操作系统面试题总结

进程间的通讯有几种

        进程间通信就是在不同进程之间传播或交换信息,那么不同进程之间存在着什么双方都可以访问的介质呢?进程的用户空间是互相独立的,一般而言是不能互相访问的,唯一的例外是共享内存区。但是,系统空间却是“公共场所”,所以内核显然可以提供这样的条件。除此以外,那就是双方都可以访问的外设了。在这个意义上,两个进程当然也可以通过磁盘上的普通文件交换信息,或者通过“注册表”或其它数据库中的某些表项和记录交换信息。广义上这也是进程间通信的手段,但是一般都不把这算作“进程间通信”。因为那些通信手段的效率太低了,而人们对进程间通信的要求是要有一定的实时性。

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        进程间通信主要包括管道, 系统IPC(包括消息队列,信号量,共享存储),SOCKET.

        管道包括三种: 1)普通管道PIPE, 通常有种限制,一是半双工,只能单向传输;二是只能在父子进程间使用. 2)流管道s_pipe: 去除了第一种限制,可以双向传输. 3)命名管道:name_pipe, 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。

无名管道:优点:简单方便;缺点:1)局限于单向通信2)只能创建在它的进程以及其有亲缘关系的进程之间;3)缓冲区有限;

有名管道:优点:可以实现任意关系的进程间的通信;缺点:1)长期存于系统中,使用不当容易出错;2)缓冲区有限


        系统IPC的三种方式类同,都是使用了内核里的标识符来识别.

        # 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。

        信号量优点:可以同步进程;缺点:信号量有限。

        # 消息队列( message queue ) : 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。

        消息队列优点:a:可以实现任意进程间的通信,可以对每个消息指定特定的消息类型,所以接受无需按照队列次序,可以根据自定义条件来接收,b:无需考虑同步问题(通过系统调用函数来实现消息发送和接收之间的同步),方便;缺点:信息的复制需要额外消耗CPU的时间,不适宜于信息量大或操作频繁的场合

        # 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。使用信号处理器来进行(在接受信号前挂起进程)

        # 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,如信号两,配合使用,来实现进程间的同步和通信。

        共享内存优点:无须复制,快捷,信息量大;缺点:1)通信是通过将共无法实现享空间缓冲区直接附加到进程的虚拟地址空间中来实现的,因此需要考虑进程间的读写操作的同步问题;2)利用内存缓冲区直接交换信息,内存的实体存在于计算机中,只能同一个计算机系统中的诸多进程共享,不方便网络通信

        套接字( socket ) : 套解口也是一种进程间通信机制,与其他通信机制不同的是,它可用于不同及其间的进程通信。

        嵌套字优点:1)传输数据为字节级,传输数据可自定义,数据量小效率高;2)传输数据时间短,性能高;3) 适合于客户端和服务器端之间信息实时交互;4) 可以加密,数据安全性强

缺点:1) 需对传输的数据进行解析,转化成应用级的数据

        

        FAQ1:管道与系统IPC之间的优劣比较?

  答: 管道: 优点是所有的UNIX实现都支持, 并且在最后一个访问管道的进程终止后,管道就被完全删除;缺陷是管道只允许单向传输或者用于父子进程之间.

            系统IPC: 优点是功能强大,能在毫不相关进程之间进行通讯; 缺陷是关键字KEY_T使用了内核标识,占用了内核资源,而且只能被显式删除,而且不能使用SOCKET的一些机制,例如select,epoll等.

        FAQ2:进程间通信与线程间通信之间的关系?

  答: 因为WINDOWS运行的实体是线程, 狭义上的进程间通信其实是指分属于不同进程的线程之间的通讯.而单个进程之间的线程同步问题可归并为一种特殊的进程通信.它要用到内核支持的系统调用来保持线程之间同步. 通常用到的一些线程同步方法包括:Event,Mutex, 信号量Semaphore, 临界区资源等.


