NO.20|操作系统|多线程多进程|互斥锁|信号量|进程线程中断切换|自旋锁互斥锁|多线程单线程|sleep|wait|线程池|零拷贝|epoll|select|多路IO复用|socket|网络模型

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/CoderZzz6310/article/details/146935507

单核机器上写多线程程序，是否要考虑加锁，为什么

参考回答

在单核机器上写多线程程序，仍然需要线程锁。
原因：因为线程锁通常用来实现线程的同步和通信。在单核机器上的多线程程序，仍然存在线程同步的问题。因为在抢占式操作系统中，通常为每个线程分配一个时间片，当某个线程时间片耗尽时，操作系统会将其挂起，然后运行另一个线程。如果这两个线程共享某些数据，不使用线程锁的前提下，可能会导致共享数据修改引起冲突。

说说多线程和多进程的不同

参考回答

（1）一个线程从属于一个进程；一个进程可以包含多个线程。
（2）一个线程挂掉，对应的进程挂掉，多线程也挂掉；一个进程挂掉，不会影响其他进程，多进程稳定。
（3）进程系统开销显著大于线程开销；线程需要的系统资源更少。
（4）多个进程在执行时拥有各自独立的内存单元，多个线程共享进程的内存，如代码段、数据段、扩展段；但每个线程拥有自己的栈段和寄存器组。
（5）多进程切换时需要刷新TLB并获取新的地址空间，然后切换硬件上下文和内核栈；多线程切换时只需要切换硬件上下文和内核栈。
（6）通信方式不一样。
（7）多进程适应于多核、多机分布；多线程适用于多核

简述互斥锁的机制，互斥锁与读写的区别

参考回答

互斥锁机制：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。
互斥锁和读写锁：
（1）读写锁区分读者和写者，而互斥锁不区分
（2）互斥锁同一时间只允许一个线程访问该对象，无论读写；读写锁同一时间内只允许一个写者，但是允许多个读者同时读对象。

答案解析

原理详解：
互斥锁其实就是一个bool型变量，为true时表示锁可获取，为false时表示已上锁。这里说的是互斥锁，其实是泛指linux中所有的锁机制。
我们采用互斥锁保护临界区，从而防止竞争条件。也就是说，一个线程在进入临界区时应得到锁；它在退出临界区时释放锁。函数 acquire() 获取锁，而函数 release() 释放锁，如图：
![[Pasted image 20250402091158.png]]

每个互斥锁有一个布尔变量 available，它的值表示锁是否可用。如果锁是可用的，那么调用 acquire()会成功，并且锁不再可用。当一个线程试图获取不可用的锁时，它会阻塞，直到锁被释放。
按如下定义 acquire()：

acquire() {  
	while (!available);  
	/* busy wait */  
	available = false;  
}

按如下定义release()：

release() {  
	available = true;  
}

说说什么是信号量，有什么作用

参考回答

概念：信号量本质上是一个计数器，用于多进程对共享数据对象的读取，它主要是用来保护共享资源（信号量也属于临界资源），使得资源在一个时刻只有一个进程独享。
原理：由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即P(sv)和V(sv)，具体的行为如下：
（1）P(sv)操作：如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行（信号量的值为正，进程获得该资源的使用权，进程将信号量减1，表示它使用了一个资源单位）。
（2）V(sv)操作：如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1（若此时信号量的值为0，则进程进入挂起状态，直到信号量的值大于0，若进程被唤醒则返回至第一步）。
作用：用于多进程对共享数据对象的读取，它主要是用来保护共享资源（信号量也属于临界资源），使得资源在一个时刻只有一个进程独享。

