嵌入式开发高频面试题——第五章 Linux操作系统常见面试题（上）

本文主要是介绍嵌入式开发高频面试题——第五章 Linux操作系统常见面试题（上），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

5.1.1 Linux内核的组成

Linux内核是一个复杂的系统，它由以下几个关键组件组成：

1. 进程管理：负责进程的创建、调度、终止等操作，确保多个任务能够并发运行，并高效地使用CPU。
2. 内存管理：负责内存的分配与回收，虚拟内存的管理，以及页面调度等。
3. 文件系统：提供文件的读取、写入、删除、权限管理等操作。Linux支持多种文件系统，如ext4、NTFS、FAT等。
4. 设备驱动：用于与硬件设备进行交互，负责操作系统与硬件的通信。
5. 网络栈：处理网络协议（如TCP/IP），负责数据的发送和接收。
6. 安全模块：包括访问控制、安全策略、用户权限等内容，确保系统的安全性。

5.1.2 用户空间与内核通信方式有哪些？

用户空间和内核空间之间的通信方式有多种，以下是常见的几种方式：

1. 系统调用（Syscall）：这是最常见的通信方式，用户进程通过系统调用进入内核态，请求操作系统服务。
2. proc文件系统：/proc是一个虚拟文件系统，内核可以通过该文件系统与用户空间进行通信，用户可以查看内核信息或传递参数给内核。
3. ioctl：这是设备驱动程序中常用的一种通信方式，通过传递命令和参数，用户空间程序可以与设备驱动进行复杂的通信。
4. Netlink：用户空间和内核空间之间的异步消息通信机制，广泛用于网络子系统中的通信。
5. mmap：通过将文件或设备的内存映射到用户空间，允许用户直接访问设备的内存区域，减少系统调用的开销。
6. 内核模块参数：用户可以通过编写内核模块，暴露一些参数，用户空间可以通过命令行或sysfs修改这些参数。
7. 消息队列、信号量、共享内存：这些IPC（进程间通信）机制可以用于用户空间进程和内核通信。

5.1.3 系统调用read()/write()，内核具体做了哪些事情

当一个用户程序调用read()或write()系统调用时，内核会执行以下操作：

1. read()的工作过程：

   • 用户空间调用read(fd, buf, size)。
   • 触发系统调用，CPU从用户态切换到内核态。
   • 内核通过文件描述符找到对应的文件或设备。
   • 内核从文件系统或设备中读取数据，存储在内核空间的缓冲区中。
   • 数据从内核空间拷贝到用户空间提供的buf。
   • 返回读取的数据字节数并恢复到用户态。

2. write()的工作过程：

   • 用户空间调用write(fd, buf, size)。
   • CPU进入内核态，通过文件描述符定位文件或设备。
   • 内核将用户空间的数据拷贝到内核缓冲区中。
   • 数据被写入到文件或设备中。
   • 系统返回写入的数据字节数并切换回用户态。

5.1.4 系统调用的作用

系统调用是用户空间与内核空间交互的唯一途径。用户程序不能直接访问硬件资源（如CPU、内存、设备等），必须通过系统调用来请求操作系统内核提供的服务。系统调用充当了应用程序和操作系统之间的接口，允许程序执行I/O操作、管理进程、分配内存、通信等。

• 资源管理：例如打开文件、分配内存等。
• 进程管理：例如进程的创建、结束、调度等。
• 设备操作：例如读写磁盘、网络操作等。
• 安全与访问控制：例如更改文件权限，用户鉴权等。

5.1.5 内核态，用户态的区别

内核态和用户态是操作系统中对进程运行权限的区分。它们的区别如下：

• 特权级别：内核态的权限较高，可以直接操作硬件设备、访问系统内存。用户态则处于较低的权限级别，受限于不能直接访问硬件和内核资源。
• 切换：进程在系统调用、异常处理、硬件中断等情况下会从用户态切换到内核态。
• 安全性：内核态是操作系统的核心代码，必须保证安全性和稳定性，用户态程序不能直接进入内核态操作系统资源，防止用户程序导致系统崩溃。
• 性能：在内核态运行的程序通常比在用户态运行的程序性能更高，因为可以直接访问系统资源，但是开发难度较大。

5.1.6 Bootloader、内核、根文件系统的关系

• Bootloader：引导加载程序，负责初始化硬件、加载操作系统内核并将控制权交给内核。常见的Bootloader有U-Boot、GRUB等。
• 内核：操作系统的核心，负责硬件管理、进程调度、内存管理等。
• 根文件系统（Root Filesystem）：内核启动后需要挂载的文件系统，它包含用户空间的程序、库、配置文件等。内核加载根文件系统后，用户空间的应用程序可以开始运行。

5.1.7 Bootloader多数有两个阶段的启动过程

Bootloader的启动通常分为两个阶段：

1. 第一阶段：非常小的代码，负责从非易失性存储器（如ROM、Flash）中加载Bootloader的第二阶段到内存中。这一阶段的任务很简单，只需加载并跳转到第二阶段。
2. 第二阶段：引导加载的核心部分，负责初始化硬件设备、检测内存、加载内核、传递参数，并将控制权移交给内核。

5.1.8 Linux的内核是由Bootloader装载到内存中的？

是的。Bootloader在系统启动时将内核从存储设备（如硬盘、Flash等）加载到内存中，然后将控制权转交给内核。内核接管系统后，会继续进行硬件初始化、启动系统服务，并挂载根文件系统。

5.1.9 为什么需要BootLoader

Bootloader 是嵌入式系统中启动流程的第一步，它的重要性如下：

1. 初始化硬件：启动时需要对硬件设备进行初始化（如初始化CPU、内存、时钟、外设等）。
2. 加载内核：从存储设备中加载操作系统内核到内存中。
3. 系统引导：提供引导过程的可配置性，可以选择不同的内核或启动配置。
4. 调试：Bootloader 还可以用于系统的引导调试，设置引导参数等。

5.1.10 Linux内核同步方式总结

Linux内核提供了多种同步机制来解决并发访问的冲突，常见的同步方式包括：

1. 自旋锁（spinlock）：适用于短期的忙等待，不能在自旋锁保护的代码中调用可能引发睡眠的操作。
2. 信号量（semaphore）：用于长时间锁定，可以睡眠。
3. 互斥量（mutex）：用于长时间的锁定，允许睡眠。
4. 读写锁（rwlock）：允许多个读者同时访问，或者一个写者独占访问。
5. RCU（Read-Copy-Update）：一种高效的读写锁实现，适合读多写少的场景。

5.1.11 为什么自旋锁不能睡眠而在拥有信号量时就可以？

自旋锁的设计初衷是为了在短时间内快速获得锁，并且在获取不到锁的情况下忙等待（旋转）。如果自旋锁允许睡眠，那么忙等待的意义就失去了，因为自旋锁本身是为了减少上下文切换开销。另一方面，信号量是为了长时间锁定资源的场景，它允许睡眠等待来避免忙等待造成的CPU浪费。

5.1.12 linux下检查内存状态的命令

Linux下可以通过以下命令检查内存的使用状态：

• free：显示系统内存的总量、已使用量、空闲量等信息。
• top：实时显示系统资源的使用情况，包括CPU、内存等。
• vmstat：提供虚拟内存、进程、CPU等统计信息。
• htop：类似于top，但提供更直观的界面显示。
• /proc/meminfo：通过读取此

文件可以获取详细的内存使用信息。

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