diff --git a/docs/java/Java基础知识.md b/docs/java/Java基础知识.md index ca4be525..79fbda25 100644 --- a/docs/java/Java基础知识.md +++ b/docs/java/Java基础知识.md @@ -251,6 +251,8 @@ String 中的对象是不可变的，也就可以理解为常量，线程安全 - **装箱**：将基本类型用它们对应的引用类型包装起来； - **拆箱**：将包装类型转换为基本数据类型； +更多内容见：[深入剖析Java中的装箱和拆箱](https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3780005.html) + ## 14. 在一个静态方法内调用一个非静态成员为什么是非法的? 由于静态方法可以不通过对象进行调用，因此在静态方法里，不能调用其他非静态变量，也不可以访问非静态变量成员。 diff --git a/docs/java/Multithread/并发编程基础知识.md b/docs/java/Multithread/并发编程基础知识.md deleted file mode 100644 index 68509cdc..00000000 --- a/docs/java/Multithread/并发编程基础知识.md +++ /dev/null @@ -1,407 +0,0 @@ -# Java 并发基础知识 - -Java 并发的基础知识，可能会在笔试中遇到，技术面试中也可能以并发知识环节提问的第一个问题出现。比如面试官可能会问你：“谈谈自己对于进程和线程的理解，两者的区别是什么？” - -**本节思维导图：** - -## 一 进程和线程 - -进程和线程的对比这一知识点由于过于基础，所以在面试中很少碰到，但是极有可能会在笔试题中碰到。 - -常见的提问形式是这样的：**“什么是线程和进程?，请简要描述线程与进程的关系、区别及优缺点？ ”**。 - -### 1.1. 何为进程? - -进程是程序的一次执行过程，是系统运行程序的基本单位，因此进程是动态的。系统运行一个程序即是一个进程从创建，运行到消亡的过程。 - -在 Java 中，当我们启动 main 函数时其实就是启动了一个 JVM 的进程，而 main 函数所在的线程就是这个进程中的一个线程，也称主线程。 - -如下图所示，在 windows 中通过查看任务管理器的方式，我们就可以清楚看到 window 当前运行的进程（.exe 文件的运行）。 - -![进程 ](https://images.gitbook.cn/a0929b60-d133-11e8-88a4-5328c5b70145) - -### 1.2 何为线程? - -线程与进程相似，但线程是一个比进程更小的执行单位。一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。与进程不同的是同类的多个线程共享进程的**堆**和**方法区**资源，但每个线程有自己的**程序计数器**、**虚拟机栈**和**本地方法栈**，所以系统在产生一个线程，或是在各个线程之间作切换工作时，负担要比进程小得多，也正因为如此，线程也被称为轻量级进程。 - -Java 程序天生就是多线程程序，我们可以通过 JMX 来看一下一个普通的 Java 程序有哪些线程，代码如下。 - -```java -public class MultiThread { - public static void main(String[] args) { - // 获取 Java 线程管理 MXBean - ThreadMXBean threadMXBean = ManagementFactory.getThreadMXBean(); - // 不需要获取同步的 monitor 和 synchronizer 信息，仅获取线程和线程堆栈信息 - ThreadInfo[] threadInfos = threadMXBean.dumpAllThreads(false, false); - // 遍历线程信息，仅打印线程 ID 和线程名称信息 - for (ThreadInfo threadInfo : threadInfos) { - System.out.println("[" + threadInfo.getThreadId() + "] " + threadInfo.getThreadName()); - } - } -} -``` - -上述程序输出如下（输出内容可能不同，不用太纠结下面每个线程的作用，只用知道 main 线程执行 main 方法即可）： - -``` -[5] Attach Listener //添加事件 -[4] Signal Dispatcher // 分发处理给 JVM 信号的线程 -[3] Finalizer //调用对象 finalize 方法的线程 -[2] Reference Handler //清除 reference 线程 -[1] main //main 线程,程序入口 -``` - -从上面的输出内容可以看出：**一个 Java 程序的运行是 main 线程和多个其他线程同时运行**。 - -### 1.3 从 JVM 角度说进程和线程之间的关系（重要） - -#### 1.3.1 图解进程和线程的关系 - -下图是 Java 内存区域，通过下图我们从 JVM 的角度来说一下线程和进程之间的关系。如果你对 Java 内存区域 (运行时数据区) 这部分知识不太了解的话可以阅读一下我的这篇文章：[《可能是把 Java 内存区域讲的最清楚的一篇文章》]() - -
