线程同步原理_多线程同步机制

内核常见十大面试题（含答案！） 　　什么是操作系统内核？ 　　操作系统内核是计算机上最低层的软件，提供计算机最核心的功能，比如：进程管理、内存管理、I/O管理、文件管理、网络管理等。 　　内核如何发挥作用？CPU 是怎样执行的内核函数？ 　　首先系统中的程序分为两类：用户程序（程序员自编代码）和系统内核程序（固定的程序）。对此，CPU执行两种程序时的状态不同：用户态和核心态。用户程程序通过中断或异常使 CPU 的执行状态发生改变，如，CPU 在用户态执行用户程序，通过中断，CPU 转而去执行核心态的内核函数。 　　内核与用户空间之间的区别是什么？ 　　内核在内核空间中运行,在用户空间运行的正常程序.用户空间基本上是沙拳的一种形式-它限制用户程序,使他们不能惹的内存(和其他资源)的其它程序或操作系统内核拥有.这限制了(但通常并不完全消除)他们做坏事如撞毁机器的能力. 　　内核是操作系统的核心.它通常可以完全访问所有内存和机器硬件(以及机器上的所有其他内容).为了使机器尽可能稳定,通常只需要在内核模式/内核空间中运行最受信任,经过良好测试的代码. 　　请解释进程和线程的区别 　　进程是资源分配的最小单位，线程是程序执行的最小单位。进程有自己的独立地址空间，每启动一个进程，系统就会为它分配地址空间，建立数据表来维护代码段、堆栈段和数据段，这种操作非常昂贵。而线程是共享进程中的数据的，使用相同的地址空间，因此CPU切换一个线程的花费远比进程要小很多，同时创建一个线程的开销也比进程要小很多。线程之间的通信更方便，同一进程下的线程共享全局变量、静态变量等数据，而进程之间的通信需要以通信的方式（IPC)进行。不过如何处理好同步与互斥是编写多线程程序的难点。但是多进程程序更健壮，多线程程序只要有一个线程死掉，整个进程也死掉了，而一个进程死掉并不会对另外一个进程造成影响，因为进程有自己独立的地址空间。 　　线程同步机制有哪些？请简要介绍它们 　　线程同步的实现方式主要有6种：互斥锁、自旋锁、读写锁、条件变量、屏障、信号量。互斥锁：互斥锁在访问共享资源前对互斥量进行加锁，在访问完成后释放互斥量进行解锁。对互斥量加锁以后，任何其他试图再次对互斥量加锁的线程都会被阻塞，直至当前线程释放该互斥量。自旋锁：自旋锁与互斥量类似，但它不使线程进入阻塞态，而是在锁之前一直占用CPU，处于忙等自旋状态。自旋锁适用于锁被持有的时间短且线程不希望在重新调度上花费太多成本的情况。读写锁：读写锁有三种状态：读模式加锁、写模式加锁和不加锁，一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁，但是多个线程可以同时占有读模式的读写锁。读写锁非常适合对数据结构读的次数远大于写的情况。条件变量：条件变量允许线程睡眠，直到满足某种条件，当满足条件时，可以向该线程发送信号，通知并唤醒该线程。条件变量通常与互斥量配合一起使用。条件变量由互斥量保护，线程在改变条件状态之前必须首先锁住互斥量，其他线程在获得互斥量之前不会察觉到条件的改变，因为必须在锁住互斥量之后它才可以计算条件是否发生变化。屏障：屏障是用户协调多个线程并行工作的同步机制。屏障允许每个线程等待，直到所有的合作线程都到达某一点，然后从该点继续执行。信号量：信号量本质上是一个计数器，用于为多个进程提供共享数据对象的访问。编程时可根据操作信号量值的结果判断是否对公共资源具有访问的权限，当信号量值大于 0 时，则可以访问，否则将阻塞。PV 原语是对信号量的操作，一次 P 操作使信号量减１，一次 V 操作使信号量加１。 　　什么是死锁？如何避免和解决死锁问题？ 　　死锁问题的产生是由两个或者以上线程并行执行的时候，争夺资源而互相等待造成的。当两个线程为了保护两个不同的共享资源而使用了两个互斥锁，那么这两个互斥锁应用不当的时候，可能会造成两个线程都在等待对方释放锁，在没有外力的作用下，这些线程会一直相互等待，就没办法继续运行，这种情况就是发生了死锁。 　　在 Linux 下，我们可以使用+工具来定位死锁问题。然后使用 gdb 工具进一步确认。 　　避免死锁问题的发生： 　　产生死锁的四个必要条件是：互斥条件、持有并等待条件、不可剥夺条件、环路等待条件。那么避免死锁问题就只需要破环其中一个条件就可以，最常见的并且可行的就是使用资源有序分配法，来破环环路等待条件。线程 A 和 线程 B 资源的顺序要一样，当线程 A 是先尝试资源 A，然后尝试资源 B 的时候，线程 B 同样也是先尝试资源 A，然后尝试资源 B。也就是说，线程 A 和 线程 B 总是以相同的顺序申请自己想要的资源。我们使用资源有序分配法的方式来修改前面发生死锁的代码，我们可以不改动线程 A 的代码。我们先要清楚线程 A 资源的顺序，它是先互斥锁 A，然后互斥锁 B。所以我们只需将线程 B 改成以相同顺序的资源，就可以打破死锁了。 　　进程调度算法有哪些？请比较它们的优缺点。 　　进程调度算法有：时间片轮转调度算法（RR）、先来先服务调度算法（FCFS）、优先级调度算法（HPF）、多级反馈队列调度算法、高响应比优先调度算法。