进程、线程的中断切换的过程是怎样的

参考回答

上下文切换指的是内核（操作系统的核心）在CPU上对进程或者线程进行切换。

进程上下文切换
（1）保护被中断进程的处理器现场信息
（2）修改被中断进程的进程控制块有关信息，如进程状态等
（3）把被中断进程的进程控制块加入有关队列
（4）选择下一个占有处理器运行的进程
（5）根据被选中进程设置操作系统用到的地址转换和存储保护信息
切换页目录以使用新的地址空间
切换内核栈和硬件上下文（包括分配的内存，数据段，堆栈段等）
（6）根据被选中进程恢复处理器现场
线程上下文切换
（1）保护被中断线程的处理器现场信息
（2）修改被中断线程的线程控制块有关信息，如线程状态等
（3）把被中断线程的线程控制块加入有关队列
（4）选择下一个占有处理器运行的线程
（5）根据被选中线程设置操作系统用到的存储保护信息
切换内核栈和硬件上下文（切换堆栈，以及各寄存器）
（6）根据被选中线程恢复处理器现场

简述自旋锁和互斥锁的使用场景

参考回答

互斥锁用于临界区持锁时间比较长的操作，比如下面这些情况都可以考虑
（1）临界区有IO操作
（2）临界区代码复杂或者循环量大
（3）临界区竞争非常激烈
（4）单核处理器
自旋锁就主要用在临界区持锁时间非常短且CPU资源不紧张的情况下。

请你说说线程有哪些状态，相互之间怎么转换

参考回答

类似进程，有以下五种状态：

新建状态(New)
就绪状态(Runnable)
运行状态(Running)
阻塞状态(Blocked)
死亡状态(Dead)
转换方式如下：
创建状态
一个应用程序从系统上启动，首先就是进入创建状态，获取系统资源。
就绪状态
在创建状态完成之后，线程已经准备好，处于就绪状态，但是还未获得处理器资源，无法运行。
运行状态
获取处理器资源，被系统调度，当具有时间片开始进入运行状态。如果线程的时间片用完了就进入就绪状态。
阻塞状态
在运行状态期间，如果进行了阻塞的操作，如耗时的I/O操作，此时线程暂时无法操作就进入到了阻塞状态，在这些操作完成后就进入就绪状态。等待再次获取处理器资源，被系统调度，当具有时间片就进入运行状态。
终止状态
线程结束或者被系统终止，进入终止状态
相互转换如图：

多线程和单线程有什么区别，多线程编程要注意什么，多线程加锁需要注意什么

参考回答

区别：
（1）多线程从属于一个进程，单线程也从属于一个进程；一个线程挂掉都会导致从属的进程挂
掉。
（2）一个进程里有多个线程，可以并发执行多个任务；一个进程里只有一个线程，就只能执行一个任务。
（3）多线程并发执行多任务，需要切换内核栈与硬件上下文，有切换的开销；单线程不需要切
换，没有切换的开销。
（4）多线程并发执行多任务，需要考虑同步的问题；单线程不需要考虑同步的问题。
多线程编程需要考虑同步的问题。线程间的同步方式包括互斥锁、信号量、条件变量、读写锁。
多线程加锁，主要需要注意死锁的问题。破坏死锁的必要条件从而避免死锁。

答案解析

死锁: 是指多个进程在执行过程中，因争夺资源而造成了互相等待。此时系统产生了死锁。比如两只羊过独木桥，若两只羊互不相让，争着过桥，就产生死锁。
产生的条件：死锁发生有四个必要条件：
（1）互斥条件：进程对所分配到的资源不允许其他进程访问，若其他进程访问，只能等待，直到进程使用完成后释放该资源；
（2）请求保持条件：进程获得一定资源后，又对其他资源发出请求，但该资源被其他进程占有，此时请求阻塞，而且该进程不会释放自己已经占有的资源；
（3）不可剥夺条件：进程已获得的资源，只能自己释放，不可剥夺；
（4）环路等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
如何解决：
（1）资源一次性分配，从而解决请求保持的问题
（2）可剥夺资源：当进程新的资源未得到满足时，释放已有的资源；
（3）资源有序分配：资源按序号递增，进程请求按递增请求，释放则相反。

