區，就是一種錯誤現象；如果確實發生了這種情況，就稱它為競爭狀態；3)避免并發和防止競爭狀態稱為同步(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“循環等待”條件。

Q3.內核中造成并發執行的原因是什么？

A：

“并發”分為“偽并發”和“真并發”兩種，內核中造成并發執行的原因有以下幾種：1)中斷：它可能隨時打斷當前正在執行的代碼；2)內核搶占：內核中的任務可能會被另一個任務搶占；3)睡眠及其與用戶空間的同步：在內核執行的進程可能會睡眠，這就會喚醒調度程序，調度一個新的用戶進程執行；4)對稱多處理：兩個或多個處理器可以同時執行代碼。

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；當持有信號量的進程將信號量釋放后，在等待隊列中的一個任務將被喚醒，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值。

文件系統

Q1.Linux目錄樹結構是怎樣的？它與Windows的目錄樹結構有什么區別？為什么Linux的文件系統采用固定的目錄形式？

A：

文件是一個抽象的概念，它是存放一切數據或信息的倉庫；1)Linux的目錄樹結構為：根目錄(/)在上，其它的平行在下；2)Windows操作系統也是采用樹型結構，但其樹型結構的根是磁盤分區的盤符，有幾個分區就有幾個樹型結構，它們之間的關系式并列的；而在Linux中，無論操作系統管理幾個磁盤分區，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，制定這樣一個固定的目錄規劃有助于對系統文件和不同的用戶文件進行統一管理；4)Linux中的文件類型包括：常規文件、目錄文件、設備文件、管道文件和鏈接文件。

Q2.什么是虛擬文件系統？什么是虛擬文件系統界面？

A：

1)將各種不同文件系統的操作和管理納入到一個統一的框架中，使得用戶程序可以通過同一個文件系統界面，也就是同一組系統調用，對各種不同的文件系統以及文件進行操作；用戶程序可以不關心不同文件系統的實現細節，而使用系統提供的統一、抽象、虛擬的文件系統界面；這種統一的框架就是所謂的虛擬文件系統轉換，一般簡稱虛擬文件系統(VFS)；2)VFS的對象類型包括：超級塊(superblock)對象、索引節點(inode)對象、目錄項(dentry)對象和文件(file)對象；3)虛擬文件系統界面是虛擬文件系統所提供的抽象界面，它主要由一組標準的、抽象的操作構成，這些函數(操作)以系統調用的形式供用戶調用。

設備驅動

Q1.為什么把設備分為“塊設備”和“字符設備”兩大類？A：

1)Linux將設備看成文件，具有三方面的含義：第一，每個設備都對應一個文件名，在內核中也就對應一個索引節點；第二，對文件操作的系統調用大都適用于設備文件；第三，從應用程序的角度看，設備文件的邏輯空間是一個線性空間；對于同一個具體的設備而言，文件操作和設備驅動是同一個事物的不同層次，概念上可以將一個系統劃分為應用、文件系統和設備驅動三個層次；2)Linux將設備分為兩大類，一類是像磁盤那樣的以塊或扇區為單位、成塊進行輸入/輸出的設備，稱為塊設備；另一類是像鍵盤那樣以字符(字節)為單位，逐個字符進行輸入/輸出的設備，稱為字符設備；文件系統通常都建立在塊設備上。

Q2.什么是設備驅動程序？

A：

Linux中處理和管理硬件控制器的軟件就是設備驅動程序。

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、狀態寄存器和數據寄存器三大類；2)根據訪問外設寄存器的不同方式，將CPU分為兩大類：一類是“內存映射”(memory-mapped)方式，另一類是“I/O映射”(I/O- mapped)方式。