Q1.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：用戶進程，系統(tǒng)調用接口、Linux內(nèi)核子系統(tǒng)和硬件；2)Linux內(nèi)核處于用戶進程和硬件之間，包括系統(tǒng)調用接口和Linux內(nèi)核子系統(tǒng)。

Q2.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)調用外，由五個主要的子系統(tǒng)組成：進程調度、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡和進程間通信(IPC)；(2)各個子系統(tǒng)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(nèi)存管理：它允許多個進程安全地共享主內(nèi)存區(qū)域，支持虛擬內(nèi)存；從邏輯上可以分為硬件無關的部分和硬件相關的部分；3)虛擬文件系統(tǒng)(VFS)：它隱藏了各種不同硬件的具體細節(jié)，為所有設備提供統(tǒng)一的接口，支持多達數(shù)十種不同的文件系統(tǒng)，分為邏輯文件系統(tǒng)和設備驅動程序；4)網(wǎng)絡：它提供了對各種網(wǎng)絡標準協(xié)議的存取和各種網(wǎng)絡硬件的支持，分為網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)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(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(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(shù)據(jù)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(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(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主要采用分頁機制來實現(xiàn)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(nèi)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(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(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，在某個時刻進程的內(nèi)容被稱為進程映像(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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結構，按其功能將所有域劃分為：狀態(tài)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(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換關系：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(yōu)先級調度算法(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(nèi)存管理

Q1.為什么把進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)供各個進程使用，稱為“用戶空間”；因為每個進程可以通過系統(tǒng)調用進入內(nèi)核，因此，內(nèi)核空間由系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)存)。

Q2.Linux是如何實現(xiàn)“請求調頁”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?shù)爻跏蓟?，這種技術稱為“請求調頁”；2)“請求調頁”是一種動態(tài)內(nèi)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(nèi)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：

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(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(xiàn)系統(tǒng)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(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)；但在保護模式，由4個字節(jié)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(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)核特別設置的，用來讓用戶態(tài)的進程訪問陷阱門。

系統(tǒng)調用

Q1.什么是系統(tǒng)調用？為什么要引入系統(tǒng)調用？

A：

(1)操作系統(tǒng)為用戶態(tài)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(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)調用”；(2)引入系統(tǒng)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(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：它可能隨時打斷當前正在執(zhí)行的代碼；2)內(nèi)核搶占：內(nèi)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(nèi)核執(zhí)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(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(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目錄樹結構是怎樣的？它與Windows的目錄樹結構有什么區(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的目錄樹結構為：根目錄(/)在上，其它的平行在下；2)Windows操作系統(tǒng)也是采用樹型結構，但其樹型結構的根是磁盤分區(qū)的盤符，有幾個分區(qū)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(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)調用，對各種不同的文件系統(tǒng)以及文件進行操作；用戶程序可以不關心不同文件系統(tǒng)的實現(xiàn)細節(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，它主要由一組標準的、抽象的操作構成，這些函數(shù)(操作)以系統(tǒng)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(nèi)核中也就對應一個索引節(jié)點；第二，對文件操作的系統(tǒng)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(tǒng)劃分為應用、文件系統(tǒng)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(qū)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(jié))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(tǒng)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(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器三大類；2)根據(jù)訪問外設寄存器的不同方式，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。

審核編輯 ：李倩