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什么是操作系統(tǒng)?請(qǐng)簡(jiǎn)要概述一下

操作系統(tǒng)是管理計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源的計(jì)算機(jī)程序，提供一個(gè)計(jì)算機(jī)用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接口。

向上對(duì)用戶程序提供接口，向下接管硬件資源。

操作系統(tǒng)本質(zhì)上也是一個(gè)軟件，作為最接近硬件的系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)處理器管理、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理、文件管理和提供用戶接口。

操作系統(tǒng)有哪些分類?

操作系統(tǒng)常規(guī)可分為批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

若一個(gè)操作系統(tǒng)兼顧批操作和分時(shí)的功能，則稱該系統(tǒng)為通用操作系統(tǒng)。

常見(jiàn)的通用操作系統(tǒng)有：Windows、Linux、MacOS等。

什么是內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)?

為了避免操作系統(tǒng)和關(guān)鍵數(shù)據(jù)被用戶程序破壞，將處理器的執(zhí)行狀態(tài)分為內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。

內(nèi)核態(tài)是操作系統(tǒng)管理程序執(zhí)行時(shí)所處的狀態(tài)，能夠執(zhí)行包含特權(quán)指令在內(nèi)的一切指令，能夠訪問(wèn)系統(tǒng)內(nèi)所有的存儲(chǔ)空間。

用戶態(tài)是用戶程序執(zhí)行時(shí)處理器所處的狀態(tài)，不能執(zhí)行特權(quán)指令，只能訪問(wèn)用戶地址空間。

用戶程序運(yùn)行在用戶態(tài),操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)。

如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的切換?

處理器從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的方法有三種：系統(tǒng)調(diào)用、異常和外部中斷。

1. 系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)的最小功能單位，是操作系統(tǒng)提供的用戶接口，系統(tǒng)調(diào)用本身是一種軟中斷。
2. 異常，也叫做內(nèi)中斷，是由錯(cuò)誤引起的，如文件損壞、缺頁(yè)故障等。
3. 外部中斷，是通過(guò)兩根信號(hào)線來(lái)通知處理器外設(shè)的狀態(tài)變化，是硬中斷。

并發(fā)和并行的區(qū)別

1. 并發(fā)(concurrency)：指宏觀上看起來(lái)兩個(gè)程序在同時(shí)運(yùn)行，比如說(shuō)在單核cpu上的多任務(wù)。但是從微觀上看兩個(gè)程序的指令是交織著運(yùn)行的，指令之間交錯(cuò)執(zhí)行，在單個(gè)周期內(nèi)只運(yùn)行了一個(gè)指令。這種并發(fā)并不能提高計(jì)算機(jī)的性能，只能提高效率(如降低某個(gè)進(jìn)程的相應(yīng)時(shí)間)。
2. 并行(parallelism)：指嚴(yán)格物理意義上的同時(shí)運(yùn)行，比如多核cpu，兩個(gè)程序分別運(yùn)行在兩個(gè)核上，兩者之間互不影響，單個(gè)周期內(nèi)每個(gè)程序都運(yùn)行了自己的指令，也就是運(yùn)行了兩條指令。這樣說(shuō)來(lái)并行的確提高了計(jì)算機(jī)的效率。所以現(xiàn)在的cpu都是往多核方面發(fā)展。

什么是進(jìn)程?

進(jìn)程是操作系統(tǒng)中最重要的抽象概念之一，是資源分配的基本單位，是獨(dú)立運(yùn)行的基本單位。

進(jìn)程的經(jīng)典定義就是一個(gè)執(zhí)行中程序的實(shí)例。系統(tǒng)中的每個(gè)程序都運(yùn)行在某個(gè)進(jìn)程的上下文(context)中。

上下文是由程序正確運(yùn)行所需的狀態(tài)組成的。這個(gè)狀態(tài)包括存放在內(nèi)存中的程序的代碼和數(shù)據(jù)，它的棧、通用目的寄存器的內(nèi)容、程序計(jì)數(shù)器、環(huán)境變量以及打開(kāi)文件描述符的集合。

進(jìn)程一般由以下的部分組成：

1. 進(jìn)程控制塊PCB，是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志，包含進(jìn)程標(biāo)識(shí)符PID，進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)，程序和數(shù)據(jù)地址，進(jìn)程優(yōu)先級(jí)、CPU現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)區(qū)(用于進(jìn)程切換)，占有的資源清單等。
2. 程序段
3. 數(shù)據(jù)段

進(jìn)程的基本操作

以Unix系統(tǒng)舉例：

進(jìn)程的創(chuàng)建：fork()。新創(chuàng)建的子進(jìn)程幾乎但不完全與父進(jìn)程相同。子進(jìn)程得到與父進(jìn)程用戶級(jí)虛擬地址空間相同的(但是獨(dú)立的)一份副本，包括代碼和數(shù)據(jù)段、堆、共享庫(kù)以及用戶棧。子進(jìn)程還獲得與父進(jìn)程任何打開(kāi)文件描述符相同的副本，這就意味著當(dāng)父進(jìn)程調(diào)用 fork 時(shí)，子進(jìn)程可以讀寫父進(jìn)程中打開(kāi)的任何文件。父進(jìn)程和新創(chuàng)建的子進(jìn)程之間最大的區(qū)別在于它們有不同的 PID。fork函數(shù)是有趣的(也常常令人迷惑)， 因?yàn)樗槐徽{(diào)用一次，卻會(huì)返回兩次：一次是在調(diào)用進(jìn)程(父進(jìn)程)中，一次是在新創(chuàng)建的子進(jìn)程中。在父進(jìn)程中，fork 返回子進(jìn)程的 PID。在子進(jìn)程中，fork 返回 0。因?yàn)樽舆M(jìn)程的 PID 總是為非零，返回值就提供一個(gè)明 確的方法來(lái)分辨程序是在父進(jìn)程還是在子進(jìn)程中執(zhí)行。

pid_t fork(void); 

