1 进程与线程

1.1 进程和线程的区别

  • 进程是资源分配基本单位，线程是资源调度的基本单位（对于无线程系统：进程是资源调度、分配的独立单位）
  • 线程依赖进程而存在
  • 进程有自己的独立地址空间，线程共享所属进程的地址空间
  • 进程是拥有系统资源的一个独立单位，而线程自己基本上不拥有系统资源，只有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器,一组寄存器和栈)

  • 在进程切换时，涉及存储器管理方面的操作，开销比线程大

    1.2 进程有哪些状态

  • 就绪状态：进程已获得除处理机以外的所需资源，等待分配处理机资源

  • 运行状态：占用处理机资源运行，处于此状态的进程数小于等于CPU数

  • 阻塞状态： 进程等待某种条件，在条件满足之前无法执行

    1.3 进程间通信的手段

  • 管道(Pipe)

    • 管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道
    • 一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据
    • 只能用于父子进程或者兄弟进程之间(具有亲缘关系的进程)
  • 命名管道
  • 消息队列
  • 信号(Signal)
  • 共享内存
  • 信号量(Semaphore)：初始化操作、P操作、V操作；P操作：信号量-1，检测是否小于0，小于则进程进入阻塞状态；V操作：信号量+1，若小于等于0，则从队列中唤醒一个等待的进程进入就绪态

  • 套接字(Socket)

    1.4 僵尸进程

  • 概念：僵尸进程是一个已经死亡的进程，但是并没有真正被销毁。比如子进程结束后，父进程没有等待它（调用 wait 或 waitpid），那这个子进程就会变成僵尸进程 。

  • 危害：
    • 占用进程号
    • 占用内存（会在进程表中保留一个位置，记录进程号、终止状态、资源利用信息，供父进程收集）。

  • 如何处理：捕获SIGCHLD信号，并调用wait或waitpid

    1.5 孤儿进程

  • 概念：父进程结束了，它的子进程还在运行，这个子进程就是孤儿进程。

  • 孤儿进程会被init（进程ID为1）接管，孤儿进程结束时由init完成状态收集工作。

    1.6 多线程与多进程的对比、优劣、选择

    a. 对比

    | 对比维度 | 多进程 | 多线程 | 总结 | | —- | —- | —- | —- | | 数据共享、同步 | 数据共享复杂，需要用 IPC；
    数据是分开的，同步简单 | 因为共享进程数据，数据共享简单，但也是因为这个原因导致同步复杂 | 各有优势 | | 内存、CPU | 占用内存多，切换复杂，CPU 利用率低 | 占用内存少，切换简单，CPU 利用率高 | 线程占优 | | 创建销毁、切换 | 创建销毁、切换复杂，速度慢 | 创建销毁、切换简单，速度很快 | 线程占优 | | 编程、调试 | 编程简单，调试简单 | 编程复杂，调试复杂 | 进程占优 | | 可靠性 | 进程间不会互相影响 | 一个线程挂掉将导致整个进程挂掉 | 进程占优 | | 分布式 | 适应于多核、多机分布式；如果一台机器不够，扩展到多台机器比较简单 | 适应于多核分布式 | 进程占优 |

b. 优劣

优劣 多进程 多线程
优点 编程、调试简单，可靠性较高 创建、销毁、切换速度快，内存、资源占用小
缺点 创建、销毁、切换速度慢，内存、资源占用大 编程、调试复杂，可靠性较差

c. 选择

  • 多线程：需要频繁创建销毁的、需要进行大量计算的、强相关的、可能要扩展到多核分布的，用多线程

  • 多进程：弱相关的、可能扩展到多机分布的，用多进程

    2 协程

    2.1 什么是协程

  • 协程是一种用户态的轻量级线程

    2.2 协程的特点

  • 协程的调度完全由用户控制

  • 有自己的寄存器上下文和栈
  • 协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，切回来的时候，恢复之前保存的寄存器上下文和栈（直接操作栈就基本没有内核切换的开销）

  • 可以不加锁的访问全局变量，上下文的切换非常快

    2.3 协程与线程/进程的比较

  • 进程和线程都可以拥有多个协程

  • 进程和线程是同步机制，协程是异步的

  • 协程能保留上一次调用时的状态

    3 Linux

    3.1 常用的Linux命令

  • 查看当前进程状态、杀死进程

    • ps -aux
    • kill

      4 堆栈区别[2]

  • 管理方式：栈由编译器自动管理，堆由开发者控制，容易产生内存泄漏。

  • 空间大小：在32位系统下，堆内存可以达到4G的空间（虚拟内存的大小，有面试官问过）。但对于栈来说，一般都是有一定的空间大小的（在VC6默认的栈空间大小是1M，也有默认2M的）。
  • 碎片问题：堆频繁new/delete会造成内存空间的不连续，造成大量的碎片，使程序效率降低（重点是如何解决？如内存池、伙伴系统等）。对栈来说不会存在这个问题，因为栈是先进后出，不可能有一个内存块从栈中间弹出。在该块弹出之前，在它上面的（后进的栈内容）已经被弹出。
  • 生长方向：堆向上生长（向着内存地址增加的方向）；栈向下生长（向着内存地址减小的方向增长）
  • 分配方式：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。而栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，如局部变量分配。动态分配由alloca函数进行分配，但是栈的动态分配和堆是不同的，它的动态分配是由编译器进行释放，无需我们手工实现。