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- - -从上图可以看出：一个进程中可以有多个线程，多个线程共享进程的**堆**和**方法区 (JDK1.8 之后的元空间)**资源，但是每个线程有自己的**程序计数器**、**虚拟机栈** 和 **本地方法栈**。 - -下面来思考这样一个问题：为什么**程序计数器**、**虚拟机栈**和**本地方法栈**是线程私有的呢？为什么堆和方法区是线程共享的呢？ - -#### 1.3.2 程序计数器为什么是私有的? - -程序计数器主要有下面两个作用： - -1. 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令，从而实现代码的流程控制，如：顺序执行、选择、循环、异常处理。 -2. 在多线程的情况下，程序计数器用于记录当前线程执行的位置，从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。 - -需要注意的是，如果执行的是 native 方法，那么程序计数器记录的是 undefined 地址，只有执行的是 Java 代码时程序计数器记录的才是下一条指令的地址。 - -所以，程序计数器私有主要是为了**线程切换后能恢复到正确的执行位置**。 - -#### 1.3.3 虚拟机栈和本地方法栈为什么是私有的? - -- **虚拟机栈：**每个 Java 方法在执行的同时会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、常量池引用等信息。从方法调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在 Java 虚拟机栈中入栈和出栈的过程。 -- **本地方法栈：**和虚拟机栈所发挥的作用非常相似，区别是： **虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法 （也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。** 在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一。 - -所以，为了**保证线程中的局部变量不被别的线程访问到**，虚拟机栈和本地方法栈是线程私有的。 - -#### 1.3.4 一句话简单了解堆和方法区 - -堆和方法区是所有线程共享的资源，其中堆是进程中最大的一块内存，主要用于存放新创建的对象 (所有对象都在这里分配内存)，方法区主要用于存放已被加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。 - -## 二 多线程并发编程 - -### 2.1 并发与并行概念解读 - -- **并发：** 同一时间段，多个任务都在执行 (单位时间内不一定同时执行)； -- **并行：**单位时间内，多个任务同时执行。 - -### 2.2 为什么要使用多线程? - -先从总体上来说： - -- **从计算机底层来说：**线程可以比作是轻量级的进程，是程序执行的最小单位,线程间的切换和调度的成本远远小于进程。另外，多核 CPU 时代意味着多个线程可以同时运行，这减少了线程上下文切换的开销。 -- **从当代互联网发展趋势来说：**现在的系统动不动就要求百万级甚至千万级的并发量，而多线程并发编程正是开发高并发系统的基础，利用好多线程机制可以大大提高系统整体的并发能力以及性能。 - -再深入到计算机底层来探讨： - -- **单核时代：** 在单核时代多线程主要是为了提高 CPU 和 IO 设备的综合利用率。举个例子：当只有一个线程的时候会导致 CPU 计算时，IO 设备空闲；进行 IO 操作时，CPU 空闲。我们可以简单地说这两者的利用率目前都是 50%左右。但是当有两个线程的时候就不一样了，当一个线程执行 CPU 计算时，另外一个线程可以进行 IO 操作，这样两个的利用率就可以在理想情况下达到 100%了。 -- **多核时代:** 多核时代多线程主要是为了提高 CPU 利用率。举个例子：假如我们要计算一个复杂的任务，我们只用一个线程的话，CPU 只会一个 CPU 核心被利用到，而创建多个线程就可以让多个 CPU 核心被利用到，这样就提高了 CPU 的利用率。 - -### 2.3 使用多线程可能带来的问题 - -并发编程的目的就是为了能提高程序的执行效率提高程序运行速度，但是并发编程并不总是能提高程序运行速度的，而且并发编程可能会遇到很多问题，比如：内存泄漏、上下文切换、死锁还有受限于硬件和软件的资源闲置问题。 - -## 三 线程的创建与运行 - -前两种实际上很少使用，一般都是用线程池的方式比较多一点。 - -### 3.1 继承 Thread 类的方式 - - -```java -public class MyThread extends Thread { - @Override - public void run() { - super.run(); - System.out.println("MyThread"); - } -} -``` -Run.java - -```java -public class Run { - - public static void main(String[] args) { - MyThread mythread = new MyThread(); - mythread.start(); - System.out.println("运行结束"); - } - -} - -``` -运行结果： -![结果 ](https://user-gold-cdn.xitu.io/2018/3/20/16243e80f22a2d54?w=161&h=54&f=jpeg&s=7380) - -从上面的运行结果可以看出：线程是一个子任务，CPU 以不确定的方式，或者说是以随机的时间来调用线程中的 run 方法。 - -### 3.2 实现 Runnable 接口的方式 - -推荐实现 Runnable 接口方式开发多线程，因为 Java 单继承但是可以实现多个接口。 - -MyRunnable.java - -```java -public class MyRunnable implements Runnable { - @Override - public void run() { - System.out.println("MyRunnable"); - } -} -``` - -Run.java - -```java -public class Run { - - public static void main(String[] args) { - Runnable runnable=new MyRunnable(); - Thread thread=new Thread(runnable); - thread.start(); - System.out.println("运行结束！"); - } - -} -``` -运行结果： -![运行结果 ](https://user-gold-cdn.xitu.io/2018/3/20/16243f4373c6141a?w=137&h=46&f=jpeg&s=7316) - -### 3.3 使用线程池的方式 - -使用线程池的方式也是最推荐的一种方式，另外，《阿里巴巴 Java 开发手册》在第一章第六节并发处理这一部分也强调到“线程资源必须通过线程池提供，不允许在应用中自行显示创建线程”。