回收子進(jìn)程：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程由于某種原因終止時(shí)，內(nèi)核并不是立即把它從系統(tǒng)中清除。相反，進(jìn)程被保持在一種已終止的狀態(tài)中，直到被它的父進(jìn)程回收(reaped)。當(dāng)父進(jìn)程回收已終止的子進(jìn)程時(shí)，內(nèi)核將子進(jìn)程的退出狀態(tài)傳遞給父進(jìn)程，然后拋棄已終止的進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程可以通過(guò)調(diào)用 waitpid 函數(shù)來(lái)等待它的子進(jìn)程終止或者停止。

pid_t waitpid(pid_t pid, int *statusp, int options); 

加載并運(yùn)行程序：execve 函數(shù)在當(dāng)前進(jìn)程的上下文中加載并運(yùn)行一個(gè)新程序。

int execve(const char *filename, const char *argv[], const char *envp[]); 

進(jìn)程終止：

void exit(int status); 

簡(jiǎn)述進(jìn)程間通信方法

每個(gè)進(jìn)程各自有不同的用戶地址空間,任何一個(gè)進(jìn)程的全局變量在另一個(gè)進(jìn)程中都看不到，所以進(jìn)程之間要交換數(shù)據(jù)必須通過(guò)內(nèi)核,在內(nèi)核中開(kāi)辟一塊緩沖區(qū),進(jìn)程A把數(shù)據(jù)從用戶空間拷到內(nèi)核緩沖區(qū),進(jìn)程B再?gòu)膬?nèi)核緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)讀走,內(nèi)核提供的這種機(jī)制稱為進(jìn)程間通信。

不同進(jìn)程間的通信本質(zhì)：進(jìn)程之間可以看到一份公共資源;而提供這份資源的形式或者提供者不同，造成了通信方式不同。

進(jìn)程間通信主要包括管道、系統(tǒng)IPC(包括消息隊(duì)列、信號(hào)量、信號(hào)、共享內(nèi)存等)、以及套接字socket。

進(jìn)程如何通過(guò)管道進(jìn)行通信

管道是一種最基本的IPC機(jī)制，作用于有血緣關(guān)系的進(jìn)程之間，完成數(shù)據(jù)傳遞。調(diào)用pipe系統(tǒng)函數(shù)即可創(chuàng)建一個(gè)管道。有如下特質(zhì)：

1. 其本質(zhì)是一個(gè)偽文件(實(shí)為內(nèi)核緩沖區(qū))
2. 由兩個(gè)文件描述符引用，一個(gè)表示讀端，一個(gè)表示寫端。
3. 規(guī)定數(shù)據(jù)從管道的寫端流入管道，從讀端流出。

管道的原理: 管道實(shí)為內(nèi)核使用環(huán)形隊(duì)列機(jī)制，借助內(nèi)核緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)。

管道的局限性：

1. 數(shù)據(jù)自己讀不能自己寫。
2. 數(shù)據(jù)一旦被讀走，便不在管道中存在，不可反復(fù)讀取。
3. 由于管道采用半雙工通信方式。因此，數(shù)據(jù)只能在一個(gè)方向上流動(dòng)。
4. 只能在有公共祖先的進(jìn)程間使用管道。

進(jìn)程如何通過(guò)共享內(nèi)存通信?

它使得多個(gè)進(jìn)程可以訪問(wèn)同一塊內(nèi)存空間，不同進(jìn)程可以及時(shí)看到對(duì)方進(jìn)程中對(duì)共享內(nèi)存中數(shù)據(jù)得更新。這種方式需要依靠某種同步操作，如互斥鎖和信號(hào)量等。

特點(diǎn)：

1. 共享內(nèi)存是最快的一種IPC，因?yàn)檫M(jìn)程是直接對(duì)內(nèi)存進(jìn)行操作來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，避免了數(shù)據(jù)在用戶空間和內(nèi)核空間來(lái)回拷貝。
2. 因?yàn)槎鄠€(gè)進(jìn)程可以同時(shí)操作，所以需要進(jìn)行同步處理。
3. 信號(hào)量和共享內(nèi)存通常結(jié)合在一起使用，信號(hào)量用來(lái)同步對(duì)共享內(nèi)存的訪問(wèn)。

什么是信號(hào)

一個(gè)信號(hào)就是一條小消息，它通知進(jìn)程系統(tǒng)中發(fā)生了一個(gè)某種類型的事件。Linux 系統(tǒng)上支持的30 種不同類型的信號(hào)。每種信號(hào)類型都對(duì)應(yīng)于某種系統(tǒng)事件。低層的硬件異常是由內(nèi)核異常處理程序處理的，正常情況下，對(duì)用戶進(jìn)程而言是不可見(jiàn)的。信號(hào)提供了一種機(jī)制，通知用戶進(jìn)程發(fā)生了這些異常。

發(fā)送信號(hào)：內(nèi)核通過(guò)更新目的進(jìn)程上下文中的某個(gè)狀態(tài)，發(fā)送(遞送)一個(gè)信號(hào)給目的進(jìn)程。發(fā)送信號(hào)可以有如下兩種原因：

• 內(nèi)核檢測(cè)到一個(gè)系統(tǒng)事件，比如除零錯(cuò)誤或者子進(jìn)程終止。
• —個(gè)進(jìn)程調(diào)用了kill 函數(shù)， 顯式地要求內(nèi)核發(fā)送一個(gè)信號(hào)給目的進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程可以發(fā)送信號(hào)給它自己。

