操作系统面试
文章目錄
- 操作系統(tǒng)
- 一 操作系統(tǒng)基礎(chǔ)
- 1.1 什么是操作系統(tǒng)？
- 1.2 系統(tǒng)調(diào)用
- 二 進(jìn)程和線程
- 2.1 進(jìn)程和線程的區(qū)別
- 2.2 進(jìn)程有哪幾種狀態(tài)?
- 2.3 進(jìn)程間的通信方式
- 2.4 線程間的同步的方式
- 2.5 進(jìn)程的調(diào)度算法
- 頁(yè)面置換算法
- fork子進(jìn)程發(fā)生什么
- 僵尸進(jìn)程和孤兒進(jìn)程
- 死鎖相關(guān)
- 存儲(chǔ)器層次化結(jié)構(gòu)
- 程序訪問(wèn)的局部性
- 高速緩存Cache原理
- Cache和內(nèi)存映射方式
- 直接映射
- 全相聯(lián)映射
- 組相聯(lián)映射
- Cache的替換算法
- Cache的一致性問(wèn)題
- 全寫(xiě)法
- 回寫(xiě)法
- 影響Cache的性能因素
- 總結(jié)
- 補(bǔ)充
- 什么是用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)？
- **進(jìn)程的PCB包含哪些信息**
- 進(jìn)程控制塊PCB的作用：
- 進(jìn)程控制塊中的信息：
- 哪些時(shí)線程共享的，哪些是線程私有的
操作系統(tǒng)
一 操作系統(tǒng)基礎(chǔ)
1.1 什么是操作系統(tǒng)？
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1.2 系統(tǒng)調(diào)用
首先根據(jù)進(jìn)程訪問(wèn)資源的特點(diǎn)，可以把進(jìn)程在系統(tǒng)上的運(yùn)行分為兩個(gè)級(jí)別用戶態(tài)和系統(tǒng)態(tài)：
我們運(yùn)行的程序基本都是運(yùn)行在用戶態(tài)，如果調(diào)用操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)態(tài)級(jí)別的子功能，那就需要系統(tǒng)調(diào)用了！
也就是說(shuō)在運(yùn)行的用戶程序中，凡是與系統(tǒng)態(tài)級(jí)別的資源有關(guān)的操作（如文件管理、進(jìn)程控制、內(nèi)存管理等)，都必須通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用方式向操作系統(tǒng)提出服務(wù)請(qǐng)求，并由操作系統(tǒng)代為完成。
這些系統(tǒng)調(diào)用按功能大致可分為如下幾類：
- 設(shè)備管理。完成設(shè)備的請(qǐng)求或釋放，以及設(shè)備啟動(dòng)等功能。
- 文件管理。完成文件的讀、寫(xiě)、創(chuàng)建及刪除等功能。
- 進(jìn)程控制。完成進(jìn)程的創(chuàng)建、撤銷(xiāo)、阻塞及喚醒等功能。
- 進(jìn)程通信。完成進(jìn)程之間的消息傳遞或信號(hào)傳遞等功能。
- 內(nèi)存管理。完成內(nèi)存的分配、回收以及獲取作業(yè)占用內(nèi)存區(qū)大小及地址等功能。
二 進(jìn)程和線程
2.1 進(jìn)程和線程的區(qū)別
從 JVM 的角度來(lái)說(shuō)一下線程和進(jìn)程之間的關(guān)系！一個(gè)進(jìn)程中可以有多個(gè)線程，多個(gè)線程共享進(jìn)程的堆和**方法區(qū) (JDK1.8 之后的元空間)*資源，但是每個(gè)線程有自己的*程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧 和 本地方法棧。
總結(jié)： 線程是進(jìn)程劃分成的更小的運(yùn)行單位,一個(gè)進(jìn)程在其執(zhí)行的過(guò)程中可以產(chǎn)生多個(gè)線程。線程和進(jìn)程最大的不同在于基本上各進(jìn)程是獨(dú)立的，而各線程則不一定，因?yàn)橥贿M(jìn)程中的線程極有可能會(huì)相互影響。線程執(zhí)行開(kāi)銷(xiāo)小，但不利于資源的管理和保護(hù)；而進(jìn)程正相反。
進(jìn)程
- 程序由指令和數(shù)據(jù)組成，但這些指令要運(yùn)行，數(shù)據(jù)要讀寫(xiě)，就必須將指令加載至 CPU，數(shù)據(jù)加載至內(nèi)存。在指令運(yùn)行過(guò)程中還需要用到磁盤(pán)、網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備。進(jìn)程就是用來(lái)加載指令、管理內(nèi)存、管理 IO 的。
- 當(dāng)一個(gè)程序被運(yùn)行，從磁盤(pán)加載這個(gè)程序的代碼至內(nèi)存，這時(shí)就開(kāi)啟了一個(gè)進(jìn)程。
- 進(jìn)程就可以視為程序的一個(gè)實(shí)例。大部分程序可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)實(shí)例進(jìn)程（例如記事本、畫(huà)圖、瀏覽器 等），也有的程序只能啟動(dòng)一個(gè)實(shí)例進(jìn)程（例如網(wǎng)易云音樂(lè)、360 安全衛(wèi)士等）
線程
- 一個(gè)進(jìn)程之內(nèi)可以分為一到多個(gè)線程。
- 一個(gè)線程就是一個(gè)指令流，將指令流中的一條條指令以一定的順序交給 CPU 執(zhí)行 。
- Java 中，線程作為小調(diào)度單位，進(jìn)程作為資源分配的小單位。 在 windows 中進(jìn)程是不活動(dòng)的，只是作 為線程的容器
二者對(duì)比
- 進(jìn)程基本上相互獨(dú)立的，而線程存在于進(jìn)程內(nèi)，是進(jìn)程的一個(gè)子集 進(jìn)程擁有共享的資源，如內(nèi)存空間等，供其內(nèi)部的線程共享
- 進(jìn)程間通信較為復(fù)雜 同一臺(tái)計(jì)算機(jī)的進(jìn)程通信稱為 IPC（Inter-process communication）
- 不同計(jì)算機(jī)之間的進(jìn)程通信，需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，并遵守共同的協(xié)議，例如 HTTP
- 線程通信相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼈児蚕磉M(jìn)程內(nèi)的內(nèi)存，一個(gè)例子是多個(gè)線程可以訪問(wèn)同一個(gè)共享變量 線程更輕量，線程上下文切換成本一般上要比進(jìn)程上下文切換低
進(jìn)程和線程的切換
上下文切換
內(nèi)核為每一個(gè)進(jìn)程維持一個(gè)上下文。**上下文就是內(nèi)核重新啟動(dòng)一個(gè)被搶占的進(jìn)程所需的狀態(tài)。**包括以下內(nèi)容：
- 通用目的寄存器
- 浮點(diǎn)寄存器
- 程序計(jì)數(shù)器
- 用戶棧
- 狀態(tài)寄存器
- 內(nèi)核棧
- 各種內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：比如描繪地址空間的頁(yè)表，包含有關(guān)當(dāng)前進(jìn)程信息的進(jìn)程表，以及包含進(jìn)程已打開(kāi)文件的信息的文件表
進(jìn)程切換和線程切換的主要區(qū)別
最主要的一個(gè)區(qū)別在于進(jìn)程切換涉及虛擬地址空間的切換而線程不會(huì)。因?yàn)槊總€(gè)進(jìn)程都有自己的虛擬地址空間，而線程是共享所在進(jìn)程的虛擬地址空間的，因此同一個(gè)進(jìn)程中的線程進(jìn)行線程切換時(shí)不涉及虛擬地址空間的轉(zhuǎn)換
頁(yè)表查找是一個(gè)很慢的過(guò)程，因此通常使用cache來(lái)緩存常用的地址映射，這樣可以加速頁(yè)表查找，這個(gè)cache就是快表TLB（translation Lookaside Buffer，用來(lái)加速頁(yè)表查找）。由于每個(gè)進(jìn)程都有自己的虛擬地址空間，那么顯然每個(gè)進(jìn)程都有自己的頁(yè)表，那么當(dāng)進(jìn)程切換后頁(yè)表也要進(jìn)行切換，頁(yè)表切換后TLB就失效了，cache失效導(dǎo)致命中率降低，那么虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址就會(huì)變慢，表現(xiàn)出來(lái)的就是程序運(yùn)行會(huì)變慢，而線程切換則不會(huì)導(dǎo)致TLB失效，因?yàn)榫€程線程無(wú)需切換地址空間，因此我們通常說(shuō)線程切換要比較進(jìn)程切換快
而且還可能出現(xiàn)缺頁(yè)中斷，這就需要操作系統(tǒng)將需要的內(nèi)容調(diào)入內(nèi)存中，若內(nèi)存已滿則還需要將不用的內(nèi)容調(diào)出內(nèi)存，這也需要花費(fèi)時(shí)間
為什么TLB能加快訪問(wèn)速度
快表可以避免每次都對(duì)頁(yè)號(hào)進(jìn)行地址的有效性判斷?？毂碇斜４媪藢?duì)應(yīng)的物理塊號(hào)，可以直接計(jì)算出物理地址，無(wú)需再進(jìn)行有效性檢查
2.2 進(jìn)程有哪幾種狀態(tài)?
