百战c++（os1）

Posted 2023-01-13 兔老大RabbitMQ

Linux中的锁

互斥锁：mutex，用于保证在任何时刻，都只能有一个线程访问该对象。当获取锁操作失败时，线程会进入睡眠，等待锁释放时被唤醒

读写锁：rwlock，分为读锁和写锁。处于读操作时，可以允许多个线程同时获得读操作。但是同一时刻只能有一个线程可以获得写锁。其它获取写锁失败的线程都会进入睡眠状态，直到写锁释放时被唤醒。 注意：写锁会阻塞其它读写锁。当有一个线程获得写锁在写时，读锁也不能被其它线程获取；写者优先于读者（一旦有写者，则后续读者必须等待，唤醒时优先考虑写者）。适用于读取数据的频率远远大于写数据的频率的场合。

自旋锁：spinlock，在任何时刻同样只能有一个线程访问对象。但是当获取锁操作失败时，不会进入睡眠，而是会在原地自旋。，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁。直到锁被释放。这样节省了线程从睡眠状态到被唤醒期间的消耗，在加锁时间短暂的环境下会极大的提高效率。但如果加锁时间过长，则会非常浪费CPU资源。

说说进程与线程的区别？具体描述下。如何选择进程与线程

程序段、数据段、PCB三部分构成进程实体

进程就绪状态 已经分配好除CPU以外的所有资源。

PCB中包含处理机状态，进程调度信息，进程控制信息，进程标识符。

因此可实现间断性运行，作为独立运行基本单位的标志，提供进程管理所需的信息，提供进程调度所需要的信息，实现与其他进程同步与通信。

1.因为进程拥有独立的堆栈空间和数据段，所以每当启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，系统开销比较大，而线程不一样，线程拥有独立的栈空间，但是共享数据段，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，切换速度也比进程快，效率高，但是正由于进程之间独立的特点，使得进程安全性比较高，也因为进程有独立的地址空间，一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其它进程产生影响，而线程只是一个进程中的不同执行路径。一个线程死掉就等于整个进程死掉。

2.体现在通信机制上面，正因为进程之间互不干扰，相互独立，进程的通信机制相对很复杂，譬如管道，信号，消息队列，共享内存，套接字等通信机制，而线程由于共享数据段所以通信机制很方便。。

3.属于同一个进程的所有线程共享该进程的资源，包括文件描述符。而不同过的进程相互独立。

4.线程必定也只能属于一个进程，而进程可以拥有多个线程而且至少拥有一个线程；

5.进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位；进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位

进程与线程的选择取决以下几点

1、需要频繁创建销毁的优先使用线程；因为对进程来说创建和销毁一个进程代价是很大的。

2、线程的切换速度快，所以在需要大量计算，切换频繁时用线程，还有耗时的操作使用线程可提高应用程序的响应

3、因为对CPU系统的效率使用上线程更占优，所以可能要发展到多机分布的用进程，多核分布用线程；

4、并行操作时使用线程，如C/S架构的服务器端并发线程响应用户的请求；

5、需要更稳定安全时，适合选择进程；需要速度时，选择线程更好。

状态切换 

请你说一说Linux虚拟地址空间

为了防止不同进程同一时刻在物理内存中运行而对物理内存的争夺和践踏，采用了虚拟内存。

虚拟内存技术使得不同进程在运行过程中，它所看到的是自己独自占有了当前系统的4G内存。所有进程共享同一物理内存，每个进程只把自己目前需要的虚拟内存空间映射并存储到物理内存上。 事实上，在每个进程创建加载时，内核只是为进程“创建”了虚拟内存的布局，具体就是初始化进程控制表中内存相关的链表，实际上并不立即就把虚拟内存对应位置的程序数据和代码（比如.text .data段）拷贝到物理内存中，只是建立好虚拟内存和磁盘文件之间的映射就好（叫做存储器映射），等到运行到对应的程序时，才会通过缺页异常，来拷贝数据。还有进程运行过程中，要动态分配内存，比如malloc时，也只是分配了虚拟内存，即为这块虚拟内存对应的页表项做相应设置，当进程真正访问到此数据时，才引发缺页异常。

