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进程和线程

进程和线程有什么区别？

进程（Process）是系统进行资源分配和调度的基本单位，线程（Thread）是 CPU 调度和分配的基本单位；
线程依赖于进程而存在，一个进程至少有一个线程；
进程有自己的独立地址空间，线程共享所属进程的地址空间；
进程是拥有系统资源的一个独立单位，而线程自己基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源（如程序计数器，一组寄存器和栈），和其他线程共享本进程的相关资源如内存、I/O、CPU 等；
在进程切换时，涉及到整个当前进程 CPU 环境的保存环境的设置以及新被调度运行的 CPU 环境的设置，而线程切换只需保存和设置少量的寄存器的内容，并不涉及存储器管理方面的操作，可见，进程切换的开销远大于线程切换的开销；
线程之间的通信更方便，同一进程下的线程共享全局变量等数据，而进程之间的通信需要以进程间通信（IPC）的方式进行；
多线程程序只要有一个线程崩溃，整个程序就崩溃了，但多进程程序中一个进程崩溃并不会对其它进程造成影响，因为进程有自己的独立地址空间，因此多进程更加健壮。

同一进程中的线程可以共享哪些数据？

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进程代码段
进程的共有数据（全局变量、静态变量…）
进程打开的文件描述符
进程的当前目录
信号处理器/信号处理函数：对收到的信号的处理方式
进程的 ID 与进程组 ID

线程独占哪些资源？

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线程 ID
一组寄存器的值
线程自身的栈（堆是共享的）
错误返回码：线程可能会产生不同的错误返回码，一个线程的错误返回码不应该被其它线程修改；
信号掩码/信号屏蔽字（Signal mask）：表示是否屏蔽/阻塞相应的信号（SIGKILL，SIGSTOP 除外）

进程间通信有哪些方式？

管道(Pipe)

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半双工通信：
- 管道是半双工的，数据只能在一个方向上流动，即数据从一端写入，从另一端读出。
- 如果需要双向通信，则必须建立两个管道，分别用于两个方向的数据传输。
数据传输机制：
- 一个进程将数据写入管道的写端，数据会被添加到管道缓冲区的末尾。
- 另一个进程从管道的读端读取数据，每次读取时，数据是从缓冲区的头部取出。
- 这意味着管道的读取时先进先出的，确保数据的顺序性。
使用场景：
- 管道只能用于具有亲缘关系的进程之间进行通信，如父子进程或兄弟进程，它们共享相同的文件描述符表

命名管道
消息队列
信号(Signal)
共享内存
信号量(Semaphore)：初始化操作、P 操作、V 操作；
1. P 操作：信号量 - 1，检测是否小于 0，小于则进程进入阻塞状态；
2. V 操作：信号量 + 1，若小于等于 0，则从队列中唤醒一个等待的进程进入就绪态
套接字(Socket)

进程同步问题

进程的同步是目的，而进程间通信是实现进程同步的手段

管程 Monitor

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管程将共享变量以及对这些共享变量的操作封装起来，形成一个具有一定接口的功能模块，这样只能通过管程提供的某个过程才能访问管程中的资源。进程只能互斥地使用管程，使用完之后必须释放管程并唤醒入口等待队列中的进程。

HOARE 管程：当一个进程试图进入管程时，在入口等待队列等待。若 P 进程唤醒了 Q 进程，则 Q 进程先执行，P 在紧急等待队列中等待。
1. wait 操作：执行 wait 操作的进程进入条件变量链末尾，唤醒紧急等待队列或者入口队列中的进程；
2. signal 唤醒条件变量链中的进程，自己进入紧急等待队列，若条件变量链为空，则继续执行。
MESA 管道：将 HOARE 中的 signal 换成了 notify (或者 broadcast 通知所有满足条件的)，进行通知而不是立马交换管程的使用权，在适合的时候，条件队列首位的进程可以进入，进入之前必须用 while 检查条件是否合适。优点：没有额外的进程切换

生产者-消费者问题

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问题描述：使用一个缓冲区来存放数据，只有缓冲区没有满，生产者才可以写入数据；只有缓冲区不为空，消费者才可以读出数据

代码实现：

// 伪代码描述 
// 定义信号量 full记录缓冲区物品数量 empty代表缓冲区空位数量 mutex为互斥量
semaphore full = 0, empty = n, mutex = 1;

// 生产者进程
void producer(){
	do{
   	  P(empty);
	  P(mutex);

     // 生产者进行生产
   	
   	  V(mutex);
   	  V(full);
 	} while(1);
}

void consumer(){
	do{
	  P(full);
	  P(mutex);

    	// 消费者进行消费

	  V(mutex);
	  V(empty);
 	} while(1);
}

哲学家就餐问题

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问题描述：有五位哲学家围绕着餐桌坐，每一位哲学家要么思考，要么吃饭。为了吃饭，哲学家必须拿起两双筷子（分别放于左右两端）。不幸的是，筷子的数量和哲学家相等，所以每只筷子必须由两位哲学家共享。

代码实现：

#define N 5  // number of philosopher
#define LEFT (i + N - 1)%N // number of i's left neighbors
#define RIGHT (i + 1)%N // number of i's right neighbors
#define THINKING 0
#define HUNGRY 1
#define EATING 2
typedef int semaphore;
int state[N]; // array to keep track of everyone's state
semaphore mutex = 1; // mutual exclusion of critical region
semaphore s[N]; 

void philosopher(int i) {
	while (TRUE) {
		think();
		take_forks(i);
		eat();
		put_forks(i);
	}
}

void take_forks(int i) {
	down(&mutex); // enter critical region
	state[i] = HUNGRY; // record that i is hungry
	test_forks(i); // try to acquire two forks
	up(&mutex); // exit critical region
	down(&s[i]); // block if forks are not acquired
}

void put_forks(int i) {
	down(&mutex); // enter critical region
	state[i] = THINKING; // record that has finished eating
	test_forks(LEFT); // see if left neighbor can now eat
	test_forks(RIGHT); // see if right neighbor can now eat
	up(&mutex); // exit critical region
}

void test_forks(int i) {
	if (state[i] == HUNGRY && state[LEFT] != EATING && state[RIGHT] != EATING) {
		state[i] = EATING;
		up(&s[i]);
	}
}

临界区的概念？

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各个进程中对临界资源（互斥资源/共享变量，一次只能给一个进程使用）进行操作的程序片段

同步与互斥的概念？

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同步：多个进程因为合作而使得进程的执行有一定的先后顺序。比如某个进程需要另一个进程提供的消息，获得消息之前进入阻塞态；
互斥：多个进程在同一时刻只有一个进程能进入临界区

并发、并行、异步的区别？

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并发：在一个时间段中同时有多个程序在运行，但其实任一时刻，只有一个程序在 CPU 上运行，宏观上的并发是通过不断地切换实现的。
多线程：并发运行的一段代码，是实现异步的手段。
并行（和串行相比）：在多 CPU 系统中，多个程序无论在宏观还是微观上都是同时执行的。
异步（和同步相比）：同步是顺序执行，异步是在等待某个资源的时候继续做自己的事。

进程有哪几种状态？

就绪状态：进程已获得除处理以外的所需资源，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。