答案解析

举个例子，比如：如果此时有两个线程T1和T2，它们分别占有R1和R2资源
此时，T1请求R2资源的同时，T2请求R1资源。
这个时候T2说：你把R1给我，我就给你R2
T1说：不行，你要先给我R2，我才能给你R1
那么就这样，死锁产生了。如下图：
![[Pasted image 20250402093002.png]]

说说sleep和wait的区别

参考回答

sleep
sleep是一个延时函数，让进程或线程进入休眠。休眠完毕后继续运行。
在linux下面，sleep函数的参数是秒，而windows下面sleep的函数参数是毫秒。
windows下面sleep的函数参数是毫秒。
例如：

#include <windows.h>// 首先应该先导入头文件  
Sleep (500) ; //注意第一个字母是大写。  
//就是到这里停半秒，然后继续向下执行。

在 Linux C语言中 sleep的单位是秒
例如：

#include <unistd.h>// 首先应该先导入头文件  
sleep(5); //停5秒  
//就是到这里停5秒，然后继续向下执行

wait
wait是父进程回收子进程PCB资源的一个系统调用。进程一旦调用了wait函数，就立即阻塞自己本身，然后由wait函数自动分析当前进程的某个子进程是否已经退出，当找到一个已经变成僵尸的子进程，wait就会收集这个子进程的信息，并把它彻底销毁后返回；如果没有找到这样一个子进程，wait就会一直阻塞，直到有一个出现为止。函数原型如下：

#include<sys/types.h>  
#include<sys/wait.h>  

pid_t wait(int* status);

子进程的结束状态值会由参数status返回，而子进程的进程识别码也会一起返回。如果不需要结束状态值，则参数status可以设成 NULL。
3. 区别：
（1）sleep是一个延时函数，让进程或线程进入休眠。休眠完毕后继续运行。
（2）wait是父进程回收子进程PCB（Process Control Block）资源的一个系统调用

说说线程池的设计思路，线程池中线程的数量由什么确定

参考回答

设计思路：
实现线程池有以下几个步骤：
（1）设置一个生产者消费者队列，作为临界资源。
（2）初始化n个线程，并让其运行起来，加锁去队列里取任务运行
（3）当任务队列为空时，所有线程阻塞。
（4）当生产者队列来了一个任务后，先对队列加锁，把任务挂到队列上，然后使用条件变量去通知阻塞中的一个线程来处理。
线程池中线程数量：
线程数量和哪些因素有关：CPU，IO、并行、并发

如果是CPU密集型应用，则线程池大小设置为：CPU数目+1  
如果是IO密集型应用，则线程池大小设置为：2*CPU数目+1  
最佳线程数目 = （线程等待时间与线程CPU时间之比 + 1）* CPU数目

所以线程等待时间所占比例越高，需要越多线程。线程CPU时间所占比例越高，需要越少线程。

答案解析

为什么要创建线程池：
创建线程和销毁线程的花销是比较大的，这些时间有可能比处理业务的时间还要长。这样频繁的创建线程和销毁线程，再加上业务工作线程，消耗系统资源的时间，可能导致系统资源不足。同时线程池也是为了提升系统效率。
线程池的核心线程与普通线程：
任务队列可以存放100个任务，此时为空，线程池里有10个核心线程，若突然来了10个任务，那么刚好10个核心线程直接处理；若又来了90个任务，此时核心线程来不及处理，那么有80个任务先入队列，再创建核心线程处理任务；若又来了120个任务，此时任务队列已满，不得已，就得创建20个普通线程来处理多余的任务。
以上是线程池的工作流程。

进程和线程相比，为什么慢

参考回答

进程系统开销显著大于线程开销；线程需要的系统资源更少。
进程切换开销比线程大。多进程切换时需要刷新TLB并获取新的地址空间，然后切换硬件上下文和内核栈；多线程切换时只需要切换硬件上下文和内核栈。
进程通信比线程通信开销大。进程通信需要借助管道、队列、共享内存，需要额外申请空间，通信繁琐；而线程共享进程的内存，如代码段、数据段、扩展段，通信快捷简单，同步开销更小。

