进程管理

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进程与线程

1、进程和线程的区别？

	进程	线程
定义	进程是操作系统分配资源的单位	线程是任务调度和执行的基本单位
切换情况	进程CPU环境(栈、寄存器、页表和文件句柄等)的保存以及新调度进程环境的设置	保存和设置程序计数器，少量寄存器和栈的内容
关联特性	不同进程之间实现并发，各自占用CPU时间片	一个进程内部多个线程并发执行
系统开销	切换虚拟地址空间，切换内核栈和硬件上下文，CPU告诉缓存失效、页表切换，开销很大	切换时只需要保存和设置少量寄存器内容，有一定的开销
通信方式	进程之间的通信需要借助操作系统，比如管道、消息队列、Socket通信等	线程之间可以直接读写进程数据段，来进行通信
安全性	多进程安全性比较好，在某一个进程出问题时，其他进程一般不会受影响	在多线程的情况下，一个线程执行了非法操作会导致整个进程退出

**定义区别：**创建进程的时候需要分配空间，比如栈区、文件映射区、堆区、静态区、常量区、代码段，因此也会说进程是资源分配的最小单位；线程则是程序执行的基本单位，每个进程中都有唯一的主线程，主线程和进程是相互依存的关系。
**共享资源区别：**每个进程有自己的独立地址空间，不与其他进程分享；一个进程可以有多个线程，彼此共享一个地址空间。堆内存、文件、套接字等资源都归进程管理，同一个进程里的多个线程可以共享使用。每个进程占用的内存和资源，会在进程退出或被杀死时返回给操作系统。
**上下文切换区别：**进程和线程上下文切换的时候，都会发生内核态和用户态的切换，进程间的切换需要切换CPU上下文、切换页表，切换页表会影响TLB（对页表的高速缓存）的命中率，那么虚拟地址转换为实际物理地址就会变慢，但是线程只需要切换CPU上下文，不会改变虚拟地址空间，不会影响TLB命中率。
**安全性区别：**并发应用可以用多进程或多线程的方式。多线程由于可以共享资源，效率高；多进程不共享地址空间和资源，在需要共享数据时效率低。但多进程性能好，在某一个进程出问题时，其他进程一般不受影响；而在多线程的情况下，一个线程执行了非法操作会导致整个进程退出。

2、进程有哪些状态？

理论上，进程分为5种状态，创建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态、结束状态。

一个进程刚开始创建的时候是创建状态，随后会进入就绪状态，等待被操作系统调度，当进程被调度器选中后，就会进入运行状态，此时进程就持有CPU执行权，当进程发生I/O事件的时候，就会进入阻塞状态，等待I/O事件完成，I/O事件完成后进程就恢复为就绪状态，当进程退出后，就会变为结束状态。

Linux进程中有7中状态：

可运行状态，该状态表示进程正在运行或者等待被调度。
在运行中的进程，一旦要进行一些I/O操作，需要等待I/O完毕，这个时候会释放CPU，进入睡眠状态。Linux将睡眠状态分为了两种，一种是可中断的睡眠状态，另一种是不可中断的睡眠状态，这两种状态的区别是能否响应收到的信号，可中断的睡眠状态在等待I/O完毕期间，如果收到了其他信号，还是可以被唤醒，而不可中断的睡眠状态在等待I/O完毕期间，只有等待I/O完毕才有可能返回运行状态，任何信号都无法打断它。如果这种状态的进程出错，无法杀死，只有重启。
暂停状态，当进程接收到SIGSTOP、SIGTTIN、SIGTSTP、SIGTTOU信号之后进入该状态。
跟踪状态，当对进程进行gdb调试的时候，进程会进入跟踪状态。
僵尸状态，当子进程先于父进程退出后，父进程没有执行wait或waitpid函数来收回子进程的时候，子进程的状态就会变为僵尸状态，表示已经死亡的进程，但是进程ID还留着。
结束状态，当进程正确退出后，就进入结束状态，是进程的最终状态。

