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《程序员面试笔试宝典》何昊、叶向阳 进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。线程是进程的一个实体是cpu调度和分配的基本单位。线程基本不拥有系统资源只拥有必须的但是同属于一个进程的其他线程可以共享进程所拥有的全部资源。
引入线程的4个优点1易于调度2提高并发性3开销小4充分发挥多处理器的功能每个线程都在一个处理器上运行有助于并行
线程与进程的区别
1一个线程只能属于一个进程一个进程可以有多个线程并且至少有1个
2属于一个进程的所有线程共享进程的所有资源不同进程相互独立
3线程又称为轻量级进程线程之前切换代价小进程之间切换代价大
4进程是程序的一次执行线程可以理解为程序中一段程序片段的执行
5每个进程有独立的内存空间而线程共享其所属进程的内存空间
线程同步机制
1临界区通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码速度快适合控制数据访问
2互斥量只有拥有互斥对象的线程才有权限去访问系统的公共资源。因为互斥对象只有一个所以能保证资源不会被多个线程访问
3信号量它允许多个线程在同一个时刻去访问同一个资源但是会限制同一时刻访问该资源的最大线程数目
4事件用来通知线程有一些事件已经发生从而启动后继任务
内核线程操作系统内核可感知的线程
用户线程是在用户程序中实现的线程。unix系统
用户线程的优点内核线程的优缺点与之相反、os可以使用混合方式实现线程
1可以在不支持线程的os中实现
2创建和销毁线程、线程切换等线程管理的代价小
3允许每个进程定制自己的调度算法线程管理很灵活
4线程能利用的表空间和堆栈空间比内核线程多
缺点
1同一进程中只能同时有一个线程在运行如果有一个线程使用了系统调用而阻塞那么整个进程都会被挂起
2页面失效也会产生类似的问题
内存管理的方式
1块式管理把主存分成一大块一大块的当所需的程序片段不在主存时就分配一块主存空间将程序片段load入。这样易于管理但是浪费空间
2页式管理把主存分成一页一页比块式小提高空间利用率
3段式管理把主存分段比页小这样提高空间利用率但是一个程序片段可能会分成几十段导致计算每段的物理地址时浪费时间
4段页式管理先把主存分成若干段每段再分页。段页式管理没取一次数据要访问3次内存
分段和分页的区别
1页是信息的物理单位分页是出于管理系统的需要段是信息的逻辑单位它含有一组意义相对完整的信息分段是出于用户需要。
2页的大小固定且由系统确定将逻辑地址分为页号和页内地址两部分是由机器硬件实现的。段的长度不固定取决于用户编写的程序通常由编译程序在对源程序进行编译时根据信息的性质来划分。
3分页的作业地址空间是单一的线性空间分段的作业地址空间是二维的需要给出段名段内地址
虚拟内存它使得应用程序认为它拥有一个连续完整的地址空间允许程序员编写并运行比实际系统拥有的内存大得多的程序。实际上它通常被分割成多个物理内存碎片还有部分暂时存储在外部磁盘上在需要时进行数据交换。
虚拟内存比实存的好处
1扩大地址空间寻址空间比实际大
2内存保护每个进程运行在各自的虚拟内存地址空间互不干扰。虚存还对特定的内存地址提供写保护防止代码或数据被恶意篡改
3公平分配内存每个进程相当于有同样大小的虚存空间
4当进程需要通信时可采用虚存共享的方式实现
坏处
1虚存管理需要建立很多数据结构而数据结构要占用额外的内存
2虚拟地址到物理地址的转换增加了指令的执行时间
3页面的换入换出需要磁盘IO耗时
4如果一页中只有一部分数据会浪费内存
内存碎片是由多次进行内存分配造成的。很多空白段因为太小不能满足用户需求而被放弃这些小的空白段就是碎片