一般把進(jìn)程大致分為 5 種狀態(tài),和線程很像
- 創(chuàng)建狀態(tài)(new) ：進(jìn)程正在被創(chuàng)建，尚未到就緒狀態(tài)。
- 就緒狀態(tài)(ready) ：進(jìn)程已處于準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)，即進(jìn)程獲得了除了處理器之外的一切所需資源，一旦得到處理器資源(處理器分配的時(shí)間片)即可運(yùn)行。
- 運(yùn)行狀態(tài)(running) ：進(jìn)程正在處理器上上運(yùn)行(單核 CPU 下任意時(shí)刻只有一個(gè)進(jìn)程處于運(yùn)行狀態(tài))。
- 阻塞狀態(tài)(waiting) ：又稱為等待狀態(tài)，進(jìn)程正在等待某一事件而暫停運(yùn)行如等待某資源為可用或等待 IO 操作完成。即使處理器空閑，該進(jìn)程也不能運(yùn)行。
- 結(jié)束狀態(tài)(terminated) ：進(jìn)程正在從系統(tǒng)中消失?？赡苁沁M(jìn)程正常結(jié)束或其他原因中斷退出運(yùn)行。
[^訂正：下圖中 running 狀態(tài)被 interrupt 向 ready 狀態(tài)轉(zhuǎn)換的箭頭方向反了。]:
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2.3 進(jìn)程間的通信方式
管道(Pipes) ：分為匿名管道和命名管道。對(duì)于匿名管道，它的通信范圍是存在父子關(guān)系的進(jìn)程。因?yàn)楣艿罌](méi)有實(shí)體，也就是沒(méi)有管道文件，只能通過(guò) fork 來(lái)復(fù)制父進(jìn)程 fd 文件描述符，來(lái)達(dá)到通信的目的。對(duì)于命名管道，它可以在不相關(guān)的進(jìn)程間也能相互通信。因?yàn)槊罟艿?#xff0c;提前創(chuàng)建了一個(gè)類型為管道的設(shè)備文件，在進(jìn)程里只要使用這個(gè)設(shè)備文件，就可以相互通信。不管是匿名管道還是命名管道，進(jìn)程寫(xiě)入的數(shù)據(jù)都是緩存在內(nèi)核中，另一個(gè)進(jìn)程讀取數(shù)據(jù)時(shí)候自然也是從內(nèi)核中獲取，同時(shí)通信數(shù)據(jù)都遵循先進(jìn)先出原則。
消息隊(duì)列(Message Queuing) ：管道的通信方式是效率低的，因此管道不適合進(jìn)程間頻繁地交換數(shù)據(jù)。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，消息隊(duì)列的通信模式就可以解決。比如，A 進(jìn)程要給 B 進(jìn)程發(fā)送消息，A 進(jìn)程把數(shù)據(jù)放在對(duì)應(yīng)的消息隊(duì)列后就可以正常返回了，B 進(jìn)程需要的時(shí)候再去讀取數(shù)據(jù)就可以了。同理，B 進(jìn)程要給 A 進(jìn)程發(fā)送消息也是如此。消息隊(duì)列是保存在內(nèi)核中的消息鏈表，如果進(jìn)程從消息隊(duì)列中讀取了消息體，內(nèi)核就會(huì)把這個(gè)消息體刪除。消息隊(duì)列生命周期隨內(nèi)核，如果沒(méi)有釋放消息隊(duì)列或者沒(méi)有關(guān)閉操作系統(tǒng)，消息隊(duì)列會(huì)一直存在，而前面提到的匿名管道的生命周期，是隨進(jìn)程的創(chuàng)建而建立，隨進(jìn)程的結(jié)束而銷(xiāo)毀。但存在兩個(gè)不足：
共享內(nèi)存(Shared memory) ：消息隊(duì)列的讀取和寫(xiě)入的過(guò)程，都會(huì)有發(fā)生用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間的消息拷貝過(guò)程。那共享內(nèi)存的方式，就很好的解決了這一問(wèn)題。
現(xiàn)代操作系統(tǒng)，對(duì)于內(nèi)存管理，采用的是虛擬內(nèi)存技術(shù)，也就是每個(gè)進(jìn)程都有自己獨(dú)立的虛擬內(nèi)存空間，不同進(jìn)程的虛擬內(nèi)存映射到不同的物理內(nèi)存中。所以，即使進(jìn)程 A 和 進(jìn)程 B 的虛擬地址是一樣的，其實(shí)訪問(wèn)的是不同的物理內(nèi)存地址，對(duì)于數(shù)據(jù)的增刪查改互不影響。
共享內(nèi)存的機(jī)制，就是拿出一塊虛擬地址空間來(lái)，映射到相同的物理內(nèi)存中。這樣這個(gè)進(jìn)程寫(xiě)入的東西，另外一個(gè)進(jìn)程馬上就能看到了，都不需要拷貝來(lái)拷貝去，傳來(lái)傳去，大大提高了進(jìn)程間通信的速度。
[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來(lái)直接上傳(img-iFsCRSrv-1658936354689)(C:\Users\18458\Desktop\圖片\虛擬內(nèi)存.png)]
信號(hào)量(Semaphores) ：用了共享內(nèi)存通信方式，帶來(lái)新的問(wèn)題，那就是如果多個(gè)進(jìn)程同時(shí)修改同一個(gè)共享內(nèi)存，很有可能就沖突了。例如兩個(gè)進(jìn)程都同時(shí)寫(xiě)一個(gè)地址，那先寫(xiě)的那個(gè)進(jìn)程會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)容被別人覆蓋了。
為了防止多進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)共享資源，而造成的數(shù)據(jù)錯(cuò)亂，所以需要保護(hù)機(jī)制，使得共享的資源，在任意時(shí)刻只能被一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)。正好，信號(hào)量就實(shí)現(xiàn)了這一保護(hù)機(jī)制。
信號(hào)量其實(shí)是一個(gè)整型的計(jì)數(shù)器，主要用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的互斥與同步，而不是用于緩存進(jìn)程間通信的數(shù)據(jù)。
信號(hào)(Signal) ：信號(hào)是進(jìn)程間通信機(jī)制中唯一的異步通信機(jī)制，信號(hào)可以在應(yīng)用進(jìn)程和內(nèi)核之間直接交互，內(nèi)核也可以利用信號(hào)來(lái)通知用戶空間的進(jìn)程發(fā)生了哪些系統(tǒng)事件，信號(hào)事件的來(lái)源主要有硬件來(lái)源（如鍵盤(pán) Cltr+C ，Ctrl+C 產(chǎn)生 SIGINT 信號(hào)，表示終止該進(jìn)程，Ctrl+Z 產(chǎn)生 SIGTSTP 信號(hào)，表示停止該進(jìn)程，但還未結(jié)束；）和軟件來(lái)源（如 kill 命令，進(jìn)程發(fā)送 SIGKILL 信號(hào)，用來(lái)立即結(jié)束該進(jìn)程）。**
套接字(Sockets) : 前面提到的管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存、信號(hào)量和信號(hào)都是在同一臺(tái)主機(jī)上進(jìn)行進(jìn)程間通信，那要想跨網(wǎng)絡(luò)與不同主機(jī)上的進(jìn)程之間通信，就需要 Socket 通信了，可根據(jù)創(chuàng)建 Socket 的類型不同，分為三種常見(jiàn)的通信方式，一個(gè)是基于 TCP 協(xié)議的通信方式，一個(gè)是基于 UDP 協(xié)議的通信方式，一個(gè)是本地進(jìn)程間通信方式。
2.4 線程間的同步的方式
線程同步是兩個(gè)或多個(gè)共享關(guān)鍵資源的線程的并發(fā)執(zhí)行。應(yīng)該同步線程以避免關(guān)鍵的資源使用沖突。操作系統(tǒng)一般有下面三種線程同步的方式：
處理機(jī)
