嵌入式必备知识_Oliver.H的博客-CSDN博客
一、进程与线程
1.1 进程和线程的概念
1.1.1 什么是进程、线程，各自有什么优点
概念：
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；线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。每个线程都独自占用一个虚拟处理器：独自的寄存器组，指令计数器和处理器状态。每个线程完成不同的任务，但是共享同一地址空间（也就是同样的动态内存，映射文件，目标代码等等），打开的文件队列和其他内核资源。
根本区别：
- 进程是操作系统资源分配的基本单位。
- 线程是处理器任务调度和执行的基本单位。
资源开销：每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），程序之间的切换会有较大的开销；线程可以看做轻量级的进程，同一类线程共享代码和数据空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC），线程之间切换的开销小。
包含关系：如果一个进程内有多个线程，则执行过程不是一条线的，而是多条线（线程）共同完成的；线程是进程的一部分，所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程。
内存分配：同一进程的线程共享本进程的地址空间和资源，而进程之间的地址空间和资源是相互独立的
影响关系：一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响，但是一个线程崩溃整个进程都死掉。所以多进程要比多线程健壮。
执行过程：每个独立的进程有程序运行的入口、顺序执行序列和程序出口。但是线程不能独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制，两者均可并发执行
1.1.2 多进程、多线程的优缺点
多进程：操作系统中同时运行的多个程序
多线程：在同一个进程中同时运行的多个任务
优缺点：
多进程编程和多线程编程，都可以使用并行机制来提升系统的运行效率。二者的区别在于运行时所占的内存分布不同，多钱程是共用一套内存的代码块区间；而多进程是各用一套独立的内存区间。
多进程的优点是稳定性好，一个子进程崩溃了，不会影响主进程以及其余进程。基于这个特性，常常会用多进程来实现守护服务器的功能。
多进程编程也有不足，即创建进程的代价非常大，因为操作系统要给每个进程分配固定的资源，并且操作系统对进程的总数会有一定的限制，若进程过多，操作系统调度都会存在问题，会造成假死状态。
多线程编程的优点是效率较高一些，适用于批处理任务等功能；不足之处在于，任何一个线程崩溃都可能造成整个进程的崩溃，因为它们共享了进程的内存资源池。
1.1.3 什么时候用进程，什么时候用线程
1）多进程模型的优势是CPU
2）多线程模型主要优势为线程间切换代价较小，因此适用于I/O密集型的工作场景，因此I/O密集型的工作场景经常会由于I/O阻塞导致频繁的切换线程。同时，多线程模型也适用于单机多核分布式场景。
1.1.4 多进程、多线程同步（通讯）的方法
进程间的通信方式：
管道( pipe )：
管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
有名管道 (namedpipe) ：
有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。
信号量(semophore ) ：
信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
消息队列( messagequeue ) ：
消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
信号 (sinal ) ：
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。
共享内存(shared memory ) ：
共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号量，配合使用，来实现进程间的同步和通信。
套接字(socket ) ：
套接口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同设备及其间的进程通信。
线程间的通信方式：
锁机制：包括互斥锁、条件变量、读写锁
互斥锁提供了以排他方式防止数据结构被并发修改的方法。
读写锁允许多个线程同时读共享数据，而对写操作是互斥的。
条件变量可以以原子的方式阻塞进程，直到某个特定条件为真为止。对条件的测试是在互斥锁的保护下进行的。条件变量始终与互斥锁一起使用。
信号量机制(Semaphore)：包括无名线程信号量和命名线程信号量
信号机制(Signal)：类似进程间的信号处理