接收信號(hào)：當(dāng)目的進(jìn)程被內(nèi)核強(qiáng)迫以某種方式對(duì)信號(hào)的發(fā)送做出反應(yīng)時(shí)，它就接收了信號(hào)。進(jìn)程可以忽略這個(gè)信號(hào)，終止或者通過(guò)執(zhí)行一個(gè)稱為信號(hào)處理程序(signal handler)的用戶層函數(shù)捕獲這個(gè)信號(hào)。

如何編寫正確且安全的信號(hào)處理函數(shù)

1.處理程序要盡可能簡(jiǎn)單。避免麻煩的最好方法是保持處理程序盡可能小和簡(jiǎn)單。例如，處理程序可能只是簡(jiǎn)單地設(shè)置全局標(biāo)志并立即返回;所有與接收信號(hào)相關(guān)的處理都由主程序執(zhí)行，它周期性地檢查(并重置)這個(gè)標(biāo)志。

2.在處理程序中只調(diào)用異步信號(hào)安全的函數(shù)。所謂異步信號(hào)安全的函數(shù)(或簡(jiǎn)稱安全的函數(shù))能夠被信號(hào)處理程序安全地調(diào)用，原因有二：要么它是可重入的(例如只訪問(wèn)局部變量)，要么它不能被信號(hào)處理程序中斷。

3.保存和恢復(fù)errno。許多Linux 異步信號(hào)安全的函數(shù)都會(huì)在出錯(cuò)返回時(shí)設(shè)置errno在處理程序中調(diào)用這樣的函數(shù)可能會(huì)干擾主程序中其他依賴于分。解決方法是在進(jìn)人處理程序時(shí)把errno 保存在一個(gè)局部變量中，在處理程序返回前恢復(fù)它。注意，只有在處理程序要返回時(shí)才有此必要。如果處理程序調(diào)用_exit終止該進(jìn)程，那么就不需要這樣做了。

4.阻塞所有的信號(hào)，保護(hù)對(duì)共享全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的訪問(wèn)。如果處理程序和主程序或其他處理程序共享一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那么在訪問(wèn)(讀或者寫)該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，你的處理程序和主程序應(yīng)該暫時(shí)阻塞所有的信號(hào)。這條規(guī)則的原因是從主程序訪問(wèn)一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)d 通常需要一系列的指令，如果指令序列被訪問(wèn)d 的處理程序中斷，那么處理程序可能會(huì)發(fā)現(xiàn)d 的狀態(tài)不一致，得到不可預(yù)知的結(jié)果。在訪問(wèn)d 時(shí)暫時(shí)阻塞信號(hào)保證了處理程序不會(huì)中斷該指令序列。

5.用volatile 聲明全局變量?？紤]一個(gè)處理程序和一個(gè)main 函數(shù)，它們共享一個(gè)全局變量g 。處理程序更新g，main 周期性地讀g， 對(duì)于一個(gè)優(yōu)化編譯器而言，main 中g(shù)的值看上去從來(lái)沒(méi)有變化過(guò)，因此使用緩存在寄存器中g(shù) 的副本來(lái)滿足對(duì)g 的每次引用是很安全的。如果這樣，main 函數(shù)可能永遠(yuǎn)都無(wú)法看到處理程序更新過(guò)的值?？梢杂胿olatile 類型限定符來(lái)定義一個(gè)變量，告訴編譯器不要緩存這個(gè)變量。例如：volatile 限定符強(qiáng)迫編譯器毎次在代碼中引用g時(shí)，都要從內(nèi)存中讀取g的值。一般來(lái)說(shuō)，和其他所有共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一樣，應(yīng)該暫時(shí)阻塞信號(hào)，保護(hù)每次對(duì)全局變量的訪問(wèn)。

volatile int g; 

6.用sig_atomic_t聲明標(biāo)志。在常見(jiàn)的處理程序設(shè)計(jì)中，處理程序會(huì)寫全局標(biāo)志來(lái)記錄收到了信號(hào)。主程序周期性地讀這個(gè)標(biāo)志，響應(yīng)信號(hào)，再清除該標(biāo)志。對(duì)于通過(guò)這種方式來(lái)共享的標(biāo)志，C 提供一種整型數(shù)據(jù)類型sig_atomic_t對(duì)它的讀和寫保證會(huì)是原子的(不可中斷的)。

7.信號(hào)的一個(gè)與直覺(jué)不符的方面是未處理的信號(hào)是不排隊(duì)的。因?yàn)?pending 位向量中每種類型的信號(hào)只對(duì)應(yīng)有一位，所以每種類型最多只能有一個(gè)未處理的信號(hào)。關(guān)鍵思想是如果存在一個(gè)未處理的信號(hào)就表明至少有一個(gè)信號(hào)到達(dá)了。

進(jìn)程調(diào)度的時(shí)機(jī)

1. 當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程運(yùn)行結(jié)束。
2. 當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程由于某種原因阻塞。
3. 執(zhí)行完系統(tǒng)調(diào)用等系統(tǒng)程序后返回用戶進(jìn)程。
4. 在使用搶占調(diào)度的系統(tǒng)中，具有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程就緒時(shí)。
5. 分時(shí)系統(tǒng)中，分給當(dāng)前進(jìn)程的時(shí)間片用完。

不能進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度的情況

1. 在中斷處理程序執(zhí)行時(shí)。
2. 在操作系統(tǒng)的內(nèi)核程序臨界區(qū)內(nèi)。
3. 其它需要完全屏蔽中斷的原子操作過(guò)程中。

進(jìn)程的調(diào)度策略

1. 先到先服務(wù)調(diào)度算法
2. 短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法
3. 優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法
4. 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法
5. 高響應(yīng)比優(yōu)先調(diào)度算法
6. 多級(jí)隊(duì)列調(diào)度算法
7. 多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法

進(jìn)程調(diào)度策略的基本設(shè)計(jì)指標(biāo)