请求分页系统、请求分段系统和请求段页式系统都是针对虚拟内存的，通过请求实现内存与外存的信息置换。

虚拟内存的好处：

1.扩大地址空间；

2.内存保护：每个进程运行在各自的虚拟内存地址空间，互相不能干扰对方。虚存还对特定的内存地址提供写保护，可以防止代码或数据被恶意篡改。

3.公平内存分配。采用了虚存之后，每个进程都相当于有同样大小的虚存空间。

4.当进程通信时，可采用虚存共享的方式实现。

5.当不同的进程使用同样的代码时，比如库文件中的代码，物理内存中可以只存储一份这样的代码，不同的进程只需要把自己的虚拟内存映射过去就可以了，节省内存

6.虚拟内存很适合在多道程序设计系统中使用，许多程序的片段同时保存在内存中。当一个程序等待它的一部分读入内存时，可以把CPU交给另一个进程使用。在内存中可以保留多个进程，系统并发度提高

7.在程序需要分配连续的内存空间的时候，只需要在虚拟内存空间分配连续空间，而不需要实际物理内存的连续空间，可以利用碎片

虚拟内存的代价：

1.虚存的管理需要建立很多数据结构，这些数据结构要占用额外的内存

2.虚拟地址到物理地址的转换，增加了指令的执行时间。

3.页面的换入换出需要磁盘I/O，这是很耗时的

4.如果一页中只有一部分数据，会浪费内存。

1 页是信息的物理单位，分页是为了实现离散分配方式，以消减内存的外零头，提高内存的利用率。分页仅仅是由于系统管理的需要而不是用户的需要

   段是信息的逻辑单位，分段的目的是为了能更好地满足用户的需要

2 页的大小固定，由系统把逻辑地址划分为页号和页内地址两部分，段的长度却不固定，决定于用户所编写的程序

3 分页的作业地址空间是一维的，即单一的线性地址空间。 分段的作业地址空间是二维的 在标识一个地址时，即需给出段名，又需给出段内地址

请你说一说线程间的同步方式，最好说出具体的系统调用

信号量

信号量是一种特殊的变量，可用于线程同步。它只取自然数值，并且只支持两种操作：

P(SV):如果信号量SV大于0，将它减一；如果SV值为0，则挂起该线程。

V(SV)：如果有其他进程因为等待SV而挂起，则唤醒，然后将SV+1；否则直接将SV+1。

其系统调用为：

sem_wait（sem_t *sem）：以原子操作的方式将信号量减1，如果信号量值为0，则sem_wait将被阻塞，直到这个信号量具有非0值。

sem_post（sem_t *sem)：以原子操作将信号量值+1。当信号量大于0时，其他正在调用sem_wait等待信号量的线程将被唤醒。

互斥量

互斥量又称互斥锁，主要用于线程互斥，不能保证按序访问，可以和条件锁一起实现同步。当进入临界区      时，需要获得互斥锁并且加锁；当离开临界区时，需要对互斥锁解锁，以唤醒其他等待该互斥锁的线程。其主要的系统调用如下：

pthread_mutex_init:初始化互斥锁

pthread_mutex_destroy：销毁互斥锁

pthread_mutex_lock：以原子操作的方式给一个互斥锁加锁，如果目标互斥锁已经被上锁，pthread_mutex_lock调用将阻塞，直到该互斥锁的占有者将其解锁。

pthread_mutex_unlock:以一个原子操作的方式给一个互斥锁解锁。

条件变量

条件变量，又称条件锁，用于在线程之间同步共享数据的值。条件变量提供一种线程间通信机制：当某个共享数据达到某个值时，唤醒等待这个共享数据的一个/多个线程。即，当某个共享变量等于某个值时，调用 signal/broadcast。此时操作共享变量时需要加锁。其主要的系统调用如下：

pthread_cond_init:初始化条件变量

pthread_cond_destroy：销毁条件变量

pthread_cond_signal：唤醒一个等待目标条件变量的线程。哪个线程被唤醒取决于调度策略和优先级。

pthread_cond_wait：等待目标条件变量。需要一个加锁的互斥锁确保操作的原子性。该函数中在进入wait状态前首先进行解锁，然后接收到信号后会再加锁，保证该线程对共享资源正确访问。

请你说一说Linux虚拟地址空间

为了防止不同进程同一时刻在物理内存中运行而对物理内存的争夺和践踏，采用了虚拟内存。

虚拟内存技术使得不同进程在运行过程中，它所看到的是自己独自占有了当前系统的4G内存。所有进程共享同一物理内存，每个进程只把自己目前需要的虚拟内存空间映射并存储到物理内存上。 事实上，在每个进程创建加载时，内核只是为进程“创建”了虚拟内存的布局，具体就是初始化进程控制表中内存相关的链表，实际上并不立即就把虚拟内存对应位置的程序数据和代码（比如.text .data段）拷贝到物理内存中，只是建立好虚拟内存和磁盘文件之间的映射就好（叫做存储器映射），等到运行到对应的程序时，才会通过缺页异常，来拷贝数据。还有进程运行过程中，要动态分配内存，比如malloc时，也只是分配了虚拟内存，即为这块虚拟内存对应的页表项做相应设置，当进程真正访问到此数据时，才引发缺页异常。