线程间的通信目的主要是用于线程同步，所以线程没有像进程通信中的用于数据交换的通信机制。
1.1.5 进程的空间模型
Linux下使用虚拟内存空间给每一个进程，32位操作系统下，每个进程都有独立的4G虚拟内存空间。
其中包括：
1、内核区：用户代码不可见的区域，页表就存放在这个区域中。
2、用户区：
- 代码段：只可读，不可写，程序代码段。
- 数据段：保存全局变量，静态变量的区域。
- 堆区：就是动态内存，通过malloc，new申请内存，有一个堆指针，可以通过brk系统调用调整堆指针。
- 文件映射区域：通过mmap系统调用，如动态库，共享内存等映射物理空间的内存区域。可以单独释放，不会产生内存碎片。
- 栈区：用于维护函数调用的上下文空间，用ulimit -s 查看。一般默认为8M
1.1.6 父进程、子进程的关系以及区别
关于资源：子进程得到的是除了代码段是与父进程共享的以外，其他所有的都是得到父进程的一个副本，子进程的所有资源都继承父进程，得到父进程资源的副本，既然为副本，也就是说，二者并不共享地址空间。两个是单独的进程，继承了以后二者就没有什么关联了，子进程单独运行。（采用写时复制技术）
关于文件描述符：继承父进程的文件描述符时，相当于调用了dup函数，父子进程共享文件表项，即共同操作同一个文件，一个进程修改了文件，另一个进程也知道此文件被修改了。
1.2 并发，同步，异步，互斥，阻塞，非阻塞的理解
1.2.1 什么是线程同步和互斥
（1）互斥是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。
（2）同步是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。
（3）同步其实已经实现了互斥，所以同步是一种更为复杂的互斥。
（4）互斥是一种特殊的同步。
1.2.2 线程同步与阻塞的关系？同步一定阻塞吗？阻塞一定同步吗？
同步是个过程，阻塞是线程的一种状态。多个线程操作共享变量时可能会出现竞争。这时需要同步来防止两个以上的线程同时进入临界区，在这个过程中，后进入临界区的线程将阻塞，等待先进入的线程走出临界区。
线程同步不一定发生阻塞！！！线程同步的时候，需要协调推进速度，互相等待和互相唤醒会发生阻塞。
1.3 孤儿进程、僵尸进程、守护进程的概念
1.3.1 基本概念
1）正常进程
正常情况下，子进程是通过父进程创建的，子进程再创建新的进程。子进程的结束和父进程的运行是一个异步过程，即父进程永远无法预测子进程到底什么时候结束。 当一个进程完成它的工作终止之后，它的父进程需要调用wait()或者waitpid()系统调用取得子进程的终止状态。
unix提供了一种机制可以保证只要父进程想知道子进程结束时的状态信息， 就可以得到：在每个进程退出的时候，内核释放该进程所有的资源，包括打开的文件，占用的内存等。 但是仍然为其保留一定的信息，直到父进程通过wait / waitpid来取时才释放。保存信息包括：
1进程号the process ID
2退出状态the termination status of the process
3运行时间the amount of CPU time taken by the process等
2）孤儿进程
一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养，并由init进程对它们完成状态收集工作。
3）僵尸进程
一个进程使用fork创建子进程，如果子进程退出，而父进程并没有调用wait或waitpid获取子进程的状态信息，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵尸进程。
僵尸进程是一个进程必然会经过的过程：这是每个子进程在结束时都要经过的阶段。
如果子进程在exit()之后，父进程没有来得及处理，这时用ps命令就能看到子进程的状态是“Z”。如果父进程能及时 处理，可能用ps命令就来不及看到子进程的僵尸状态，但这并不等于子进程不经过僵尸状态。
如果父进程在子进程结束之前退出，则子进程将由init接管。init将会以父进程的身份对僵尸状态的子进程进行处理。
3）守护进程
守护进程(daemon)是一类在后台运行的特殊进程，用于执行特定的系统任务。守护进程是一个在后台运行并且不受任何终端控制的进程。Unix操作系统有很多典型的守护进程(其数目根据需要或20—50不等)，它们在后台运行，执行不同的管理任务。
1.3.2正确处理僵尸进程的方法
方法一：父进程回收法
wait函数将使其调用者阻塞，直到其某个子进程终止。故父进程可调用wait函数回收其僵尸子进程。
方法二：init进程回收法
如果父进程先于子进程结束，那么子进程的父进程自动改为 init 进程。
如果 init 的子进程结束，则 init 进程会自动回收其子进程的资源而不是让它变成僵尸进程。
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