面试-操作系统篇：进程与线程

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进程与线程是操作系统基础中的基础，也是面试中每次必问的“八股文”之一，以下准备了 18 个相关的问题，你可以先想想每个问题该怎么回答，最好能整理出自己的答案。掌握了以下这些，再遇到进程与线程相关的问题，基本就可以吊打面试官了。

 

 

1. 进程和线程的区别?

2. 什么是协程，协程有什么优点？

3. 并发和并行

4. 进程间通信有哪几种方式，都有什么特点？

5. 僵尸进程和孤儿进程的区别？

6. 进程是怎么调度的？

7. 进程有哪几种状态，他们是如何转换的？

8. 进程和线程的创建方式？

9. 子进程创建时会拷贝父进程哪些资源？

10. 进程上下文切换和线程上下文切换

11. 什么是系统调用？为什么要有系统调用？

12. 内核态和用户态是什么？

13. 如何实现进程同步？

14. 生产者消费者问题

16. 什么是信号量？如何使用信号量解决生产者消费者问题？

17. 哲学家就餐问题

18. 读者-写者问题

 

 

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1. 进程和线程的区别？

这个问题不知道被问过多少遍了，但是要答好这个问题不是那么容易的，进程和线程是理解操作系统的基础，如果只是背答案就显得太没有深度了，在我看来，答好这个问题至少要包括这几个点：进程与线程的本质区别（定义），线程为什么存在，举例说明进程和线程的实现。

总的来说，进程是资源的容器，用来把资源集中到一起，而线程是在 CPU 上被实际调度的实体对象。

进程是资源分配的基本单位，进程中包括可执行的代码、打开的文件描述符、挂起的信号、进程的状态、内存地址空间、存放全局变量的数据段，以及一个或多个执行线程等。

线程是进程中活动的对象，或者说独立调度的基本单位。每个线程都拥有一个独立的程序计数器、线程堆栈和寄存器。

这里引申一个问题，有了进程为什么还要有线程？

• 在一个进程中会存在多种活动任务，如果只有一个调度来执行这些任务，那么当某个任务被阻塞时，其他任务将得不到执行，因此需要有多个独立调度的单元来使这些任务可以并行的执行，这些单元就是线程。

• 线程比进程更轻量，它们比进程更快的创建，也更容易撤销。线程间切换的开销也比进程小，由于进程拥有大量的资源，当切换到另一个进程的时候，需要保存当前进程的所有资源，而线程间的切换只需要保存当前堆栈和少了寄存器的内容。

值得一提的是，在 Linux 中，并不太区分进程和线程，线程只是一种特殊的进程，他们都被叫做任务，用 task_struct 结构体表示。它们的创建方式也大致相同，都是调用 fork() 函数，然后底层执行 clone() 方法创建，只不过，创建线程会在执行 clone() 的时候传递一些参数来指明需要共享的资源。

2. 什么是协程，协程有什么优点？

协程的定义与实现，在 Go 语言或 Python 中的特点，如何被应用的。如果面试 Go 语言，可能还会问 Goroutine 的调度机制，协程的同步机制，协程资源的如何限制等。

协程是一种用户态的轻量级线程，又叫微线程，但协程不是操作系统的机制，而是由用户程序自身控制的一种调度。协程的创建开销非常小，协程的栈空间占用只有 2k~4k，在一个地址空间中可以运行 10w 级别的协程。相比于进程和线程的上下文切换，协程几乎没有切换的开销，因为协程的调度完全由用户程序控制，只需要保存任务的上下文，不涉及内核资源的保存和恢复。

在 Go 语言中，协程的栈数量可以动态伸缩，不会出现栈溢出，当一个协程结束时会自动释放，不需要垃圾回收器管理。多个协程之间的同步是通过 channel 实现的，可以保证协程执行的顺序，因此不需要锁机制就可以实现安全的并发。

3. 并发和并行

同一个 CPU 在同一时刻只能执行一个任务指令。

并发是指一段时间内可以同时运行多道程序，因为时间较短，所以看起来像多个程序在同时执行，实际上是 CPU 在多个程序间进行快速的切换。

并行是同一时刻可以运行多个程序，是真正意义上的并发。并行需要多处理器的支持。

4. 进程间通信有哪几种方式，都有什么特点？

进程间通信有以下几种方式：

• 管道：通常用在父子进程间通信。

• 命名管道：去除了父子进程间通信的机制，通常用来汇聚多个客户端进程与服务端进程的通信。

• 消息队列：独立于进程存在，进程间可以通过消息队列来传递数据，典型的模式是生产者-消费者模型。

• 信号：一个进程可以给另一个进程发送信号来触发某些操作，比如挂起一个进程。Linux 通过 kill 命令来发送信号。

• 信号量：信号量是一个计数器，用来保护临界资源。进程可以读取信号量的值，并对它进行加减操作，多个进程可以通过信号量实现进程同步。

• 共享内存：多个进程上不同的地址空间可以映射到同一块物理内存上，实现数据的共享，因为不涉及数据的拷贝，所以这是一种高效的通信方式。需要注意的是，多个进程并行时，需要通过同步机制保护共享内存的访问。