1. CPU利用率
2. 系統(tǒng)吞吐率，即單位時(shí)間內(nèi)CPU完成的作業(yè)的數(shù)量。
3. 響應(yīng)時(shí)間。
4. 周轉(zhuǎn)時(shí)間。是指作業(yè)從提交到完成的時(shí)間間隔。從每個(gè)作業(yè)的角度看，完成每個(gè)作業(yè)的時(shí)間也是很關(guān)鍵

• 平均周轉(zhuǎn)時(shí)間
• 帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間
• 平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間

進(jìn)程的狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)換

進(jìn)程在運(yùn)行時(shí)有三種基本狀態(tài)：就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)和阻塞態(tài)。

1.運(yùn)行(running)態(tài)：進(jìn)程占有處理器正在運(yùn)行的狀態(tài)。進(jìn)程已獲得CPU，其程序正在執(zhí)行。在單處理機(jī)系統(tǒng)中，只有一個(gè)進(jìn)程處于執(zhí)行狀態(tài);在多處理機(jī)系統(tǒng)中，則有多個(gè)進(jìn)程處于執(zhí)行狀態(tài)。

2.就緒(ready)態(tài)：進(jìn)程具備運(yùn)行條件，等待系統(tǒng)分配處理器以便運(yùn)行的狀態(tài)。 當(dāng)進(jìn)程已分配到除CPU以外的所有必要資源后，只要再獲得CPU，便可立即執(zhí)行，進(jìn)程這時(shí)的狀態(tài)稱為就緒狀態(tài)。在一個(gè)系統(tǒng)中處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程可能有多個(gè)，通常將它們排成一個(gè)隊(duì)列，稱為就緒隊(duì)列。

3.阻塞(wait)態(tài)：又稱等待態(tài)或睡眠態(tài)，指進(jìn)程不具備運(yùn)行條件，正在等待某個(gè)時(shí)間完成的狀態(tài)。

各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換：

就緒→執(zhí)行 處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程，當(dāng)進(jìn)程調(diào)度程序?yàn)橹峙淞颂幚頇C(jī)后，該進(jìn)程便由就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)變成執(zhí)行狀態(tài)。

執(zhí)行→就緒 處于執(zhí)行狀態(tài)的進(jìn)程在其執(zhí)行過(guò)程中，因分配給它的一個(gè)時(shí)間片已用完而不得不讓出處理機(jī)，于是進(jìn)程從執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變成就緒狀態(tài)。

執(zhí)行→阻塞 正在執(zhí)行的進(jìn)程因等待某種事件發(fā)生而無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行時(shí)，便從執(zhí)行狀態(tài)變成阻塞狀態(tài)。

阻塞→就緒 處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程，若其等待的事件已經(jīng)發(fā)生，于是進(jìn)程由阻塞狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫途w狀態(tài)。

什么是孤兒進(jìn)程?僵尸進(jìn)程?

1.孤兒進(jìn)程：父進(jìn)程退出，子進(jìn)程還在運(yùn)行的這些子進(jìn)程都是孤兒進(jìn)程，孤兒進(jìn)程將被init進(jìn)程(1號(hào)進(jìn)程)所收養(yǎng)，并由init進(jìn)程對(duì)他們完成狀態(tài)收集工作。

2.僵尸進(jìn)程：進(jìn)程使用fork創(chuàng)建子進(jìn)程，如果子進(jìn)程退出，而父進(jìn)程并沒(méi)有調(diào)用wait 獲waitpid 獲取子進(jìn)程的狀態(tài)信息，那么子進(jìn)程的進(jìn)程描述符仍然保存在系統(tǒng)中的這些進(jìn)程是僵尸進(jìn)程。

什么是線程?

1. 是進(jìn)程劃分的任務(wù)，是一個(gè)進(jìn)程內(nèi)可調(diào)度的實(shí)體，是CPU調(diào)度的基本單位，用于保證程序的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程內(nèi)部的并發(fā)。
2. 線程是操作系統(tǒng)可識(shí)別的最小執(zhí)行和調(diào)度單位。每個(gè)線程都獨(dú)自占用一個(gè)虛擬處理器：獨(dú)自的寄存器組，指令計(jì)數(shù)器和處理器狀態(tài)。
3. 每個(gè)線程完成不同的任務(wù)，但是屬于同一個(gè)進(jìn)程的不同線程之間共享同一地址空間(也就是同樣的動(dòng)態(tài)內(nèi)存，映射文件，目標(biāo)代碼等等)，打開(kāi)的文件隊(duì)列和其他內(nèi)核資源。

為什么需要線程?

線程產(chǎn)生的原因：進(jìn)程可以使多個(gè)程序能并發(fā)執(zhí)行，以提高資源的利用率和系統(tǒng)的吞吐量;但是其具有一些缺點(diǎn)：

1. 進(jìn)程在同一時(shí)刻只能做一個(gè)任務(wù)，很多時(shí)候不能充分利用CPU資源。
2. 進(jìn)程在執(zhí)行的過(guò)程中如果發(fā)生阻塞，整個(gè)進(jìn)程就會(huì)掛起，即使進(jìn)程中其它任務(wù)不依賴于等待的資源，進(jìn)程仍會(huì)被阻塞。

引入線程就是為了解決以上進(jìn)程的不足，線程具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

1. 從資源上來(lái)講，開(kāi)辟一個(gè)線程所需要的資源要遠(yuǎn)小于一個(gè)進(jìn)程。
2. 從切換效率上來(lái)講，運(yùn)行于一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程，它們之間使用相同的地址空間，而且線程間彼此切換所需時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)程間切換所需要的時(shí)間(這種時(shí)間的差異主要由于緩存的大量未命中導(dǎo)致)。
3. 從通信機(jī)制上來(lái)講，線程間方便的通信機(jī)制。對(duì)不同進(jìn)程來(lái)說(shuō)，它們具有獨(dú)立的地址空間，要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞只能通過(guò)進(jìn)程間通信的方式進(jìn)行。線程則不然，屬于同一個(gè)進(jìn)程的不同線程之間共享同一地址空間，所以一個(gè)線程的數(shù)據(jù)可以被其它線程感知，線程間可以直接讀寫進(jìn)程數(shù)據(jù)段(如全局變量)來(lái)進(jìn)行通信(需要一些同步措施)。

