九、2023.10.3.Linux（end）.9

33、简述mmap的原理和使用场景？

原理：mmap是一种内存映射文件的方法，即将一个文件或者其它对象映射到进程的地址空间，实现文件磁盘地址和进程虚拟地址空间中一段虚拟地址的一一对映关系。实现这样的映射关系后，进程就可以采用指针的方式读写操作这一段内存，而系统会自动回写脏页面到对应的文件磁盘上，即完成了对文件的操作而不必再调用read, write等系统调用函数。
相反，内核空间对这段区域的修改也直接反映用户空间，从而可以实现不同进程间的文件共享。如下图：

使用场景：

1. 对同一块区域频繁读写操作；
2. 可用于实现用户空间和内核空间的高效交互
3. 可提供进程间共享内存及相互通信
4. 可实现高效的大规模数据传输

34、互斥量能不能在进程中使用？

能。
不同的进程之间，存在资源竞争或并发使用的问题，所以需要互斥量。
进程中也需要互斥量，因为一个进程中可以包含多个线程，线程与线程之间需要通过互斥的手段进行同步，避免导致共享数据修改引起冲突。可以使用互斥锁，属于互斥量的一种。

35、协程是轻量级线程，轻量级表现在哪里？

1. 协程调用跟切换比线程效率高：协程执行效率极高。协程不需要多线程的锁机制，可以不加锁的访问全局变量，所以上下文的切换非常快。
2. 协程占用内存少：执行协程只需要极少的栈内存（大概是4～5KB），而默认情况下，线程栈的大小为1MB。
3. 切换开销更少：协程直接操作栈基本没有内核切换的开销，所以切换开销比线程少。

36、说说常见信号有哪些，表示什么含义？

编号为1 ~ 31的信号为传统UNIX支持的信号，是不可靠信号(非实时的)。不可靠信号和可靠信号的区别于前者不支持排队，可能会造成信号丢失，而后者不会。编号为1 ~ 31的信号如下：


而常见信号如下：

37、说说线程间通信的方式有哪些？

线程间的通信方式包括临界区、互斥量、信号量、条件变量、读写锁！

1. 临界区：每个线程中访问临界资源的那段代码称为临界区（Critical Section）（临界资源是一次仅允许一个线程使用的共享资源）。每次只准许一个线程进入临界区，进入后不允许其他线程进入。不论是硬件临界资源，还是软件临界资源，多个线程必须互斥地对它进行访问。
2. 互斥量：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才可以访问。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。
3. 信号量：计数器，允许多个线程同时访问同一个资源。
4. 条件变量：通过条件变量通知操作的方式来保持多线程同步。
5. 读写锁：读写锁与互斥量类似。但互斥量要么是锁住状态，要么就是不加锁状态。读写锁一次只允许一个线程写，但允许一次多个线程读，这样效率就比互斥锁要高。

38、说说线程间同步的方式有哪些？

线程间的同步方式包括互斥锁、信号量、条件变量、读写锁：

1. 互斥锁：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才可以访问。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。
2. 信号量：计数器，允许多个线程同时访问同一个资源。
3. 条件变量：通过条件变量通知操作的方式来保持多线程同步。
4. 读写锁：读写锁与互斥量类似。但互斥量要么是锁住状态，要么就是不加锁状态。读写锁一次只允许一个线程写，但允许一次多个线程读，这样效率就比互斥锁要高。

39、说说什么是死锁，产生的条件，如何解决？

1. 死锁: 是指多个进程在执行过程中，因争夺资源而造成了互相等待。此时系统产生了死锁。比如两只羊过独木桥，若两只羊互不相让，争着过桥，就产生死锁。
2. 产生的条件：死锁发生有四个必要条件：
   （1）互斥条件：进程对所分配到的资源不允许其他进程访问，若其他进程访问，只能等待，直到
   进程使用完成后释放该资源；
   （2）请求保持条件：进程获得一定资源后，又对其他资源发出请求，但该资源被其他进程占有，
   此时请求阻塞，而且该进程不会释放自己已经占有的资源；
   （3）不可剥夺条件：进程已获得的资源，只能自己释放，不可剥夺；
   （4）环路等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
3. 如何解决：
   （1）资源一次性分配，从而解决请求保持的问题
   （2）可剥夺资源：当进程新的资源未得到满足时，释放已有的资源；
   （3）资源有序分配：资源按序号递增，进程请求按递增请求，释放则相反。

举个例子：
举个例子，比如：如果此时有两个线程T1和T2，它们分别占有R1和R2资源
此时，T1请求R2资源的同时，T2请求R1资源。
这个时候T2说：你把R1给我，我就给你R2
T1说：不行，你要先给我R2，我才能给你R1
那么就这样，死锁产生了。如下图：