處理機(jī)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，并按照程序規(guī)定的步驟執(zhí)行指令的部件。程序是描述處理機(jī)完成某項(xiàng)任務(wù)的指令序列。指令則是處理機(jī)能直接解釋、執(zhí)行的信息單位。處理機(jī)包括中央處理器（cpu），主存儲(chǔ)器,輸入-輸出接口。處理機(jī)加接外圍設(shè)備就構(gòu)成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
cpu
中央處理器（CPU，Central Processing Unit）是一塊超大規(guī)模的集成電路，是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。
處理機(jī)和cpu處理器的區(qū)別
1、指代不同
處理機(jī)：是處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，并按照程序規(guī)定的步驟執(zhí)行指令的部件。
cpu處理器：作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算和控制核心，是信息處理、程序運(yùn)行的最終執(zhí)行單元。
2、構(gòu)成不同
處理機(jī)：包括中央處理器，主存儲(chǔ)器，輸入-輸出接口，加接外圍設(shè)備就構(gòu)成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
cpu處理器：主要包括兩個(gè)部分，即控制器、運(yùn)算器，其中還包括高速緩沖存儲(chǔ)器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制的總線。
2.5 進(jìn)程的調(diào)度算法
- 先到先服務(wù)(FCFS)調(diào)度算法 : 從就緒隊(duì)列中選擇一個(gè)最先進(jìn)入該隊(duì)列的進(jìn)程為之分配資源，使它立即執(zhí)行并一直執(zhí)行到完成或發(fā)生某事件而被阻塞放棄占用 CPU 時(shí)再重新調(diào)度。
-
- 優(yōu)先級(jí)調(diào)度 ： 為每個(gè)流程分配優(yōu)先級(jí)，首先執(zhí)行具有最高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程，依此類推。具有相同優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程以 FCFS 方式執(zhí)行?？梢愿鶕?jù)內(nèi)存要求，時(shí)間要求或任何其他資源要求來(lái)確定優(yōu)先級(jí)。
-
- 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法 : 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度是一種最古老，最簡(jiǎn)單，最公平且使用最廣的算法，又稱 RR(Round robin)調(diào)度。每個(gè)進(jìn)程被分配一個(gè)時(shí)間段，稱作它的時(shí)間片，即該進(jìn)程允許運(yùn)行的時(shí)間。
- 短進(jìn)程優(yōu)先(SJF)的調(diào)度算法 : 從就緒隊(duì)列中選出一個(gè)估計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程為之分配資源，使它立即執(zhí)行并一直執(zhí)行到完成或發(fā)生某事件而被阻塞放棄占用 CPU 時(shí)再重新調(diào)度。
- 最短剩余時(shí)間優(yōu)先調(diào)度算法：最短剩余時(shí)間優(yōu)先調(diào)度算法是將短進(jìn)程優(yōu)先調(diào)度算法用于分時(shí)環(huán)境的變形。其基本思想是，讓“運(yùn)行到任務(wù)完成時(shí)所需的運(yùn)行時(shí)間最短”的進(jìn)程優(yōu)先得到處理，包括新進(jìn)入系統(tǒng)的進(jìn)程。在最短進(jìn)程優(yōu)先調(diào)度算法中，一個(gè)進(jìn)程一旦得到處理機(jī)，就一直運(yùn)行到任務(wù)完成（或等待事件）而不能被剝奪（除非主動(dòng)讓出處理機(jī)）。而最短剩余時(shí)間優(yōu)先調(diào)度算法允許被一個(gè)新進(jìn)入系統(tǒng)的且其運(yùn)行時(shí)間短于當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程的剩余運(yùn)行時(shí)間的進(jìn)程所搶占。
該算法的優(yōu)點(diǎn)是，可以用于分時(shí)系統(tǒng)，保證及時(shí)響應(yīng)用戶要求。缺點(diǎn)是，系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)增加。首先，要保存進(jìn)程的運(yùn)行情況記錄，以比較其剩余時(shí)間長(zhǎng)短：其次，剝奪本身也要消耗處理機(jī)時(shí)間。毫無(wú)疑問(wèn)，這個(gè)算法使短進(jìn)程一進(jìn)入系統(tǒng)就能立即得到服務(wù)，從而縮短進(jìn)程的平均等待時(shí)間。
最高響應(yīng)比優(yōu)先調(diào)度算法：每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)，該優(yōu)先數(shù)不但是要求的服務(wù)時(shí)間的函數(shù)，而且是該進(jìn)程得到服務(wù)所花費(fèi)的等待時(shí)間的函數(shù)。進(jìn)程的動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)計(jì)算公式如下：
優(yōu)先數(shù)=（等待時(shí)間+要求的服務(wù)時(shí)間）/要求的服務(wù)時(shí)間
要求的服務(wù)時(shí)間是分母，所以對(duì)短進(jìn)程是有利的，因?yàn)閰^(qū)的優(yōu)先數(shù)高，可優(yōu)先運(yùn)行。另外，因?yàn)榈却龝r(shí)間是分子，所以長(zhǎng)進(jìn)程由于其等待了較長(zhǎng)時(shí)間，從而提高了其優(yōu)先致，終于得到了處理機(jī)。進(jìn)程一旦得到處理機(jī)，它就一直運(yùn)行到進(jìn)程完成任務(wù)（或因等待事件而主動(dòng)讓出處理機(jī)），中間不被搶占。 - 多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法 ：前面介紹的幾種進(jìn)程調(diào)度的算法都有一定的局限性。如短進(jìn)程優(yōu)先的調(diào)度算法，僅照顧了短進(jìn)程而忽略了長(zhǎng)進(jìn)程 。多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法既能使高優(yōu)先級(jí)的作業(yè)得到響應(yīng)又能使短作業(yè)（進(jìn)程）迅速完成。，因而它是目前被公認(rèn)的一種較好的進(jìn)程調(diào)度算法，UNIX 操作系統(tǒng)采取的便是這種調(diào)度算法。
- 系統(tǒng)中有多個(gè)進(jìn)程就緒隊(duì)列，每個(gè)就緒隊(duì)列對(duì)應(yīng)一個(gè)調(diào)度級(jí)別。第1級(jí)隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)最高，以下各級(jí)隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)逐次降低。調(diào)度時(shí)，選擇高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的第1個(gè)就緒進(jìn)程。各級(jí)隊(duì)列中的進(jìn)程具有不同的時(shí)間片值。優(yōu)先級(jí)最高的第1級(jí)隊(duì)列中的進(jìn)程的時(shí)間片值最少；題看隊(duì)列級(jí)別的增高，其進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)降低了，但時(shí)間片值卻增大了。通常，下放一級(jí)，其時(shí)間片值增大1倍。各級(jí)隊(duì)列均按先來(lái)先服務(wù)原則排序。