3、僵尸进程，孤儿进程，守护进程的区别？

僵尸进程是指子进程已经终止，但其父进程尚未调用wait()或waitpid()函数来获取子进程的终止状态，导致子进程的进程描述符仍然保留在系统进程表中，成为僵尸进程，僵尸进程不占用系统资源，但会占用一个进程PID。

孤儿进程是指父进程先于子进程退出或异常终止，导致子进程成为孤儿进程。孤儿进程会被init进程(进程ID为1)接管，init进程会成为孤儿进程的新的父进程。

守护进程是在后台运行的一种特殊机制，不与任何终端关联，关闭终端并不会影响守护进程的生命周期，守护进程的生命周期通常是伴随系统的启动和关闭，会一直在后台运行。

协程

1、什么是协程？

协程是一个用户态的线程，用户在堆上模拟出协程的栈空间。当需要进行协程上下文切换的时候，主线程只需要交换栈空间和恢复协程的一些相关的寄存器状态，就可以实现上下文切换。相比于线程上下文切换，没有了从用户态转换到内核态的切换成本。

2、协程和线程有什么区别？

线程调度由内核负责，协程调度由用户负责，所以协程的切换是比线程快的，因为协程的切换不用经过操作系统用户态与内核态的切换，并且协程的切换只需要保留极少的状态和寄存器变量值，比如SP、BP、PC寄存器，而线程的切换会保留额外的寄存器变量值，比如浮点寄存器。
线程的栈比协程栈大很多，线程的栈大小一般在创建时指定，默认8MB，如果创建成千上万个线程，对于系统会有很大负担，而协程通常是KB级别，比如2K，所以即使创建成千上万个协程，对于系统来说负担也不是太大。另外，线程的栈在运行时不能更改，而协程在Go运行时的帮助下可以动态检测栈的大小，进行扩容和收缩。
协程的调度是协作式调度，当一个协程处理完自己的任务之后，可以主动将执行权限让给其他协程，而线程是抢占式调度，线程的切换的主动权不再线程自己身上。

进程间通信

1、进程间有哪些通信方式？

进程间通信的方式主要有管道、消息队列、共享内存、信号、信号量和Socket通信。

管道通信的数据是无格式的字节流，并且通信方向是单向的，只能在一个方向上流动，管道分为匿名管道和有名管道，匿名管道是没有文件实体的，只能用于存在父子关系的进中程间通信，匿名管道的生命周期随着进程创建而建立，随着进程终止终止而消失。而有名的管道可以用于任何进程间的通信，并且数据可以持久化保存，即使创建的进程退出，其他进程仍然可以使用该管道。
消息队列在内核中是通过链表来组织消息的，克服了管道通信的数据是无格式的问题。
管道和消息队列在读写数据的时候，都需要进过用户态和内核态之间的拷贝过程，共享内存就解决了这个问题，多个进程可以将共享内存映射到各自的虚拟地址空间，实现共享数据的读写，不会涉及用户态和内核态之间的数据拷贝，所以共享内存方式是进程间通信方式里最高效的，不过共享内存带来新的问题，多进程竞争同个共享资源会造成数据的错乱，因为需要同步机制来保证多进程下的读写数据安全。
信号量可以实现进程间的同步和互斥访问共享资源，信号量其实是一个计数器，表示的是资源个数，当一个进程想要访问资源时，他会尝试递减信号量(称为P操作)。如果信号量的值大于0，这个操作会成功，否则进程阻塞，知道信号量变为正数。当进程完成对资源的访问后，它会递增信号量(称为V操作)，允许其他阻塞的进程访问资源。
信号是一种异步的通知机制，用于通知进程某个事件已经发生。当一个信号发送给一个进程时，操作系统会中断进程的正常流程来处理信号，只适用于简单的通知和事件处理。
跨主机通信，通过Socket，可以实现TCP或UDP协议的通信方式。

