操作系统原理

进程是资源分配的基本单位，拥有独立虚拟地址空间、文件描述符表与 PCB；线程是 CPU 调度的基本单位，同进程内线程共享地址空间与全局数据，仅私有栈、寄存器与线程局部存储，因此创建切换成本低、通信方便但要同步保护共享资源。协程是用户态调度的执行单元，切换只需保存少量寄存器而不陷入内核，无需系统调用与上下文切换开销，单线程内可承载百万级协程，且切换时机确定，避免锁竞争；代价是阻塞式系统调用会卡住整线程，需配合非阻塞 IO 或把重计算放到线程池。答出「资源与调度两个视角」加调度代价对比（进程、线程、协程依次降低）即为完整。

常见方式包括：管道，半双工字节流，适合父子进程，命名管道 FIFO 允许无亲缘进程；消息队列，内核维护的消息链表，按类型收发，独立于收发时机；共享内存，映射同一段物理内存，速度最快，但需配信号量等同步原语防止竞争；信号量，主要用于同步互斥而非传数据；信号，异步通知机制，如 SIGKILL、SIGTERM；套接字，可跨主机双向通信，是网络服务与本地 IPC 的通用方案；此外还有文件锁与事件循环。选型上同机高频大数据量用共享内存加信号量，跨机器只能用 socket，简单命令行传递用管道。要点是区分「传数据」与「做同步」两类需求并给出对应开销与生命周期差异。

虚拟内存为每个进程提供独立连续的地址空间假象，由 MMU 借助页表把虚拟页映射到物理页框，配合 TLB 缓存翻译加速。价值在于进程隔离、按需分配提升内存利用率、页可换出到磁盘使程序超过物理内存、配合页权限实现只读段与写时复制。访问未映射或已换出的页触发缺页异常，内核检查该地址合法性：非法则段错误；合法则分配页框或从交换区读回，更新页表并可能按 LRU 类算法淘汰其他页，随后重执行触发指令。面试延伸点：多级页表减少页表自身占用，大页减小 TLB miss，写时复制让 fork 只复制页表，是高效创建子进程的基础。

四条件为互斥（资源独占）、持有并等待（占着旧资源申请新的）、不可剥夺（不能强行抢走）与循环等待（形成环），四者缺一不死锁。预防手段对应破坏条件：一次性申请全部资源、申请不到就释放已持有资源、按全局顺序加锁破坏环路最常用也最实用。避免策略如银行家算法在分配前评估安全性。排查上可用 pstack 或 gdb 看线程栈，Java 用 jstack 输出持有与等待关系定位环，数据库则以等待图检测并回滚牺牲事务。实践技巧包括统一锁顺序、用 tryLock 带超时打破持有等待、缩小临界区、用更高层并发结构减少手工加锁，并以超时与告警兜底。

CPU 为保护内核将执行分为用户态与内核态，用户态代码受限访问硬件与内核内存，需通过规定入口进入内核态执行特权操作。系统调用流程为：用户程序把系统调用号与参数放入寄存器，执行 trap 指令陷入内核，CPU 切换到内核栈并保存现场，内核校验参数后查系统调用表执行对应服务例程，完成后恢复现场返回用户态继续执行。状态切换有开销（上下文保存、缓存污染、安全检查），因此高频小操作应批量化，如 writev 合并写、io_uring 异步提交。中断与异常同样引发陷入，面试要点是区分系统调用、异常（缺页）与中断（时钟、IO 完成）三类入口并说明切换成本对性能编程的意义。