操作系统基础知识

1. 进程和线程

1. 什么是进程，线程 ，以及区别

进程

• 进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，它是程序执行的实列。
• 进程拥有独立的地址空间，一个进程的崩溃并不会到其他进程的运行，进程间的通信需要特殊的机制，比如 管道，队列 ，信号量等等。
• 进程执行开销大，但是利于资源的管理和保护。

线程

• 线程是进程的执行单元，也被称为轻量级别的进程。一个进程包含多个线程，他们共享进程的资源。
• 线程间的通信可以通过直接读写进程的数据来实现，更高效，但同时也就意味着，一个线程崩溃会影响到其他线程。
• 线程的执行开销小，但不利于资源的管理和保护

2. 进程的有几种状态

进程状态：

• 创建
• 就绪
• 运行（获得cpu资源，被系统调度，进入运行状态，时间片用完进入就绪状态）
• 阻塞
• 终止
  

3. 进程间的通讯方式有哪些，各有什么优点

主要方式有：

• 管道（pipe）：适合有亲缘关系的进程间通讯， 是一种半双工通讯方式，数据只能单向流动。
• 命名管道（FIFO）： 除了具有管道的功能之外 ， 没有亲缘关系的进程间也能进行通讯。
• 信号量（semophore）： 是一种计数器，主要用来实现进程间的同步和互斥，用来控制多个进程对共享资源的访问。
• 消息队列（message queue）：是由消息组成的链表，存储在内核中，可实现任意进程之间的通讯。
• 信号量（singnal）:主要用来实现进程间的同步
• 套接字（socket）：用于不同主机之间的通讯，适用于网络通讯。
• 共享内存：允许多个进程访问同一块进程空间，速度快，但需要处理同步问题

自旋锁（SpinLock)和互斥量(Mutex) 以及二者的区别

自旋锁和互斥量都是为了处理多线程或者多核环境 并发访问的同步机制，它们的目的一样但是具体实现又是不同的。

自旋锁（SpinLock)

• 自旋锁（SpinLock)是一种低级同步机制，用于保护很短的代码段： 比如 增加计数器，修改一个标志位等等
• 当一个线程想到获得 已经被获得的互斥锁时，他只能一直进行等待，直到互斥锁被释放，这就将会浪费cpu的资源
• 由于自旋锁不会使得进行进入休眠状态， 所以它适用于 时间短效率高的场景。

互斥量（Mutex）

• 互斥量是一种高级的同步机制，用于保护代码执行时间长的操作，如修改和访问复杂的数据结构等
• 当一个进程想要尝试获得一个已经被持有的互斥量时，它会进入等待过程，直到互斥量可以被再次适用，这样的等待过程是不会消耗cpu资源的
• 互斥量设计到线程的唤醒和休眠，相对于互斥锁有更高的开销，适用于会长时间持有锁的情况。

它们之间的主要区别：

• 等待机制：自旋锁让线程在等待锁的过程中处于忙等（自旋）状态，消耗CPU资源；而互斥量在等待时使线程休眠，不消耗CPU资源。
• 使用场景：自旋锁适用于执行时间极短的操作；互斥量适用于执行时间较长的操作。
• 系统开销：自旋锁的开销较低，但在等待时会消耗CPU；互斥量的开销较高，主要体现在线程休眠和唤醒的过程中。
• 内核抢占： 互斥锁 不允许内核抢占 。 而互斥量允许内核进行抢占，所以持有信号量的代码可以被抢占

自旋锁和互斥量可以睡眠嘛？为什么

自旋锁不可以睡眠， 信号量可以睡眠

原因

• 自旋锁禁止处理器抢占的，而信号量不禁止处理器抢占
• 基于这个原因，如果自旋锁睡眠了，用于不能进行处理器抢占，那系统的其他相应也得不到运行，导致系统不能正常工作
• 信号量在临界区睡眠以后，其他进程可以用抢占式的方式继续运行，可以使得睡眠的进程获得资源而被唤醒，从而恢复正常的代码运行
• 自选锁睡眠的情况也包括多核cpu和中断的情况， 自旋锁睡眠的时候只有当前的cpu禁止抢占，不影响其他cpu的运行。
• 自旋锁睡眠时，如果允许中断处理，那么中断的代码是可以正常允许的，但是中断不会唤醒自旋锁，因此系统任然允许不正常。

TCP 和UDP

TCP ，UDP 的概念

• TCP(Transmission Control Protocol) 传输控制协议 ：是一种面向连接的，可靠的，基于字节流的传输通信协议 ，它确保数据的有效性和顺序性，适合可靠性搞的应用场景。在传输前，需要先建立连接，通过三次握手来确定双方准备就绪
• UDP （User Datagram Protocol) 用户数据包协议：是一种无连接的数据传输协议 。 它并不保证数据的可靠性和顺序性，适用于对实时性较高的应用。

TCP 的连接的三次握手

为了保证信息的可靠性和顺序性 ，TCP采用三次握手保证双方接收和收发能力都是正常的

• 第一次握手：客户端（Client）向服务器（Server）发送一个同步序列包（SYN)，客户端进入到SYN_SEND 状态，等待服务器确认
• 第二次握手：此时服务器收到了客户端的SYN包，此时必须确认（ACK)客户端的SYN包 ,同时自己也发送一个SYN包,此时服务器进入到SYN_RECV状态
• 第三次握手：客户端接收到服务器的SYN+ ACK 包, 想服务器发送确认包ACK ，此包发送完毕，双方都进入到ESTABLISHED 状态，完成三次握手双方开始发送数据。
  

TCP 的断开的四次握手

当TCP连接的一方完成数据的传输后，需要发送一个FIN来关闭连接，由于TCP时全双工的，每个方向都必须单独关闭，这个过程需要四次握手：

• 第一次握手：当主机A 认为数据发送完成后，它需要发送一个FIN来终止数据传输
• 第二次握手：当主机B收到这个FIN ，它发送一个ACK给主机A, 确认序列号为收到序号+1 ， 这个ACK也就是说“我知道你要关闭连接了”
• 第三次握手：主机B如果数据也发送完毕，将向主机A发送FIN，用来关闭向主机A 的数据传输
• 第四次握手：当主机A收到这个FIN后，发送一个ACK给B，确认序号为收到序号+1，然后让主机A进入到TIME_WAIT状态，这个状态会持续2MSL（最大报文寿命）时间，足够主机B收到这个最终的ACK
  进行四次握手的目的是为了确保双方数据完全传输完毕，然后再关闭连接。这样可以防止已经关闭的连接中还有遗留的数据包在网络中，确保双方都能正常关闭连接

Scoket

基于TCP的socket

基于UDP的socket