2、有名管道和匿名管道的区别？

持久性、进程间关系。

匿名管道没有文件实体，不能用于非亲缘进程间通信，只能用于在父子进程之间进行通信，并且匿名管道只存在于创建它的进程内存中，进程退出后即被销毁。
而有名管道存在文件实体，可以用于任意进程间的通信，并且数据可以持久化，即使创建它的进程退出，其他进程仍然可以使用该管道。

3、信号和信号量的区别？

信号用于异步处理异常或特殊事件，而信号量用于同步进程以安全地访问资源共享资源。

信号是一种异步的通知机制，用于通知进程某个事件已经发生。当一个信号发送给一个进程时，操作系统会中断进程的正常流程来处理信号。
信号量是一种用于解决多进程同步和互斥问题的工具，主要用于保护共享资源，防止多个进程同时访问。信号量有一个整数值，该值的含义是可以同时访问某个资源的进程数量。当一个进程想要访问资源时，它会尝试递减信号量(P操作)。如果信号量的值大于0，这个操作成功，否则进程就会阻塞，知道信号量变为整数。当进程完成对资源的访问后，它会递增信号量(V操作)，允许其他阻塞的进程访问资源。

调度

1、进程的调度算法有哪些？

先来先服务（FCFS）：按照进程到达的顺序进行调度，先到达的进程先执行。优势是简单、公平，但可能导致长作业等待时间过长，无法适应实时性要求高的场景。
最短作业优先（SJF）：选择估计运行时间最短的进程优先执行。优势是能够最大程度地减少平均等待时间，但需要准确预测进程的运行时间，这个实现起来会比较困难。
轮转调度：按照时间片的方式轮流调度进程执行，每个进程分配一个固定的时间片，时间片用完之后去切换到下一个进程。优势是公平，但对于长作业和实时性要求高的场景可能不够高效。
优先级调度：为每个进程分配一个优先级，优先级高的进程先执行。可根据不同的调度策略确定优先级，如静态优先级、动态优先级等。优势是能够根据进程的重要性和紧急程度进行调查，但可能导致优先级低的进程长时间等待。
多级反馈队列调度：将进程划分为多个队列，每个队列有不同的优先级和时间片大小，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短，新的进程会被放入到第一级队列的末尾，按先来先服务的原则排队等待被调度，如果在第一梯队列规定的时间片没有运行完成，则将其转入到第二级队列的末尾，以此类推，直至完成。如果进程运行时，有新进程进入优先级较高的队列，则停止当前运行的进程并将其移入到原队列末尾，接着让较高优先级的进程运行。多级反馈队列调度存在的问题，优先级较低的队列可能会被优先级较高的队列长时间占用，导致优先级较低的进程无法得到执行，从而产生饥饿现象。

锁

1、线程间同步方式有哪一些？

Linux系统提供了五种用于线程间同步的方式：互斥量、读写锁、信号量、自旋锁、条件变量。

互斥锁：用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问该资源。只有获得互斥锁的线程才能进入临界区，其他线程需要等待锁的释放。
读写锁：也称为共享-独占锁，允许多个线程同时读取共享资源，但在写操作时需要独占访问。读写锁在读多写少的场景中可以提供更好的并发性能。
信号量：用于控制对一组资源的访问。信号量可以允许多个线程同时访问资源，但是需要再访问前进行P操作和在访问结束后进行V操作，以确保资源正确使用。
自旋锁：是一种忙等待锁，在获取锁之前，线程会一直获取锁，而不会进入睡眠状态。自旋锁适用于保护临界区较小、锁占用时间短暂的情况。
条件变量：用于在线程之间进行条件同步。一个线程可以等待某个条件满足，而另一个线程在满足条件时可以通知等待的线程继续执行。