簡(jiǎn)述線程和進(jìn)程的區(qū)別和聯(lián)系

1. 一個(gè)線程只能屬于一個(gè)進(jìn)程，而一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程，但至少有一個(gè)線程。線程依賴于進(jìn)程而存在。
2. 進(jìn)程在執(zhí)行過(guò)程中擁有獨(dú)立的地址空間，而多個(gè)線程共享進(jìn)程的地址空間。(資源分配給進(jìn)程，同一進(jìn)程的所有線程共享該進(jìn)程的所有資源。同一進(jìn)程中的多個(gè)線程共享代碼段(代碼和常量)，數(shù)據(jù)段(全局變量和靜態(tài)變量)，擴(kuò)展段(堆存儲(chǔ))。但是每個(gè)線程擁有自己的棧段，棧段又叫運(yùn)行時(shí)段，用來(lái)存放所有局部變量和臨時(shí)變量。)
3. 進(jìn)程是資源分配的最小單位，線程是CPU調(diào)度的最小單位。
4. 通信：由于同一進(jìn)程中的多個(gè)線程具有相同的地址空間，使它們之間的同步和通信的實(shí)現(xiàn)，也變得比較容易。進(jìn)程間通信IPC，線程間可以直接讀寫進(jìn)程數(shù)據(jù)段(如全局變量)來(lái)進(jìn)行通信(需要一些同步方法，以保證數(shù)據(jù)的一致性)。
5. 進(jìn)程編程調(diào)試簡(jiǎn)單可靠性高，但是創(chuàng)建銷毀開(kāi)銷大;線程正相反，開(kāi)銷小，切換速度快，但是編程調(diào)試相對(duì)復(fù)雜。
6. 進(jìn)程間不會(huì)相互影響;一個(gè)進(jìn)程內(nèi)某個(gè)線程掛掉將導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程掛掉。
7. 進(jìn)程適應(yīng)于多核、多機(jī)分布;線程適用于多核。

進(jìn)程和線程的基本API

進(jìn)程API以Unix系統(tǒng)為例，線程相關(guān)的API屬于Posix線程(Pthreads)標(biāo)準(zhǔn)接口。

進(jìn)程原語(yǔ)	線程原語(yǔ)	描述
fork	pthread_create	創(chuàng)建新的控制流
exit	pthread_exit	從現(xiàn)有的控制流中退出
waitpid	pthread_join	從控制流中得到退出狀態(tài)
atexit	pthread_cancel_push	注冊(cè)在退出控制流時(shí)調(diào)用的函數(shù)
getpid	pthread_self	獲取控制流的ID
abort	pthread_cancel	請(qǐng)求控制流的非正常退出

多線程模型

1. 多對(duì)一模型。將多個(gè)用戶級(jí)線程映射到一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程上。該模型下，線程在用戶空間進(jìn)行管理，效率較高。缺點(diǎn)就是一個(gè)線程阻塞，整個(gè)進(jìn)程內(nèi)的所有線程都會(huì)阻塞。幾乎沒(méi)有系統(tǒng)繼續(xù)使用這個(gè)模型。
2. 一對(duì)一模型。將內(nèi)核線程與用戶線程一一對(duì)應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)線程阻塞時(shí)，不會(huì)影響到其它線程的執(zhí)行。該模型具有更好的并發(fā)性。缺點(diǎn)是內(nèi)核線程數(shù)量一般有上限，會(huì)限制用戶線程的數(shù)量。更多的內(nèi)核線程數(shù)目也給線程切換帶來(lái)額外的負(fù)擔(dān)。linux和Windows操作系統(tǒng)家族都是使用一對(duì)一模型。
3. 多對(duì)多模型。將多個(gè)用戶級(jí)線程映射到多個(gè)內(nèi)核級(jí)線程上。結(jié)合了多對(duì)一模型和一對(duì)一模型的特點(diǎn)。

進(jìn)程同步的方法

操作系統(tǒng)中，進(jìn)程是具有不同的地址空間的，兩個(gè)進(jìn)程是不能感知到對(duì)方的存在的。有時(shí)候，需要多個(gè)進(jìn)程來(lái)協(xié)同完成一些任務(wù)。當(dāng)多個(gè)進(jìn)程需要對(duì)同一個(gè)內(nèi)核資源進(jìn)行操作時(shí)，這些進(jìn)程便是競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，操作系統(tǒng)必須協(xié)調(diào)各個(gè)進(jìn)程對(duì)資源的占用，進(jìn)程的互斥是解決進(jìn)程間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的方法。進(jìn)程互斥指若干個(gè)進(jìn)程要使用同一共享資源時(shí)，任何時(shí)刻最多允許一個(gè)進(jìn)程去使用，其他要使用該資源的進(jìn)程必須等待，直到占有資源的進(jìn)程釋放該資源。當(dāng)多個(gè)進(jìn)程協(xié)同完成一些任務(wù)時(shí)，不同進(jìn)程的執(zhí)行進(jìn)度不一致，這便產(chǎn)生了進(jìn)程的同步問(wèn)題。需要操作系統(tǒng)干預(yù)，在特定的同步點(diǎn)對(duì)所有進(jìn)程進(jìn)行同步，這種協(xié)作進(jìn)程之間相互等待對(duì)方消息或信號(hào)的協(xié)調(diào)關(guān)系稱為進(jìn)程同步。進(jìn)程互斥本質(zhì)上也是一種進(jìn)程同步。進(jìn)程的同步方法：

