C++服务端面试准备（4）Linux及多线程相关

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文件IO相关知识点

• 七种文件类型：普通文件(-)、目录(d)、符号链接(l)、管道(p)、套接字(s)、字符设备(c)、块设备(b)
• shell中文件的颜色：白色——普通文件、绿色——可执行文件、红色——压缩文件、蓝色——目录、青色——链接文件、黄色——块设备字符设备管道、灰色——其他文件
• PCB：进程控制块，存放文件描述符表，本质是一个结构体
• PCB内部成员：进程ID、进程状态、当前工作目录、文件描述符表、用户ID组ID、信号相关的信息等
• 一个进程有一个文件描述符表，大小为1024字节，前三个被占用，分别是STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO
• 文件描述符作用：寻找磁盘文件
• 查看磁盘命令：df -h

并发与并行

• 并发：

       是指同一个时间段内多个任务同时都在执行，并且都没有执行结束。并发任务强调在一个时间段内同时执行，而一个时间段由多个单位时间累积而成，所以说并发的多个任务在单位时间内不一定同时在执行 。

• 并行：

       是说在单位时间内多个任务同时在执行。

       在多线程编程实践中，线程的个数往往多于CPU的个数，所以一般都称多线程并发编程而不是多线程并行编程。

进程相关知识点

• 查看进程：ps aux，ps ajx能显示父进程，查看内存占用：free -h，查看当前cpu：top
• MMU：虚拟内存映射单元，单位为4k，虚拟内存通过MMU映射到物理内存
• 寄存器4字节，1字节8位
• 进程基本状态：初始态、就绪态、运行态、挂起态、终止态

       运行态->挂起态：等待使用资源，如等待外设传输、人工干预等
       运行态->就绪态：出现有更高优先权进程

• 父子进程共享：文件描述符、mmap映射区、全局变量读时共享、写时复制
• 孤儿进程：父进程先于子进程结束，子进程称为孤儿进程，init进程变为它的父进程并接管孤儿进程
• 僵尸进程：当子进程比父进程先结束，而父进程又没有回收子进程，子进程的进程描述符仍然保存在系统中，此时子进程将成为一个僵尸进程

进程间通信相关知识点

• 进程间常用的4种通信方式：管道（使用简单）、信号（开销小）、共享映射区（无血缘关系可用）、本地套接字（稳定）
• 管道：

       本质为一个伪文件，内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现，数据一旦读走，管道中不在存在

• 共享映射区：

       mmap，一种内存映射文件的方法，将一个文件或者其它对象映射进内存，无血缘关系的进程间可使用共享映射区进行通信，在要求高性能的应用中比较常用。mmap映射内存必须是页面大小的整数倍，面向流的设备不能进行mmap，mmap的实现和硬件有关

• 信号：

       简单但不能携带大量信息，满足条件才发送，相当于中断，有很强的延时性，所有信号都由内核(PCB)发送和处理
       信号4要素：编号、名称、事件、默认处理动作
       信号处理方式：执行默认动作（终止进程、忽略信号、终止进程并生成CORE文件、暂停进程、继续运行进程）、忽略、捕捉

• 查看信号列表：kill -l

创建会话要注意什么

• 创建会话的进程不能是进程组组长，否则出错返回
• 该进程变成新会话的首进程和一个新进程组组长
• 需要有root权限(Ubuntu不需要)
• 新会话丢弃原有的控制终端，该会话没有控制终端
• 创建会话时，先调用fork，父进程终止，子进程再调用setsid()

创建守护进程

1. 在父进程中执行fork并exit退出；
2. 在子进程中调用setsid函数创建新的会话；
3. 在子进程中调用chdir函数，让根目录 "/" 成为子进程的工作目录；
4. 在子进程中调用umask函数，设置进程的umask为0；
5. 在子进程中关闭任何不需要的文件描述符(close(fd))或者重定向"/dev/null"

线程相关知识点

• 查看所有线程：top -H；ps -Lf 进程号，查看该进程的线程
• 线程定义：LWP，轻量级进程，有独立的PCB和共享地址空间
• 为什么会出现线程安全：当一个线程在操作共享资源时，未执行完毕的情况下，其他线程参与进来，导致共享资源出现安全问题。
• 保护共享数据区方法：互斥量、读写锁、条件变量、信号量(C语言)、原子操作(通常用来保护单个变量)、windows临界区
• 死锁：对一个锁反复Lock，或者2个线程各自锁上一把锁后请求对方的锁
• 死锁解决方法：按同样的顺序上锁，c++11用std::lock(mutex1, mutex2, ...)

