Linux（操作系统）面经——part2

1、请你说说进程和线程的区别

1.进程是操作系统资源分配和调度的最小单位，实现操作系统内部的并发；线程是进程的子任务，cpu可以识别、执行的最小单位，实现程序内部的并发。

2.一个进程最少有一个线程或有多个，一个线程只能属于一个进程，线程依赖于进程存在

3.进程有独立的地址空间，线程有自己的堆栈和局部变量，多个线程可以共享同一地址空间。

4.进程的创建、切换、销毁的系统开销都远大于线程。创建或销毁进程时，系统要分配或回收相应的地址空间和io资源。切换时要保存整个cpu环境，还要配置新环境。而线程切换只保留少量寄存器内容。

5.线程间的通信方式很简单，因为它们共享了地址空间。但是要保证互斥、同步的操作保证数据的一致性。

6.一般一个进程挂掉并不会影响别的进程，但是一个线程挂掉，它所在的进程也会挂掉。

2、请你说说线程和协程的区别（了解）

 1. 线程是操作系统的资源，线程的创建、切换、停止等都非常消耗资源，而创建协程不需要调用操作系统的功能，编程语言自身就能完成，所以协程也被称为用户态线程，协程比线程轻量很多；

 2. 线程在多核环境下是能做到真正意义上的并行，而协程是为并发而产生的；

 3. 一个具有多个线程的程序可以同时运行几个线程，而协同程序却需要彼此协作的运行；

 4. 线程进程都是同步机制，而协程则是异步；

 5. 线程是抢占式，而协程是非抢占式的，所以需要用户自己释放使用权来切换到其他协程，因此同一时间其实只有一个协程拥有运行权，相当于单线程的能力；

 6. 操作系统对于线程开辟数量限制在千的级别，而协程可以达到上万的级别。

3、请你说说线程的同步（通信）方式

因为多线程共享了同一片地址空间，所以线程间通信很简单，只需要将数据复制到共享（全局或堆）变量中即可。不过要考虑同步和互斥，保证数据的一致性。用到的技术有：

1.信号：Linux 中使用 pthread_kill() 函数对线程发信号

2.互斥锁、读写锁、自旋锁。

互斥锁mutex——保证同一时间只能有一个线程访问共享资源，当锁被占用时别的线程试图加锁都会进入阻塞状态（释放cpu资源使其从运行进入阻塞状态，当锁被释放时，调度哪个线程取决于内核的调度）。

读写锁rwlock——读共享，写互斥。写模式加锁时，其他不论读写试图加锁都阻塞。读加锁时，读进程不阻塞，写进程阻塞。

自旋锁spinlock——自旋锁上锁受阻时它不会阻塞，而是循环中轮询是否能获得锁，所以它不涉及线程切换所以没有切换开销，但是它霸占了cpu会浪费cpu资源。所以自旋锁适合并行结构（多处理器），或者锁被短时间持有又不希望有线程切换开销的情况。

3.条件变量：条件变量始终与互斥锁一起使用。条件变量以原子的方式阻塞进程直到达到某一特定条件，对条件的判断也是在互斥锁的保护下进行的。

4.信号量：信号量实际是一个非负的整数计算器，用于对公共资源的控制。公共资源增加信号量加1，减少减1。并且只有信号量的值大于0的时候才可访问。

p是对信号量的值进行原子减一，代表获取资源，当信号量的值为0时，p操作会阻塞，意味着资源不可用。

v操作是对信号量的值进行原子加一，代表释放资源，v操作从不阻塞。

4、请你说说互斥锁和自旋锁（参考3）

5、请你说说写时拷贝

fork ：在进行 fork 复制进程时，并不马上进行父进程的地址空间的完全拷贝。而是使用了写时拷贝 （Copy-On-Write ）技术，即就是让父进程和子进程共享父进程的页面，当父进程或子进程中任意一个 进程试图修改某个页面时，再将其拷贝一份给子进程。这样可以延迟页面拷贝，提高 fork 复制的效 率。另外，通常 Linux 中的新进程都是通过 fork+exec 实现的，如果 fork 后需要执行 exec 那么直接就不需要拷贝了。

这里有一个小细节： fork 之后内核会将子进程排在队列的前面，以让子进程先执行，以免父进程执行导 致写时复制，而后子进程执行 exec 系统调用，因无意义的复制而造成效率的下降。

vfork ：除了子进程必须要立刻执行一次对 exec 的系统调用，或者调用 _exit( ) 退出，对 vfork( ) 的成功调 用所产生的结果和fork( ) 是一样的。 vfork( ) 会挂起父进程直到子进程终止或者运行了一个新的可执行文 件的映像。通过这样的方式，vfork( ) 避免了地址空间的按页复制。在这个过程中，父进程和子进程共享 相同的地址空间和页表项。实际上vfork( ) 只完成了一件事：复制内部的内核数据结构。因此，子进程也 就不能修改地址空间中的任何内存。

6、请你说说分段和分页

1、段主要为了内存独立/隔离，有利于共享；

2、页与物理内存映射，解决碎片问题，提升效率；

3、找到段，找到页表起始地址，找到页帧号，得到物理地址

7、请你介绍一下 I/O 多路复用

io复用使得一个程序能监听多个文件描述符，提高程序的性能。

Linux系统实现io复用的技术有select，poll，epoll

8、说一说 select 、poll、epoll

1. 用户态将文件描述符传入内核的方式

2.