1. 互斥鎖
2. 讀寫鎖
3. 條件變量
4. 記錄鎖(record locking)
5. 信號(hào)量
6. 屏障(barrier)

線程同步的方法

操作系統(tǒng)中，屬于同一進(jìn)程的線程之間具有相同的地址空間，線程之間共享數(shù)據(jù)變得簡(jiǎn)單高效。遇到競(jìng)爭(zhēng)的線程同時(shí)修改同一數(shù)據(jù)或是協(xié)作的線程設(shè)置同步點(diǎn)的問(wèn)題時(shí)，需要使用一些線程同步的方法來(lái)解決這些問(wèn)題。

線程同步的方法：

1. 互斥鎖
2. 讀寫鎖
3. 條件變量
4. 信號(hào)量
5. 自旋鎖
6. 屏障(barrier)

進(jìn)程同步與線程同步有什么區(qū)別

進(jìn)程之間地址空間不同，不能感知對(duì)方的存在，同步時(shí)需要將鎖放在多進(jìn)程共享的空間。而線程之間共享同一地址空間，同步時(shí)把鎖放在所屬的同一進(jìn)程空間即可。

死鎖是怎樣產(chǎn)生的?

死鎖是指兩個(gè)或兩個(gè)以上進(jìn)程在執(zhí)行過(guò)程中，因爭(zhēng)奪資源而造成的下相互等待的現(xiàn)象。產(chǎn)生死鎖需要滿足下面四個(gè)條件：

1. 互斥條件：進(jìn)程對(duì)所分配到的資源不允許其他進(jìn)程訪問(wèn)，若其他進(jìn)程訪問(wèn)該資源，只能等待，直至占有該資源的進(jìn)程使用完成后釋放該資源。
2. 占有并等待條件：進(jìn)程獲得一定的資源后，又對(duì)其他資源發(fā)出請(qǐng)求，但是該資源可能被其他進(jìn)程占有，此時(shí)請(qǐng)求阻塞，但該進(jìn)程不會(huì)釋放自己已經(jīng)占有的資源。
3. 非搶占條件：進(jìn)程已獲得的資源，在未完成使用之前，不可被剝奪，只能在使用后自己釋放。
4. 循環(huán)等待條件：進(jìn)程發(fā)生死鎖后，必然存在一個(gè)進(jìn)程-資源之間的環(huán)形鏈。

如何解決死鎖問(wèn)題?

解決死鎖的方法即破壞產(chǎn)生死鎖的四個(gè)必要條件之一，主要方法如下:

1. 資源一次性分配，這樣就不會(huì)再有請(qǐng)求了(破壞請(qǐng)求條件)。
2. 只要有一個(gè)資源得不到分配，也不給這個(gè)進(jìn)程分配其他的資源(破壞占有并等待條件)。
3. 可搶占資源：即當(dāng)進(jìn)程新的資源未得到滿足時(shí)，釋放已占有的資源，從而破壞不可搶占的條件。
4. 資源有序分配法：系統(tǒng)給每類資源賦予一個(gè)序號(hào)，每個(gè)進(jìn)程按編號(hào)遞增的請(qǐng)求資源，釋放則相反，從而破壞環(huán)路等待的條件

什么是虛擬地址，什么是物理地址?

地址空間是一個(gè)非負(fù)整數(shù)地址的有序集合。

在一個(gè)帶虛擬內(nèi)存的系統(tǒng)中，CPU 從一個(gè)有N=pow(2,n)個(gè)地址的地址空間中生成虛擬地址，這個(gè)地址空間稱為虛擬地址空間(virtual address space),現(xiàn)代系統(tǒng)通常支持 32 位或者 64 位虛擬地址空間。

一個(gè)系統(tǒng)還有一個(gè)物理地址空間(physical address space)，對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)中物理內(nèi)存的M 個(gè)字節(jié)。

地址空間的概念是很重要的，因?yàn)樗宄貐^(qū)分了數(shù)據(jù)對(duì)象(字節(jié))和它們的屬性(地址)。

一旦認(rèn)識(shí)到了這種區(qū)別，那么我們就可以將其推廣，允許每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象有多個(gè)獨(dú)立的地址，其中每個(gè)地址都選自一個(gè)不同的地址空間。這就是虛擬內(nèi)存的基本思想。

主存中的每字節(jié)都有一個(gè)選自虛擬地址空間的虛擬地址和一個(gè)選自物理地址空間的物理地址。

什么是虛擬內(nèi)存?

為了更加有效地管理內(nèi)存并且少出錯(cuò)，現(xiàn)代系統(tǒng)提供了一種對(duì)主存的抽象概念，叫做虛擬內(nèi)存(VM)。虛擬內(nèi)存是硬件異常、硬件地址翻譯、主存、磁盤文件和內(nèi)核軟件的完美交互，它為每個(gè)進(jìn)程提供了一個(gè)大的、一致的和私有的地址空間。通過(guò)一個(gè)很清晰的機(jī)制，虛擬內(nèi)存提供了三個(gè)重要的能力：

1. 它將主存看成是一個(gè)存儲(chǔ)在磁盤上的地址空間的高速緩存，在主存中只保存活動(dòng)區(qū)域，并根據(jù)需要在磁盤和主存之間來(lái)回傳送數(shù)據(jù)，通過(guò)這種方式，它高效地使用了主存。
2. 它為每個(gè)進(jìn)程提供了一致的地址空間，從而簡(jiǎn)化了內(nèi)存管理。
3. 它保護(hù)了每個(gè)進(jìn)程的地址空間不被其他進(jìn)程破壞。

為什么要引入虛擬內(nèi)存?