頁(yè)面置換算法
1、最優(yōu)頁(yè)面置換算法；2、NRU最近未使用算法；3、FIFO先進(jìn)先出頁(yè)面置換算法；4、第二次機(jī)會(huì)頁(yè)面置換算法；5、時(shí)鐘頁(yè)面置換算法；6、LRU最近最少使用頁(yè)面置換算法；7、NFU最不經(jīng)常使用算法；8、老化算法；9、工作集頁(yè)面置換算法；10、工作集時(shí)鐘頁(yè)面置換算法
fork子進(jìn)程發(fā)生什么
先說(shuō)一下fork，fork會(huì)生成一個(gè)和當(dāng)前進(jìn)程相同的副本，稱為子進(jìn)程。fork之后，操作系統(tǒng)會(huì)copy當(dāng)前進(jìn)程的task_struct機(jī)構(gòu)體，除了id號(hào)不一樣之外，其余完全一樣。原進(jìn)程的所有資源都以適當(dāng)?shù)姆绞綇?fù)制到子進(jìn)程，因此該系統(tǒng)調(diào)用之后，原來(lái)的進(jìn)程就有了兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)例。這兩個(gè)實(shí)例的聯(lián)系包括：同一組打開(kāi)文件、同樣的工作目錄、內(nèi)存中同樣的數(shù)據(jù)（兩個(gè)進(jìn)程各有一份副本）。
其實(shí)主要就這三個(gè)區(qū)別：
1.fork之后父子進(jìn)程將共享代碼文本段，但是各自擁有不同的棧段、數(shù)據(jù)段及堆段拷貝。子進(jìn)程的棧、數(shù)據(jù)從fork一瞬間開(kāi)始是對(duì)于父進(jìn)程的完全拷貝、每個(gè)進(jìn)程可以更改自己的數(shù)據(jù)，而不要擔(dān)心相互影響！
2.fork之后父子進(jìn)程同時(shí)開(kāi)始從fork點(diǎn)向下執(zhí)行代碼，具體fork之后CPU會(huì)調(diào)度到誰(shuí)？不一定！
3.執(zhí)行fork之后，子進(jìn)程將拷貝父進(jìn)程的文件描述符副本，指向同一個(gè)文件句柄（包含了當(dāng)前文件讀寫(xiě)的偏移量等信息）。
僵尸進(jìn)程和孤兒進(jìn)程
孤兒進(jìn)程：一個(gè)父進(jìn)程退出，而它的一個(gè)或多個(gè)子進(jìn)程還在運(yùn)行，那么那些子進(jìn)程將成為孤兒進(jìn)程。孤兒進(jìn)程將被init進(jìn)程(進(jìn)程號(hào)為1)所收養(yǎng)，并由init進(jìn)程對(duì)它們完成狀態(tài)收集工作。
僵尸狀態(tài)是一個(gè)比較特殊的狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)程退出父進(jìn)程（使用wait()系統(tǒng)調(diào)用）沒(méi)有讀取到子進(jìn)程退出的返回代碼時(shí)就會(huì)產(chǎn)生僵尸進(jìn)程。僵尸進(jìn)程會(huì)在以終止?fàn)顟B(tài)保持在進(jìn)程表中，并且會(huì)一直等待父進(jìn)程讀取退出狀態(tài)代碼。
僵尸進(jìn)程與孤兒進(jìn)程的區(qū)別：
孤兒進(jìn)程是子進(jìn)程還在運(yùn)行，而父進(jìn)程掛了，子進(jìn)程被init進(jìn)程收養(yǎng)。僵尸進(jìn)程是父進(jìn)程還在運(yùn)行但是子進(jìn)程掛了，但是父進(jìn)程卻沒(méi)有使用wait來(lái)清理子進(jìn)程的進(jìn)程信息，導(dǎo)致子進(jìn)程雖然運(yùn)行實(shí)體已經(jīng)消失，但是仍然在內(nèi)核的進(jìn)程表中占據(jù)一條記錄，這樣長(zhǎng)期下去對(duì)于系統(tǒng)資源是一個(gè)浪費(fèi)。僵尸進(jìn)程將會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)，而孤兒則不會(huì)
死鎖相關(guān)
存儲(chǔ)器層次化結(jié)構(gòu)
存儲(chǔ)器有很多種類，我們常見(jiàn)的有內(nèi)存、磁盤(pán)，還有平時(shí)看不到的集成在CPU內(nèi)部的寄存器、高速緩存等。
正常來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)器的容量和性能應(yīng)該伴隨著CPU的速度和性能提升而提升，以匹配CPU的數(shù)據(jù)處理。但隨著時(shí)間的推移，CPU和存儲(chǔ)器在性能上的發(fā)展差異越來(lái)越大，存儲(chǔ)器在性能增長(zhǎng)越來(lái)越跟不上CPU性能發(fā)展的需要。
那怎么辦呢？
為了縮小存儲(chǔ)器和CPU之間的性能差距，通常在計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用層次化的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)，以此來(lái)發(fā)揮出存儲(chǔ)器的綜合性能。
存儲(chǔ)器層次化結(jié)構(gòu)如下：
最上層的是寄存器，存取時(shí)間極快，但容量小。其次是高速緩存，存取時(shí)間次之，容量比寄存器大一些。再往下就是我們常見(jiàn)的內(nèi)存、硬盤(pán)，存取速度遞減，但容量越來(lái)越大。
CPU在訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)一般在相鄰兩層之間復(fù)制傳送，且總是從慢速存儲(chǔ)器復(fù)制到快速存儲(chǔ)器，通過(guò)這種方式保證CPU的速度和存儲(chǔ)器的速度相匹配。
程序訪問(wèn)的局部性
最早期的計(jì)算機(jī)，在執(zhí)行一段程序時(shí)，都是把硬盤(pán)中的數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存，然后CPU從內(nèi)存中取出代碼和數(shù)據(jù)執(zhí)行，在把計(jì)算結(jié)果寫(xiě)入內(nèi)存，最終輸出結(jié)果。
其實(shí)這么干，本身沒(méi)有什么問(wèn)題，但后來(lái)程序運(yùn)行越來(lái)越多，就發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)律：內(nèi)存中某個(gè)地址被訪問(wèn)后，短時(shí)間內(nèi)還有可能繼續(xù)訪問(wèn)這塊地址。內(nèi)存中的某個(gè)地址被訪問(wèn)后，它相鄰的內(nèi)存單元被訪問(wèn)的概率也很大。
人們發(fā)現(xiàn)的這種規(guī)律被稱為程序訪問(wèn)的局部性。
程序訪問(wèn)的局部性包含2種：
- 時(shí)間局部性：某個(gè)內(nèi)存單元在較短時(shí)間內(nèi)很可能被再次訪問(wèn)
- 空間局部性：某個(gè)內(nèi)存單元被訪問(wèn)后相鄰的內(nèi)存單元較短時(shí)間內(nèi)很可能被訪問(wèn)
出現(xiàn)這種情況的原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)槌绦蚴侵噶詈蛿?shù)據(jù)組成的，指令在內(nèi)存中按順序存放且地址連續(xù)，如果運(yùn)行一段循環(huán)程序或調(diào)用一個(gè)方法，又或者再程序中遍歷一個(gè)數(shù)組，都有可能符合上面提到的局部性原理。
那既然在執(zhí)行程序時(shí)，內(nèi)存的某些單元很可能會(huì)經(jīng)常的訪問(wèn)或?qū)懭?#xff0c;那可否在CPU和內(nèi)存之間，加一個(gè)緩存，CPU在訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，先看一下緩存中是否存在，如果有直接就讀取緩存中的數(shù)據(jù)即可。如果緩存中不存在，再?gòu)膬?nèi)存中讀取數(shù)據(jù)。
事實(shí)證明利用這種方式，程序的運(yùn)行效率會(huì)提高90%以上，這個(gè)緩存也叫做高速緩存Cache。
