四、IO进程：IPC

1. 标准IO和系统IO的区别

标准文件IO

概念：C库中定义的一组用于输入输出的函数

特点

（1）有缓存机制，减少系统调用

（2）围绕文件流进行操作

（3）默认打开三个文件流，stdin、stdout、stderr

（4）一般只对普通文件进行操作

系统文件IO

概念：系统中定义的一组用于输入输出的函数

特点

（1）无缓存机制，每次都要系统调用

（2）围绕文件描述符进行操作

（3）默认打开三个文件描述符，0、1、2

（4）可以对任意类型的文件操作，不能操作目录

2. 静态库和动态库的区别

静态库和动态库，本质区别是代码被载入时刻不同。

• 静态库：在程序编译时会被连接到目标代码中。

• • 优点：程序运行时将不再需要该静态库，运行速度更快，移植性更好 ；
  • 缺点：静态库中的代码复制到了程序中，因此体积较大；静态库升级后，程序需要重新编译链接

• 动态库：在程序运行被载入代码中。

• • 优点：程序在执行时加 载动态库，代码体积小；程序升级更简单；不同应用程序如果调用相同的库，那么在内存里只需要有一份该共享库的实例。
  • 缺点：运行时还需要动态库的存在，移植性较差

3. 怎么创建进程

使用fork()函数创建一个新的进程 （子进程）。fork()会复制当前进程，并创建一个新的子进程。当调用fork()时，当前的进程被复制，产生一个新的进程，称为子进程。父进程和子进程几乎完全相同，但它们各自拥有不同的进程ID（PID）。

fork() 的基本操作过程

• 父进程调用 fork()，操作系统为子进程分配独立的进程控制块（PCB）。
• 操作系统会将父进程的地址空间拷贝到子进程，但实际内存是共享的，直到子进程或父进程发生写操作（COW机制）。
• 父子进程开始各自执行，各自拥有独立的进程ID、堆栈和其他资源。

写时拷贝 Copy-On-Write, COW

• 写时复制的原理是：当父进程和子进程运行时，它们共享相同的物理内存页面。只有当父进程或子进程试图写入内存时，操作系统才会为该进程创建独立的内存页面，避免二者互相影响。
• 这种方式极大地减少了 fork() 时的内存开销，因为在许多情况下，父进程和子进程只读共享的内存数据。

4. 什么是守护进程

概念： 在后台运行、不直接与用户交互的进程。它是脱离控制终端且周期执行的进程。它通常在系统启动时自动启动，执行一些系统或服务相关的任务，并且在整个系统运行期间持续运行，直到系统关闭或手动终止它。守护进程可以提供各种服务，如日志记录、网络服务、作业调度等。

如何创建一个守护进程

1） 创建子进程，父进程退出

2） 在子进程中创建新会话

3） 改变进程运行路径为根目录

4） 重设文件权限掩码

5） 关闭其他不必要的文件描述符

5. 什么是僵尸进程？什么是孤儿进程？

• 僵尸进程： 子进程先结束，父进程如果没有及时回收，子进程变成僵尸进程（要避免僵尸进程产生）。
• 孤儿进程： 若父进程先结束，子进程成为孤儿进程，被init进程收养，会让子进程变成后台进程。

避免僵尸进程产生的方法

1. 使用wait()或waitpid()系统调用：父进程应该在子进程结束后及时调用wait()或waitpid()系统调用来回收子进程的资源。这样可以确保子进程的进程描述符被及时释放，从而避免僵尸进程的产生。
2. 设置SIGCHLD信号的处理函数：父进程可以设置一个SIGCHLD信号的处理函数，当子进程结束时，该信号会被发送到父进程。在信号处理函数中，父进程可以调用wait()或waitpid()来回收子进程的资源。
3. 忽略SIGCHLD信号：如果父进程不关心子进程的退出状态，可以选择忽略SIGCHLD信号。这样，当子进程结束时，内核会自动回收子进程的资源，不会产生僵尸进程。但需要注意的是，这种方法会使得父进程无法获取子进程的退出状态。