select ：创建 3 个文件描述符集并拷贝到内核中，分别监听读、写、异常动作。这里受到单个进程可以打开的fd 数量限制，默认是 1024 。

poll ：将传入的 struct pollfd 结构体数组拷贝到内核中进行监听。

epoll ：执行 epoll_create 会在内核的高速 cache 区中建立一颗红黑树以及就绪链表 ( 该链表存储已经就绪 的文件描述符) 。接着用户执行的 epoll_ctl 函数添加文件描述符会在红黑树上增加相应的结点。

内核态检测文件描述符读写状态的方式

select ：采用轮询方式，遍历所有 fd ，最后返回一个描述符读写操作是否就绪的 mask 掩码，根据这个掩码给fd_set 赋值。 poll ：同样采用轮询方式，查询每个 fd 的状态，如果就绪则在等待队列中加入一项并继续遍历。epoll ：采用回调机制。在执行 epoll_ctl 的 add 操作时，不仅将文件描述符放到红黑树上，而且也注册了回调函数，内核在检测到某文件描述符可读/ 可写时会调用回调函数，该回调函数将文件描述符放在就绪链表中。

3. 找到就绪的文件描述符并传递给用户态的方式

select ：将之前传入的 fd_set 拷贝传出到用户态并返回就绪的文件描述符总数。用户态并不知道是哪些文件描述符处于就绪态，需要遍历来判断。

poll ：将之前传入的 fd 数组拷贝传出用户态并返回就绪的文件描述符总数。用户态并不知道是哪些文件描述符处于就绪态，需要遍历来判断。

epoll ： epoll_wait 只用观察就绪链表中有无数据即可，最后将链表的数据返回给数组并返回就绪的数量。内核将就绪的文件描述符放在传入的数组中，所以只用遍历依次处理即可。这里返回的文件描述符是通过mmap 让内核和用户空间共享同一块内存实现传递的，减少了不必要的拷贝。

4. 重复监听的处理方式

select ：将新的监听文件描述符集合拷贝传入内核中，继续以上步骤。

poll ：将新的 struct pollfd 结构体数组拷贝传入内核中，继续以上步骤。

epoll ：无需重新构建红黑树，直接沿用已存在的即可。

epoll 更高效的原因

1. select 和 poll 的动作基本一致，只是 poll 采用链表来进行文件描述符的存储，而 select 采用 fd 标注位来存放，所以select 会受到最大连接数的限制，而 poll 不会。

2. select 、 poll 、 epoll 虽然都会返回就绪的文件描述符数量。但是 select 和 poll 并不会明确指出是哪些文件描述符就绪，而epoll 会。造成的区别就是，系统调用返回后，调用 select 和 poll 的程序需要遍历监听的整个文件描述符找到是谁处于就绪，而epoll 则直接处理即可。

3. select 、 poll 都需要将有关文件描述符的数据结构拷贝进内核，最后再拷贝出来。而 epoll 创建的有关文件描述符的数据结构本身就存于内核态中，系统调用返回时利用mmap() 文件映射内存加速与内核空间的消息传递：即epoll 使用 mmap 减少复制开销。

4. select 、 poll 采用轮询的方式来检查文件描述符是否处于就绪态，而 epoll 采用回调机制。造成的结果就是，随着fd 的增加， select 和 poll 的效率会线性降低，而 epoll 不会受到太大影响，除非活跃的socket很多。

5. epoll 的边缘触发模式效率高，系统不会充斥大量不关心的就绪文件描述符虽然 epoll 的性能最好，但是在连接数少并且连接都十分活跃的情况下，select 和 poll 的性能可能比 epoll 好，毕竟 epoll 的通知机制需要很多函数回调。

9、请你说一说虚拟内存与物理内存

1. 物理内存 以前，还没有虚拟内存概念的时候，程序寻址用的都是物理地址。程序能寻址的范围是有限的，这取决于 CPU 的地址线条数。比如在 32 位平台下，寻址的范围是 2^32 也就是 4G。并且这是固定的，如果没有虚拟内存，且每次开启一个进程都给 4G 物理内存，就可能会出现很多问题： - 因为物理内存是有限的，当有多个进程要执行的时候，都要给 4G 内存，很显然内存不够，这很快就分配完了，于是没有得到分配资源的进程就只能等待。当一个进程执行完了以后，再将等待的进程装入内存。这种频繁的装入内存的操作效率很低 - 由于指令都是直接访问物理内存的，那么任何进程都可以修改其他进程的数据，甚至会修改内核地址空间的数据，这是不安全的

2. 虚拟内存 由于物理内存有很多问题，所以出现了虚拟内存。虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。

10、请你介绍一下死锁，产生的必要条件，产生的原因，怎么预防死锁

 死锁：两个或几个进程在运行时由于资源争夺处于互相等待的过程，如无外力干涉，它们都不会有改变。

产生的原因：系统资源不足、资源分配不合理、进程运行推进方式不合理

必要条件：

互斥条件——一个资源每次只能给一个进程使用

请求与保持条件——一个进程在请求资源时，对已获得的资源保持不变

不可剥夺条件——对于已获取资源的进程，不可强行剥夺其资源

循环等待条件——若干进程处于一种头尾相接的循环等待的过程

11、请你说说条件变量

条件变量是线程同步的一种方式，这种方式下有两种状态的线程：等待条件变量成立而挂起的线程和条件变量成立。为了避免竞争，所以条件变量总是和互斥锁一起使用。

条件变量可以以原子的方式阻塞线程，直到满足条件变量为真为止。

条件变量为假时线程阻塞并以原子方式释放等待条件变化的互斥锁。当另一个线程条件改变时，该线程可能会向相关原子变量发出信号，于是几个处于等待的线程将会唤醒，获取互斥锁，然后评估条件。