高速緩存Cache原理
高速緩存Cache是非常小容量的存儲(chǔ)器，它集成在CPU芯片內(nèi)。為了便于CPU、高速緩存Cache、內(nèi)存之間的信息交換，內(nèi)存按塊劃分，高速緩存Cache按行或槽劃分。
CPU對(duì)內(nèi)存、高速緩存Cache進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)的流程如圖：
CPU先查詢Cache中是否有數(shù)據(jù)，如果有，直接讀取即可。
如果Cache中沒(méi)有，則從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)把數(shù)據(jù)放入Cache中，然后把數(shù)據(jù)返回給CPU。
整個(gè)流程其實(shí)很簡(jiǎn)單，但對(duì)于Cache和內(nèi)存信息的交換，需要考慮一些問(wèn)題：
- 對(duì)于CPU讀取數(shù)據(jù)，如果Cache中沒(méi)有數(shù)據(jù)，從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)后，如何分配到Cache中？
- 如果Cache滿了，采用什么策略替換？
- 對(duì)于CPU寫(xiě)入數(shù)據(jù)，如何保證Cache和內(nèi)存數(shù)據(jù)的一致性？
對(duì)于這3個(gè)問(wèn)題，下面依次來(lái)分析是如何解決的。
Cache和內(nèi)存映射方式
對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，Cache中沒(méi)有命中數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)存數(shù)據(jù)是如何分配到Cache中的。
由于內(nèi)存的容量比Cache容量要大，兩者之間的容量不匹配，所以內(nèi)存數(shù)據(jù)填充到Cache中，就需要設(shè)計(jì)一種規(guī)則來(lái)保證Cache的利用率最大，保證CPU訪問(wèn)Cache的命中率最高。
內(nèi)存到Cache的映射規(guī)則有3種方式：
- 直接映射：每個(gè)內(nèi)存塊數(shù)據(jù)只映射到固定的緩存行中
- 全相聯(lián)映射：每個(gè)內(nèi)存塊數(shù)據(jù)可以映射到任意緩存行中
- 組相聯(lián)映射：每個(gè)內(nèi)存塊數(shù)據(jù)可以映射到固定組的任意緩存行中
下面我們分別來(lái)看這3種映射方式。
直接映射
訪問(wèn)內(nèi)存數(shù)據(jù)會(huì)給出一個(gè)內(nèi)存地址，首先把這個(gè)內(nèi)存地址，按位劃分為3個(gè)字段：標(biāo)記、Cache行號(hào)、塊內(nèi)地址，如圖：
然后根據(jù)第2個(gè)字段的二進(jìn)制位進(jìn)行取模運(yùn)算，得到對(duì)應(yīng)的Cache行號(hào)。
找到對(duì)應(yīng)的Cache號(hào)后，校驗(yàn)Cache的有效位，如果有效，再比較內(nèi)存第1個(gè)字段的標(biāo)記與Cache的標(biāo)記是否一致，如果一致，直接獲取Cache中的數(shù)據(jù)即可。
如果有效位無(wú)效，或有效位有效但內(nèi)存第1個(gè)字段的標(biāo)記與Cache的標(biāo)記不一致，那么根據(jù)內(nèi)存地址去內(nèi)存獲取數(shù)據(jù)，然后把對(duì)應(yīng)的Cache行有效位設(shè)置為有效，標(biāo)記設(shè)置為與內(nèi)存標(biāo)記一致，并在Cache中記錄內(nèi)存的數(shù)據(jù)，以便下次獲取。
具體映射關(guān)系如圖：
可見(jiàn)Cache與內(nèi)存的映射可能是一對(duì)多的，即不同內(nèi)存塊可能映射到同一Cache行。
這種映射方式比較簡(jiǎn)單粗暴，如果緩存不命中或內(nèi)存和Cache標(biāo)識(shí)不一致，就會(huì)替換Cache行中的數(shù)據(jù)。這就可能導(dǎo)致同一Cache行在短時(shí)間內(nèi)被頻繁替換，命中率不高。
全相聯(lián)映射
全相聯(lián)映射與直接映射方式不同的是，它把內(nèi)存分成2個(gè)字段：標(biāo)記、塊內(nèi)地址，沒(méi)有了Cache行號(hào)這個(gè)字段。
在訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，直接根據(jù)內(nèi)存地址中的標(biāo)記，去直接遍歷對(duì)比每一個(gè)Cache行，直到找到一致的標(biāo)記的Cache行，然后訪問(wèn)Cache中的數(shù)據(jù)即可。
如果遍歷完Cache行后，沒(méi)有找到一致的標(biāo)記，那么會(huì)從內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)，然后找到空閑的Cache行，直接寫(xiě)入標(biāo)記和數(shù)據(jù)即可。
也就是說(shuō)，這種映射方式，就是哪里有空閑的Cache行，我就把內(nèi)存塊映射到這個(gè)Cache行中。在訪問(wèn)時(shí)，依次遍歷Cache行，直到找到標(biāo)記一直的Cache行，然后讀取數(shù)據(jù)。
這種方式雖然在空間利用率上保證最大化，但其缺點(diǎn)在于要在Cache中尋找符合標(biāo)識(shí)一致的行的時(shí)間要比直接映射的時(shí)間久，效率較低。
那有什么方式能集合上面2種方式，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)呢？這就是下面要說(shuō)的組相聯(lián)映射方式。
組相聯(lián)映射
組相聯(lián)映射方式把內(nèi)存也分為3個(gè)字段：標(biāo)記、Cache組號(hào)、塊內(nèi)地址
注意，與直接映射不同的是，第2個(gè)字段是組號(hào)而不是行號(hào)。這種方式把Cache行先進(jìn)行分組，然后每個(gè)分組中包含多個(gè)Cache行，如圖：
在訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，先根據(jù)內(nèi)存地址中的Cache組號(hào)，定位到Cache的分組，然后在這個(gè)組內(nèi)，依次遍歷每個(gè)行，尋找標(biāo)記一致的Cache行，如果標(biāo)記一致則獲取數(shù)據(jù)，不一致則從內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)后寫(xiě)入當(dāng)前組內(nèi)空閑的任意一個(gè)Cache行中。
這種方式兼顧了訪問(wèn)速度和空間利用率，使用前2種方式結(jié)合的方案，保證緩存命中率最大化。在現(xiàn)實(shí)中實(shí)際上采用的這種映射方式。
Cache的替換算法
對(duì)于上面提的第2個(gè)問(wèn)題，如果Cache滿了，如何進(jìn)行替換？
Cache容量比內(nèi)存小，所以內(nèi)存數(shù)據(jù)映射到Cache時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致Cache滿的情況，那之后的內(nèi)存映射要替Cache中的哪些行呢？這就需要制定一種策略。
常見(jiàn)的替換算法有如下幾種：
- 先進(jìn)先出算法（FIFO)：總是把最早裝入Cache的行替換掉，這種算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但不能正確反映程序的訪問(wèn)局部性，命中率不高
- 最近最少使用算法（LRU)：總是選擇最近最少使用的Cache行替換，這種這種算法稍微復(fù)雜一些，但可以正確反映程序訪問(wèn)的局部性，命中率最高
- 最不經(jīng)常使用算法（LFU）：總是替換掉Cache中引用次數(shù)最少的行，與LRU類似，但沒(méi)有LRU替換方式更精準(zhǔn)
- 隨機(jī)替換算法（Random）：隨機(jī)替換掉Cache中的行，與使用情況無(wú)關(guān)，命中率不高
