操作系统
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操作系统

线程&进程&协程

线程与进程的比较如下：

  1. 进程是资源分配的单位，线程是 CPU 调度的单位；
  2. 进程拥有完整的资源平台，而线程只独享必不可少的资源，如寄存器和栈；
  3. 线程同样具有就绪、阻塞、执行三种基本状态，具有状态之间的转换关系；
  4. 线程能减少并发执行的时间和空间开销

对于，线程相比进程能减少开销，体现在：

  1. 线程的创建时间比进程快，因为进程在创建的过程中，还需要资源管理信息，比如内存管理信息、文件管理信息，而线程在创建的过程中，不会涉及这些资源管理信息，而是共享它们
  2. 线程的终止时间比进程快，因为线程释放的资源相比进程少很多
  3. 同一个进程内的线程切换比进程切换快，因为线程具有相同的地址空间（虚拟内存共享），这意味着同一个进程的线程都具有同一个页表，那么在切换的时候不需要切换页表。而对于进程之间的切换，切换的时候要把页表给切换掉，而页表的切换过程开销是比较大的
  4. 由于同一进程的各线程间共享内存和文件资源，那么在线程之间数据传递的时候，就不需要经过内核了，这就使得线程之间的数据交互效率更高了； 所以，线程比进程不管是时间效率，还是空间效率都要高

协程的切换效率线程更高：1. 不需要保存栈状态 2. 只在用户态完成，不需要系统调用

协程：用户态的轻量级线程，由程序员在代码中显式控制其调度，适用于I/O密集型任务

进程私有：代码段、数据段、堆、栈，PCB，公有：共享内存

线程之间私有和共享的资源 私有：线程栈，寄存器，程序计数器 共享：堆，地址空间，全局变量，静态变量

多线程

线程是CPU调度的基本单位，多线程可以提升CPU的利用率，更有效利用多核CPU，每个线程会有新建、就绪、运行、阻塞、终止状态，多个线程访问共享资源的时候，可能会出死锁、饥饿的现象。

使用线程池来管理多线程：

  • 减少线程创建和销毁的开销
  • 控制并发线程数量
  • 提供更灵活的任务调度

僵尸进程&孤儿进程

僵尸进程：是指已经终止（exit），但其父进程尚未调用 wait() 或 waitpid() 来回收其资源（如退出状态码）的进程，它仍然占用 进程表（Process Table） 中的一个条目，但不再占用系统资源（如内存、CPU）。

孤儿进程：父进程已经终止，但是子进程还在运行，由init(PID=1)接管

大端序和小端序

小端序：低位低地址

区别在于数据的高位字节和低位字节在内存中的存储顺序，需要注意跨平台数据交换的时候，可能要进行交换。如果需要逐位运算，或者需要到从个位数开始运算，都是小端序占优势。反之，如果运算只涉及到高位，或者数据的可读性比较重要，则是大端序占优势。

系统调用

系统调用（System Call） 是用户程序请求操作系统内核提供服务的一种机制。由于操作系统内核负责管理硬件资源和提供核心功能（如文件读写、进程管理、网络通信等），而用户程序通常运行在用户模式下，无法直接访问这些资源。

线程不安全的原因

  1. 操作系统的随机调度/抢占式执行
  2. 多个线程修改同一个变量
  3. 有些修改操作,不是原子的
  4. 内存改了,但是在优化的背景下，但是优化后读不到
  5. 指令重排序，也是编译器,操作系统等的优化,调整了代码的执行顺序

进程之间的通信方式

管道 （1）有名管道：一种半双工的通信方式，它允许无亲缘关系进程间的通信 ①优点：可以实现任意关系的进程间的通信 ②缺点：a、长期存于系统中，使用不当容易出错；b、缓冲区有限 （2）无名管道：一种半双工的通信方式，只能在具有亲缘关系的进程间使用（父子进程） ①优点：简单方便 ②缺点：a、局限于单向通信；b、只能创建在它的进程以及其有亲缘关系的进程之间；c、缓冲区有限

信号量：一个计数器，可以用来控制多个线程对共享资源的访问，PV操作，通过信号量实现临界区的互斥

P操作：申请资源，进入临界区，s = s - 1，如果s ≥ 0，继续执行，如果s < 0，放入等待队列（资源不足）

V操作：释放资源，退出临界区，s = s + 1，如果s ≤ 0，从等待队列中唤醒一个阻塞的进程

条件变量：一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生

消息队列：是消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识，优点：可以实现任意进程间的通信，并通过系统调用函数来实现消息发送和接收之间的同步，无需考虑同步问题，方便；缺点：信息的复制需要额外消耗 CPU 的时间，不适宜于信息量大或操作频繁的场合

共享内存：映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问，无须复制，快捷，信息量大，但是涉及进程间的读写操作的同步问题

套接字：可用于不同计算机间的进程通信

线程之间的通信方式

锁机制 包括互斥锁、读写锁、自旋锁、条件变量

  1. 互斥锁：提供了以排他方式防止数据结构被并发修改的方法。
  2. 读写锁：允许多个线程同时读共享数据，而对写操作是互斥的。
  3. 自旋锁与互斥锁类似，都是为了保护共享资源。互斥锁是当资源被占用，申请者进入睡眠状态；而自旋锁则循环检测保持者是否已经释放锁。
  4. 条件变量：可以以原子的方式阻塞进程，直到某个特定条件为真为止。对条件的测试是在互斥锁的保护下进行的。条件变量始终与互斥锁一起使用。

