【C++上岸】C++常见面试题目--操作系统篇（第二十八期）

📡 C++操作系统面试题精讲：从进程到死锁，一篇搞定！

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文章目录

• • [📡 C++操作系统面试题精讲：从进程到死锁，一篇搞定！](#📡 C++操作系统面试题精讲：从进程到死锁，一篇搞定！)
  • [📌 发生进程上下文切换有哪些场景？](#📌 发生进程上下文切换有哪些场景？)
  • [⚡ 进程切换为什么比线程更消耗资源？](#⚡ 进程切换为什么比线程更消耗资源？)
  • [🧠 聊聊：什么是用户态和内核态](#🧠 聊聊：什么是用户态和内核态)
  • • 权限分级设计
  • [🏗️ 什么是内核？](#🏗️ 什么是内核？)
  • [🔌 Linux 操作系统的启动过程](#🔌 Linux 操作系统的启动过程)
  • [🔁 如何从用户态切换到内核态呢？](#🔁 如何从用户态切换到内核态呢？)
  • • 三种主要途径：
  • [🧩 PCB是什么？](#🧩 PCB是什么？)
  • [📊 进程调度算法](#📊 进程调度算法)
  • [🥬 生产者消费者模型](#🥬 生产者消费者模型)
  • [☠️ 死锁的解决策略](#☠️ 死锁的解决策略)
  • • 必要条件（同时满足时发生死锁）
    • 解决策略：
  • [💪 **坚持刷题，C++上岸指日可待！** 下期预告：《网络编程篇》 🔥 欢迎关注专栏，获取更多面试干货！](#💪 坚持刷题，C++上岸指日可待！ 下期预告：《网络编程篇》 🔥 欢迎关注专栏，获取更多面试干货！)

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📌 发生进程上下文切换有哪些场景？

进程上下文切换发生在以下场景：

1. 时间片耗尽：当进程的CPU时间片用完时，系统会强制切换到其他进程。
2. 系统调用：如I/O操作（文件读写、网络通信）需要等待时，主动让出CPU。
3. 中断处理：硬件中断（如键盘输入）或异常（如除零错误）触发切换。
4. 优先级抢占：高优先级进程抢占低优先级进程的CPU资源。
5. 进程主动休眠 ：如调用sleep()函数等待资源。

// 示例：进程主动休眠触发切换
#include <unistd.h>
int main() {
    sleep(5); // 主动让出CPU
    return 0;
}

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⚡ 进程切换为什么比线程更消耗资源？

根本原因：地址空间切换

• 进程切换需要：
  1. 保存/恢复完整的虚拟内存映射表（MMU）
  2. 刷新TLB缓存
  3. 切换寄存器、堆栈、文件描述符等
  4. 内核态与用户态的双重切换
• 线程切换仅需：
  1. 保存寄存器状态
  2. 切换堆栈指针
     💡 线程共享同一地址空间，省去了内存映射的重载开销！

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🧠 聊聊：什么是用户态和内核态

权限分级设计

• 用户态（User Mode）
  • 受限权限，禁止直接访问硬件
  • 应用程序运行空间（如malloc()、printf()）
• 内核态（Kernel Mode）
  • 最高权限，可执行特权指令（如中断处理、设备驱动）
  • 操作系统核心代码运行空间

🔒 类比：用户态是"游客区"，内核态是"管理员控制室"

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🏗️ 什么是内核？

操作系统的核心引擎

• 功能模块：
  • 进程调度器
  • 内存管理器
  • 设备驱动程序接口
  • 系统调用接口（如sys_open()）
• 设计模式：
  • 宏内核（Linux）：所有功能集成在单一可执行文件
  • 微内核（Minix）：仅核心功能在内核，其他作为服务进程

# 查看Linux内核版本
uname -a

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🔌 Linux 操作系统的启动过程

1. BIOS/UEFI阶段
   • 硬件自检，加载引导程序（如GRUB）
2. Bootloader阶段
   • 加载内核镜像（vmlinuz）和初始化内存盘（initrd）
3. 内核初始化
   • 初始化硬件，挂载根文件系统
4. 用户空间启动
   • 启动第一个用户进程init（如systemd）
   • 执行初始化脚本（/etc/rc.d）

⏱️ 典型启动时间：桌面系统3-5秒，服务器系统10-30秒

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🔁 如何从用户态切换到内核态呢？

三种主要途径：

1. 系统调用

   • 通过软中断（如int 0x80或syscall指令）

   // 示例：write系统调用
   #include <unistd.h>
   write(1, "Hello Kernel!", 13);

2. 硬件中断

   • 外设触发（键盘输入、网卡数据到达）

3. 异常

   • CPU执行非法指令（如除零、无效内存访问）

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🧩 PCB是什么？

进程控制块（Process Control Block）

操作系统中进程的"身份证"，包含：

• 进程ID（PID）、父进程ID（PPID）
• CPU状态：寄存器值、程序计数器
• 内存信息：基址寄存器、界限寄存器
• 资源清单：打开的文件、网络连接
• 调度状态：就绪/运行/阻塞

// Linux中PCB对应结构体（简化版）
struct task_struct {
    long state;            // 进程状态
    struct mm_struct *mm;  // 内存管理信息
    pid_t pid;             // 进程ID
    // ...
};

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📊 进程调度算法

算法	特点	适用场景
FCFS（先来先服务）	非抢占，简单公平	批处理系统
短作业优先（SJF）	最小化平均等待时间	交互式系统
轮转调度（RR）	固定时间片轮转	分时系统
多级反馈队列	动态调整优先级	通用操作系统

💻 Linux采用CFS（完全公平调度器），基于虚拟运行时间（vruntime）分配CPU

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🥬 生产者消费者模型

经典同步问题解决方案

• 核心组件：
  • 共享缓冲区（固定大小队列）
  • 互斥锁：保护缓冲区访问
  • 条件变量：通知资源状态变化

#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::queue<int> buffer;
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv_producer, cv_consumer;

// 生产者
void producer() {
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        cv_producer.wait(lock, []{ return buffer.size() < MAX_SIZE; });
        buffer.push(data);
        cv_consumer.notify_one();
    }
}

// 消费者
void consumer() {
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        cv_consumer.wait(lock, []{ return !buffer.empty(); });
        int data = buffer.front();
        buffer.pop();
        cv_producer.notify_one();
    }
}

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☠️ 死锁的解决策略

必要条件（同时满足时发生死锁）

1. 互斥：资源独占
2. 持有等待：保持资源并请求新资源
3. 非抢占：资源不能被强制剥夺
4. 循环等待：进程间形成等待环

解决策略：

• 预防：破坏任一必要条件（如资源一次性分配）
• 避免：银行家算法动态检测安全状态
• 检测与恢复：定期扫描等待图，强制终止进程
• 忽略：鸵鸟策略（适用于死锁极少发生的场景）

🔗 实际开发建议：使用std::lock()同时锁定多个互斥量，避免锁顺序不一致

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恭喜你坚持到这里！👏 本期我们覆盖了操作系统的基本原理，并实战解决了十个高频面试题。记住：理解其中的实现思想比硬背八股更重要，多练习才能在面试中游刃有余。😊 如果有疑问，欢迎评论区讨论～ 下期见！🚀