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Operating Systems.md

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操作系统

进程和线程有什么区别？

  • 进程（Process）是系统进行资源分配和调度的基本单位，线程（Thread）是CPU调度和分派的基本单位；
  • 线程依赖于进程而存在，一个进程至少有一个线程；
  • 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，只拥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)，和其他线程共享本进程的相关资源如内存、I/O、cpu等；
  • 在进程切换时，涉及到整个当前进程CPU环境的保存环境的设置以及新被调度运行的CPU环境的设置，而线程切换只需保存和设置少量的寄存器的内容，并不涉及存储器管理方面的操作，可见，进程切换的开销远大于线程切换的开销；
  • 线程之间的通信更方便，同一进程下的线程共享全局变量等数据，而进程之间的通信需要以进程间通信(IPC)的方式进行；
  • 多线程程序只要有一个线程崩溃，整个程序就崩溃了，但多进程程序中一个进程崩溃并不会对其它进程造成影响，因为进程有自己的独立地址空间，因此多进程更加健壮
进程创建举例

Python代码：

import os

print('当前进程:%s 启动中 ....' % os.getpid())
pid = os.fork()
if pid == 0:
    print('子进程:%s,父进程是:%s' % (os.getpid(), os.getppid()))
else:
    print('进程:%s 创建了子进程:%s' % (os.getpid(),pid ))

输出结果：

当前进程:27223 启动中 ....
进程:27223 创建了子进程:27224
子进程:27224,父进程是:27223

分析：fork函数分别在父进程和子进程中返回，在子进程返回的值pid永远是0，在父进程返回的是子进程的进程id（标识符）。

同一进程中的线程可以共享哪些数据？
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  • 进程代码段
  • 进程的公有数据（全局变量、静态变量...）
  • 进程打开的文件描述符
  • 进程的当前目录
  • 信号处理器/信号处理函数：对收到的信号的处理方式
  • 进程ID与进程组ID
线程独占哪些资源？
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  • 线程ID
  • 一组寄存器的值
  • 线程自身的栈（堆是共享的）
  • 错误返回码：线程可能会产生不同的错误返回码，一个线程的错误返回码不应该被其它线程修改；
  • 信号掩码/信号屏蔽字(Signal mask)：表示是否屏蔽/阻塞相应的信号（SIGKILL,SIGSTOP除外）

进程间通信有哪些方式？

  1. 管道(Pipe)
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  • 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)
  1. 命名管道
  2. 消息队列
  3. 信号(Signal)
  4. 共享内存
  5. 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

https://blog.csdn.net/sweetyoyy/article/details/77926871

  1. 套接字(Socket)

进程同步问题

进程的同步是目的，而进程间通信是实现进程同步的手段

管程
生产者-消费者问题
哲学家就餐问题
读者-写者问题
临界区的概念？
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各个进程中对临界资源（互斥资源/共享变量，一次只能给一个进程使用）进行操作的程序片段

同步与互斥的概念？
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  • 同步：多个进程因为合作而使得进程的执行有一定的先后顺序。比如某个进程需要另一个进程提供的消息，获得消息之前进入阻塞态；
  • 互斥：多个进程在同一时刻只有一个进程能进入临界区

进程有哪几种状态？

Process State

  • 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

线程同步有哪些方式？

为什么需要线程同步：线程有时候会和其他线程共享一些资源，比如内存、数据库等。当多个线程同时读写同一份共享资源的时候，可能会发生冲突。因此需要线程的同步，多个线程按顺序访问资源。

  • 互斥量 Mutex：互斥量是内核对象，只有拥有互斥对象的线程才有访问互斥资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证互斥资源不会被多个线程同时访问；当前拥有互斥对象的线程处理完任务后必须将互斥对象交出，以便其他线程访问该资源；
  • 信号量 Semaphore：信号量是内核对象，它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量。信号量对象保存了最大资源计数和当前可用资源计数，每增加一个线程对共享资源的访问，当前可用资源计数就减1，只要当前可用资源计数大于0，就可以发出信号量信号，如果为0，则将线程放入一个队列中等待。线程处理完共享资源后，应在离开的同时通过ReleaseSemaphore函数将当前可用资源数加1。如果信号量的取值只能为0或1，那么信号量就成为了互斥量；
  • 事件 Event：允许一个线程在处理完一个任务后，主动唤醒另外一个线程执行任务。事件分为手动重置事件和自动重置事件。手动重置事件被设置为激发状态后，会唤醒所有等待的线程，而且一直保持为激发状态，直到程序重新把它设置为未激发状态。自动重置事件被设置为激发状态后，会唤醒一个等待中的线程，然后自动恢复为未激发状态。
  • 临界区 Critical Section：任意时刻只允许一个线程对临界资源进行访问。拥有临界区对象的线程可以访问该临界资源，其它试图访问该资源的线程将被挂起，直到临界区对象被释放。
互斥量和临界区有什么区别？
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互斥量是可以命名的，可以用于不同进程之间的同步；而临界区只能用于同一进程中线程的同步。创建互斥量需要的资源更多，因此临界区的优势是速度快，节省资源。

参考