时间片轮转调度算法（RR）：给每个进程固定的执行时间，根据进程到达的先后顺序让进程在单位时间片内执行，执行完成后便调度下一个进程执行，时间片轮转调度不考虑进程等待时间和执行时间，属于抢占式调度。优点是兼顾长短作业；缺点是平均等待时间较长，上下文切换较费时。适用于分时系统。先来先服务调度算法（FCFS）：根据进程到达的先后顺序执行进程，不考虑等待时间和执行时间，会产生饥饿现象。属于非抢占式调度，优点是公平，实现简单；缺点是不利于短作业。优先级调度算法（HPF）：在进程等待队列中选择优先级最高的来执行。常被用于批处理系统中，还可用于实时系统中。多级反馈队列调度算法：将时间片轮转与优先级调度相结合，把进程按优先级分成不同的队列，先按优先级调度，优先级相同的，按时间片轮转。优点是兼顾长短作业，有较好的响应时间，可行性强，适用于各种作业环境。高响应比优先调度算法：根据“响应比=（进程执行时间+进程等待时间）/ 进程执行时间”这个公式得到的响应比来进行调度。高响应比优先算法在等待时间相同的情况下，作业执行的时间越短，响应比越高，满足段任务优先，同时响应比会随着等待时间增加而变大，优先级会提高，能够避免饥饿现象。优点是兼顾长短作业，缺点是计算响应比开销大，适用于批处理系统。 　　请解释虚拟内存的概念和作用。 　　虚拟内存是一种内存管理技术，是虚拟的、逻辑上存在的存储空间。 　　虚拟内存是硬件异常、硬件地址翻译、主存、磁盘文件和内核软件的完美交互，它为每个进程提供了一个大的、一致的和私有的地址空间。 　　首先程序是运行在内存中的，程序运行时会将保存在硬盘上的程复制到RAM内存（载入内存），然后CPU执行内存中的程序代码。如果执行的程序占用内存很大或很多，或同时执行多个程序，就会导致内存消耗殆尽。从而导致程序执行异常或崩溃。 　　虚拟内存工作原理：当进程开始运行时，先将一部分程序装入内存，另一部分暂时留在外存；当要执行的指令不在内存时，由系统自动完成将它们调入内存的工作；当没有足够的内存时，系统自动选择部分内存（暂不执行的程序）空间，将其中原有的内容交换到磁盘上，并释放这些内存空间供其他进程使用。这样做的结果使程序的运行丝毫不受影响，使程序在运行中感觉到拥有一个不受内存容量约束的、虚拟的、能够满足自己需求的存储器。 　　三大作用缓存: 将主存看做一个存储在磁盘空间上的地址空间的高速缓存，在主存中只保存活动区域，并根据需要在磁盘和主存之间来回传送数据。内存管理： 为每个进程提供了一致的地址空间，简化内存管理。内存保护： 保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏。 　　分页和分段是什么？它们有何不同？ 　　分页：将程序的逻辑地址空间划分为固定大小的页(page)，而物理内存划分为同样大小的页框(page frame)。程序加载时，可将任意一页放人内存中任意一个页框，这些页框不必连续，从而实现了离散分配。 　　分段：在分段存储管理中，将程序的地址空间划分为若干个段(segment)，这样每个进程有一个二维的地址空间。每个段分配一个连续的分区，而进程中的各个段可以不连续地存放在内存的不同分区中。程序加载时，操作系统为所有段分配其所需内存，这些段不必连续。 　　分页和分段的相同点：分页机制和分段机制都是为了提高内存利用率，产生较少的内存碎片。页和段都是离散存储的，所以两者都是离散分配内存的方式。但是每个页和段中的内存是连续的。 　　分页和分段的区别：页的大小是固定的，由操作系统决定，而段的大小不固定，取决于我们当前运行的程序。分页仅仅是为了满足操作系统内存管理的需求，而段是逻辑信息的单位，它含有一组其意义相对完整的信息，在程序中可以体现为代码段，数据段，是为了满足用户的需要。分页的作业地址空间是维一的，即单一的线性空间，程序员只须利用一个记忆符，即可表示一地址。分段的作业地址空间是二维的，程序员在标识一个地址时，既需给出段名，又需给出段内地址。段一般比页大，因而段表比页表短，可以缩短查找时间，提高访问速度。 　　中断和异常之间有何区别？ 　　中断分为外中断和内中断。 　　外中断——就是我们指的中断——是指由于外部设备事件所引起的中断，如通常的磁盘中断、打印机中断等；内中断——就是异常——是指由于 CPU 内部事件所引起的中断，如程序出错(非法指令、地址越界)。内中断(trap)也被译为“捕获”或“陷入”。 　　异常是由于执行了现行指令所引起的。由于系统调用引起的中断属于异常。中断则是由于系统中某事件引起的，该事件与现行指令无关。 　　相同点：都是CPU对系统发生的某个事情做出的一种反应。区别：中断由外因引起，异常由CPU本身原因引起。 　　这只是一部分题目，你可以根据具体需求进行深入研究和准备。同时，建议结合操作系统内核相关的书籍和资料进行更全面的学习。小编推荐自己的Linux内核技术交流群：【】整理一些个人觉得比较好得学习书籍、视频资料！进群私聊管理领取内核资料包（含视频教程、电子书、实战项目及代码）

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