alin的学习之路： 面试题 操作系统相关

• 进程与线程的区别

  • 进程是资源分配的最小单位，线程是程序执行的最小单位。

  • 进程有自己独立的地址空间，线程共享地址空间

  • 进程：无名管道、有名管道、信号、共享内存、消息队列
    线程：互斥量、读写锁、自旋锁、线程信号、条件变量、信号量

  • 线程有四种状态：1.新生状态 2.可运行状态 3. 被阻塞状态 4.死亡状态

• 多进程与多线程区别，应用场景

  • 多进程要使用fork()函数进行创建，多线程要使用pthread_create()函数进行创建

  • 开销方面：每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），进程之间切换开销大；线程可以看做轻量级的进程，同一类线程共享代码和数据空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC），线程之间切换的开销小。

  • 所处环境：在操作系统中能同时运行多个进程（程序）；而在同一个进程（程序）中有多个线程同时执行（通过CPU调度，在每个时间片中只有一个线程执行）

  • 内存分配：系统为每个进程分配不同的内存空间；而对线程而言，除了CPU外，系统不会为线程分配内存（线程所使用的资源来自其所属进程的资源），线程组之间只能共享资源

  • 包含关系：线程是进程的一部分，所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程

• volatile和原子变量的区别

• proc文件系统

• 自旋锁与普通锁的区别

  1.读写锁： 有三个状态：读加锁状态、写加锁状态、不加锁状态。
  读写锁可以支持高并发，其中一个原因就是 只能允许一个线程占用写状态锁，但是多个线程可以共享读状态锁。当写状态锁被占用的时候，后续想要写状态的线程就会被阻塞。所以读写锁非常适合那些 读状态 远远多于 写状态的应用场景。
  特点：
  1.多个读线程可以同时进行读
  2.写线程必须互斥，不能同时读同时写。
  3.写线程优先于读线程，先写加锁线程之后才能读加锁线程。
  2.互斥锁：访问共享资源时，允许一个线程对资源区进行操作，其他线程即为堵塞睡眠状态，直到被唤醒。
  特点：一次只能一个线程拥有互斥锁，其他线程只有等待。
  3.自旋锁：
  自旋锁是一种特殊的互斥锁，当资源被加锁后，其他想要访问的线程不会被阻塞而是陷入循环等待状态，循环检查资源持有者是否已经释放了资源，这样的好处是节省了线程从休眠到被唤醒的开销，但同时也会一直占据CPU的资源。所以自旋锁适合多核CPU、共享资源区被加锁的时间短的情况。但是还有一个问题是当自旋锁递归调用的时候会造成死锁现象。所以慎重使用自旋锁。
  4.乐观锁、悲观锁：一种思想：当线程去访问数据的时候，如果认为其他线程 不会修改数据，那么就不会对数据资源上锁，但是在更新数据的时候会去判断以下其他线程是否修改了数据。通过版本来判断，如果数据被修改了就拒绝更新，这就是乐观锁，即不上锁。悲观锁反之，它会对数据加锁，保证数据的正确性。
  特点：以上两种锁多用于数据库，当读操作远远大于写操作的时候，乐观锁的效率会很高，会增加数据库的吞吐量。

• 虚拟内存

  • mmap 将一个文件映射到进程的虚拟地址空间，实现了文件磁盘地址与进程虚拟地址的一一对应关系，实现这样的关系之后，进程就可以通过指针的方式去读写这一段内存，避免了通过write/read 函数，（write/read函数会形成多次拷贝，内核压力过大）。相反，内也可以通过映射直接修改数据，从而实现不同进程之间对该内存空间的通信，这也就是进程之间共享内存的通信方式。
  • mmap 优势：
    1. 对文件的读取跨过了页缓存，减少了数据的拷贝次数，提高了文件的读取效率
    2. 共享内存通信方式提供了一种不管什么进程都可以通信的方式，父子进程等都可以。