线程的同步机制:

        线程同步指多个线程同时访问某资源时,采用一系列的机制以保证同时最多只能一个线程访问该资源。线程同步是多线程中必须考虑和解决的问题,因为很可能发生多个线程同时访问(主要是写操作)同一资源,如果不进行线程同步,很可能会引起数据混乱,造成线程死锁等问题;

        线程同步的方式:

        临界区:通过对多线程的串行化来访问公共资源或者一段代码,速度快,适合控制数据访问

        (临界区是用户模式,以下三种属于内核)

        互斥量: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同时被多个线程访问

        信号量:它允许多个线程同一时刻访问同一资源,但是需要限制同一时刻访问此资源的最大线程数目。信号量对象对线程的同步方式与前面几种方法不同,信号允许多个线程同时使用共享资源,这与操作系统中PV操作相似。

        事件(信号):通过通知操作的方式来保持多线程的同步,还可以方便的实现多线程的优先级比较的操作

        

        总结比较: 

         互斥量与临界区的作用非常相似,但互斥量是可以命名的,也就是说它可以跨越进程使用。所以创建互斥量需要的资源更多,所以如果只为了在进程内部是用的话使用临界区会带来速度上的优势并能够减少资源占用量。因为互斥量是跨进程的互斥量一旦被创建,就可以通过名字打开它。

        互斥量(Mutex),信号灯(Semaphore),事件(Event)都可以被跨越进程使用来进行同步数据操作,而其他的对象与数据同步操作无关,但对于进程和线程来讲,如果进程和线程在运行状态则为无信号状态,在退出后为有信号状态。所以可以使用WaitForSingleObject来等待进程和线程退出。

        通过互斥量可以指定资源被独占的方式使用,但如果有下面一种情况通过互斥量就无法处理,比如现在一位用户购买了一份三个并发访问许可的数据库系统,可以根据用户购买的访问许可数量来决定有多少个线程/进程能同时进行数据库操作,这时候如果利用互斥量就没有办法完成这个要求,信号灯对象可以说是一种资源计数器

    

死锁

        两个以上的进程互相要求对方已经占有的资源导致无法继续运行下去的现象

        产生死锁的原因主要是

         (1) 因为系统资源不足。

         (2) 进程运行推进的顺序不合适。

         (3) 资源分配不当等。

   如果系统资源充足,进程的资源请求都能够得到满足,死锁出现的可能性就很低,否则就会因争夺有限的资源而陷入死锁。其次,进程运行推进顺序与速度不同,也可能产生死锁。

        产生死锁的四个必要条件:互斥条件、请求与保持条件、不剥夺条件、循环等待条件。

  (1) 互斥条件:一个资源每次只能被一个进程使用。

  (2) 请求与保持条件:一个进程因请求资源而阻塞时,对已获得的资源保持不放。

  (3) 不剥夺条件:进程已获得的资源,在末使用完之前,不能强行剥夺。

  (4) 循环等待条件:若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

  这四个条件是死锁的必要条件,只要系统发生死锁,这些条件必然成立,而只要上述条件之一不满足,就不会发生死锁。


        解决死锁的基本方法

         预防死锁

        资源一次性分配:(破坏请求和保持条件)

        可剥夺资源:即当某进程新的资源未满足时,释放已占有的资源(破坏不可剥夺条件)

        资源有序分配法:系统给每类资源赋予一个编号,每一个进程按编号递增的顺序请求资源,释放则相反(破坏环路等待条件)

        避免死锁:

        预防死锁的几种策略,会严重地损害系统性能。因此在避免死锁时,要施加较弱的限制,从而获得较满意的系统性能。由于在避免死锁的策略中,允许进程动态地申请资源。因而,系统在进行资源分配之前预先计算资源分配的安全性。若此次分配不会导致系统进入不安全状态,则将资源分配给进程;否则,进程等待。其中最具有代表性的避免死锁算法是银行家算法

        检测死锁

        首先为每个进程和每个资源指定一个唯一的号码;

        然后建立资源分配表和进程等待表,例如:

        解除死锁:

        当发现有进程死锁后,便应立即把它从死锁状态中解脱出来,常采用的方法有:

        剥夺资源:从其它进程剥夺足够数量的资源给死锁进程,以解除死锁状态;

        撤消进程:可以直接撤消死锁进程或撤消代价最小的进程,直至有足够的资源可用,死锁状态.消除为止;所谓代价是指优先级、运行代价、进程的重要性和价值等。


银行家算法

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