40、有了进程，为什么还要有线程？

1. 原因
   进程在早期的多任务操作系统中是基本的执行单元。每次进程切换，都要先保存进程资源然后再恢复，这称为上下文切换。但是进程频繁切换将引起额外开销，从而严重影响系统的性能。为了减少进程切换的开销，人们把两个任务放到一个进程中，每个任务用一个更小粒度的执行单元来实现并发执行，这就是线程。
2. 线程与进程对比
   （1）进程间的信息难以共享。由于除去只读代码段外，父子进程并未共享内存，因此必须采用一些进程间通信方式，在进程间进行信息交换。但多个线程共享进程的内存，如代码段、数据段、扩展段，线程间进行信息交换十分方便。
   （2）调用 fork() 来创建进程的代价相对较高，即便利用写时复制技术，仍然需要复制诸如内存页表和文件描述符表之类的多种进程属性，这意味着 fork() 调用在时间上的开销依然不菲。但创建线程比创建进程通常要快 10 倍甚至更多。线程间是共享虚拟地址空间的，无需采用写时复制来复制内存，也无需复制页表。

41、单核机器上写多线程程序，是否要考虑加锁，为什么？

在单核机器上写多线程程序，仍然需要线程锁。
原因：因为线程锁通常用来实现线程的同步和通信。在单核机器上的多线程程序，仍然存在线程同步的问题。因为在抢占式操作系统中，通常为每个线程分配一个时间片，当某个线程时间片耗尽时，操作系统会将其挂起，然后运行另一个线程。如果这两个线程共享某些数据，不使用线程锁的前提下，可能会导致共享数据修改引起冲突。

42、说说多线程和多进程的不同？

（1）一个线程从属于一个进程；一个进程可以包含多个线程。
（2）一个线程挂掉，对应的进程挂掉，多线程也挂掉；一个进程挂掉，不会影响其他进程，多进程稳定。
（3）进程系统开销显著大于线程开销；线程需要的系统资源更少。
（4）多个进程在执行时拥有各自独立的内存单元，多个线程共享进程的内存，如代码段、数据段、扩展段；但每个线程拥有自己的栈段和寄存器组。
（5）多进程切换时需要刷新TLB并获取新的地址空间，然后切换硬件上下文和内核栈；多线程切换时只需要切换硬件上下文和内核栈。
（6）通信方式不一样。
（7）多进程适应于多核、多机分布；多线程适用于多核

43、简述互斥锁的机制，互斥锁与读写的区别？

1. 互斥锁机制：mutex，用于保证在任何时刻，都只能有一个线程访问该对象。当获取锁操作失败
   时，线程会进入睡眠，等待锁释放时被唤醒。
2. 互斥锁和读写锁：
   （1）读写锁区分读者和写者，而互斥锁不区分
   （2）互斥锁同一时间只允许一个线程访问该对象，无论读写；读写锁同一时间内只允许一个写
   者，但是允许多个读者同时读对象。
   互斥锁其实就是一个bool型变量，为true时表示锁可获取，为false时表示已上锁。这里说的是互斥锁，其实是泛指linux中所有的锁机制。我们采用互斥锁保护临界区，从而防止竞争条件。也就是说，一个线程在进入临界区时应得到锁；它在退出临界区时释放锁。函数 acquire() 获取锁，而函数 release() 释放锁，如图 ：
   
   每个互斥锁有一个布尔变量 available，它的值表示锁是否可用。如果锁是可用的，那么调用 acquire()会成功，并且锁不再可用。当一个线程试图获取不可用的锁时，它会阻塞，直到锁被释放。

44、说说什么是信号量，有什么作用？

1. 概念：信号量本质上是一个计数器，用于多进程对共享数据对象的读取，它主要是用来保护共享资源（信号量也属于临界资源），使得资源在一个时刻只有一个进程独享。
2. 原理：由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即P(sv)和V(sv)，具体的行为如下：
   （1）P(sv)操作：如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行（信号量的值为正，进程获得该资源的使用权，进程将信号量减1，表示它使用了一个资源单位）。
   （2）V(sv)操作：如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1（若此时信号量的值为0，则进程进入挂起状态，直到信号量的值大于0，若进程被唤醒则返回至第一步）。
3. 作用：用于多进程对共享数据对象的读取，它主要是用来保护共享资源（信号量也属于临界资
   源），使得资源在一个时刻只有一个进程独享。

45、进程、线程的中断切换的过程是怎样的？

上下文切换指的是内核（操作系统的核心）在CPU上对进程或者线程进行切换。

1. 进程上下文切换
   （1）保护被中断进程的处理器现场信息
   （2）修改被中断进程的进程控制块有关信息，如进程状态等
   （3）把被中断进程的进程控制块加入有关队列
   （4）选择下一个占有处理器运行的进程
   （5）根据被选中进程设置操作系统用到的地址转换和存储保护信息
   切换页目录以使用新的地址空间
   切换内核栈和硬件上下文（包括分配的内存，数据段，堆栈段等）
   （6）根据被选中进程恢复处理器现场
2. 线程上下文切换
   （1）保护被中断线程的处理器现场信息
   （2）修改被中断线程的线程控制块有关信息，如线程状态等
   （3）把被中断线程的线程控制块加入有关队列
   （4）选择下一个占有处理器运行的线程
   （5）根据被选中线程设置操作系统用到的存储保护信息
   切换内核栈和硬件上下文（切换堆栈，以及各寄存器）
   （6）根据被选中线程恢复处理器现场