• 进程的内存分布

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• 栈内存为什么由系统自动分配和释放

  • 栈内存空间一般较小，在程序中的局部变量和全局变量声明是直接由系统赋予内存空间，但是当某些变量所需内存空间较大，则有程序员手动申请和释放空间，而这些空间一般为堆内存。

• 守护进程如何创建

  1. 创建子进程，父进程退出(必须)
     • 所有工作在子进程中进行形式上脱离了控制终端
  2. 在子进程中创建新会话(必须)
     • setsid()函数
     • 使子进程完全独立出来，脱离控制
  3. 改变当前目录为根目录(不是必须)
     • chdir()函数
     • 防止占用可卸载的文件系统
     • 也可以换成其它路径
  4. 重设文件权限掩码(不是必须)
     • umask()函数
     • 防止继承的文件创建屏蔽字拒绝某些权限
     • 增加守护进程灵活性
  5. 关闭文件描述符(不是必须)
     • 继承的打开文件不会用到，浪费系统资源，无法卸载
  6. 开始执行守护进程核心工作(必须)

  守护进程退出处理程序模型

• 进程间的通信方式及其区别，应用场景

  • 匿名管道pipe：使用简单，父子进程间的简单通信可以使用。

  • 命名管道fifo：使用fifo文件，可以在不相干的两个进程之间进行通信。

  • 消息队列：消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

  • 信号signal：传递的信息少。

  • 共享存储映射mmap：通信的数据映射到磁盘文件中，可以反复使用。

  • 套接字socket：多用于网络通信。分为本地套接字和网络套接字。

  • 共享内存：通过多个进程共享同一块内存中的数据从而达到通信的目的，是速度最快的通信方式，需要配合信号量机制实现进程同步。
    共享内存的缺点：基于内存，只能在同一主机内使用，不能应用与分布式系统当中。

• 死锁条件和解除

  • 死锁：死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。
    原理：当一组进程或者线程都在等待某个事件的产生，而且只有该组进程/线程才能出发该事件，这就称这组进程、线程发生了死锁。

    死锁产生的四个必要条件：
    1.互斥，某种资源只允许一个进程访问，另一个进程想要访问该资源必须等待阻塞。
    2.占有并等待，当某个进程本身占有资源，同时它又在等待其他线程释放的某种其他的资源，这就造成了这两个线程出现相互等待的现象。
    3.不可抢占，产生第2条的条件之一就是两个进程之间不可抢占被别人占据的资源，也即是互斥条件
    4.循环等待，存在一个进程链，使得每一个进程都占有下一个进程所需要的至少一种资源

  • 处理死锁的思路

    • 预防死锁

      破坏死锁的四个必要条件中的一个或多个来预防死锁。

    • 避免死锁

      和预防死锁的区别就是，在资源动态分配过程中，用某种方式防止系统进入不安全的状态。

    • 检测死锁

      运行时出现死锁，能及时发现死锁，把程序解脱出来

    • 解除死锁

      发生死锁后，解脱进程，通常撤销进程，回收资源，再分配给正处于阻塞状态的进程。

  • 预防死锁的方法

    • 破坏请求和保持条件

    • 破坏不可抢占条件

    • 破坏循环等待条件

• 进程调度方式

  • 先来先服务算法：FCFS ，按照顺序执行

  • 短作业优先算法：SJF 按照任务时间，先执行时间短的

  • 最高响应比优先法：以上两种的综合算法，提高效率

  • 时间片轮转法：采用剥夺方式，每个进程分配一个固定的时间段，按照队列中的顺序执行

  • 多级反馈队列：UNIX采用这种算法。算

• 对编译连接的理解

  • 编译是从源文件检查语法错误并生成汇编文件的过程。

  • 连接：寻找需要使用的库的代码并连接，并且为程序生成一个启动代码。

• 共享内存实现原理

  • 共享内存可以说是最有用的进程之间的通信方式，两个进程之间的共享内存的意思是，同一块的物理内存被映射到进程A/B各自的进程地址空间，A/B都可以随时看到共享内存中数据的更新。
    Linux中，通过吧一块内存分别映射到不同的进程空间中实现进程间通信，实际中需要联合同步、互斥机制来一起完成。