这里就不给大家演示代码了，线程池这一节会详细介绍到这部分内容。 - -## 四 线程的生命周期和状态 - -Java 线程在运行的生命周期中的指定时刻只可能处于下面 6 种不同状态的其中一个状态（图源《Java 并发编程艺术》4.1.4 节）。 - -![Java 线程的状态 ](https://my-blog-to-use.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/19-1-29/Java%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E7%9A%84%E7%8A%B6%E6%80%81.png) - -线程在生命周期中并不是固定处于某一个状态而是随着代码的执行在不同状态之间切换。Java 线程状态变迁如下图所示（图源《Java 并发编程艺术》4.1.4 节）： - -![Java 线程状态变迁 ](https://my-blog-to-use.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/19-1-29/Java%20%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E7%8A%B6%E6%80%81%E5%8F%98%E8%BF%81.png) - - - -由上图可以看出：线程创建之后它将处于 **NEW（新建）** 状态，调用 `start()` 方法后开始运行，线程这时候处于 **READY（可运行）** 状态。可运行状态的线程获得了 CPU 时间片（timeslice）后就处于 **RUNNING（运行）** 状态。 - -> 操作系统隐藏 Java 虚拟机（JVM）中的 RUNNABLE 和 RUNNING 状态，它只能看到 RUNNABLE 状态（图源：[HowToDoInJava](https://howtodoinjava.com/)：[Java Thread Life Cycle and Thread States](https://howtodoinjava.com/java/multi-threading/java-thread-life-cycle-and-thread-states/)），所以 Java 系统一般将这两个状态统称为 **RUNNABLE（运行中）** 状态 。 - -![RUNNABLE-VS-RUNNING](https://my-blog-to-use.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2019-3/RUNNABLE-VS-RUNNING.png) - -当线程执行 `wait()`方法之后，线程进入 **WAITING（等待）**状态。进入等待状态的线程需要依靠其他线程的通知才能够返回到运行状态，而 **TIME_WAITING(超时等待)** 状态相当于在等待状态的基础上增加了超时限制，比如通过 `sleep（long millis）`方法或 `wait（long millis）`方法可以将 Java 线程置于 TIMED WAITING 状态。当超时时间到达后 Java 线程将会返回到 RUNNABLE 状态。当线程调用同步方法时，在没有获取到锁的情况下，线程将会进入到 **BLOCKED（阻塞）** 状态。线程在执行 Runnable 的` run() `方法之后将会进入到 **TERMINATED（终止）** 状态。 - -## 五 线程优先级 - -**理论上**来说系统会根据优先级来决定首先使哪个线程进入运行状态。当 CPU 比较闲的时候，设置线程优先级几乎不会有任何作用，而且很多操作系统压根不会不会理会你设置的线程优先级，所以不要让业务过度依赖于线程的优先级。 - -另外，**线程优先级具有继承特性**比如 A 线程启动 B 线程，则 B 线程的优先级和 A 是一样的。**线程优先级还具有随机性** 也就是说线程优先级高的不一定每一次都先执行完。 - -Thread 类中包含的成员变量代表了线程的某些优先级。如**Thread.MIN_PRIORITY（常数 1）**，**Thread.NORM_PRIORITY（常数 5）**,**Thread.MAX_PRIORITY（常数 10）**。其中每个线程的优先级都在**1** 到**10** 之间，在默认情况下优先级都是**Thread.NORM_PRIORITY（常数 5）**。 - -**一般情况下，不会对线程设定优先级别，更不会让某些业务严重地依赖线程的优先级别，比如权重，借助优先级设定某个任务的权重，这种方式是不可取的，一般定义线程的时候使用默认的优先级就好了。** - -**相关方法：** - -```java -public final void setPriority(int newPriority) //为线程设定优先级 -public final int getPriority() //获取线程的优先级 -``` -**设置线程优先级方法源码：** - -```java - public final void setPriority(int newPriority) { - ThreadGroup g; - checkAccess(); - //线程游戏优先级不能小于 1 也不能大于 10，否则会抛出异常 - if (newPriority > MAX_PRIORITY || newPriority < MIN_PRIORITY) { - throw new IllegalArgumentException(); - } - //如果指定的线程优先级大于该线程所在线程组的最大优先级，那么该线程的优先级将设为线程组的最大优先级 - if((g = getThreadGroup()) != null) { - if (newPriority > g.getMaxPriority()) { - newPriority = g.getMaxPriority(); - } - setPriority0(priority = newPriority); - } - } - -``` - -## 六 守护线程和用户线程 - -**守护线程和用户线程简介:** - -- **用户 (User) 线程：**运行在前台，执行具体的任务，如程序的主线程、连接网络的子线程等都是用户线程 -- **守护 (Daemon) 线程：**运行在后台，为其他前台线程服务.