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进程

进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象。
并发运行，则是说一个进程的指令与另一个进程的指令是交错执行的。
一个CPU看上去在并发地执行多个进程， 这是通过处理器在进程间切换实现的。
操作系统实现这种交错执行的机制成为上下文切换。上下文切换，即保存当前进程的上下文，恢复新进程的上下文。

线程

一个进程由多个线程组成，每个线程都运行在进程的上下文中，并共享同样的代码和全局数据。

多线程优势：多线程之间比多进程之间更容易共享数据，而且多线程更高效。

1、进程和线程以及它们的区别

• 进程是对运行时程序的封装，是系统进行资源调度和分配的的基本单位，实现了操作系统的并发；

• 线程是进程的子任务，是CPU调度和分派的基本单位，用于保证程序的 实时性，实现进程内部的并发；

• 一个程序至少有一个进程，一个进程至少有一个线程，线程依赖于进程而存在；

• 进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享进程的内存。

2、进程间的通信的几种方式

• 管道（pipe）及命名管道（named pipe）：管道可用于具有亲缘关系的父子进程间的通信，命名管道除了具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；

• 信号（signal）：信号是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：消息队列是消息的链接表，它克服了上两种通信方式中信号量有限的缺点，具有写权限得进程可以按照一定得规则向消息队列中添加新信息；对消息队列有读权限得进程则可以从消息队列中读取信息；

• 共享内存：可以说这是最有用的进程间通信方式。它使得多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据得更新。这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等；

• 信号量：主要作为进程之间及同一种进程的不同线程之间的同步和互斥手段；

• 套接字：这是一种更为一般的进程间通信机制，它可用于网络中不同机器之间的进程间通信，应用非常广泛。

3、线程同步的方式

• 互斥量 Synchronized/Lock：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。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

• 信号量 Semphare：它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量

• 事件(信号)，Wait/Notify：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操作

4、什么是死锁？死锁产生的条件？

• 死锁的概念：在两个或者多个并发进程中，如果每个进程持有某种资源而又等待其它进程释放它或它们现在保持着的资源，在未改变这种状态之前都不能向前推进，称这一组进程产生了死锁。通俗的讲，就是两个或多个进程无限期的阻塞、相互等待的一种状态。
• 死锁产生的四个必要条件：
  • 互斥：至少有一个资源必须属于非共享模式，即一次只能被一个进程使用；若其他进程申请使用该资源，那么申请进程必须等到该资源被释放为止；
  • 占有并等待：一个进程必须占有至少一个资源，并等待另一个资源，而该资源为其他进程所占有；
  • 非抢占：进程不能被抢占，即资源只能被进程在完成任务后自愿释放；
  • 循环等待：若干进程之间形成一种头尾相接的环形等待资源关系

死锁的处理基本策略和常用方法

解决死锁的基本方法主要有 预防死锁、避免死锁、检测死锁、解除死锁 、鸵鸟策略等。

• 死锁预防：基本思想是 只要确保死锁发生的四个必要条件中至少有一个不成立，就能预防死锁的发生，具体方法包括：
  • 打破互斥条件：允许进程同时访问某些资源。但是，有些资源是不能被多个进程所共享的，这是由资源本身属性所决定的，因此，这种办法通常并无实用价值。
  • 打破占有并等待条件：可以实行资源预先分配策略(进程在运行前一次性向系统申请它所需要的全部资源，若所需全部资源得不到满足，则不分配任何资源，此进程暂不运行；只有当系统能满足当前进程所需的全部资源时，才一次性将所申请资源全部分配给该线程)或者只允许进程在没有占用资源时才可以申请资源（一个进程可申请一些资源并使用它们，但是在当前进程申请更多资源之前，它必须全部释放当前所占有的资源）。但是这种策略也存在一些缺点：在很多情况下，无法预知一个进程执行前所需的全部资源，因为进程是动态执行的，不可预知的；同时，会降低资源利用率，导致降低了进程的并发性。
  • 打破非抢占条件：允许进程强行从占有者哪里夺取某些资源。也就是说，当一个进程占有了一部分资源，在其申请新的资源且得不到满足时，它必须释放所有占有的资源以便让其它线程使用。这种预防死锁的方式实现起来困难，会降低系统性能。
  • 打破循环等待条件：实行资源有序分配策略。对所有资源排序编号，所有进程对资源的请求必须严格按资源序号递增的顺序提出，即只有占用了小号资源才能申请大号资源，这样就不回产生环路，预防死锁的发生。

