操作系统面试问题（4）

32.什么是操作系统

操作系统是一种管理硬件和软件的应用程序。也是运行在计算机中最重要的软件。它为硬件和软件提供了一种中间层，让我们无需关注硬件的实现，把心思花在软件应用上。

通常情况下，计算机上会运行着许多应用程序，它们都需要对内存和CPU进行交互，操作系统就是为了保证这些交互能够准确运行。

 

 33.操作系统的主要功能

进程管理：在单核处理器下，操作系统只需给每个进程一个任务，管理起来很简单。而在多核处理器下，又要为进程分配任务，又要管理处理器的调度、分配、回收。

内存管理：操作系统要管理内存的分配、回收。在进程需要的时候分配内存，进程完成后回收内存，协调内存资源，通过合理的页面置换算法进行页面的换入换出。

设备管理：根据确定的设备分配原则对设备进行分配，使设备和主机能够并行工作。

文件管理：有效管理文件存储空间，让文件访问和文件保护更有效。

提供用户接口：使用户能够通过应用程序发起系统调用操控硬件。

34.操作系统的目的 

（1）管理计算机资源，包括CPU、内存、磁盘、打印机

（2）提供图形界面，以供用户操控硬件

（3）为其他软件服务，操作系统与软件交互，为其分配资源。

 35.为什么Linux系统下的应用不能在Windows下运行

最本质的原因就是格式不同和API不同，Linux的API指的是系统调用，而Windows的API指的是DLL，这是一个库，里面包含代码和数据。

36.陷入内核

​​“陷入内核”（Trap into Kernel）​​ 是操作系统中的一种关键机制，指​​用户态程序主动或被动触发切换至内核态​​，由操作系统内核接管执行权限的过程。其核心目的是​​安全地访问受保护的硬件或系统资源​​。 

38.用户态和内核态

内核态：特权级为0，处于内核态的CPU可以访问任意数据，可以从一个程序切换为另一个程序，并且不会发生抢占情况。

用户态：特权级为3，CPU只能访问受限的内存，不允许访问外围设备（如网卡、硬盘），CPU不允许独占，能够被其他程序获取。

39.用户态和内核态的切换

1. ​​用户程序调用glibc库​​

   • glibc作为标准库，封装了系统调用的关键API（如open()、write()）。
   • 根据CPU体系结构（如ARM/x86）和应用程序二进制接口（ABI）设置参数。

2. ​​触发模式切换​​

   • glibc调用​​软件中断指令（SWI）​​，触发特权级切换：
     • 更新​​CPSR寄存器​​（ARM架构），将CPU模式改为​​超级用户模式​​（内核态）。
     • 跳转到固定地址 ​​0x08​​（ARM的异常向量表入口）。

3. ​​内核态处理​​

   • 从地址0x08开始执行​​中断处理程序​​（ARM中为vector_swi()）：
     • 从SWI指令中提取​​系统调用号（SCNO）​​。
     • 以SCNO为索引，查系统调用表sys_call_table，跳转到对应的内核函数（如sys_write）。

4. ​​返回用户态​​

   • 系统调用执行完成后：
     • 恢复用户模式的寄存器状态。
     • CPU切换回​​用户模式​​，程序继续执行。

 

40.什么是内核 

内核是操作系统的​​最核心程序​​，直接控制计算机所有硬件和软件资源，是Bootloader完成初始化后加载的第一个程序​​。

引导加载程序（Bootloader）​​

• ​​定义​​：负责将操作系统内核从磁盘​​加载到内存​​的小型程序。
• ​​工作流程​​：
  1. ​​硬件启动​​：电源通电或重启时，BIOS执行硬件自检（POST）。
  2. ​​定位Bootloader​​：BIOS读取磁盘的​​主引导记录（MBR）​​或UEFI查找ESP分区中的引导程序。
  3. ​​加载内核​​：Bootloader将内核镜像（如Linux的vmlinuz）从磁盘载入内存，并移交控制权。

启动流程全貌​​

1. ​​BIOS​​ → 2. ​​Bootloader（MBR/ESP）​​ → 3. ​​内核加载​​ → 4. ​​操作系统初始化​