  • 效率：栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持（有专门的寄存器存放栈的地址，压栈出栈都有专门的机器指令执行），这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的，它的机制是很复杂的（可以了解侯捷老师的内存管理的视频，关于malloc/realloc/free函数等）。例如分配一块内存，堆会按照一定的算法，在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有（可能是由于内存碎片太多），就有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。总之，堆的效率比栈要低得多

    5 死锁[1]

    5.1 什么是死锁

    多个并发进程中，每个进程持有某种资源又等待其他进程释放它们现在保持着的资源，没改变这个状态之前不能向前推进，这组进程就产生了死锁。

    5.2 产生死锁的必要条件

  • 互斥：一个资源一次只能被一个进程使用；

  • 占有并等待：一个进程至少占有一个资源，并在等待另一个被其它进程占用的资源；
  • 非抢占：已经分配给一个进程的资源不能被强制性抢占，只能由进程完成任务之后自愿释放；

  • 循环等待：若干进程之间形成一种头尾相接的环形等待资源关系，该环路中的每个进程都在等待下一个进程所占有的资源。

    5.3 处理方法

  • 鸵鸟策略

    • 死锁影响不大，或者概率很低，可以忽略死锁的情况。
  • 死锁预防 （破坏产生死锁的四个条件）
    • 破坏互斥：允许某些资源被多个进程同时访问
    • 破坏占有并等待：资源预先分配，或者申请资源前先释放占有的资源
    • 破坏非抢占：允许强制抢占
    • 破坏循环等待条件：对所有资源同一编号，所有进程对资源的请求按序号递增的顺序提出
  • 死锁避免
    • 银行家算法：动态检测资源分配状态，处于安全状态才能进行资源分配。（安全状态： 即使所有进程突然请求所需的资源，也能存在某种资源分配顺序，让每一个进程运行完毕 ）
  • 死锁解除
    • 利用抢占：挂起进程并抢占其资源（要避免挂起时间过长而饥饿）
    • 利用回滚：让某些进程回退到可以解除死锁的情况，自动释放资源
    • 杀死某些进程知道死锁解除

  • 死锁的检测

    • 检查有向图是否存在环
    • 使用类似死锁避免的检测算法

      6 文件系统

      6.1 Windows 和 Linux 文件系统的区别[3]

  • Windows 中每个驱动器都有自己的根目录结构，多个文件树并列

  • Linux 只有一个文件树

    6.2 常见的文件系统格式

    a. Windows 文件系统[4]

  • FAT（File Allocation Table 文件配置表）：适合做闪存、U 盘，单个文件最大 4 G

  • NTFS（New Technology File System 新技术文件系统）：日志性的文件系统，同时管理员可以设置每个文件夹的访问权限，比较安全。

  • FAT64：适合做闪存，U 盘，移动硬盘。单个文件突破 4 G 的限制

    b. Linux 文件系统[5]

  • ext2，ext3

    • ext2 是为解决 ext 存在的缺陷而设计的，在速度和 CPU 利用率上有优势
    • ext3 是 ext2 的升级版，增加了日志记录。日志文件系统在断电或异常事件停机重启后，操作系统可以根据文件系统的日志，恢复到正常状态
  • swap 文件系统：用于 Linux 的交换分区
  • vfat：对 FAT 文件系统的统称
  • NFS：网络文件系统。用于在 UNIX 系统间通过网络进行文件共享，用户可以把 NFS 服务器提供的共享目录挂载在本地文件目录中，从而访问 NFS 文件系统的内容

  • F2FS：Flash 文件系统，针对 NAND 闪存存储介质做了友好设计

    6.3 自己写文件系统结构，要怎么写[7]

    a. 超级块 结构

  • 版本

  • 魔数
  • inode 个数
  • 数据块索引（为了简化文件块的定位）

  • padding（能被 4096 整除）

    b. inode 结构

  • inode 的模式（文件还是目录）

  • inode 的大小
  • 每个块的索引（定位文件）
  • padding

参考

  1. https://gitee.com/vict0r/Waking-Up/blob/master/Operating%20Systems.md （forked from https://github.com/wolverinn/Waking-Up）
  2. https://www.nowcoder.com/discuss/588077?from=zhnkw
  3. https://blog.csdn.net/aixiangnan/article/details/89318735
  4. https://blog.csdn.net/hxxjxw/article/details/90136804
  5. https://www.cnblogs.com/xiaojianliu/articles/8545560.html
  6. http://blog.chinaunix.net/uid-28989651-id-3878690.html
  7. https://www.jianshu.com/p/8966d121263b?utm_campaign=maleskine&utm_content=note&utm_medium=seo_notes&utm_source=recommendation