嵌入式经典面试题之操作系统（三）

文章目录

- [01 进程、线程、协程分别是什么？](#01 进程、线程、协程分别是什么？)
- [02 描述一下进程的空间模型？](#02 描述一下进程的空间模型？)
- [03 多进程多线程多协程的优缺点](#03 多进程多线程多协程的优缺点)
- [04 多进程、多线程同步通信方式](#04 多进程、多线程同步通信方式)
- - [4.1 多进程](#4.1 多进程)
  - [4.2 多线程](#4.2 多线程)
- [05 进程线程的状态转换？](#05 进程线程的状态转换？)
- [06 进程上下文是什么？](#06 进程上下文是什么？)
- [07 中断上下文是什么？](#07 中断上下文是什么？)
- [08 父进程、子进程及其关系和区别](#08 父进程、子进程及其关系和区别)

01 进程、线程、协程分别是什么？

**进程是程序在计算机中执行的实例，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。**每个进程都有自己的虚拟地址空间、代码段、数据段以及系统资源（如文件描述符、IO资源等）。

**线程是进程中的一个执行单元，线程在进程内共享资源（如内存、文件描述符等），但每个线程有独立的执行栈和程序计数器。**线程是 CPU 调度的最小单位，多个线程可以并发地执行。

协程是一种用户级的线程，它是轻量级的、由程序员控制调度的并发单元。协程通常由程序员主动切换，而不像线程那样由操作系统进行调度。

进程、线程、协程的区别如下：

调度单位	操作系统调度	操作系统调度	用户调度（程序员控制）
内存隔离	每个进程有独立的内存空间	线程共享进程的内存空间	协程共享进程的内存空间
资源消耗	开销大（包括创建和上下文切换）	较小（比进程小，但比协程大）	开销最小（无操作系统介入）
创建销毁开销	较大	较小	非常小（仅为函数调用）
并发性能	并发能力受限于操作系统调度	多线程能提高并发能力	高并发，适合I/O密集型任务
通信方式	进程间通信（IPC）	线程间通信（共享内存、锁等）	协程间直接通过共享内存、变量等
使用场景	适用于需要高度隔离的任务	适用于需要高并发的CPU密集型任务	适用于大量I/O密集型操作

注意：

一个进程可以包含多个线程，一个线程从属于一个进程。一个线程可以有多个协程。
一个进程的消失不会影响其他进程，但是一个线程的消失会使相对应的进程消失。
协程不需要多线程的锁机机制，因为多个协程从属于一个线程，不存在同时写变量冲突。并且效率上比线程高。

02 描述一下进程的空间模型？

通常32位Linux内核地址空间划分0~3G为用户空间，3~4G为内核空间具体如图，内核空间是受保护的，用户不能对该空间进行读写操作。

栈的空间有限，堆是很大的自由存储区，程序在编译期对变量和函数分配内存都在栈上进行，且程序运行过程中函数调用时参数的传递也是在栈上进行。

程序段（Text）：程序代码在内存中的映射，存放函数体的二进制代码。

初始化过的数据（Data）：在程序运行初已经对变量进行初始化的数据。

未初始化过的数据（BSS）：在程序运行初未对变量进行初始化的数据。

栈 (Stack):存储局部、临时变量，函数调用时，存储函数的返回指针，用于控制函数的调用和返回。在程序块开始时自动分配内存,结束时自动释放内存，其操作方式类似于数据结构中的栈。

堆 (Heap)：存储[动态内存分配,需要程序员手工分配，手工释放。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式类似于链表。

注意：栈空间有向下的箭头，代表数据地址增加的空间是往下的，新的数据的地址的值反而更小，堆空间则是往上。

03 多进程多线程多协程的优缺点

内存开销	高，每个进程有独立内存空间	较小，线程共享进程的内存	非常小，多个协程共享线程内存
创建/销毁开销	高，进程创建和销毁较慢	较低，线程创建和销毁较快	极低，协程创建和销毁非常快
上下文切换效率	低，进程切换涉及更多资源	较高，线程切换相对较轻	非常高，由用户级调度控制
并行性	高，支持多核并行处理	高，支持多核并行处理	仅限于单线程，不支持多核并行
稳定性	高，进程独立，一个崩溃不会影响其他进程	较低，线程共享内存，一个线程崩溃可能影响进程	较低，协程在同一线程中，崩溃会影响整个进程
线程/进程间通信	复杂，需要使用IPC（如管道、消息队列等）	简单，线程共享内存，易于通信	极其简单，通过共享变量或异步IO等
适用场景	适用于CPU密集型任务，需要高独立性和并行性	适用于I/O密集型任务，尤其需要多任务并发时	适用于I/O密集型任务，极高并发且资源使用少
开发难度	较高，进程间通信和同步复杂	中等，需要处理线程同步和死锁等问题	低，协程的开发较简单，但调度和控制需要注意
调试难度	中等，进程间隔离相对容易调试	较高，线程安全问题导致调试较困难	高，调试协程中的并发和状态控制较复杂