也可以说守护线程是 JVM 中非守护线程的 **“佣人”**。一旦所有用户线程都结束运行，守护线程会随 JVM 一起结束工作. - -main 函数所在的线程就是一个用户线程啊，main 函数启动的同时在 JVM 内部同时还启动了好多守护线程，比如垃圾回收线程。 - -**那么守护线程和用户线程有什么区别呢？** - -比较明显的区别之一是用户线程结束，JVM 退出，不管这个时候有没有守护线程运行。而守护线程不会影响 JVM 的退出。 - -**注意事项：** - -1. `setDaemon(true)`必须在`start（）`方法前执行，否则会抛出 `IllegalThreadStateException` 异常 -2. 在守护线程中产生的新线程也是守护线程 -3. 不是所有的任务都可以分配给守护线程来执行，比如读写操作或者计算逻辑 -4. 守护 (Daemon) 线程中不能依靠 finally 块的内容来确保执行关闭或清理资源的逻辑。因为我们上面也说过了一旦所有用户线程都结束运行，守护线程会随 JVM 一起结束工作，所以守护 (Daemon) 线程中的 finally 语句块可能无法被执行。 - -## 七 上下文切换 - -多线程编程中一般线程的个数都大于 CPU 核心的个数，而一个 CPU 核心在任意时刻只能被一个线程使用，为了让这些线程都能得到有效执行，CPU 采取的策略是为每个线程分配时间片并轮转的形式。当一个线程的时间片用完的时候就会重新处于就绪状态让给其他线程使用，这个过程就属于一次上下文切换。 - -概括来说就是：当前任务在执行完 CPU 时间片切换到另一个任务之前会先保存自己的状态，以便下次再切换会这个任务时，可以再加载这个任务的状态。**任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换**。 - -上下文切换通常是计算密集型的。也就是说，它需要相当可观的处理器时间，在每秒几十上百次的切换中，每次切换都需要纳秒量级的时间。所以，上下文切换对系统来说意味着消耗大量的 CPU 时间，事实上，可能是操作系统中时间消耗最大的操作。 - -Linux 相比与其他操作系统（包括其他类 Unix 系统）有很多的优点，其中有一项就是，其上下文切换和模式切换的时间消耗非常少。 - -## 八 线程死锁 - -### 认识线程死锁 - -多个线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。由于线程被无限期地阻塞，因此程序不可能正常终止。 - -如下图所示，线程 A 持有资源 2，线程 B 持有资源 1，他们同时都想申请对方的资源，所以这两个线程就会互相等待而进入死锁状态。 - -![线程死锁示意图 ](https://my-blog-to-use.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2019-4/2019-4死锁1.png) - -下面通过一个例子来说明线程死锁,代码模拟了上图的死锁的情况 (代码来源于《并发编程之美》)： - -```java -public class DeadLockDemo { - private static Object resource1 = new Object();//资源 1 - private static Object resource2 = new Object();//资源 2 - - public static void main(String[] args) { - new Thread(() -> { - synchronized (resource1) { - System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1"); - try { - Thread.sleep(1000); - } catch (InterruptedException e) { - e.printStackTrace(); - } - System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2"); - synchronized (resource2) { - System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2"); - } - } - }, "线程 1").start(); - - new Thread(() -> { - synchronized (resource2) { - System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2"); - try { - Thread.sleep(1000); - } catch (InterruptedException e) { - e.printStackTrace(); - } - System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource1"); - synchronized (resource1) { - System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1"); - } - } - }, "线程 2").start(); - } -} -``` - -Output - -``` -Thread[线程 1,5,main]get resource1 -Thread[线程 2,5,main]get resource2 -Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2 -Thread[线程 2,5,main]waiting get resource1 -``` - -线程 A 通过 synchronized (resource1) 获得 resource1 的监视器锁，然后通过` Thread.sleep(1000);`让线程 A 休眠 1s 为的是让线程 B 得到执行然后获取到 resource2 的监视器锁。线程 A 和线程 B 休眠结束了都开始企图请求获取对方的资源，然后这两个线程就会陷入互相等待的状态，这也就产生了死锁。上面的例子符合产生死锁的四个必要条件。 - -学过操作系统的朋友都知道产生死锁必须具备以下四个条件： - -1. 互斥条件：该资源任意一个时刻只由一个线程占用。 -1. 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。 -1. 不剥夺条件:线程已获得的资源在末使用完之前不能被其他线程强行剥夺，只有自己使用完毕后才释放资源。 -1. 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。 - -### 如何预防线程死锁? - -我们只要破坏产生死锁的四个条件中的其中一个就可以了。 - -**破坏互斥条件** - -这个条件我们没有办法破坏，因为我们用锁本来就是想让他们互斥的（临界资源需要互斥访问）。 - -**破坏请求与保持条件** - -一次性申请所有的资源。 - -**破坏不剥夺条件** - -占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源。 - -**破坏循环等待条件** - -靠按序申请资源来预防。按某一顺序申请资源，释放资源则反序释放。破坏循环等待条件。 - -我们对线程 2 的代码修改成下面这样就不会产生死锁了。 - -```java - new Thread(() -> { - synchronized (resource1) { - System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1"); - try { - Thread.sleep(1000); - } catch (InterruptedException e) { - e.printStackTrace(); - } - System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2"); - synchronized (resource2) { - System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2"); - } - } - }, "线程 2").start(); -``` - -Output - -``` -Thread[线程 1,5,main]get resource1 -Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2 -Thread[线程 1,5,main]get resource2 -Thread[线程 2,5,main]get resource1 -Thread[线程 2,5,main]waiting get resource2 -Thread[线程 2,5,main]get resource2 - -Process finished with exit code 0 -``` - -我们分析一下上面的代码为什么避免了死锁的发生? - -线程 1 首先获得到 resource1 的监视器锁,这时候线程 2 就获取不到了。然后线程 1 再去获取 resource2 的监视器锁，可以获取到。然后线程 1 释放了对 resource1、resource2 的监视器锁的占用，线程 2 获取到就可以执行了。这样就破坏了破坏循环等待条件，因此避免了死锁。 - -## 参考 - -- 《Java 并发编程之美》 - -- 《Java 并发编程的艺术》 - -- https://howtodoinjava.com/java/multi-threading/java-thread-life-cycle-and-thread-states/ - - \ No newline at end of file diff --git a/docs/operating-system/basis.md b/docs/operating-system/basis.md new file mode 100644 index 00000000..03d87771 --- /dev/null +++ b/docs/operating-system/basis.md @@ -0,0 +1,205 @@ +> 更多操作系统相关的面试题问题，见：《》 + +### 什么是操作系统？ + +👨‍💻**面试官** ： 先来个简单问题吧！**什么是操作系统？** +🙋 **我** ：我通过以下四点向您介绍一下什么是操作系统吧！ + +1. **操作系统（英语：Operating System，简称OS）是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机系统的内核与基石；** +2. **操作系统本质上是运行在计算机上的软件程序 ；** +3. **为用户提供一个与系统交互的操作界面 ；** +4. **操作系统分内核与外壳（我们可以把外壳理解成围绕着内核的应用程序，而内核就是能操作硬件的程序）。** + +![操作系统分内核与外壳](https://my-blog-to-use.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2019-11/a72a930ca61bc2b424bb900c94c063cf.png) + +## 进程和线程 + +###进程和线程的区别 + +👨‍💻**面试官**: 好的！我明白了！那你再说一下： **进程和线程的区别**。 + +🙋 **我：** 好的！ 下图是 Java 内存区域，我们从 JVM 的角度来说一下线程和进程之间的关系吧！ + +> 如果你对 Java 内存区域 (运行时数据区) 这部分知识不太了解的话可以阅读一下这篇文章：[《可能是把 Java 内存区域讲的最清楚的一篇文章》](<[https://snailclimb.gitee.io/javaguide/#/docs/java/jvm/Java%E5%86%85%E5%AD%98%E5%8C%BA%E5%9F%9F](https://snailclimb.gitee.io/javaguide/#/docs/java/jvm/Java内存区域)>) + +![jvm运行时数据区域](https://my-blog-to-use.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2019-11/ff96fed0e2a354bb16bbc84dcedf503a.png) + +从上图可以看出：一个进程中可以有多个线程，多个线程共享进程的**堆**和**方法区 (JDK1.8 之后的元空间)**资源，但是每个线程有自己的**程序计数器**、**虚拟机栈** 和 **本地方法栈**。 + +**总结：** 线程是进程划分成的更小的运行单位,一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。线程和进程最大的不同在于基本上各进程是独立的，而各线程则不一定，因为同一进程中的线程极有可能会相互影响。线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。 + +###进程有哪几种状态? + +👨‍💻**面试官** ： 那你再说说**进程有哪几种状态?** +🙋 **我** ：我们一般把进程大致分为 5 种状态，这一点和[线程](https://github.com/Snailclimb/JavaGuide/blob/master/docs/java/Multithread/JavaConcurrencyBasicsCommonInterviewQuestionsSummary.md#6-%E8%AF%B4%E8%AF%B4%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E7%9A%84%E7%94%9F%E5%91%BD%E5%91%A8%E6%9C%9F%E5%92%8C%E7%8A%B6%E6%80%81)很像！ + +- **创建状态(new)** ：进程正在被创建，尚未到就绪状态。 +- **就绪状态(ready)** ：进程已处于准备运行状态，即进程获得了除了处理器之外的一切所需资源，一旦得到处理器资源(处理器分配的时间片)即可运行。 +- **运行状态(running)** ：进程正在处理器上上运行(单核CPU下任意时刻只有一个进程处于运行状态)。 +- **阻塞状态(waiting)** ：又称为等待状态，进程正在等待某一事件而暂停运行如等待某资源为可用或等待 IO 操作完成。即使处理器空闲，该进程也不能运行。 +- **结束状态(terminated)** ：进程正在从系统中消失。可能是进程正常结束或其他原因中断退出运行。 + +![process-state](https://my-blog-to-use.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2019-11/d38202593012b457debbcd74994c6292.png) + +### 进程间的通信方式 + +👨‍💻**面试官** ：**进程间的通信常见的的有哪几种方式呢?** +🙋 **我** ：大概有 7 种常见的进程间的通信方式。 + +> 下面这部分总结参考了:[《进程间通信IPC (InterProcess Communication)》](https://www.jianshu.com/p/c1015f5ffa74) 这篇文章，推荐阅读，总结的非常不错。 + +1. **管道/匿名管道(Pipes)** ：用于具有亲缘关系的父子进程间或者兄弟进程之间的通信。 +1. **有名管道(Names Pipes)** : 匿名管道由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信。为了克服这个缺点，提出了有名管道。有名管道严格遵循**先进先出(first in first out)**。有名管道以磁盘文件的方式存在，可以实现本机任意两个进程通信。 +1. **信号(Signal)** ：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； +1. **消息队列(Message Queuing)** ：消息队列是消息的链表,具有特定的格式,存放在内存中并由消息队列标识符标识。管道和消息队列的通信数据都是先进先出的原则。与管道（无名管道：只存在于内存中的文件；命名管道：存在于实际的磁盘介质或者文件系统）不同的是消息队列存放在内核中，只有在内核重启(即，操作系统重启)或者显示地删除一个消息队列时，该消息队列才会被真正的删除。消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取.比FIFO更有优势。**消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字 节流以及缓冲区大小受限等缺。** +1. **信号量(Semaphores)** ：信号量是一个计数器，用于多进程对共享数据的访问，信号量的意图在于进程间同步。这种通信方式主要用于解决与同步相关的问题并避免竞争条件。 +1. **共享内存(Shared memory)** ：使得多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据得更新。这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等。可以说这是最有用的进程间通信方式。 +1. **套接字(Sockets)** : 此方法主要用于在客户端和服务器之间通过网络进行通信。套接字是支持TCP/IP的网络通信的基本操作单元，可以看做是不同主机之间的进程进行双向通信的端点，简单的说就是通信的两方的一种约定，用套接字中的相关函数来完成通信过程。 + +### 线程间的同步的方式 + +👨‍💻**面试官** ：那线程间的同步的方式有哪些呢? +🙋 **我** ：线程同步是两个或多个共享关键资源的线程的并发执行。应该同步线程以避免关键的资源使用冲突。操作系统一般有下面三种线程同步的方式： + +1. **互斥量(Mutex)**：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被多个线程同时访问。比如 Java 中的 synchronized 关键词和各种 Lock 都是这种机制。 +1. **信号量(Semphares)** ：它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量 +1. **事件(Event)** :Wait/Notify：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操 + +### 进程的调度算法 + +👨‍💻**面试官** ：**你知道操作系统中进程的调度算法有哪些吗?** +🙋 **我** ：嗯嗯！这个我们大学的时候学过，是一个很重要的知识点！ + +为了确定首先执行哪个进程以及最后执行哪个进程以实现最大CPU利用率，计算机科学家已经定义了一些算法，它们是： + +- **先到先服务(FCFS)调度算法** : 从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程为之分配资源，使它立即执行并一直执行到完成或发生某事件而被阻塞放弃占用CPU时再重新调度。 +- **短作业优先(SJF)的调度算法** : 从就绪队列中选出一个估计运行时间最短的进程为之分配资源，使它立即执行并一直执行到完成或发生某事件而被阻塞放弃占用CPU时再重新调度。 +- **时间片轮转调度算法** : 时间片轮转调度是一种最古老，最简单，最公平且使用最广的算法，又称RR(Round robin)调度。每个进程被分配一个时间段，称作它的时间片，即该进程允许运行的时间。 +- **多级反馈队列调度算法** ：前面介绍的几种进程调度的算法都有一定的局限性。如**短进程优先的调度算法，仅照顾了短进程而忽略了长进程** 。多级反馈队列调度算法既能使高优先级的作业得到响应又能使短作业（进程）迅速完成。，因而它是目前**被公认的一种较好的进程调度算法**，UNIX操作系统采取的便是这种调度算法。 +- **优先级调度** ： 为每个流程分配优先级，首先执行具有最高优先级的进程，依此类推。具有相同优先级的进程以FCFS方式执行。可以根据内存要求，时间要求或任何其他资源要求来确定优先级。 + +## 操作系统内存管理基础 + +### 内存管理介绍 + +👨‍💻 **面试官**: **操作系统的内存管理主要是做什么？** + +🙋 **我：** 操作系统的内存管理主要负责内存的分配与回收（malloc 函数：申请内存，free 函数：释放内存），另外地址转换也就是将逻辑地址转换成相应的物理地址等功能也是操作系统内存管理做的事情。 + +### 常见的几种内存管理机制 + +👨‍💻 **面试官**: **操作系统的内存管理机制了解吗？内存管理有哪几种方式?** + +🙋 **我：** 这个在学习操作系统的时候有了解过。我了解的有下面 3 种： + +1. **块式管理** ： 远古时代的计算机操系统的内存管理方式。将内存分为几个固定大小的块，每个块中只包含一个进程。如果程序运行需要内存的话，操作系统就分配给它一块，如果程序运行只需要很小的空间的话，分配的这块内存很大一部分几乎被浪费了。这些在每个块中未被利用的空间，我们称之为碎片。 +2. **页式管理** ：把主存分为大小相等且固定的一页一页的形式，页较小，相对相比于块式管理的划分力度更大，提高了内存利用率，减少了碎片。页式管理通过页表对应逻辑地址和物理地址。 +3. **段式管理** ： 页式管理虽然提高了内存利用率，但是页式管理其中的页实际并无任何实际意义。 段式管理把主存分为一段段的，每一段的空间又要比一页的空间小很多 。但是，最重要的是段是有实际意义的，每个段定义了一组逻辑信息，例如,有主程序段 MAIN、子程序段 X、数据段 D 及栈段 S 等。 段式管理通过段表对应逻辑地址和物理地址。 + +👨‍💻**面试官** ： 回答的还不错！不过漏掉了一个很重要的 **段页式管理机制** 。段页式管理机制结合了段式管理和页式管理的优点。简单来说段页式管理机制就是把主存先分成若干段，每个段又分成若干页，也就是说 **段页式管理机制** 段页式管理中段与段之间以及段的内部都是离散的。在段页管理机制中，程序的地址空间首先被分成若干个逻辑段，每段都有自己的段号，然后再将每一段分成若干个大小固定的页。对内存空间的管理仍然和分页存储管理一样，将其分成若干个和页面大小相同的存储块，对内存的分配以存储块为单位。 + +🙋 **我** ：谢谢面试官！刚刚把这个给忘记了～ + +这就很尴尬了_尴尬表情 + +### 分页机制和分段机制的共同点和区别 + +👨‍💻**面试官** ： **分页机制和分段机制有哪些共同点和区别呢？** +🙋 **我** ： + +1. **共同点** ： + - 分页机制和分段机制都是为了提高内存利用率，较少内存碎片。 + - 页和段都是离散存储的，所以两者都是离散分配内存的方式。但是，每个页和段中的内存是连续的。 +2. **区别** ： + - 页的大小是固定的，由操作系统决定；而段的大小不固定，取决于我们当前运行的程序。 + - 分页仅仅是为了满足操作系统内存管理的需求，而段是逻辑信息的单位，在程序中可以体现为代码段，数据段，能够更好满足用户的需要。 + +### 逻辑（虚拟）地址和物理地址 + +👨‍💻**面试官** ：你刚刚还提到了**逻辑地址和物理地址**这两个概念，我不太清楚，你能为我解释一下不？ + +🙋 **我：** em...好的嘛！我们编程一般只有可能和逻辑地址打交道，比如在 C 语言中，指针里面存储的数值就可以理解成为内存里的一个地址，这个地址也就是我们说的逻辑地址，逻辑地址由操作系统决定。物理地址指的是真实物理内存中地址，更具体一点来说就是内存地址寄存器中的地址。物理地址是内存单元真正的地址。 + +👨‍💻**面试官** ：**CPU寻址了解吗?为什么需要虚拟地址空间?** +🙋 **我** ：这部分我真不清楚！ + + + +于是面试完之后我默默去查阅了相关文档！留下了没有技术的泪水。。。 + +> 这部分内容参考了Microsoft官网的介绍，地址： + +现代处理器使用的是一种称为 **虚拟寻址(Virtual Addressing)** 的寻址方式。**使用虚拟寻址，CPU需要将虚拟地址翻译成物理地址，这样才能访问到真实的物理内存。** 实际上完成虚拟地址转换为物理地址转换的硬件是 CPU 中含有一个被称为 **内存管理单元（Memory Management Unit, MMU）**的硬件。MMU 需要借助存放在内存中的页表来动态翻译虚拟地址，该页表由操作系统管理。 + +如果虚拟地址，直接把物理地址暴露出来的话会带来严重问题，比如可能对操作系统造成伤害以及给同时运行多个程序造成困难。 + +通过虚拟地址访问内存有以下优势： + +- 程序可以使用一系列相邻的虚拟地址来访问物理内存中不相邻的大内存缓冲区。 +- 程序可以使用一系列虚拟地址来访问大于可用物理内存的内存缓冲区。当物理内存的供应量变小时，内存管理器会将物理内存页（通常大小为 4 KB）保存到磁盘文件。数据或代码页会根据需要在物理内存与磁盘之间移动。 +- 不同进程使用的虚拟地址彼此隔离。一个进程中的代码无法更改正在由另一进程或操作系统使用的物理内存。 + +![MMU_principle_updated](https://my-blog-to-use.