简述Linux零拷贝的原理

参考回答

什么是零拷贝：
所谓「零拷贝」描述的是计算机操作系统当中，CPU不执行将数据从一个内存区域，拷贝到另外一个内存区域的任务。通过网络传输文件时，这样通常可以节省 CPU 周期和内存带宽。
零拷贝的好处：
（1）节省了 CPU 周期，空出的 CPU 可以完成更多其他的任务
（2）减少了内存区域之间数据拷贝，节省内存带宽
（3）减少用户态和内核态之间数据拷贝，提升数据传输效率
（4）应用零拷贝技术，减少用户态和内核态之间的上下文切换
零拷贝原理：
在传统 IO 中，用户态空间与内核态空间之间的复制是完全不必要的，因为用户态空间仅仅起到了一种数据转存媒介的作用，除此之外没有做任何事情。
（1）Linux 提供了 sendfile() 用来减少我们的数据拷贝和上下文切换次数。
过程如图：

a. 发起 sendfile() 系统调用，操作系统由用户态空间切换到内核态空间（第一次上下文切换）
b. 通过 DMA 引擎将数据从磁盘拷贝到内核态空间的输入的 socket 缓冲区中（第一次拷贝）
c. 将数据从内核空间拷贝到与之关联的 socket 缓冲区（第二次拷贝）
d. 将 socket 缓冲区的数据拷贝到协议引擎中（第三次拷贝）
e. sendfile() 系统调用结束，操作系统由用户态空间切换到内核态空间（第二次上下文切换）
根据以上过程，一共有 2 次的上下文切换，3 次的 I/O 拷贝。我们看到从用户空间到内核空间并没有出现数据拷贝，从操作系统角度来看，这个就是零拷贝。内核空间出现了复制的原因: 通常的硬件在通过DMA访问时期望的是连续的内存空间。
（2）mmap 数据零拷贝原理
如果需要对数据做操作，Linux 提供了mmap

简述epoll和select的区别，epoll为什么高效

参考回答

区别：
（1）每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大；而epoll保证了每个fd在整个过程中只会拷贝一次。
（2）每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd；而epoll只需要轮询一次fd集合，同时查看就绪链表中有没有就绪的fd就可以了。
（3）select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024；而epoll没有这个限制，它所支持的fd上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048。
epoll为什么高效：
（1）select，poll实现需要自己不断轮询所有fd集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而epoll只要判断一下就绪链表是否为空就行了，这节省了大量的CPU时间。
（2）select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，并且要把当前进程往设备等待队列中挂一次，而epoll只要一次拷贝，而且把当前进程往等待队列上挂也只挂一次，这也能节省不少的开销。

说说多路IO复用技术有哪些，区别是什么

参考回答

select，poll，epoll都是IO多路复用的机制，I/O多路复用就是通过一种机制，可以监视多个文件描述符，一旦某个文件描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知应用程序进行相应的读写操作。
区别：
（1）poll与select不同，通过一个pollfd数组向内核传递需要关注的事件，故没有描述符个数的限制，pollfd中的events字段和revents分别用于标示关注的事件和发生的事件，故pollfd数组只需要被初始化一次。
（2）select，poll实现需要自己不断轮询所有fd集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替。而epoll只要判断一下就绪链表是否为空就行了，这节省了大量的CPU时间。
（3）select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，并且要把当前进程往设备等待队列中挂一次，而epoll只要一次拷贝，而且把当前进程往等待队列上挂也只挂一次，这也能节省不少的开销。