• Socket 通信：通过网络实现不同机器上不同进程间的通信。

5. 僵尸进程和孤儿进程的区别？

僵尸进程：一个子进程退出时会处于 ZOMBIE 状态，此时它占用的进程描述符没有被释放，只有等它的父进程调用 wait() 或 waitpid() 获取到子进程的信息后，最后由父进程决定是否将子进程资源释放。如果子进程的资源由于某种原因一直得不到释放，那么就一直处于僵死状态，变成了僵尸进程。

孤儿进程：当父进程退出了，但是它的子进程还没有退出，这些子进程就变成了孤儿进程。孤儿进程只是暂时的，系统会在父进程退出时启动寻父机制，为子进程找到一个新的父亲：首先在当前进程组中寻找，如果找不到就会返回 init (PID=1) 进程作为父进程。

系统中如果驻留大量的僵死进程是危险的，因为会一直占用系统资源，解决的直接办法就是杀死父进程，让他们变成孤儿进程，最后会被新的进程领养，新的父进程会例行调用 wait() 来检查子进程状态，清除相关的僵死进程。

6. 进程是怎么调度的？

不同的系统有不同的调度算法。

批处理系统：

需要保证吞吐量和总体响应时间，主要有以下几种调度算法：

• 先来先服务(FCFS)：最简单的原则。按照请求顺序进行调度。适合长作业，不适合短作业，因为短作业会很快执行完，长作业可以很快得到调度，但是长作业会阻塞后面的短作业。

• 短作业优先：让短作业更快的执行完可以保证整体等待的时间最短。

• 最短剩余时间优先：按剩余时间最短的作业优先调度。当一个新的作业到达时，把这个新的作业运行时间和当前作业的剩余时间做比较，如果小于当前作业的剩余运行时间，那么就挂起当前作业，运行新的作业。

最短剩余时间调度是一种理想的算法，因为大部分情况下无法知道一个进程还需要运行多长时间结束。

交互式系统：

与用户的交互性较强，需要保证较短的响应时间，满足用户的期望，主要有以下调度算法：

• 时间片轮转调度：CPU 时间划分为均等的时间片段，每个片段分配给不同的进程，当一个进程的时间片用完之后就切换到下一个进程执行，依次循环。这种方式可以使所有的进程得到公平调度，但是会造成频繁的进程上下文切换，增大系统开销。

• 优先级调度：每个进程定义一个优先级，重要的进程执行较长时间，次要的进程执行较短的时间。进程的优先级可以由系统动态的设定，可以为调度带来较大的灵活性

• 多级队列：设立多个优先级类的队列，未执行完时间片的进程放入到下一级队列中。比如第一级运行 1 个时间片，第二级运行 2 个时间片，第三级运行 4 个时间片，依次类推。假如一个需要运行 100 个时间片的进程，如果通过一般的时间片轮转，那么需要 100 次调度才能执行完，而多级队列只需要 1 + 2 + 4 + 8 + 16 + 32 + 37(64 中的 37 个) = 100，总共只需要 7 次调度就完成了。

多级队列也可以保证短的交互进程得到优先调度，随着当前进程优先级的不断降低，当有短的进程达到高优先级的队列时，当前进程会让出 CPU 让高优先级的进程先执行。

实时系统：

实时分为软实时和硬实时。前者可以容忍一定时间的延迟，而后者需要满足绝对的截止时间。

实时系统的调度算法分为静态和动态的，静态的调度需要提前知道进程所需运行的时间等信息，从而做出调度决策；而动态的调度算法不需要这些限制，而是在运行过程中进行调度决策。

实时系统的调度算法可以选择优先级调度，也可以使用多级队列，最短进程优先等调度算法。

7. 进程有哪几种状态，他们是如何转换的？

进程主要有三种状态：运行态、就绪态、阻塞态。

运行态和就绪态可以相互转换，通常由系统的进程调度引起的。当一个处于运行态的进程遇到阻塞的代码，需要等待触发条件，或者没有足够的运行资源时，就会挂起当前进程，进入阻塞状态，而当满足了触发条件，或者系统资源又满足时，就是进入就绪状态，等待再次被调度。

8. 进程和线程的创建方式？

进程的创建发生在这么几个场景中：

• 系统启动时，主要会初始化创建 3 个系统进程，一个 idle 空闲进程(PID=0)、一个 init 进程(PID=1)、一个页面守护进程(PID=2)

• 正在运行的进程执行系统调用创建一个子进程(Unix/Linux 中使用 fork)

• 用户请求创建一个新进程，如在 shell 中输入执行命令。

• 提交一个批处理请求，会创建一个新进程来运行

Linux 中进程的创建主要是通过 fork 系统调用，线程被当做一种特殊的进程，也是用 fork 创建，不过通过传递不同的参数，指明共享父进程的地址空间，打开的文件等资源。

其他系统如 Windows 创建进程执行的是 CreateProcess，而线程创建实现的 POSIX 标准接口，POSIX 定义的线程包叫 Pthread，其中定义了许多的系统调用，如 Pthread_create、Pthread_join、Pthread_exit 等

