1 进程与线程？

1.1 进程的概念与定义

在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，此时他们将失去封闭性，并具有间断性及不可再现性的特征。为此引入了进程的概念，以便更好地描述和控制程序的并发执行，实现操作系统的并发性和共享性。

进程是程序的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

1.2 线程的概念和定义

早期，在OS中能拥有资源和独立运行的基本单位是进程，然而随着计算机技术的发展，进程出现了很多弊端：

  1. 由于进程是资源拥有者，创建、撤消与切换存在较大的时空开销，因此需要引入轻型进程
  2. 二是由于对称多处理机（SMP）出现，可以满足多个运行单位，而多个进程并行开销过大

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，每条线程执行不同的任务。

1.3 进程和线程的区别

  1. 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；
  2. 线程依赖于进程而存在，一个进程至少有一个线程；
  3. 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；
  4. 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；
  5. 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；
  6. 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；
  7. 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；

1.4 进程和程序的区别

  1. 程序是永存的；进程是暂时的，是程序在数据集上的一次执行，有创建有撤销，存在是暂时的；
  2. 程序是静态的观念，进程是动态的观念；
  3. 进程具有并发性，而程序没有；
  4. 进程是竞争计算机资源的基本单位，程序不是。
  5. 进程和程序不是一一对应的： 一个程序可对应多个进程即多个进程可执行同一程序； 一个进程可以执行一个或几个程序

2 进程的通信方式？

2.1 共享内存

顾名思义，共享内存就是两个进程同时共享一块内存，然后在这块内存上的数据可以共同修改和读取，达到通信的目的。

2.2 无名管道

无名管道是半双工的通信方式；并且只能在具有亲缘关系的进程之间使用（亲缘关系是指进程间的父子关系，兄弟关系等），具有亲缘关系的进程在创建时同时拥有一个无名管道的句柄，可以进行读写；

无名管道不存在磁盘节点，只存在与内存中用完即销毁。

2.3 命名管道

命名管道也是半双工的通信方式；可以在不具有亲缘关系的进程间通信；有名管道存在磁盘节点，有对应的FIFO文件，凡是可以访问该路径的文件的进程均可以进行通信。

2.4 消息队列

消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

2.5 套接字

套接字是网络编程的api，通过套接字可以不同的机器间的进程进行通信，常用于客户端进程和服务器进程的通信。

2.6 信号

信号是Unix系统中使用的最古老的进程间通信的方法之一。操作系统通过信号来通知进程系统中发生了某种预先规定好的事件（一组事件中的一个），它也是用户进程之间通信和同步的一种原始机制。

一个键盘中断或者一个错误条件（比如进程试图访问它的虚拟内存中不存在的位置等）都有可能产生一个信号。Shell也使用信号向它的子进程发送作业控制信号。

3 进程的5种状态及转换过程？

4 进程的调度算法有哪些？

4.1 先来先服务（FCFS）

按照请求的顺序进行调度。非抢占式，开销小，无饥饿问题，响应时间不确定（可能很慢）；

对短进程不利，对IO密集型进程不利。

4.2 最短作业优先（SJF）

按估计运行时间最短的顺序进行调度。非抢占式，吞吐量高，开销可能较大，可能导致饥饿问题；

对短进程提供好的响应时间，对长进程不利。

4.3 优先级调度算法

为每个进程分配一个优先级，按优先级进行调度。为了防止低优先级的进程永远等不到调度，可以随着时间的推移增加等待进程的优先级。

4.4 时间片轮转

将所有就绪进程按 FCFS的原则排成一个队列，用完时间片的进程排到队列最后。

抢占式（时间片用完时），开销小，无饥饿问题，为短进程提供好的响应时间；若时间片小，进程切换频繁，吞吐量低；若时间片太长，实时性得不到保证。

4.5 最高响应比优先

$$
响应比=1+\frac{等待时间}{处理时间}
$$

同时考虑了等待时间的长短和估计需要的执行时间长短，很好的平衡了长短进程。非抢占，吞吐量高，开销可能较大，提供好的响应时间，无饥饿问题。

4.6 多级反馈队列调度算法

设置多个就绪队列1、2、3…，优先级递减，时间片递增。只有等到优先级更高的队列为空时才会调度当前队列中的进程。如果进程用完了当前队列的时间片还未执行完，则会被移到下一队列。