请求分页系统、请求分段系统和请求段页式系统都是针对虚拟内存的，通过请求实现内存与外存的信息置换。

虚拟内存的好处：

1.扩大地址空间；

2.内存保护：每个进程运行在各自的虚拟内存地址空间，互相不能干扰对方。虚存还对特定的内存地址提供写保护，可以防止代码或数据被恶意篡改。

3.公平内存分配。采用了虚存之后，每个进程都相当于有同样大小的虚存空间。

4.当进程通信时，可采用虚存共享的方式实现。

5.当不同的进程使用同样的代码时，比如库文件中的代码，物理内存中可以只存储一份这样的代码，不同的进程只需要把自己的虚拟内存映射过去就可以了，节省内存

6.虚拟内存很适合在多道程序设计系统中使用，许多程序的片段同时保存在内存中。当一个程序等待它的一部分读入内存时，可以把CPU交给另一个进程使用。在内存中可以保留多个进程，系统并发度提高

7.在程序需要分配连续的内存空间的时候，只需要在虚拟内存空间分配连续空间，而不需要实际物理内存的连续空间，可以利用碎片

虚拟内存的代价：

1.虚存的管理需要建立很多数据结构，这些数据结构要占用额外的内存

2.虚拟地址到物理地址的转换，增加了指令的执行时间。

3.页面的换入换出需要磁盘I/O，这是很耗时的

4.如果一页中只有一部分数据，会浪费内存。

1 页是信息的物理单位，分页是为了实现离散分配方式，以消减内存的外零头，提高内存的利用率。分页仅仅是由于系统管理的需要而不是用户的需要

   段是信息的逻辑单位，分段的目的是为了能更好地满足用户的需要

2 页的大小固定，由系统把逻辑地址划分为页号和页内地址两部分，段的长度却不固定，决定于用户所编写的程序

3 分页的作业地址空间是一维的，即单一的线性地址空间。 分段的作业地址空间是二维的 在标识一个地址时，即需给出段名，又需给出段内地址

请你说一说线程间的同步方式，最好说出具体的系统调用

信号量

信号量是一种特殊的变量，可用于线程同步。它只取自然数值，并且只支持两种操作：

P(SV):如果信号量SV大于0，将它减一；如果SV值为0，则挂起该线程。

V(SV)：如果有其他进程因为等待SV而挂起，则唤醒，然后将SV+1；否则直接将SV+1。

其系统调用为：

sem_wait（sem_t *sem）：以原子操作的方式将信号量减1，如果信号量值为0，则sem_wait将被阻塞，直到这个信号量具有非0值。

sem_post（sem_t *sem)：以原子操作将信号量值+1。当信号量大于0时，其他正在调用sem_wait等待信号量的线程将被唤醒。

互斥量

互斥量又称互斥锁，主要用于线程互斥，不能保证按序访问，可以和条件锁一起实现同步。当进入临界区      时，需要获得互斥锁并且加锁；当离开临界区时，需要对互斥锁解锁，以唤醒其他等待该互斥锁的线程。其主要的系统调用如下：

pthread_mutex_init:初始化互斥锁

pthread_mutex_destroy：销毁互斥锁

pthread_mutex_lock：以原子操作的方式给一个互斥锁加锁，如果目标互斥锁已经被上锁，pthread_mutex_lock调用将阻塞，直到该互斥锁的占有者将其解锁。

pthread_mutex_unlock:以一个原子操作的方式给一个互斥锁解锁。

条件变量

条件变量，又称条件锁，用于在线程之间同步共享数据的值。条件变量提供一种线程间通信机制：当某个共享数据达到某个值时，唤醒等待这个共享数据的一个/多个线程。即，当某个共享变量等于某个值时，调用 signal/broadcast。此时操作共享变量时需要加锁。其主要的系统调用如下：

pthread_cond_init:初始化条件变量

pthread_cond_destroy：销毁条件变量

pthread_cond_signal：唤醒一个等待目标条件变量的线程。哪个线程被唤醒取决于调度策略和优先级。

pthread_cond_wait：等待目标条件变量。需要一个加锁的互斥锁确保操作的原子性。该函数中在进入wait状态前首先进行解锁，然后接收到信号后会再加锁，保证该线程对共享资源正确访问。