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2019-11/2b27dac8cc647f8aac989da2d1166db2.png) + +## 虚拟内存 + +###什么是虚拟内存(Virtual Memory)? + +👨‍💻**面试官** ：再问你一个常识性的问题！**什么是虚拟内存(Virtual Memory)?** +🙋 **我** ：这个在我们平时使用电脑特别是 Windows 系统的时候太常见了。很多时候我们使用点开了很多占内存的软件，这些软件占用的内存可能已经远远超出了我们电脑本身具有的物理内存。**为什么可以这样呢？** 正是因为 **虚拟内存** 的存在，通过 **虚拟内存** 可以让程序可以拥有超过系统物理内存大小的可用内存空间。另外，**虚拟内存为每个进程提供了一个一致的、私有的地址空间，它让每个进程产生了一种自己在独享主存的错觉（每个进程拥有一片连续完整的内存空间）**。这样会更加有效地管理内存并减少出错。 + + **虚拟内存**是计算机系统内存管理的一种技术，我们可以手动设置自己电脑的虚拟内存。不要单纯认为虚拟内存只是“使用硬盘空间来扩展内存“的技术。**虚拟内存的重要意义是它定义了一个连续的虚拟地址空间**，并且 **把内存扩展到硬盘空间**。推荐阅读：[《虚拟内存的那点事儿》](https://juejin.im/post/59f8691b51882534af254317) + +维基百科中有几句话是这样介绍虚拟内存的。 + +> **虚拟内存** 使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换。与没有使用虚拟内存技术的系统相比，使用这种技术的系统使得大型程序的编写变得更容易，对真正的物理内存（例如RAM）的使用也更有效率。目前，大多数操作系统都使用了虚拟内存，如Windows家族的“虚拟内存”；Linux的“交换空间”等。From: + +### 局部性原理 + +👨‍💻**面试官** ：要想更好地理解虚拟内存技术，必须要知道计算机中著名的局部性原理。另外，局部性原理既适用于程序结构，也适用于数据结构，是非常重要的一个概念。 +🙋 **我** ：局部性原理是虚拟内存技术的基础，正是因为程序运行具有局部性原理，才可以只装入部分程序到内存就开始运行。 + +> 以下内容摘自《计算机操作系统教程》 第4章存储器管理。 + +早在1968年的时候，就有人指出我们的程序在执行的时候往往呈现局部性规律，也就是说在某个较短的时间段内，程序执行局限于某一小部分，程序访问的存储空间也局限于某个区域。 + +局部性原理表现在以下两个方面： + +1. **时间局部性** ：如果程序中的某条指令一旦执行，不久以后该指令可能再次执行；如果某数据被访问过，不久以后该数据可能再次被访问。产生时间局部性的典型原因，是由于在程序中存在着大量的循环操作。 +2. **空间局部性** ：一旦程序访问了某个存储单元，在不久之后，其附近的存储单元也将被访问，即程序在一段时间内所访问的地址，可能集中在一定的范围之内，这是因为指令通常是顺序存放、顺序执行的，数据也一般是以向量、数组、表等形式簇聚存储的。 + +时间局部性是通过将近来使用的指令和数据保存到高速缓存存储器中，并使用高速缓存的层次结构实现。空间局部性通常是使用较大的高速缓存，并将预取机制集成到高速缓存控制逻辑中实现。虚拟内存技术实际上就是建立了 “内存一外存”的两级存储器的结构，利用局部性原理实现髙速缓存。 + +### 虚拟存储器 + +👨‍💻**面试官** ：虚拟存储了解么？ +🙋 **我** ： + +> 这部分内容来自：[王道考研操作系统知识点整理]( https://wizardforcel.gitbooks.io/wangdaokaoyan-os/content/13.html)。 + +基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序的一部分装入内存，而将其他部分留在外存，就可以启动程序执行。在程序执行过程中，当所访问的信息不在内存时，由操作系统将所需要的部分调入内存，然后继续执行程序。另一方面，操作系统将内存中暂时不使用的内容换到外存上，从而腾出空间存放将要调入内存的信息。这样，计算机好像为用户提供了一个比实际内存大的多的存储器，成为 **虚拟存储器**。 + +### 页面置换算法 + +👨‍💻**面试官** ：**页面置换算法的作用?常见的页面置换算法有哪些?** +🙋 **我** ： + +> 这个题目经常作为笔试题出现，网上已经给出了很不错的回答，我这里只是总结整理了一下。 + +地址映射过程中，若在页面中发现所要访问的页面不在内存中，则产生缺页中断 。当发生缺页中断时，如果操作系统内存中没有空闲页面，则操作系统 必须在内存选择一个页面将其移出内存，以便为即将调入的页面让出空间。而用来选择淘汰哪一页的规则叫做页面置换算法，页面置换算法的作用是 **实现虚拟存储管理。** + +- **OPT页面置换算法（最佳页面置换算法）** ：理想情况，不可能实现，一般作为衡量其他置换算法的方法。 +- **FIFO页面置换算法（先进先出页面置换算法）** : 总是淘汰最先进入内存的页面，即选择在内存中驻留时间最久的页面进行淘汰。 +- **LRU页面置换算法（最近未使用页面置换算法）** ：LRU（Least Currently Used）算法赋予每个页面一个访问字段，用来记录一个页面自上次被访问以来所经历的时间T，当须淘汰一个页面时，选择现有页面中其T值最大的，即最近最久未使用的页面予以淘汰。 +- **LFU页面置换算法（最少使用页面排序算法）** : LFU（Least Frequently Used）算法会让系统维护一个按最近一次访问时间排序的页面链表，链表首节点是最近刚刚使用过的页面，链表尾节点是最久未使用的页面。访问内存时，找到相应页面，并把它移到链表之首。缺页时，置换链表尾节点的页面。也就是说内存内使用越频繁的页面，被保留的时间也相对越长。 + +### Reference + + +- 《计算机操作系统—汤小丹》第四版 +- [《深入理解计算机系统》](https://book.douban.com/subject/1230413/) +- [https://zh.wikipedia.org/wiki/输入输出内存管理单元](https://zh.wikipedia.org/wiki/输入输出内存管理单元) +- +- +- +- 王道考研操作系统知识点整理： https://wizardforcel.gitbooks.io/wangdaokaoyan-os/content/13.html \ No newline at end of file