  • 共享内存实现机制 ：
    一、mmap机制：在磁盘上建立一个文件，每个进程存储器中，单独开辟一个空间来映射
    保存到实际硬盘，实际并没有反映到主存上
    优点：存储量大
    缺点：读取和写入速度比较慢
    mmap() 是一个系统调用函数，本质是一种进程虚拟内存的映射方法，可以将一个文件、一段物理内存或者其它对象映射到进程的虚拟内存地址空间。实现这样的映射关系后，进程就可以采用指针的方式来读写操作这一段内存，进而完成对文件的操作，而不必再调用 read/write 等系统调用函数了。

  • 常规的文件操作为了提高读写效率和保护磁盘，使用了页缓存机制。这样造成读文件时需要先将文件页从磁盘拷贝到页缓存中，由于页缓存处在内核空间，不能被用户进程直接寻址，所以还需要将页缓存中数据页再次拷贝到内存对应的用户空间中。这样，通过了两次数据拷贝过程，才能完成进程对文件内容的获取任务。写操作也是一样，待写入的 Buffer 在内核空间不能直接访问，必须要先拷贝至内核空间对应的主存，再写回磁盘中（延迟写回），也是需要两次数据拷贝。
    共享内存通过零拷贝技术，直接将磁盘文件拷贝到内核缓存中，然后进程通过共享内存直接读取，整个过程只有一次拷贝，所以从效率上来说是比传统读写高的。

  • 二、shm机制：每个进程的共享内存都直接映射到实际物理存储器上
    shm保存到物理存储器(主存)，实际的存储量直接反映到主存上
    优点：进程间访问速度比磁盘快
    缺点：存储量不能非常大

• 僵尸进程是什么，如何处理

  • 子进程先于父进程结束，父进程还没有结束后的自动回收子进程，并且父进程没有手动对子进程进行回收，此时该子进程被称为僵尸进程。
  • 处理方法：注册一个SIGCHLD信号处理函数，当收到SIGCHLD信号时说明子进程的状态发生了改变，通常是子进程结束，此时执行waitpid()回到掉子进程即可。

• 自旋锁在单cpu与多cpu下的使用

  • Linux上的自旋锁有三种实现：

    1. 在单cpu，不可抢占内核中，自旋锁为空操作。
    2. 在单cpu，可抢占内核中，自旋锁实现为“禁止内核抢占”，并不实现“自旋”。
    3. 在多cpu，可抢占内核中，自旋锁实现为“禁止内核抢占” + “自旋”。

  • 自旋锁在单核处理器中容易造成CPU的瘫痪

• 用户态与内核态

  • 用户态是在用户内存空间，内核态是在内核的内存空间

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  • 3G-4G大部分是共享的，是内核态的地址空间。这里存放整个内核的代码和所有的内核模块以及内核所维护的数据。
    计算机系统中通常运行两种程序，一种是系统程序，一种是应用程序。
    即用户态和内核态，但是在程序运行通常会在这两种状态中切换。为了区分操作级别，X86 cpu架构采用了 0 - 3 四种特权阶级，其中 0 级为最高特权。
    特权指令：对内存空间的访问范围基本不受限制，不仅能访问用户存储空间，也能访问系统存储空间，特权指令只允许操作系统使用，不允许应用程序使用，否则会引起系统混乱。
    非特权指令：一般应用程序所使用的都是非特权指令，它只能完成一般性的操作和任务，不能对系统中的硬件和软件直接进行访问，其对内存的访问范围也局限于用户空间。

  • 用户态切换到内核态的唯一途径——>中断/异常/陷入
    内核态切换到用户态的途径——>设置程序状态字
    当进行I/O操作的时候，由内核态到用户态的拷贝转移是极其耗费 cpu 资源的，零拷贝是追求的目标。

• Linux 的文件存储系统

  1. 最小单位是扇区，每个扇区512字节，
  2. 按块读取，每个块有八个扇区，即 4Kb,
  3. inode 即索引节点，其中包含了文件的大小，创建等基本信息