虛擬內(nèi)存作為緩存的工具

• 虛擬內(nèi)存被組織為一個(gè)由存放在磁盤上的N個(gè)連續(xù)的字節(jié)大小的單元組成的數(shù)組。
• 虛擬內(nèi)存利用DRAM緩存來(lái)自通常更大的虛擬地址空間的頁(yè)面。

虛擬內(nèi)存作為內(nèi)存管理的工具。操作系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程提供了一個(gè)獨(dú)立的頁(yè)表，也就是獨(dú)立的虛擬地址空間。多個(gè)虛擬頁(yè)面可以映射到同一個(gè)物理頁(yè)面上。

• 一般：每個(gè)進(jìn)程有各自私有的代碼，數(shù)據(jù)，堆棧，是不和其他進(jìn)程共享的，這樣OS創(chuàng)建頁(yè)表，將虛擬頁(yè)映射到不連續(xù)的物理頁(yè)面。
• 某些情況下，需要進(jìn)程來(lái)共享代碼和數(shù)據(jù)。例如每個(gè)進(jìn)程調(diào)用相同的操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼，或者C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)。OS會(huì)把不同進(jìn)程中適當(dāng)?shù)奶摂M頁(yè)面映射到相同的物理頁(yè)面。
• 加載器從不在磁盤到內(nèi)存實(shí)際復(fù)制任何數(shù)據(jù)，在每個(gè)頁(yè)初次被引用時(shí)，虛擬內(nèi)存系統(tǒng)會(huì)按照需要自動(dòng)的調(diào)入數(shù)據(jù)頁(yè)。
• 例如：一個(gè)給定的linux系統(tǒng)上的每個(gè)進(jìn)程都是用類似的內(nèi)存格式，對(duì)于64為地址空間，代碼段總是從虛擬地址)0x400000開(kāi)始，數(shù)據(jù)段，代碼段，棧，堆等等。
• 簡(jiǎn)化鏈接： 獨(dú)立的地址空間允許每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存映像使用相同的基本格式，而不管代碼和數(shù)據(jù)實(shí)際存放在物理內(nèi)存的何處。
• 簡(jiǎn)化加載： 虛擬內(nèi)存還使得容易向內(nèi)存中加載可執(zhí)行文件和共享對(duì)象文件。要把目標(biāo)文件中.text和.data節(jié)加載到一個(gè)新創(chuàng)建的進(jìn)程中，Linux加載器為代碼和數(shù)據(jù)段分配虛擬頁(yè)VP，把他們標(biāo)記為無(wú)效(未被緩存) ，將頁(yè)表?xiàng)l目指向目標(biāo)文件的起始位置。
• 簡(jiǎn)化共享： 獨(dú)立地址空間為OS提供了一個(gè)管理用戶進(jìn)程和操作系統(tǒng)自身之間共享的一致機(jī)制。
• 簡(jiǎn)化內(nèi)存分配： 虛擬內(nèi)存向用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單的分配額外內(nèi)存的機(jī)制。當(dāng)一個(gè)運(yùn)行在用戶進(jìn)程中的程序要求額外的堆空間時(shí)(如malloc)，OS分配一個(gè)適當(dāng)k大小個(gè)連續(xù)的虛擬內(nèi)存頁(yè)面，并且將他們映射到物理內(nèi)存中任意位置的k個(gè)任意物理頁(yè)面，因此操作系統(tǒng)沒(méi)有必要分配k個(gè)連續(xù)的物理內(nèi)存頁(yè)面，頁(yè)面可以隨機(jī)的分散在物理內(nèi)存中。

虛擬內(nèi)存作為內(nèi)存保護(hù)的工具。不應(yīng)該允許一個(gè)用戶進(jìn)程修改它的只讀段，也不允許它修改任何內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不允許讀寫其他進(jìn)程的私有內(nèi)存，不允許修改任何與其他進(jìn)程共享的虛擬頁(yè)面。每次CPU生成一個(gè)地址時(shí)，MMU會(huì)讀一個(gè)PTE，通過(guò)在PTE上添加一些額外的許可位來(lái)控制對(duì)一個(gè)虛擬頁(yè)面內(nèi)容的訪問(wèn)十分簡(jiǎn)單。

常見(jiàn)的頁(yè)面置換算法

當(dāng)訪問(wèn)一個(gè)內(nèi)存中不存在的頁(yè)，并且內(nèi)存已滿，則需要從內(nèi)存中調(diào)出一個(gè)頁(yè)或?qū)?shù)據(jù)送至磁盤對(duì)換區(qū)，替換一個(gè)頁(yè)，這種現(xiàn)象叫做缺頁(yè)置換。當(dāng)前操作系統(tǒng)最常采用的缺頁(yè)置換算法如下：

• 先進(jìn)先出(FIFO)算法：
  • 思路：置換最先調(diào)入內(nèi)存的頁(yè)面，即置換在內(nèi)存中駐留時(shí)間最久的頁(yè)面。
  • 實(shí)現(xiàn)：按照進(jìn)入內(nèi)存的先后次序排列成隊(duì)列，從隊(duì)尾進(jìn)入，從隊(duì)首刪除。
  • 特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單;性能較差，調(diào)出的頁(yè)面可能是經(jīng)常訪問(wèn)的
• 最近最少使用(LRU)算法:
  • 思路：置換最近一段時(shí)間以來(lái)最長(zhǎng)時(shí)間未訪問(wèn)過(guò)的頁(yè)面。根據(jù)程序局部性原理，剛被訪問(wèn)的頁(yè)面，可能馬上又要被訪問(wèn);而較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有被訪問(wèn)的頁(yè)面，可能最近不會(huì)被訪問(wèn)。
  • 實(shí)現(xiàn)：缺頁(yè)時(shí)，計(jì)算內(nèi)存中每個(gè)邏輯頁(yè)面的上一次訪問(wèn)時(shí)間，選擇上一次使用到當(dāng)前時(shí)間最長(zhǎng)的頁(yè)面
  • 特點(diǎn)：可能達(dá)到最優(yōu)的效果，維護(hù)這樣的訪問(wèn)鏈表開(kāi)銷比較大