简述socket中select，epoll的使用场景和区别，epoll水平触发与边缘触发的区别

参考回答

select，epoll的使用场景：都是IO多路复用的机制，应用于高并发的网络编程的场景。I/O多路复用就是通过一种机制，可以监视多个文件描述符，一旦某个文件描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知应用程序进行相应的读写操作。
select，epoll的区别：
（1）每次调用select，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在fd很多时会很大；而epoll保证了每个fd在整个过程中只会拷贝一次。
（2）每次调用select都需要在内核遍历传递进来的所有fd；而epoll只需要轮询一次fd集合，同时查看就绪链表中有没有就绪的fd就可以了。
（3）select支持的文件描述符数量太小了，默认是1024；而epoll没有这个限制，它所支持的fd上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048。
epoll水平触发与边缘触发的区别
LT模式（水平触发）下，只要这个fd还有数据可读，每次 epoll_wait都会返回它的事件，提醒用户程序去操作；
而在ET（边缘触发）模式中，它只会提示一次，直到下次再有数据流入之前都不会再提示了，无论fd中是否还有数据可读。

说说Reactor、Proactor模式

参考回答

在高性能的I/O设计中，有两个比较著名的模式Reactor和Proactor模式，其中Reactor模式用于同步I/O，而Proactor运用于异步I/O操作。

Reactor模式：Reactor模式应用于同步I/O的场景。Reactor中读操作的具体步骤如下：
读取操作：
（1）应用程序注册读就需事件和相关联的事件处理器
（2）事件分离器等待事件的发生
（3）当发生读就需事件的时候，事件分离器调用第一步注册的事件处理器
（4）事件处理器首先执行实际的读取操作，然后根据读取到的内容进行进一步的处理
Proactor模式：Proactor模式应用于异步I/O的场景。Proactor中读操作的具体步骤如下：
（1）应用程序初始化一个异步读取操作，然后注册相应的事件处理器，此时事件处理器不关注读取就绪事件，而是关注读取完成事件，这是区别于Reactor的关键。
（2）事件分离器等待读取操作完成事件
（3）在事件分离器等待读取操作完成的时候，操作系统调用内核线程完成读取操作，并将读取的内容放入用户传递过来的缓存区中。这也是区别于Reactor的一点，Proactor中，应用程序需要传递缓存区。
（4）事件分离器捕获到读取完成事件后，激活应用程序注册的事件处理器，事件处理器直接从缓存区读取数据，而不需要进行实际的读取操作。
区别：从上面可以看出，Reactor中需要应用程序自己读取或者写入数据，而Proactor模式中，应用程序不需要用户再自己接收数据，直接使用就可以了，操作系统会将数据从内核拷贝到用户区。

答案解析

IO模型的类型。
（1）阻塞IO：调用者调用了某个函数，等待这个函数返回，期间什么也不做，不停的检查这个函数有没有返回，必须等这个函数返回后才能进行下一步动作。
（2）非阻塞IO：非阻塞等待，每隔一段时间就去检查IO事件是否就绪。没有就绪就可以做其他事情。
（3）信号驱动IO：Linux用套接口进行信号驱动IO，安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞，当IO事件就绪，进程收到SIGIO信号，然后处理IO事件。
（4）IO多路复用：Linux用select/poll函数实现IO复用模型，这两个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞IO所不同的是这两个函数可以同时阻塞多个IO操作。而且可以同时对多个读操作、写操作的IO函数进行检查。知道有数据可读或可写时，才真正调用IO操作函数。
（5）异步IO：Linux中，可以调用aio_read函数告诉内核描述字缓冲区指针和缓冲区的大小、文件偏移及通知的方式，然后立即返回，当内核将数据拷贝到缓冲区后，再通知应用程序。用户可以直接去使用数据。
前四种模型–阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO和信号驱动IO都属于同步模式，因为其中真正的IO操作(函数)都将会阻塞进程，只有异步IO模型真正实现了IO操作的异步性。

简述同步与异步的区别，阻塞与非阻塞的区别

参考回答

同步与异步的区别：
同步：是所有的操作都做完，才返回给用户结果。即写完数据库之后，再响应用户，用户体验不好。
异步：不用等所有操作都做完，就响应用户请求。即先响应用户请求，然后慢慢去写数据库，用户体验较好。
阻塞与非阻塞的区别：
阻塞：调用者调用了某个函数，等待这个函数返回，期间什么也不做，不停的检查这个函数有没有返回，必须等这个函数返回后才能进行下一步动作。
非阻塞：非阻塞等待，每隔一段时间就去检查IO事件是否就绪。没有就绪就可以做其他事情。