内碎片是处于区域内部或页面内部的存储块占用这些区域的进程不使用这个存储块系统页因为进程在占有无法使用需要等到进程释放或结束。
外碎片一些不属于任何进程的、因为太小且地址不连续导致系统无法分配给其他进程的空闲存储块。一般处于已分配区域或页面外部
一种特定的内存分配算法很难同时解决内碎片和外碎片问题只能根据应用特点进行取舍。
虚拟地址是指由程序产生的、由段选择符和段内偏移地址组成的地址。不能直接访问物理内存需要通过分段地址的变换处理才行
物理地址是指现在CPU外部地址总线上的寻址物理内存的地址信号是地址变换的最终结果
逻辑地址是由程序产生的段内偏移地址。有时候直接把逻辑地址当成虚拟地址
线性地址是指虚拟地址到物理地址变换之间的中间层是处理器可寻址的内存空间即线性地址空间中的地址。如果启用了分页机制线性地址再变换就产生物理地址否则线性地址就是物理地址。
不同的逻辑地址可以映射到同一个线性地址上不同的线性地址页可以映射到同一个物理地址上。
cache的替换算法
1随机算法RAND随机产生一个要替换的块号替换出去。优点简单、容易实现、没有使用”历史经验“因此不能提高cache命中率正好读到有用的信息命中
2先进先出FIFO将最早进入Cache的子块替换。优点容易实现系统开销小缺点可以替换掉早来但常用的程序块页不能提高命中率
3最近最久未使用算法LRUleast recently used字面意思但也不能保证过去不常用的未来也不常用而且实现复杂开销大。常用的方法有计数器法、寄存器栈法、硬件逻辑比较对法
4最优替换算法OPTOPTimal replacement。要实现的话是先让程序跑一遍记录下实际的页地址流情况根据这个找出它需要替换的页面。但这是理想型算法可以作为评估标准哪个的命中率与其相近就是好的
5最近最少使用LFUleast frequently used 选择近期最少最少访问的页面作为被替换的页面。需要为每个页面设置一个很长的计数器并且选择一个固定的时钟为每个计数器计数在选择时要从所有计数器中找到计数值最大的计数器。实现复杂
库函数调用是语言或者应用程序的一部分运行在用户空间如c库的system malloc。系统调用是os的一部分是在内核空间执行的因此调用时需要把上下文环境切换到内核模式如chdir write。
静态链接是把要调用的函数直接链接到可执行文件中所以一个exe文件会包含所需的所有代码。而动态链接没有拷贝所需代码只写了所调用函数的描述信息只有当应用程序被装入内存开始运行时才会在应用程序和动态链接库dll, dynamic link library之间建立链接os才能去执行dll中对应的代码。所以前者的exe可以拷贝到别的机子运行后者未必可以因为要保证dll存在版本正确。
静态链接库.lib 不能包含其他dll或lib
动态链接库.dll能包含其他dll或lib
核心态与用户态当CPU处于核心态时可以随时进入用户态当CPU处于用户态时只有系统调用和中断时才能切换到核心态。一般程序一开始都是运行于用户态当程序需要使用系统资源时就通过调用软中断进入核心态。
运行在核心态的程序可以访问的资源多但是可靠性、安全性要求高管理和维护比较复杂用户态程序访问的资源有限但是要求低维护简单。
核心态实现的功能CPU管理和内存管理、诊断和测试程序、输入输出管理、文件系统本身的管理。但用户数据的管理、编译器、网络管理的部分功能等都可以放在用户态。
内核在创建进程时会为进程创建相应的堆栈。每个进程都有一个用户栈存在于用户空间一个内核栈存在于内核空间。当进程在用户空间运行时CPU堆栈指针寄存器里面的内容都是用户堆栈的地址否则是内核栈空间地址。当进程陷入内核态时进程所用的堆栈要从用户栈转到内核栈。此时先把用户态堆栈的地址保存在内核栈中此时内核栈总是空的然后将寄存器内容改为内核栈的地址。恢复到用户态时直接恢复之前保存的用户栈地址。