當(dāng)前最常采用的就是LRU算法。

• 最不常用算法(Least Frequently Used, LFU)
  • 思路：缺頁(yè)時(shí)，置換訪問(wèn)次數(shù)最少的頁(yè)面
  • 實(shí)現(xiàn)：每個(gè)頁(yè)面設(shè)置一個(gè)訪問(wèn)計(jì)數(shù)，訪問(wèn)頁(yè)面時(shí)，訪問(wèn)計(jì)數(shù)加1，缺頁(yè)時(shí)，置換計(jì)數(shù)最小的頁(yè)面
  • 特點(diǎn)：算法開(kāi)銷大，開(kāi)始時(shí)頻繁使用，但以后不使用的頁(yè)面很難置換

請(qǐng)說(shuō)一下什么是寫時(shí)復(fù)制?

• 如果有多個(gè)進(jìn)程要讀取它們自己的那部門資源的副本，那么復(fù)制是不必要的。每個(gè)進(jìn)程只要保存一個(gè)指向這個(gè)資源的指針就可以了。只要沒(méi)有進(jìn)程要去修改自己的“副本”，就存在著這樣的幻覺(jué)：每個(gè)進(jìn)程好像獨(dú)占那個(gè)資源。從而就避免了復(fù)制帶來(lái)的負(fù)擔(dān)。如果一個(gè)進(jìn)程要修改自己的那份資源“副本”，那么就會(huì)復(fù)制那份資源，并把復(fù)制的那份提供給進(jìn)程。不過(guò)其中的復(fù)制對(duì)進(jìn)程來(lái)說(shuō)是透明的。這個(gè)進(jìn)程就可以修改復(fù)制后的資源了，同時(shí)其他的進(jìn)程仍然共享那份沒(méi)有修改過(guò)的資源。所以這就是名稱的由來(lái)：在寫入時(shí)進(jìn)行復(fù)制。
• 寫時(shí)復(fù)制的主要好處在于：如果進(jìn)程從來(lái)就不需要修改資源，則不需要進(jìn)行復(fù)制。惰性算法的好處就在于它們盡量推遲代價(jià)高昂的操作，直到必要的時(shí)刻才會(huì)去執(zhí)行。
• 在使用虛擬內(nèi)存的情況下，寫時(shí)復(fù)制(Copy-On-Write)是以頁(yè)為基礎(chǔ)進(jìn)行的。所以，只要進(jìn)程不修改它全部的地址空間，那么就不必復(fù)制整個(gè)地址空間。在fork()調(diào)用結(jié)束后，父進(jìn)程和子進(jìn)程都相信它們有一個(gè)自己的地址空間，但實(shí)際上它們共享父進(jìn)程的原始頁(yè)，接下來(lái)這些頁(yè)又可以被其他的父進(jìn)程或子進(jìn)程共享。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的概念

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Real-time operating system, RTOS)，又稱即時(shí)操作系統(tǒng)，它會(huì)按照排序運(yùn)行、管理系統(tǒng)資源，并為開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序提供一致的基礎(chǔ)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與一般的操作系統(tǒng)相比，最大的特色就是“實(shí)時(shí)性”，如果有一個(gè)任務(wù)需要執(zhí)行，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)馬上(在較短時(shí)間內(nèi))執(zhí)行該任務(wù)，不會(huì)有較長(zhǎng)的延時(shí)。這種特性保證了各個(gè)任務(wù)的及時(shí)執(zhí)行。

優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)是什么?如何解決

由于多進(jìn)程共享資源，具有最高優(yōu)先權(quán)的進(jìn)程被低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程阻塞，反而使具有中優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程先于高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程執(zhí)行，導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。這就是所謂的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)(Priority Inversion)。其實(shí),優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)是在高優(yōu)級(jí)(假設(shè)為A)的任務(wù)要訪問(wèn)一個(gè)被低優(yōu)先級(jí)任務(wù)(假設(shè)為C)占有的資源時(shí),被阻塞.而此時(shí)又有優(yōu)先級(jí)高于占有資源的任務(wù)(C)而低于被阻塞的任務(wù)(A)的優(yōu)先級(jí)的任務(wù)(假設(shè)為B)時(shí),于是,占有資源的任務(wù)就被掛起(占有的資源仍為它占有),因?yàn)檎加匈Y源的任務(wù)優(yōu)先級(jí)很低,所以,它可能一直被另外的任務(wù)掛起.而它占有的資源也就一直不能釋放,這樣,引起任務(wù)A一直沒(méi)辦法執(zhí)行.而比它優(yōu)先低的任務(wù)卻可以執(zhí)行。

目前解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)有許多種方法。其中普遍使用的有2種方法：一種被稱作優(yōu)先級(jí)繼承(priority inheritance);另一種被稱作優(yōu)先級(jí)極限(priority ceilings)。

1. 優(yōu)先級(jí)繼承(priority inheritance) 優(yōu)先級(jí)繼承是指將低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)提升到等待它所占有的資源的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí).當(dāng)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)由于等待資源而被阻塞時(shí),此時(shí)資源的擁有者的優(yōu)先級(jí)將會(huì)自動(dòng)被提升。
2. 優(yōu)先級(jí)天花板(priority ceilings)優(yōu)先級(jí)天花板是指將申請(qǐng)某資源的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)提升到可能訪問(wèn)該資源的所有任務(wù)中最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí).(這個(gè)優(yōu)先級(jí)稱為該資源的優(yōu)先級(jí)天花板)。