現(xiàn)實(shí)使用最多的是最近最少使用算法（LRU)進(jìn)行Cache行的替換方案，這種方案使得緩存的命中率最高。
Cache的一致性問(wèn)題
上面提的第3個(gè)問(wèn)題，對(duì)于寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，如何保證Cache和內(nèi)存數(shù)據(jù)的一致性？
試想，如果CPU想要修改某個(gè)內(nèi)存的數(shù)據(jù)，這塊內(nèi)存的數(shù)據(jù)剛好在Cache中存在，那么是不是要同時(shí)更新Cache中的數(shù)據(jù)？
這個(gè)寫(xiě)入數(shù)據(jù)的過(guò)程，通常采用2種方式：
- 全寫(xiě)法（通寫(xiě)法/直寫(xiě)法/寫(xiě)直達(dá)法）
- 回寫(xiě)法（寫(xiě)回法）
全寫(xiě)法
在寫(xiě)操作時(shí)，如果Cache命中，則同時(shí)寫(xiě)Cache和內(nèi)存。
如果Cache中不命中，則分為以下2種情況：
- 寫(xiě)分配法：先更新內(nèi)存數(shù)據(jù)，然后再寫(xiě)入空閑的Cache行中，保證Cache有數(shù)據(jù)，提高了緩存命中率，但增加了寫(xiě)入Cache的開(kāi)銷(xiāo)
- 非寫(xiě)分配法：只更新內(nèi)存數(shù)據(jù)，不寫(xiě)入Cache，只有等訪問(wèn)不命中時(shí)，再進(jìn)行緩存寫(xiě)入
另外，這種方式為了減少內(nèi)存的寫(xiě)入開(kāi)銷(xiāo)，一般會(huì)在Cache和內(nèi)存之間加一個(gè)寫(xiě)緩沖隊(duì)列，在CPU寫(xiě)入Cache的同時(shí)，也會(huì)寫(xiě)入緩沖隊(duì)列，然后由存儲(chǔ)控制器將緩沖隊(duì)列寫(xiě)入內(nèi)存。
如果在寫(xiě)操作不頻繁的情況下，效果很好。但如果寫(xiě)操作頻繁，則會(huì)導(dǎo)致寫(xiě)緩沖隊(duì)列飽和而發(fā)生阻塞。
回寫(xiě)法
這種方式在寫(xiě)操作時(shí)，如果Cache命中，則只更新Cache而不更新內(nèi)存。
如果Cache不命中，則從內(nèi)存中讀取內(nèi)容，寫(xiě)入Cache并更新為最新內(nèi)容。
這種方式不會(huì)主動(dòng)更新內(nèi)存，只有在Cache被再次修改時(shí)，才將內(nèi)容一次性寫(xiě)入內(nèi)存。這樣做的好處是減少了寫(xiě)內(nèi)存的次數(shù)，大大降低內(nèi)存帶寬需求。但有可能在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，Cache和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)不一致的情況。
影響Cache的性能因素
既然Cache在CPU訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)提升的效率這么高，那決定Cache性能的因素有哪些？
決定訪問(wèn)性能的重要因素之一就是Cache的命中率，它與許多因素有關(guān)，具體涉及如下：
- Cache容量：容量越大，緩存數(shù)據(jù)越多，命中率越高
- 內(nèi)存塊大小：大的內(nèi)存交換單位能更好地利用空間局部性，但過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致命中率降低，必須適中
除此之外，如何設(shè)計(jì)Cache也會(huì)影響到它的性能：
- 多級(jí)Cache：現(xiàn)在的CPU會(huì)采用3級(jí)Cache，最大程度的提升命中率
- 內(nèi)存、總線、Cache連接結(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì)一個(gè)效率高的傳輸通道，能夠提升Cache的訪問(wèn)速度
- 內(nèi)存結(jié)構(gòu)與Cache配合：在訪問(wèn)不命中時(shí)，會(huì)去訪問(wèn)內(nèi)存，設(shè)計(jì)效率高的傳輸通道與Cache配合也可以提升Cache的性能
總結(jié)
本篇文章主要介紹了高速緩存Cache的重點(diǎn)知識(shí)，總結(jié)如下：
- 程序運(yùn)行有訪問(wèn)局部性的規(guī)律：時(shí)間局部性、空間局部性
- 內(nèi)存與Cache的映射方式有3種：直接映射、全相聯(lián)映射、組相聯(lián)映射，其中組相聯(lián)映射方式命中率最高
- Cache的替換算法有4種：先進(jìn)先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）、最不經(jīng)常使用（LFU）、隨機(jī)（Random），其中最近最少使用算法的命中率最高
- 保證內(nèi)存與Cache的一致性方案有2種：全寫(xiě)法、回寫(xiě)法
- 影響Cache的性能因素有：容量、內(nèi)存塊大小、Cache組合、內(nèi)存結(jié)構(gòu)與傳輸通道設(shè)計(jì)等
補(bǔ)充
什么是用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)？
Kernel 運(yùn)行在超級(jí)權(quán)限模式（Supervisor Mode）下，所以擁有很高的權(quán)限。按照權(quán)限管理的原則，多數(shù)應(yīng)用程序應(yīng)該運(yùn)行在最小權(quán)限下。因此，很多操作系統(tǒng)，將內(nèi)存分成了兩個(gè)區(qū)域：內(nèi)核空間（Kernal Space），這個(gè)空間只有內(nèi)核程序可以訪問(wèn)；用戶空間（User Space），這部分內(nèi)存專門(mén)給應(yīng)用程序使用。
用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)
用戶空間中的代碼被限制了只能使用一個(gè)局部的內(nèi)存空間，我們說(shuō)這些程序在用戶態(tài)（User Mode） 執(zhí)行。
內(nèi)核空間中的代碼可以訪問(wèn)所有內(nèi)存，我們稱這些程序在內(nèi)核態(tài)（Kernal Mode） 執(zhí)行。
用戶態(tài)線程
用戶態(tài)線程也稱作用戶級(jí)線程（User Level Thread）。操作系統(tǒng)內(nèi)核并不知道它的存在，它完全是在用戶空間中創(chuàng)建。
完全建立在用戶空間，內(nèi)核無(wú)法感知線程的存在，內(nèi)核只對(duì)線程所屬的進(jìn)程進(jìn)行控制。優(yōu)點(diǎn)是不依賴內(nèi)核實(shí)現(xiàn)，但用戶需要在用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)線程創(chuàng)建和調(diào)度功能，一般只在不支持多線程的操作系統(tǒng)上使用，實(shí)現(xiàn)并發(fā)。
用戶級(jí)線程有很多優(yōu)勢(shì)，比如。
管理開(kāi)銷(xiāo)小：創(chuàng)建、銷(xiāo)毀不需要系統(tǒng)調(diào)用。
切換成本低：用戶空間程序可以自己維護(hù)，不需要走操作系統(tǒng)調(diào)度。
但是這種線程也有很多的缺點(diǎn)。
與內(nèi)核協(xié)作成本高：比如這種線程完全是用戶空間程序在管理，當(dāng)它進(jìn)行 I/O 的時(shí)候，無(wú)法利用到內(nèi)核的優(yōu)勢(shì)，需要頻繁進(jìn)行用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。
線程間協(xié)作成本高：設(shè)想兩個(gè)線程需要通信，通信需要 I/O，I/O 需要系統(tǒng)調(diào)用，因此用戶態(tài)線程需要支付額外的系統(tǒng)調(diào)用成本。
無(wú)法利用多核優(yōu)勢(shì)：比如操作系統(tǒng)調(diào)度的仍然是這個(gè)線程所屬的進(jìn)程，所以無(wú)論每次一個(gè)進(jìn)程有多少用戶態(tài)的線程，都只能并發(fā)執(zhí)行一個(gè)線程，因此一個(gè)進(jìn)程的多個(gè)線程無(wú)法利用多核的優(yōu)勢(shì)。