04 多进程、多线程同步通信方式

4.1 多进程

（1）管道

匿名管道：用于父子进程之间的通信，通常为单向通信。
命名管道：允许不同的进程通过文件系统中的命名管道进行通信，支持双向通信。
优点：简单、轻量。
缺点：只能用于父子进程或具有相关关系的进程。

（2）消息队列

允许进程通过消息队列发送和接收消息，消息按顺序排队。
优点：提供了进程间异步通信，支持多个生产者和消费者。
缺点：性能受限，特别是消息队列长度较长时。

（3）共享内存

允许多个进程访问同一块内存区域，速度较快，但需要显式的同步机制（如信号量或互斥锁）。
优点：速度快，适合大数据量的共享。
缺点：需要额外的同步机制来保证数据一致性。

（4）信号量

信号量用于控制对共享资源的访问，通过计数来实现资源的限制，防止多个进程同时访问共享资源。
优点：可以有效地防止竞争条件，控制并发。
缺点：实现复杂，容易产生死锁。

（5）互斥锁

互斥锁是一种同步原语，确保同一时间只有一个进程能够访问某个资源。
优点：确保数据的一致性，防止竞争条件。
缺点：可能会产生死锁，需要小心设计。

4.2 多线程

（1）互斥锁/锁

互斥锁是最常用的同步工具，确保只有一个线程能访问共享资源，其他线程必须等待锁被释放。
优点：简单直接，保证了线程安全。
缺点：容易产生死锁，锁粒度过大会影响性能。

（2）条件变量

条件变量用于线程间的通知机制。当某个条件满足时，线程可以通过条件变量通知其他线程继续执行。
适合的场景是，线程在某个条件不满足时，需要等待一段时间或直到其他线程改变状态。

（3）读写锁

读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但在写操作时会排它性地独占资源。适用于读操作频繁、写操作较少的场景。
优点：提高了读操作的并发性。
缺点：写操作时必须获得独占锁，可能会阻塞读操作。

（4）信号量

信号量是一种用于限制同时访问共享资源的线程数量的同步机制。它维护一个计数器，线程在进入临界区之前需要获取信号量，计数器为0时线程会被阻塞。
适用于有固定数量资源的情况。

（5）队列

使用队列进行线程间的通信
适用于生产者-消费者模式，一个线程向队列放入数据，另一个线程从队列中取出数据。
优点：队列是线程安全的，不需要显式的锁。
缺点：可能会影响性能，尤其是高并发的情况下。

（6）事件

事件对象用于线程间同步，当一个线程设置事件，其他线程可以等待该事件的发生来执行某些操作。
适用于需要线程等待某个特定事件发生的场景。

（7）共享变量

可以直接通过共享全局变量来进行通信，但这种方法需要加锁保证线程安全。
适用于少量数据交换的场景。

05 进程线程的状态转换？

创建态：一个进程正在被创建，还没到转到就绪状态之前的状态。操作系统为新进程分配资源、创建PCB

运行态：占有CPU，并在CPU上运行；

就绪态：已经具备运行条件，但是由于没有空闲的CPU，而暂时不能运行；一旦得到CPU时间片调度时即可运行。

阻塞态：一个进程正在等待某一事件而暂停运行时，已经具备运行条件，但是由于没有空闲的CPU，而暂时不能运行；

终止态：操作系统回收进程的资源，撤销PCB。

转换:

就绪 → 运行：当操作系统的调度器选择一个就绪状态的进程并将 CPU 分配给它时，进程进入运行状态。

运行 → 阻塞：进程执行过程中，如果需要等待某些资源（如 I/O 操作、网络响应等），它会进入阻塞状态。

运行 → 就绪：如果进程的时间片用完，或者调度器决定中断当前进程（如时间片轮转），进程会进入就绪状态，等待下一次调度。

阻塞 → 就绪：当进程等待的事件发生（如 I/O 完成、资源释放等），进程会从阻塞状态转变为就绪状态，准备重新调度执行。

运行 → 终止：进程执行完毕，或发生异常终止，进程进入终止状态。

阻塞 → 终止：如果进程在阻塞状态时发生了崩溃或终止，也会直接进入终止状态。

注意：

不能由阻塞态直接转换运行态，也不能由就绪态直接到阻塞态。（原因：因为进入阻塞态是进程主动请求的，必然需要进程在运行态时才能发出这种请求。）

06 进程上下文是什么？

**进程上下文是指在进程执行过程中，操作系统需要保存和恢复的关于该进程的状态信息。**当一个进程在执行时,CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中的内容被称为该进程的上下文。

**进程切换：**当内核需要切换到另一个进程时，它需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的上下文，以便在再次执行该进程时，能够必得到切换时的状态执行下去。

进程上下文包括：

程序计数器：指示进程下一条指令的地址。
寄存器的值：包括通用寄存器、浮点寄存器等，保存了进程在执行时的数据。
堆栈指针：指向当前进程的栈帧。
内存管理信息：如页表、段表等，用于管理该进程的虚拟内存。
进程状态：如进程是否处于运行、就绪、阻塞等状态。
文件描述符：进程当前打开的文件、套接字等的标识符。
信号状态：进程的信号掩码，表示哪些信号处于屏蔽状态。