抢占式（时间片用完时），开销可能较大，对IO型进程有利，可能会出现饥饿问题

5 同步和互斥？

5.1 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。

5.2 互斥

多个进程在同一时刻只有一个进程能进入临界区。

5.3 同步机制的4个准则

  1. 空闲让进：当无进程处于临界区，可允许一个请求进入临界区的进程立即进入自己的临界区
  2. 忙则等待：当已有进程进入自己的临界区，所有企图进入临界区的进程必须等待
  3. 有限等待：对要求访问临界资源的进程，应保证该进程能在有限时间内进入自己的临界区
  4. 让权等待：当进程不能进入自己的临界区，应释放处理机

6 进程同步相关概念

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

6.1 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；

6.2 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；

6.3 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。

  1. 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。
  2. 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。

6.4 临界区 Critical Section

指的是访问资源的那段代码，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。

7 死锁

7.1 死锁的定义

是指两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

7.2 死锁原因

  1. 系统资源不足（对不可剥夺资源的竞争）
  2. 进程推进顺序不当（P1拥有A申请B，P2拥有B申请A）

7.3 产生死锁的必要条件

  1. 互斥条件：指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。
  2. 请求和保持条件：指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。
  3. 不剥夺条件：指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
  4. 环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个进程资源的环形链。

7.4 处理死锁的基本方法

7.4.1 预防死锁

这是一种较简单和直观的事先预防的方法。方法是通过设置某些限制条件，去破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或者几个，来预防发生死锁。预防死锁是一种较易实现的方法，已被广泛使用。

但是由于所施加的限制条件往往太严格，可能会导致系统资源利用率和系统吞吐量降低。

7.4.2 避免死锁

该方法同样是属于事先预防的策略，但它并不须事先采取各种限制措施去破坏产生死锁的的四个必要条件，而是在资源的动态分配过程中，用 某种方法去防止系统进入不安全状态，从而避免发生死锁。

7.4.3 检测死锁

这种方法并不须事先采取任何限制性措施，也不必检查系统是否已经进入不安全区，此方法允许系统在运行过程中发生死锁。但可通过系统所设置的检测机构，及时地检测出死锁的发生，并精确地确定与死锁有关的进程和资源，然后采取适当措施，从系统中将已发生的死锁清除掉。

7.4.4 解除死锁

这是与检测死锁相配套的一种措施。当检测到系统中已发生死锁时，须将进程从死锁状态中解脱出来。常用的实施方法是撤销或挂起一些进程，以便回收一些资源，再将这些资源分配给已处于阻塞状态的进程，使之转为就绪状态，以继续运行。

8 什么是饥饿？与死锁有什么差别？

等待时间给进程推进和响应带来明显影响时成为进程饥饿。

饥饿并不代表系统已经死锁，但至少有一个程序的执行被无限期地推迟。

差别：

  1. 进入饥饿的进程可以只有一个，但是死锁必须大于等于两个；
  2. 出于饥饿状态的进程可以是一个就绪进程，但是死锁状态的进程必定是阻塞进程。

9 银行家算法

主要思想是避免系统进入不安全状态，在每次进行资源分配时，它首先检查系统是否有足够的资源满足要求，如果有，则先试行分配，并对分配后的新状态进行安全性检查。如果新状态安全，则正式分配上述资源，否则拒绝分配上述资源。

这样就保证系统始终处于安全状态，从而避免死锁现象的发生。

10 死锁定理

如果资源分配图是可以完全简化的（能消去所有的边），则没有死锁。