操作系統(tǒng)無(wú)法針對(duì)線程調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程的一個(gè)用戶態(tài)線程阻塞（Block）了，操作系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理阻塞問(wèn)題，它不會(huì)更換執(zhí)行其他線程，從而造成資源浪費(fèi)。
內(nèi)核態(tài)線程
內(nèi)核態(tài)線程也稱作內(nèi)核級(jí)線程（Kernel Level Thread）。這種線程執(zhí)行在內(nèi)核態(tài)，可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)造一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程。
由內(nèi)核通過(guò)調(diào)度器來(lái)完成線程切換，優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)線程是獨(dú)立的調(diào)度單元，線程之間互不影響，但缺點(diǎn)是線程創(chuàng)建和切換開(kāi)銷(xiāo)大
內(nèi)核級(jí)線程有很多優(yōu)勢(shì)。
可以利用多核 CPU 優(yōu)勢(shì)：內(nèi)核擁有較高權(quán)限，因此可以在多個(gè) CPU 核心上執(zhí)行內(nèi)核線程。
操作系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化：內(nèi)核中的線程操作 I/O 不需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用；一個(gè)內(nèi)核線程阻塞了，可以立即讓另一個(gè)執(zhí)行。
當(dāng)然內(nèi)核線程也有一些缺點(diǎn)。
創(chuàng)建成本高：創(chuàng)建的時(shí)候需要系統(tǒng)調(diào)用，也就是切換到內(nèi)核態(tài)。
擴(kuò)展性差：由一個(gè)內(nèi)核程序管理，不可能數(shù)量太多。
切換成本較高：切換的時(shí)候，也同樣存在需要內(nèi)核操作，需要切換內(nèi)核態(tài)。
用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的區(qū)別：
用戶態(tài)線程工作在用戶空間，內(nèi)核態(tài)線程工作在內(nèi)核空間。用戶態(tài)線程調(diào)度完全由進(jìn)程負(fù)責(zé)，通常就是由進(jìn)程的主線程負(fù)責(zé)。相當(dāng)于進(jìn)程主線程的延展，使用的是操作系統(tǒng)分配給進(jìn)程主線程的時(shí)間片段。內(nèi)核線程由內(nèi)核維護(hù)，由操作系統(tǒng)調(diào)度。
用戶態(tài)線程無(wú)法跨核心，一個(gè)進(jìn)程的多個(gè)用戶態(tài)線程不能并發(fā)，阻塞一個(gè)用戶態(tài)線程會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程的主線程阻塞，直接交出執(zhí)行權(quán)限。這些都是用戶態(tài)線程的劣勢(shì)。內(nèi)核線程可以獨(dú)立執(zhí)行，操作系統(tǒng)會(huì)分配時(shí)間片段。因此內(nèi)核態(tài)線程更完整，也稱作輕量級(jí)進(jìn)程。內(nèi)核態(tài)線程創(chuàng)建成本高，切換成本高，創(chuàng)建太多還會(huì)給調(diào)度算法增加壓力，因此不會(huì)太多。
混合實(shí)現(xiàn)
即存在用戶線程，也存在輕量級(jí)進(jìn)程，支持大規(guī)模的用戶線程并發(fā)，同時(shí)使用內(nèi)核線程進(jìn)行調(diào)度和處理映射。用戶線程和內(nèi)核線程的映射有 1:1，M:N 兩種形式，Java 線程為 1:1 的形式，Go 的 goroutine 為 M:N 的形式
用戶態(tài)線程創(chuàng)建成本低，問(wèn)題明顯，不可以利用多核。內(nèi)核態(tài)線程，創(chuàng)建成本高，可以利用多核，切換速度慢。因此通常我們會(huì)在內(nèi)核中預(yù)先創(chuàng)建一些線程，并反復(fù)利用這些線程。將用戶態(tài)線程附著在內(nèi)核態(tài)線程中執(zhí)行
進(jìn)程的PCB包含哪些信息
為了使參與并發(fā)執(zhí)行的每個(gè)程序，包含數(shù)據(jù)都能獨(dú)立地運(yùn)行，在操作系統(tǒng)中必須為之配置一個(gè)專門(mén)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱為進(jìn)程控制塊（PCB,Process Control Block）。進(jìn)程與PCB是一一對(duì)應(yīng)的，用戶進(jìn)程不能修改。
進(jìn)程控制塊PCB的作用：
為了便于系統(tǒng)描述和管理進(jìn)程的運(yùn)行，在OS的核心為每個(gè)進(jìn)程專門(mén)定義了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——進(jìn)程控制塊PCB（Process Control Block）。PCB作為進(jìn)程實(shí)體的一部分，記錄了操作系統(tǒng)所需的，用于描述進(jìn)程的當(dāng)前情況以及管理進(jìn)程運(yùn)行的全部信息，是操作系統(tǒng)中最重要的記錄型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。PCB的作用是使一個(gè)在多道程序環(huán)境下不能獨(dú)立運(yùn)行的程序（含數(shù)據(jù)）成為一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位，一個(gè)能與其他進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程。
**（１）PCB作為獨(dú)立運(yùn)行基本單位的標(biāo)志。**當(dāng)一個(gè)程序（含數(shù)據(jù)）配置了PCB后，就表示它已經(jīng)是一個(gè)能在多道程序環(huán)境下獨(dú)立運(yùn)行的、合法的基本單位，也就具有取得OS服務(wù)的權(quán)力，如打開(kāi)文件系統(tǒng)中的文件，請(qǐng)求獲得系統(tǒng)中的I/O設(shè)備，以及與其它相關(guān)進(jìn)程的進(jìn)行通信等。因此，當(dāng)系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程時(shí)，就為它建立了一個(gè)PCB。進(jìn)程結(jié)束時(shí)又回收其PCB，進(jìn)程于是也隨之消亡。系統(tǒng)是通過(guò)PCB感知進(jìn)程的存在的。事實(shí)上，PCB已成為進(jìn)程存在于系統(tǒng)中的唯一標(biāo)志。
（２）PCB能實(shí)現(xiàn)間斷性運(yùn)行方式。在多道程序環(huán)境下，程序是采用停停走走間斷性的運(yùn)行方式運(yùn)行的。當(dāng)進(jìn)程因阻塞而暫停運(yùn)行時(shí)，它必須保留自己運(yùn)行時(shí)的CPU現(xiàn)場(chǎng)信息。在有了PCB后，系統(tǒng)就可以將CPU現(xiàn)場(chǎng)信息保存在被中斷進(jìn)程的PCB中，供該進(jìn)程再次被調(diào)度執(zhí)行時(shí)恢復(fù)CPU現(xiàn)場(chǎng)時(shí)使用。由此，可再次明確，在多道程序環(huán)境下，作為傳統(tǒng)意義上的靜態(tài)程序，因其并不具有保護(hù)或保存自己運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的手段，無(wú)法保證其運(yùn)行結(jié)果的可再現(xiàn)性，從而失去運(yùn)行的意義。