**当发生进程调度时，进行进程切换就是上下文切换。**操作系统必须对上面提到的全部信息进行切换，新调度的进程才能运行。

保存当前进程的上下文，包括所有寄存器、程序计数器、堆栈指针等。
恢复目标进程的上下文，让目标进程从上次中断的地方继续执行。

进程上下文切换的场景：

时间片耗尽：调度器决定切换到另一个进程。
阻塞事件：当前进程因为等待 I/O 操作或其他资源而被阻塞，操作系统切换到其他进程。
进程退出：进程执行完毕，操作系统切换到其他就绪进程。

07 中断上下文是什么？

**中断上下文是指当中断发生时，操作系统需要保存和恢复的执行状态。**当硬件通过触发信号，导致内核调用中断处理程序，进入内核空间。这个过程中，硬件的一些变量和参数也要传递给内核，内核通过这些参数进行中断处理。

中断上下文包括：

程序计数器：指示中断发生前的指令位置。
中断触发前的寄存器值：中断发生前 CPU 寄存器的内容，包括状态寄存器、通用寄存器等。
栈信息：中断发生时当前栈的状态。
标志寄存器：表示中断状态和 CPU 特权级（如中断屏蔽等）。

**中断上下文切换：**在发生中断时,内核就在被中断进程的上下文中，在内核态下执行中断服务例程。但同时会保留所有需要用到的资源，以便中继服务结束时能恢复被中断进程的执行。

中断上下文的场景：

定时器中断：操作系统的时钟中断用于实现多任务调度。
外部设备中断：例如磁盘 I/O 完成、网络包到达等。
系统调用：当进程发出系统调用时，通常会触发一个软件中断。

注意：

不能-睡眠或者放弃CPU。因为内核在进入中断之前会关闭进程调度，一旦睡眠或者放弃CPU，这时内核无法调度别的进程来执行，系统就会死掉。牢记：中断服务子程序一定不能睡眠（或者阻塞）。
不能-尝试获得信号量。如果获得不到信号量，代码就会睡眠，导致（1）中的结果。
不能-执行耗时的任务。中断处理应该尽可能快，因为如果一个处理程序是IRQF_DISABLED类型，他执行的时候会禁止所有本地中断线，而内核要响应大量服务和请求，中断上下文占用CPU时间太长会严重影响系统功能。中断处理程序的任务尽可能放在中断下半部执行。
不能-访问用户空间的虚拟地址，因为中断运行在内核空间。

进程上下文与中断上下文的区别

触发方式	进程调度、阻塞、I/O 等系统调度引起的	外部中断源（硬件中断、定时器中断等）
发生时机	进程调度、时间片耗尽、进程终止、阻塞等	由硬件或软件触发（如 I/O 完成、时钟中断）
内容保存	保存当前进程的程序计数器、寄存器、堆栈指针、内存管理等信息	保存当前 CPU 寄存器、程序计数器、中断状态等
上下文切换的目标	切换到其他进程	切换到中断处理程序（ISR）
状态恢复	恢复另一个进程的执行状态	执行中断处理程序后，恢复中断发生前的状态
上下文切换的开销	较大，涉及进程的状态、资源等	较小，主要涉及保存和恢复寄存器和标志位等

08 父进程、子进程及其关系和区别

（1）父进程创建子进程

在许多操作系统中，进程是通过系统调用如 fork() 来创建的。
父进程调用 fork() 或类似系统调用时，操作系统会复制父进程的地址空间，并在此基础上创建一个新的进程，这个新进程就是子进程。
父进程和子进程拥有独立的内存空间，它们的进程 ID (PID) 是不同的，但它们共享一些资源（如打开的文件描述符、信号等），除非特定地关闭或重新设置。

在操作系统中父进程和子进程是进程间的关系，其中父进程是创建子进程的进程，而子进程是由父进程创建并继承其部分资源的进程。

（2）PID 和 PPID概念

PID（Process ID）：每个进程在操作系统中都有一个唯一的进程标识符（PID），用于标识进程。
PPID（Parent Process ID）：每个进程也会有一个父进程 ID（PPID），表示该进程的父进程。
父进程和子进程通过 PPID 和 PID 相互联系。父进程的 PID 会作为子进程的 PPID。

（3）父进程等待子进程结束

父进程可以通过系统调用（如 wait() 或 waitpid()）等待子进程的终止，并获取子进程的退出状态。这是为了保证父进程能够处理子进程的退出，防止僵尸进程的产生。

僵尸进程 ：当子进程终止时，它会保留在系统中，直到父进程通过 wait() 系统调用回收其退出状态。若父进程没有调用 wait()，子进程的退出状态会保留在系统中，变成僵尸进程。

（4）孤儿进程

如果父进程在子进程结束之前终止，那么该子进程会变成孤儿进程。在 Unix/Linux 系统中，孤儿进程会被 init 进程（PID 1）作为新的父进程收养，确保系统对这些进程进行管理，避免孤儿进程成为僵尸进程。

注意：父进程、子进程它们共享代码段，但并不共享数据段、堆、栈等，而是子进程拥有父进程数据段、堆、栈等副本，所以对于同一个局部变量，它们打印出来的值是不相同的。