BIO、NIO有什么区别

参考回答

BIO（Blocking I/O）：阻塞IO。调用者调用了某个函数，等待这个函数返回，期间什么也不做，不停的检查这个函数有没有返回，必须等这个函数返回后才能进行下一步动作。
NIO（New I/O）：同时支持阻塞与非阻塞模式，NIO的做法是叫一个线程不断的轮询每个IO的状态，看看是否有IO的状态发生了改变，从而进行下一步的操作。

请介绍一下5种IO模型

参考回答

阻塞IO：调用者调用了某个函数，等待这个函数返回，期间什么也不做，不停的检查这个函数有没有返回，必须等这个函数返回后才能进行下一步动作。
非阻塞IO：非阻塞等待，每隔一段时间就去检查IO事件是否就绪。没有就绪就可以做其他事情。
信号驱动IO：Linux用套接口进行信号驱动IO，安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞，当IO事件就绪，进程收到SIGIO信号，然后处理IO事件。
IO多路复用：Linux用select/poll函数实现IO复用模型，这两个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞IO所不同的是这两个函数可以同时阻塞多个IO操作。而且可以同时对多个读操作、写操作的IO函数进行检查。知道有数据可读或可写时，才真正调用IO操作函数。
异步IO：Linux中，可以调用aio_read函数告诉内核描述字缓冲区指针和缓冲区的大小、文件偏移及通知的方式，然后立即返回，当内核将数据拷贝到缓冲区后，再通知应用程序。用户可以直接去使用数据。

答案解析

前四种模型–阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO和信号驱动IO都属于同步模式，因为其中真正的IO操作(函数)都将会阻塞进程，只有异步IO模型真正实现了IO操作的异步性。
异步和同步的区别就在于，异步是内核将数据拷贝到用户区，不需要用户再自己接收数据，直接使用就可以了，而同步是内核通知用户数据到了，然后用户自己调用相应函数去接收数据

请说一下socket网络编程中客户端和服务端用到哪些函数

参考回答

服务器端函数：
（1）socket创建一个套接字
（2）bind绑定ip和port
（3）listen使套接字变为可以被动链接
（4）accept等待客户端的链接
（5）write/read接收发送数据
（6）close关闭连接
客户端函数：
（1）创建一个socket，用函数socket()
（2）bind绑定ip和port
（3）连接服务器，用函数connect()
（4）收发数据，用函数send()和recv()，或read()和write()
（5）close关闭连接

简述网络七层参考模型，每一层的作用

OSI七层模型	功能	对应的网络协议	TCP/IP四层概念模型
应用层	文件传输，文件管理，电子邮件的信息处理	HTTP,TFTP,FTP, NFS,WAIS,SMTP	应用层
表示层	确保一个系统的应用层发送的消息可以被另一个系统的应用层读取，编码转换，数据解析，管理数据的解密和加密。	Telnet, Rlogin, SNMP,Gopher	应用层
会话层	负责在网络中的两节点建立，维持和终止通信。	SMTP, DNS	应用层
传输层	定义一些传输数据的协议和端口。	TCP, UDP	传输层
网络层	控制子网的运行，如逻辑编址，分组传输，路由选择	IP, ICMP, ARP, RARP,AKP, UUCP	网络层
数据链路层	主要是对物理层传输的比特流包装，检测保证数据传输的可靠性，将物理层接收的数据进行MAC（媒体访问控制）地址的封装和解封装	FDDI, Ethernet,Arpanet, PDN, SLIP,PPP，STP。HDLC,SDLC,帧中继	数据链路层
物理层	定义物理设备的标准，主要对物理连接方式，电气特性，机械特性等制定统一标准	IEEE 802.1A, IEEE 802.2到IEEE 802.	数据链路层