条件变量的使用

1. 创建一个互斥量，用lock_guard或者unique_lock封装互斥量
2. 创建条件变量，用wait成员函数等待条件满足
3. 另一线程使用notify_one或notify_all后激活wait
4. wait拿锁后判断第二个参数是否为true，如果true则执行下面的代码，如果false则表示条件不满足，继续等待下次的激活

sleep()和wait()的区别

• sleep()包含头文件，wait()包含文件
• sleep()占着CPU休眠，不会解锁，wait()释放锁并腾出CPU资源等待唤醒并拿锁

进程与线程的区别

1. 进程是分配资源的基本单位；线程是系统调度和分派的基本单位。
2. 一个进程可以拥有多个线程，属于同一进程的线程，具有相同的地址空间，堆是共享的，栈是私有的。
3. 进程开销大，线程开销小
4. 线程间通信相对方便，进程间通信相对复杂
5. 多进程更健壮，多线程容易出错
6. 进程是一个资源的容器，为进程里的所有线程提供共享资源，是对程序的一种静态描述，线程是计算机最小的调度和运行单位，是对程序的一种动态描述

为什么使用多线程

1. 避免阻塞

       单个线程中的程序，是顺序执行的。如果前面的操作发生了阻塞，那么就会影响到后面的操作。这时候可以采用多线程

1. 避免CPU空转

       有时候处理一条请求，会涉及到数据库访问、磁盘IO等操作，这些操作的速度比CPU慢很多，而在等待这些响应的时候，CPU却不能去处理新的请求，没有充分利用资源，这时多线程就发挥作用了

1. 提升性能

       在满足条件的前提下，多线程确实能提升性能：
       第1，任务具有并发性，子任务之间不能有先后顺序的依赖，必须是允许并行的，另外，还不能有资源竞争
       第2，只有在CPU是性能瓶颈的情况下，多线程才能实现提升性能的目的。
       第3，就是需要有多核CPU才行，如果上述条件都满足，有一个经验公式可以计算性能提升的比例，叫阿姆达尔定律：
       速度提升比例 = 1/[(1-P)+(P/N)]
       其中P是可并行任务的比例，N是CPU核心数量

gdb基础调试

编译：gcc加要加-g，-g保留函数名和变量名
启动：gdb 可执行文件
传参：set args 参数1 参数2 ...

操作	命令
查看第n行的上下程序	l n
设置查看n行上下程序	set listsize n
查看其他文件程序	l 文件名 : n 或 函数名
在n行打断点	b n
查看断点	i b
删除断点	d n，n为断点编号
设置无效或有效断点	dis / enb n，n为断点编号
条件断点	b n if 变量==值
运行	r 或 start，r直接到断点，start进入程序第一行
单步执行	n
执行到下一个断点	c
查看变量信息	p 变量名
查看变量类型	ptype 变量名
一直显示变量信息	display 变量名
取消显示变量	先i display 查看变量编号n，然后undisplay n
进入函数	s
离开函数	finish
跳出循环	until，需要删除断点
离开gdb	q

gdb也可以直接调试core文件查看错误：

1.当一个程序出现段错误时，会出现以下提示：
       Segmentation fault (core dumped)
       core 指该程序运行时，进程空间的内存分布
       dumped 表示内核已经把core抛出
       通常，出现段错误提示时程序运行目录下应该自动生成一个core文件用来存储内核抛出的core，但是，由于linux环境一般默认设置core文件限制为0，所以一般情况下无法生成core文件。

2.查看core文件大小限制：ulimit -c

3.将其修改为无限制：ulimit -c unlimited

4.运行命令：gdb 执行文件名 core

5.gdb输入  where

gdb多线程调试

命令行查看线程信息：

• 查看当前运行的进程：ps aux|grep 执行文件名
• 查看当前运行的轻量级进程：ps -aL|grep 执行文件名
• 查看主线程和新线程的关系：pstree -p 主线程id

线程栈结构的查看：

• 获取线程ID
• 通过命令查看栈结构：ps stack 线程ID

利用gdb查看线程信息：

• 将运行着的进程附加到gdb调试器当中，查看是否创建了新线程：gdb attach 主线程ID

进入gdb调试：

• info inferiors：查看当前进程
• info threads：查看当前线程
• bt：查看当前线程栈结构
• thread n/ID：切换线程（n代表第几个线程）
• break 行号/函数名：设置当前线程断点
• break file.c:100 thread all：在file.c文件第100行处为所有经过这里的线程设置断点。
• set scheduler-locking off/on/step：
  在使用step或者continue命令调试当前被调试线程的时候：
  off：不锁定任何线程，也就是所有线程都执行，这是默认值。
  on：只有当前被调试程序会执行。
  step：在单步的时候，除了next过一个函数的情况以外(熟悉情况的人可能知道，这其实是一个设置断点然后continue的行为)，只有当前线程会执行。
• thread apply ID1 ID2 command：让一个或者多个线程执行GDB命令command
• thread apply all command：让所有被调试线程执行GDB命令command

makefile基础

• 向下检索内容，根据时间判断哪个文件需要更新
• 目标:依赖
         命令
• 查找目录下指定文件类型：变量 = $(wildcard 文件路径)
• 匹配替换：变量 = $(patsubst 原名称, 替换后的名称, 源文件)
• notdir：去除文件名的目录函数
• basename：取文件名函数
• $@：规则中的目标 $<：规则中的第一个依赖 $^：规则中所有依赖
• /：换行
• 自定义命令：
  名称：
         命令
• 声明伪目标：
  .PHONY:名称

随便说一下Linux和Windows的区别

1. 兼容性：windows向后兼容，linux内核升级可能就不兼容，软件方面windows占优
2. 进程：单个进程windows不能执行，linux可以
3. 性能：windows图形界面，很多渲染，性能降低，linux少，用命令行工作，性能好
4. 文件系统：linux有多种文件系统，对文件和设备的管理占优，windows较差
5. 中断优先级：windows有32级，linux似乎只有5级，异常分为故障（fault）、陷阱（trap）和中止（abort）
6. 软件启动：windows用注册表，linux用配置文件，灵活性高