9. 子进程创建时会拷贝父进程哪些资源？

Linux系统中，子进程的创建不会马上拷贝父进程的所有资源，而是以只读的方式共享大部分父进程的资源，当需要修改地址空间资源时，触发只读保护，这时才会拷贝一份地址空间。这种机制叫做 写时拷贝(copy-on-write)。这种优化可以避免拷贝大量根本不会使用到的数据。

fork 系统调用实际上只是为子进程创建一个唯一的进程描述符，分配了一个有效的 PID，有的 Linux 系统 fork 调用也会复制一份父进程的页面。

10. 进程上下文切换和线程上下文切换

上下文切换指的是当前任务的资源（寄存器和程序计数器等）、状态等内容保存起来，然后加载新任务的资源和状态，跳转到新的程序计数器指定的指令继续执行。

进程上下文切换不仅需要保存虚拟内存、全局变量、文件描述符等用户空间资源，还需要保存内核堆栈、寄存器、程序计数器等内核资源。

线程上下文切换只需要保存自己的线程栈和寄存器内容，比进程切换开销小很多。

11. 什么是系统调用？为什么要有系统调用？

系统调用是在一个进程中，由用户态切换到内核态，在内核中执行任务，或者申请操作系统的资源。系统调用是一种保护操作系统的机制，它提供一系列定义良好的 API 接口来和操作系统交互，避免用户程序直接对内核进行操作，保证了系统的稳定、安全、可靠。

12. 内核态和用户态是什么？

多数 CPU 都有两种模式，即用户态和内核态，通常由程序状态字(PSW) 寄存器中的一个位来控制这两种模式的切换（通过 TRAP 指令实现切换）。这两种状态其实对应着应用程序访问资源的权限：在用户态只能访问受限的资源，如虚拟内存，全局变量等，而要访问内核等资源需要通过系统调用等方式陷入到内核中；内核态可以访问操作系统的所有资源，包括内存、I/O 等资源。

13. 如何实现进程同步？

进程同步是指控制进程按照一定顺序执行。只有处于临界区（指访问共享内存的代码片段）的进程才需要同步。

进程同步通常有两种方式：

• 忙等待互斥：当某个变量不满足条件时，会一直轮询直到变量值发送改变。用于忙等待的锁称为自旋锁。自旋锁一般用于中断处理程序中（需要禁止本地中断），因为中断程序需要安全、快速的执行，不能被打断、也不能被睡眠。

• 信号量：是一个整型变量，用来实现计数器功能，主要提供 down 和 up 操作（即 P 和 V 操作），这两个操作都是原子性的。当执行 down 操作使信号量值变为 0 时，会导致当前进程睡眠，而执行 up 操作 +1 时，会同时唤醒一个进程。

• 管程：管程是由一个过程、变量和数据结构组成的一个集合，把需要控制的那部分代码独立出来执行，它有一个重要的特性，同一时刻在管程中只能有一个活跃的进程。为了避免一个进程一直占用管程，引入了条件变量和 wait 和 signal 操作。当发生当前进程无法运行时，执行 wait 操作，将当前进程阻塞，同时调入在管程外等待的另一进程执行，而另一个进程满足条件变量时，会执行 signal 操作将正在睡眠的进程唤醒，然后马上退出管程。

14. 生产者消费者问题

也叫做有界缓冲区问题，两个进程共享一个公共的固定大小的缓冲区，一个进程产生数据放到缓冲区中，另一个进程从缓冲区中取走信息。这里存在对计数变量的竞争条件。

16. 什么是信号量？如何使用信号量解决生产者消费者问题？

信号量是一个整型变量，用来实现计数器功能，主要提供 down 和 up 操作（即 P 和 V 操作），这两个操作都是原子性的。当执行 down 操作使信号量值变为 0 时，会导致当前进程睡眠，而执行 up 操作 +1 时，会同时唤醒一个进程。

当信号量取值 0 和 1 时，就是一个互斥信号量，当取值大于 1 时，就是一个计数信号量。

 

 

17. 哲学家就餐问题

五个哲学家围着一张圆桌，每个哲学家面前放着食物。哲学家的生活有两种交替活动：进餐以及思考。当一个哲学家进餐时，需要先拿起自己左右两边的叉子，并且一次只能拿起一只叉子。

五个哲学家最多只能同时两个人进餐，因为只有 5 只叉子。如果五个哲学家同时拿起左边的叉子，那么都在等待邻居放下右边的叉子，导致谁都无法进餐，产生饥饿（也叫死锁）。

为了避免死锁，需要设置两个条件：

• 必须同时拿起左右两边叉子

• 只有在两个邻居都没有进餐的情况下才允许进餐

 

 

18. 读者-写者问题

允许多个进程同时对数据进行读操作，但是不允许读和写以及写和写操作同时发生。

一个整型变量 count 记录在对数据进行读操作的进程数量，一个互斥量 count_mutex 用于对 count 加锁，一个互斥量 data_mutex 用于对读写的数据加锁。

 

 

 

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END

这一期的面试题就先到这了，下一期将会分享操作系统内存管理相关的问题，敬请期待！欢迎关注我喔~

 

 

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