操作系统中的缺页中断

malloc()和mmap()等内存分配函数，在分配时只是建立了进程虚拟地址空间，并没有分配虚拟内存对应的物理内存。当进程访问这些没有建立映射关系的虚拟内存时，处理器自动触发一个缺页异常。

缺页中断：在请求分页系统中，可以通过查询页表中的状态位来确定所要访问的页面是否存在于内存中。每当所要访问的页面不在内存是，会产生一次缺页中断，此时操作系统会根据页表中的外存地址在外存中找到所缺的一页，将其调入内存。

缺页本身是一种中断，与一般的中断一样，需要经过4个处理步骤：

1、保护CPU现场

2、分析中断原因

3、转入缺页中断处理程序进行处理

4、恢复CPU现场，继续执行

但是缺页中断是由于所要访问的页面不存在于内存时，由硬件所产生的一种特殊的中断，因此，与一般的中断存在区别：

1、在指令执行期间产生和处理缺页中断信号

2、一条指令在执行期间，可能产生多次缺页中断

3、缺页中断返回是，执行产生中断的一条指令，而一般的中断返回是，执行下一条指令。

Vfork和fork clone的区别

1.  fork  （）：子进程拷贝父进程的数据段，代码段

    vfork （ ）：子进程与父进程共享数据段

2.  fork （）父子进程的执行次序不确定

    vfork 保证子进程先运行，在调用exec 或exit 之前与父进程数据是共享的,在它调用exec

     或exit 之后父进程才可能被调度运行。

3.  vfork （）保证子进程先运行，在她调用exec 或exit 之后父进程才可能被调度运行。如果在

   调用这两个函数之前子进程依赖于父进程的进一步动作，则会导致死锁。

fork（）函数用于从已存在的进程中创建一个新的进 程，新的进程称为子进程，而原进程称为父进程，fork （）的返回值有两个，子进程返回0，父进程返回子进程的进程号，进程号都是非零的正整数，所以父进程返回的值一定大于零。

Linux的fork()使用写时拷贝(copy-on-write)页实现。写时拷贝是一种可以推迟甚至免除拷贝数据的技术。内核此时并不复制整个地址空间，而是让父进程和子进程共享一个拷贝。只有在需要写入的时候，数据才会复制，从而使各个进程拥有各自的拷贝。也就是说，资源的复制只有在需要写入的时候才进行，在此之前，只是以只读方式共享。这种技术使地址空间的页的拷贝被推迟到实际发生写入的时候。

 

守护进程

守护进程是运行在后台的一种特殊进程, 不受终端控制，Linux系统的大多数服务器就是通过守护进程实现的。一个守护进程的父进程是init进程。
 

1）创建子进程，父进程退出

2）在子进程中创建新会话

3）改变当前目录为根目

4）重设文件权限掩码

5) 关闭文件描述符

说说IO阻塞与非阻塞是什么？各自有啥好处？知道多路复用吗？了解过 select 吗？说说他与 epoll 的区别。

进线程间通信方式

管道( pipe )：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。

它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内存中。

互斥：当一方进程正在读写的时候，其他进程必须等待。同步：当写入一定数量的数据时，便去睡眠等待，直到读进程取走数据。当读一个空管道时，也应睡眠等待，直到写进程写了之后才能读。确认对方是存在的才能进行通信。

命名管道 (FIFO) ： 有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。

信号量：信号量用于实现进程间的互斥与同步，也可以用在线程上，主要有posix信号量和System V信号量，posix信号量一般用在线程上，System V信号量一般用在进程上，posix信号量的函数一般都在下划线。

消息队列( message queue ) ： 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。(优先级，大小)

1)消息队列是面向记录的，其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。

2)消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除。

3)消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取。

共享内存( shared memory ) ：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号量，配合使用，来实现进程间的同步和通信。

信号 ( sinal ) ： 信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生，kill -l可列出所有可用信号。信号是UNIX和Linux系统响应某些条件而产生的一个事件，接收到该信号的进程会相应地采取一些行动。通常信号是由一个错误产生的。但它们还可以作为进程间通信或修改行为的一种方式，明确地由一个进程发送给另一个进程。一个信号的产生叫生成，接收到一个信号叫捕获。还有更健壮的sigaction

 

套接字( socket ) ： 套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同机器间的进程通信。

线程间通信的方式:

临界区：通过多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问；

互斥量Synchronized/Lock：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问

信号量Semphare：为控制具有有限数量的用户资源而设计的，它允许多个线程在同一时刻去访问同一个资源，但一般需要限制同一时刻访问此资源的最大线程数目。

事件(信号)，Wait/Notify：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操作