**（３）PCB提供進(jìn)程管理所需要的信息。**當(dāng)調(diào)度程序調(diào)度到某進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，只能根據(jù)該進(jìn)程PCB中記錄的程序和數(shù)據(jù)在內(nèi)存或外存中的始址指針，找到相應(yīng)的程序和數(shù)據(jù)；在進(jìn)程運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)需要訪問(wèn)文件系統(tǒng)中的文件或I/O設(shè)備時(shí)，也都需要借助于PCB中的信息。另外，還可根據(jù)PCB中的資源清單了解到該進(jìn)程所需的全部資源等?？梢?jiàn)，在進(jìn)程的整個(gè)生命周期中，操作系統(tǒng)總是根據(jù)PCB實(shí)施對(duì)進(jìn)程的控制和管理。
（４）PCB提供進(jìn)程調(diào)度所需要的信息。只有處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程才能被調(diào)度執(zhí)行，而在PCB中就提供了進(jìn)程出于何種狀態(tài)的信息。如果進(jìn)程處于就緒狀態(tài)，系統(tǒng)便將它插入到進(jìn)程就緒隊(duì)列中，等待著調(diào)度程序的調(diào)度；另外在進(jìn)行調(diào)度時(shí)往往還需要了解進(jìn)程的其他信息，如在優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法中，就需要知道進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。在有些較為公平的調(diào)度算法中，還需要知道進(jìn)程的等待時(shí)間和已執(zhí)行過(guò)的事件等。
（５）PCB實(shí)現(xiàn)與其他進(jìn)程的同步與通信。進(jìn)程同步機(jī)制是用于實(shí)現(xiàn)諸進(jìn)程的協(xié)調(diào)運(yùn)行的，在采用信號(hào)量機(jī)制時(shí)，它要求在每個(gè)進(jìn)程中都設(shè)置有相應(yīng)的用于同步的信號(hào)量。在PCB中還具有用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信的區(qū)域或通信隊(duì)列指針等。
進(jìn)程控制塊中的信息：
為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)程模型，操作系統(tǒng)維護(hù)著進(jìn)程表。改表項(xiàng)包含了進(jìn)程狀態(tài)的重要信息，包括程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針、內(nèi)存分配狀況、所打開(kāi)文件的狀態(tài)、賬號(hào)和調(diào)度信息，以及其他進(jìn)程由運(yùn)行態(tài)轉(zhuǎn)換到就緒態(tài)或阻塞態(tài)時(shí)必須保存的信息，從而保證該進(jìn)程隨后能再次啟動(dòng)，就像從未被中斷一樣。
哪些時(shí)線程共享的，哪些是線程私有的
在進(jìn)程控制塊中，主要包括以下幾個(gè)方面的信息：
（１）進(jìn)程標(biāo)識(shí)符：進(jìn)程標(biāo)識(shí)符用于唯一的表示一個(gè)進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程通常有兩種標(biāo)識(shí)符：①外部標(biāo)識(shí)符。為了方便用戶進(jìn)程對(duì)進(jìn)程的訪問(wèn)，須為每一個(gè)進(jìn)程設(shè)置一個(gè)外部標(biāo)識(shí)符。它是由創(chuàng)建者提供的，通常由字母、數(shù)字組成。為了描述進(jìn)程的家族關(guān)系，還應(yīng)設(shè)置父進(jìn)程標(biāo)識(shí)及子進(jìn)程標(biāo)識(shí)。此外，還可設(shè)置用戶標(biāo)識(shí)，以指示擁有該進(jìn)程的用戶。②內(nèi)部標(biāo)識(shí)符。為了方便系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程的使用，在OS中又為進(jìn)程設(shè)置了內(nèi)部標(biāo)識(shí)符，即賦予每一個(gè)進(jìn)程一個(gè)唯一的數(shù)字標(biāo)識(shí)符，它通常是一個(gè)進(jìn)程的序號(hào)。
（２）處理機(jī)狀態(tài)：處理機(jī)狀態(tài)信息也稱為處理機(jī)的上下文，主要是由處理機(jī)的各種寄存器中的內(nèi)容組成的。這些寄存器包括：①通用寄存器，又稱為用戶可視寄存器，它們是用戶程序可以訪問(wèn)的，用于暫存信息，在大多數(shù)處理機(jī)中，有８～３２個(gè)通用寄存器，在RISC結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)中可超過(guò)１００個(gè)；②指令計(jì)數(shù)器，其中存放了要訪問(wèn)的下一條指令的地址；③程序狀態(tài)字PSW，其中含有狀態(tài)信息，如條件碼、執(zhí)行方式、中斷屏蔽標(biāo)志等；④用戶棧指針，指每個(gè)用戶進(jìn)程都有一個(gè)或若干個(gè)與之相關(guān)的系統(tǒng)棧，用于存放過(guò)程和系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)及調(diào)用地址。棧指針指向該棧的棧頂。處理機(jī)處于執(zhí)行狀態(tài)時(shí)，正在處理的許多信息都是放在寄存器中。當(dāng)進(jìn)程被切換時(shí)，處理機(jī)狀態(tài)信息都必須保存在相應(yīng)的PCB中，以便在該進(jìn)程重新執(zhí)行是能再?gòu)臄帱c(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。
（３）進(jìn)程調(diào)度信息：在OS進(jìn)行調(diào)度時(shí)，必須了解進(jìn)程的狀態(tài)及有關(guān)進(jìn)程調(diào)度的信息，這些信息包括：①進(jìn)程狀態(tài)，指明進(jìn)程的當(dāng)前狀態(tài)，它是作為進(jìn)程調(diào)度和對(duì)換時(shí)的依據(jù)；②進(jìn)程優(yōu)先級(jí)，是用于描述進(jìn)程使用處理機(jī)的優(yōu)先級(jí)別的一個(gè)整數(shù)，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程應(yīng)優(yōu)先獲得處理機(jī)；③進(jìn)程調(diào)度所需的其他信息，它們與所采用的進(jìn)程調(diào)度算法有關(guān)，比如，進(jìn)程已等待CPU的時(shí)間總和、進(jìn)程已執(zhí)行的時(shí)間總和等等；④事件，是指進(jìn)程由執(zhí)行態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)所等待發(fā)生的事件，即阻塞原因。
（４）進(jìn)程控制信息：是指用于進(jìn)程控制所必須的信息，它包括：①程序和數(shù)據(jù)的地址，進(jìn)程實(shí)體中的程序和數(shù)據(jù)的內(nèi)存或外存地址，以便再調(diào)度到該進(jìn)程執(zhí)行時(shí)，能從PCB中找到其程序和數(shù)據(jù)；②進(jìn)程同步和通信機(jī)制，這是實(shí)現(xiàn)同步和進(jìn)程通信時(shí)必需的機(jī)制，如消息隊(duì)列指針、信號(hào)量等，它們可能全部或部分地放在PCB中；③資源清單，在該清單中列出了進(jìn)程在運(yùn)行期間所需的全部資源（除CPU），另外還有一張已分配到該進(jìn)程的資源的清單；④鏈接指針，它給出了本進(jìn)程（PCB）所在隊(duì)列中的下一個(gè)進(jìn)程地PCB的首地址。
總結(jié)
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