进程与线程

为什么创建进程比创建线程慢？

Linux 中创建一个进程自然会创建一个线程，也就是主线程。创建进程需要为进程划分出一块完整的内存空间，包含代码区、堆区、栈区、数据区等内存资源

创建线程则简单得多，只需要确定 PC 指针和寄存器的值，并且给线程分配一个栈用于执行程序，同一个进程的多个线程间可以复用进程的虚拟内存空间，减少了创建虚拟内存的开销。

因此，创建进程比创建线程慢，而且进程的内存开销更大。

为什么进程的切换比线程开销大？

进程间的切换的时候，除了需要切换 CPU 上下文，还需要切换页表，切换了页表会影响TLB的命中率，那么虚拟地址转换为物理地址就会变慢，表现出来的就是程序运行会变慢，而线程切换只需要切换 CPU 上下文，不会改变虚拟地址空间，不会影响TLB命中率。

线程的上下文切换过程

线程发生上下文切换的时候，正在运行的线程会将寄存器的状态保存到内核中的 TCB（线程控制块） 里，然后恢复另一个线程的上下文。和进程的区别是，线程只需要切换CPU的上下文，不会改变地址空间.

进程有哪些状态？

操作系统理论中的进程状态

主要有 5 种，分别是创建状态、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，是处于创建状态，随后就会进入就绪状态，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，就会进入到阻塞状态，等待 I/O 事件完成，I/O 事件完后进程就会恢复为就绪状态，当进程退出后，就会变为结束状态。

Linux系统的进程状态

• 可运行状态：该状态表示进程正在运行或者等待被调度（就绪和运行）；

• 睡眠状态：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；

  • 可中断的睡眠状态：等待 I/O 完毕期间，如果收到了其他信号，还是可以被唤醒；
  • 不可中断的睡眠状态：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，只能重启。
• 暂停状态：当进程接收到SIGSTOP、SIGTTIN、SIGTSTP 或者 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 或者 waitpid 函数来回收子进程的时候，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还保留着；
• 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。

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，成为僵死进程，僵死进程不占用系统资源，但会占用一个进程ID。

• 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进程，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。

怎么杀死僵尸进程？

僵尸进程是已经死了的，不能直接使用 kill 命令杀掉僵尸进程，只能通过 ps 命令找到僵尸进程的父进程的 pid 号，然后通过 kill 命令杀掉父进程的方式来达到僵尸进程的效果，因为当父进程被杀掉后，操作系统会将僵尸进程的父进程会变为 1 号 init 进程，接着 init 进程会自动接管僵尸进程的回收工作。

多进程和多线程的区别？

多线程由于可以共享进程资源，而多进程不共享地址空间和资源，多进程需要通过进程间通信技术来实现数据传输，开发起来会比较麻烦。

但多进程安全性较好，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。

一个进程fork出一个子进程，那么他们占用的内存是之前的2倍吗？

不是的。

fork 的时候，创建的子进程是复父进程的虚拟内存，并不是物理内存，这时候父子的虚拟内存指向的是同一个物理内存空间，这样能够节约物理内存资源，页表对应的页表项的属性会标记该物理内存的权限为只读。

不过，当父进程或者子进程在向这个内存发起写操作时，CPU 就会触发写保护中断，这个写保护中断是由于违反权限导致的，然后操作系统会在「写保护中断处理函数」里进行物理内存的复制，并重新设置其内存映射关系，新页面的访问权限设置为可读写。此时，写入操作的进程将拥有该页面的独立副本，而另一个进程仍然共享原始的只读页面，这个过程被称为「写时复制」，发生了这个过程，内存占用才会增多。

进程间通信

进程间有哪些通信方式？

进程间通信方式主要有管道、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，只能用于存在父子关系的进程间通信，匿名管道的生命周期随着进程创建而建立，随着进程终止而消失。
  • 有名管道有文件实体，可以用于任何进程间的通信，并且数据可以持久化保存，即使创建它的进程退出，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，都需要经过用户态与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的安全。

• 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，它会尝试递减信号量（称为P操作）。如果信号量的值大于零，这个操作会成功，否则进程就会阻塞，直到信号量变为正数。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。

• 前面提到的这些通信方式都只能在本地上进行进程间通信，如果要实现跨主机的进程间通信，就需要通过 socket 通信了，可以实现基于 TCP 或者 UDP 协议的通信方式。

哪个进程间通信效率最高的

共享内存的通信效率最高，因为共享内存不涉及内核态和用户态之间的数据拷贝。

共享内存的机制，就是拿出一块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中。这样这个进程写入的东西，另外一个进程马上就能看到了，都不需要拷贝、传递，大大提高了进程间通信的速度。

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（称为P操作）。如果信号量的值大于零，这个操作会成功，否则进程就会阻塞，直到信号量变为正数。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。

调度

进程的调度算法有哪些？

• 先来先服务：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：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。

• 时间片轮转（RR）：将CPU时间分成多个时间片，每个进程轮流占用一个时间片，如果一个进程在该时间片结束时还没有完成，则将其移到队列的末尾，等待下一次调度。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度，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（MFQS）：「多级」表示有多个队列，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短。「反馈」表示如果有新的进程加入优先级高的队列时，立刻停止当前正在运行的进程，转而去运行优先级高的队列。优点：动态优先级调整、短作业优先处理、提高系统吞吐量和利用率、支持实时任务。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。

  • 设置了多个队列，赋予每个队列不同的优先级，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，如果在第一级队列规定的时间片没运行完成，则将其转入到第二级队列的末尾，以此类推，直至完成；

  • 当较高优先级的队列为空，才调度较低优先级的队列中的进程运行。如果进程运行时，有新进程进入较高优先级的队列，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；

锁

线程间同步方式有哪些？

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，但是需要在访问前进行P操作（申请资源）和在访问结束后进行V操作（释放资源），以确保资源的正确使用。
• 自旋锁：是一种忙等待锁，在获取锁之前，线程会一直尝试获取锁，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。（wait-notify）

信号量和互斥锁应用场景有什么区别？

• 信号量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对其进行控制；
• 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。

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。

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，先修改完共享资源，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，如果发现有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、重试等策略。

悲观锁适合并发写入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和并发不激烈的场景，在这些场景下乐观锁不加锁的特点能让性能大幅提高。