条件变量，通常与 互斥锁（Mutex） 配合使用，用于让线程等待某个条件成立后再继续执行。

悲观锁&乐观锁

概念

悲观锁：假设并发冲突一定会发生，因此在访问共享资源前先加锁，防止其他事务修改数据

乐观锁：假设并发冲突较少发生，不加锁，而是在提交时检查数据是否被修改

场景

悲观锁：银行转账、秒杀系统

乐观锁：商品页（读多写少）

GIL锁

同一时刻只有一个线程执行 Python 字节码，是一个全局互斥锁；

可以用多个进程绕过，每个进程都有一个独立的GIL锁

引用计数

引用计数是一种内存管理技术，用于跟踪对象被引用的次数。当对象的引用计数降为 0 时，表示该对象不再被任何变量引用，可以被安全地回收。

核心思想

  • 每个对象维护一个 引用计数器，记录有多少变量指向它
  • 当变量引用该对象时，计数器 +1
  • 当变量不再引用该对象时，计数器 -1
  • 如果计数器变为 0，则释放该对象占用的内存

什么是死锁，解决方法

死锁：死锁是指两个或两个以上的进程（线程）在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局，若无外力作用，这些进程（线程）都将无法向前推进。详见： 死锁四个必要条件及死锁的预防、检测、避免、解除

死锁产生的四个必要条件

互斥：一次只有一个进程可使用一个资源，其他进程不能访问已分配给其他进程的资源。

占有且等待：当一个进程在等待分配得到其他资源时，其继续占有已分配得到的资源。

非抢占：不能强行抢占进程中已占有的资源

循环等待：存在一个封闭的进程链，使得每个资源至少占有此链中下一个进程所需要的一个资源

死锁的处理四种方法

  • 死锁预防：通过确保死锁的一个必要条件不会满足，保证不会发生死锁
  • 死锁检测：允许死锁的发生，但是可以通过系统设置的检测结构及时的检测出死锁的发生，采取一些措施，将死锁清除掉
  • 死锁避免：在资源分配过程中，使用某种方法避免系统进入不安全的状态，从而避免发生死锁
  • 死锁解除：与死锁检测相配套的一种措施。当检测到系统中已发生死锁，需将进程从死锁状态中解脱出来

用户态和内核态

系统调用：

  1. 用户程序调用 syscall 指令（x86）或 svc（ARM）。
  2. CPU 切换到内核态，跳转到内核的系统调用入口（如 entry_SYSCALL_64）。
  3. 内核执行对应的系统调用处理函数（如 sys_read()）。
  4. 返回用户态时，通过 sysret 或 iret 恢复用户程序。

硬件中断、异常，也会发生用户态和内核态的切换

数据从内存写到磁盘

  1. 数据先写入内核缓冲区，page cache，虚拟内存的一部分，以page为单位管理，维护需要写回磁盘的标记
  2. 文件系统负责组织数据到磁盘，元数据更新+日志（先记录，再写入，防止崩溃）
  3. 通过DMA直接内存访问

虚拟内存

简化内存管理，不同进程之间的隔离性

逻辑地址（虚拟地址）：由CPU生成的地址，分为页号和页内偏移量。

物理地址：实际RAM中的地址

  • 页表（Page Table）：存储虚拟页到物理页的映射，由MMU硬件访问。
    • TLB（快表）：缓存常用页表项，加速地址转换。
    • 多级页表：解决大地址空间页表占用过多内存的问题（如x86-64的4级页表）。
  • 页框（Page Frame）：物理内存中的固定大小块，用于存放页

页面置换算法

当物理内存不足时，需将部分页换出到磁盘（交换空间/页面文件），常用算法：

  • FIFO（先进先出）：简单但可能引发Belady异常（增加页框数反而增加缺页）。
  • LRU（最近最少使用）：近似最优，但实现成本高（需硬件支持或近似算法如Clock）。
  • OPT（最佳置换）：理论最优，但无法实际实现（需预知未来访问）。
  • Clock算法：改进的近似LRU，通过引用位实现

任务调度

  1. 先来先服务
  2. 短作业优先（非抢占式）
  3. 短作业优先（抢占式，可能造成长任务被无线延迟）
  4. 优先级调度
  5. 时间片轮转

生产者消费者

semaphore mutex=1; //临界区互斥信号量
semaphore empty=n;  //空闲缓冲区
semaphore full=0;  //缓冲区初始化为空
producer ()//生产者进程 
{
    while(1)
    {
        produce an item in nextp;  //生产数据
        P(empty);  //获取空缓冲区单元
        P(mutex);  //进入临界区.
        add nextp to buffer;  //将数据放入缓冲区
        V(mutex);  //离开临界区,释放互斥信号量
        V(full);  //满缓冲区数加1
    }
}

consumer ()//消费者进程
{
    while(1)
    {
        P(full);  //获取满缓冲区单元
        P(mutex);  // 进入临界区
        remove an item from buffer;  //从缓冲区中取出数据
        V (mutex);  //离开临界区，释放互斥信号量
        V (empty) ;  //空缓冲区数加1
        consume the item;  //消费数据
    }
}
操作系统
https://lihuigu.cn//archives/wei-ming-ming-wen-zhang
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lihuigu
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