2、信号量和互斥锁应用场景有什么区别？

信号量（Semaphore）一般以同步的方式对共享资源进行控制，而互斥锁通过互斥的方式对共享资源进行控制。

信号量可以控制有限资源的访问，而互斥锁只能控制一个资源的访问。

互斥量的加锁和解锁必须由同一线程分别对应使用，信号量可以由一个线程释放，另一个线程得到。

3、自旋锁和互斥锁有什么区别？分别适合哪些应用场景？

互斥锁加锁失败的时候，线程会放弃CPU，陷入到内核态，执行线程切换和CPU上下文切换的过程，切换到其他线程，而自旋锁加锁失败后，线程不会放弃CPU，而是选择忙等待，直到它拿到锁。

自旋锁适用于并发竞争时间短暂的情况，可以减少线程切换和CPU上下文切换的开销。互斥锁适用于并发竞争时间较长或资源争用较激烈的情况，可以避免线程忙等待，但会带来线程切换和上下文切换的开销。

4、悲观锁和乐观锁有什么区别？

悲观锁做事比较悲观，它认为多线程同时修改共享资源的概率比较高，很容易出现冲突，造成数据错乱，所以会每次读写共享资源之前，先要加锁，确保任意时刻只有一个线程才能对数据进行读写操作。

乐观锁做事比较乐观，它假定冲突的概率很低，先修改共享资源，再验证这段时间内有没有发生冲突，如果没有其他线程在修改资源那么操作完成，如果有发现其他线程已经修改过这个资源，就放弃本次操作，并选择报错、重试策略。

悲观锁适合并发写多和竞争激烈的场景，这种场景下悲观锁可以避免大量的无用的反复尝试等消耗；乐观锁适合读多写少喝并发不激烈的场景，在这些场景下乐观锁不加锁的特点能让性能大幅提高。

5、乐观锁怎么实现？

乐观锁的实现通常基于版本号或时间戳机制，比如CAS（Compare And Swap）算法，它包含三个参数：内存地址、期望值和新值。

CAS操作会比较内存位置的当前值与期望值是否相等，如果相等，则将内存地址的值更新为新值；如果不想等，则说明其他进程或线程已经修改过内存地址的值，就不会修改数据，会根据不同的业务逻辑去选择报错或者重试。

6、操作系统死锁是如何产生的？

什么是死锁？

死锁是指在并发执行的多个进程或线程中，每个进程或线程都在等待其他进程或线程释放资源，导致所有进程或线程都无法继续执行的一种状态。

回答：当两个或以上线程并行执行的时候，争夺资源而造成相互等待的现象，这时候就发生了死锁。死锁产生的四个必要条件：互斥条件、持有并等待条件、不剥夺条件、环路等待条件。只要上述条件之一不满足，就不会发生死锁。

7、如何避免死锁？

加锁顺序、加锁时限、死锁检测。

加锁顺序：破坏死锁四个必要条件中任意一个就能避免死锁，最常用的方法就是使用资源有序分配法来破坏坏路等待条件，比如线程1先对A资源加锁，再对B资源加锁，线程2，也使用相同的顺序。
加锁时限：在尝试获取锁的时候加一个超时时间，如果超时时间到了，该线程则放弃对该锁的请求。如果一个线程没有在给定的时限内成功获得所有需要的锁，则会进行回退并释放所有已获得的锁，然后等待一段随机的时间重试。这段随机等待的时间让其他线程有机会尝试获取相同的这些锁，并且让该应用在没有获得锁的时候可以继续运行。
死锁检测：当一个线程请求锁失败时，这个线程可以遍历锁的关系图看看是否有死锁发生。

参考资料

https://xiaolincoding.com/os/4_process/process_base.html

https://xiaolincoding.com/os/4_process/process_commu.html

https://xiaolincoding.com/os/4_process/deadlock.html

https://xiaolincoding.com/os/4_process/pessim_and_optimi_lock.html