死锁避免的基本思想

死锁避免的基本思想是动态地检测资源分配状态，以确保循环等待条件不成立，从而确保系统处于安全状态。

所谓安全状态是指：如果系统能按某个顺序为每个进程分配资源（不超过其最大值），那么系统状态是安全的，换句话说就是，如果存在一个安全序列，那么系统处于安全状态。资源分配图算法和银行家算法是两种经典的死锁避免的算法，其可以确保系统始终处于安全状态。其中，资源分配图算法应用场景为每种资源类型只有一个实例(申请边，分配边，需求边，不形成环才允许分配)，而银行家算法应用于每种资源类型可以有多个实例的场景。

死锁解除

死锁解除的常用两种方法为进程终止和资源抢占。所谓进程终止是指简单地终止一个或多个进程以打破循环等待，包括两种方式：终止所有死锁进程和一次只终止一个进程直到取消死锁循环为止；所谓资源抢占是指从一个或多个死锁进程那里抢占一个或多个资源，此时必须考虑三个问题：1、选择一个牺牲品；2、回滚：回滚到安全状态；3、 饥饿（在代价因素中加上回滚次数，回滚的越多则越不可能继续被作为牺牲品，避免一个进程总是被回滚）。

5、进程有哪几种状态？

• 就绪状态：进程已获得除处理机以外的所需资源，等待分配处理机资源；

• 运行状态：占用处理机资源运行，处于此状态的进程数小于等于CPU数；

• 阻塞状态： 进程等待某种条件，在条件满足之前无法执行；

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6、线程有几种状态？

7、分页和分段有什么区别（内存管理）？

8、操作系统中进程调度策略有哪几种？

9、说一说进程同步有哪几种机制

10、什么是虚拟内存？

虚拟内存允许执行进程不必完全在内存中。虚拟内存的基本思想是：每个进程拥有独立的地址空间，这个空间被分为大小相等的多个块，称为页(Page)，每个页都是一段连续的地址。
这些页被映射到物理内存，但并不是所有的页都必须在内存中才能运行程序。当程序引用到一部分在物理内存中的地址空间时，由硬件立刻进行必要的映射；当程序引用到一部分不在物理内存中的地址空间时，由操作系统负责将缺失的部分装入物理内存并重新执行失败的命令。。这样，对于进程而言，逻辑上似乎有很大的内存空间，实际上其中一部分对应物理内存上的一块(称为帧，通常页和帧大小相等)，还有一些没加载在内存中的对应在硬盘上，如图5所示。

• 注意，请求分页系统、请求分段系统和请求段页式系统都是针对虚拟内存的，通过请求实现内存与外存的信息置换

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• 由图5可以看出，虚拟内存实际上可以比物理内存大。当访问虚拟内存时，会访问MMU（内存管理单元）去匹配对应的物理地址（比如图5的0，1，2）。如果虚拟内存的页并不存在于物理内存中（如图5的3,4），会产生缺页中断，从磁盘中取得缺的页放入内存，如果内存已满，还会根据某种算法将磁盘中的页换出。

页面置换算法

• FIFO先进先出算法：在操作系统中经常被用到，比如作业调度（主要实现简单，很容易想到）；
• LRU（Least recently use）最近最少使用算法：根据使用时间到现在的长短来判断；
• LFU（Least frequently use）最少使用次数算法：根据使用次数来判断；
• OPT（Optimal replacement）最优置换算法：理论的最优，理论；就是要保证置换出去的是不再被使用的页，或者是在实际内存中最晚使用的算法。

虚拟内存的应用与优点

• 虚拟内存很适合在多道程序设计系统中使用，许多程序的片段同时保存在内存中。当一个程序等待它的一部分读入内存时，可以把CPU交给另一个进程使用。虚拟内存的使用可以带来以下好处：

• 在内存中可以保留多个进程，系统并发度提高

• 解除了用户与内存之间的紧密约束，进程可以比内存的全部空间还大

内存的发展历程

1、没有内存抽象(单进程，除去操作系统所用的内存之外，全部给用户程序使用) —> 有内存抽象（多进程，进程独立的地址空间，交换技术(内存大小不可能容纳下所有并发执行的进程)
2、连续内存分配(固定大小分区(多道程序的程度受限)，可变分区(首次适应，最佳适应，最差适应)，碎片) —> 不连续内存分配（分段，分页，段页式，虚拟内存）

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参考：
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