6. 时间片了解么？

• 时间片是操作系统中用于调度进程的基本单位。在多道程序设计和多任务处理中，操作系统将 CPU 的执行时间划分成一小段小的时间片，每个进程在一个时间片内运行，然后切换到下一个进程。
• 时间片轮转算法是一种常见的调度算法，它将每个进程分配一个时间片，当时间片用完后，操作系统会暂停当前进程的执行，并将 CPU 分配给下一个就绪的进程，然后继续执行下一个时间片。这样，所有进程会依次获得 CPU 的执行机会，从用户的角度看，它们似乎是同时运行的。
• 时间片的大小通常由操作系统调度器决定，可以根据系统的性能、负载和策略来调整。如果时间片太小，会导致频繁的进程切换，增加系统开销；如果时间片太大，可能会导致长时间运行的进程占用 CPU 时间过长，导致其他进程响应变慢。

7. 进程与线程的共性和区别？

• 共性

• • 动态性：进程和线程都是动态的概念，它们的存在和消亡都是动态的，具有一定的生命周期。
  • 并发性：进程和线程都可以并发执行，即多个进程或多个线程可以同时存在于内存中，并在操作系统的调度下交替执行。
  • 独立性：进程和线程在各自的执行空间内是相对独立的，它们拥有各自的数据结构和堆栈空间，互不干扰。
  • 资源分配：无论是进程还是线程，操作系统都会为它们分配必要的资源，如内存、文件、I/O设备等。

• 区别

• • 资源开销：进程是资源分配的基本单位，它拥有独立的内存空间和系统资源，因此创建和销毁进程的开销相对较大。而线程是处理器调度的基本单位，它共享进程的资源，因此创建和销毁线程的开销较小。
  • 执行过程：进程是独立执行的，它拥有一个完整的执行环境。而线程是在进程内部执行的，多个线程共享进程的内存空间和资源。
  • 通信机制：进程间通信（IPC）需要操作系统提供特殊的机制，如管道、消息队列、共享内存等。而线程间通信则相对简单，因为它们共享进程的内存空间，可以直接读写共享变量或使用简单的同步机制。
  • 稳定性：进程是操作系统分配资源的基本单位，因此进程崩溃通常不会影响到其他进程。而线程是进程的一部分，一个线程的崩溃可能导致整个进程的崩溃。

8. 线程的同步怎么实现

同步：在互斥的基础上按约定好的顺序对临界资源进行操作

实现同步的机制：信号量、互斥锁+条件变量

9. 线程的互斥怎么实现

互斥：同一时间只有一个线程对临界资源进行操作

实现互斥的机制：互斥锁

10. 进程间通信方式有哪些？哪种效率最高

• 无名管道、有名管道、信号量、共享内存、信号灯集、消息队列、套接字
• 效率最高是共享内存：

共享内存效率最高的主要原因是它避免了数据的复制和传输。在共享内存中，多个进程可以直接访问同一块物理内存，无需进行数据的拷贝和传输，因此在数据量较大的情况下，共享内存的效率要远高于其他进程间通信方式。

具体来说，以下是共享内存效率高的几个关键点：

• • 避免数据拷贝：在其他进程间通信方式（如管道、消息队列等）中，数据需要从一个进程的地址空间复制到内核缓冲区，然后再从内核缓冲区复制到另一个进程的地址空间，涉及两次数据拷贝操作。而在共享内存中，多个进程共享同一块物理内存，不需要进行数据拷贝，直接读写共享内存即可。
  • 高效的数据访问：共享内存的数据直接位于物理内存中，而其他进程间通信方式的数据位于内核缓冲区，因此在共享内存中访问数据更加高效。
  • 无需内核介入：在共享内存中，数据的读写不需要内核的介入，减少了系统调用和上下文切换，提高了通信的速度和效率。

11. 进程间通信方式的优缺点对比

• 共享内存：

优点：速度快、低开销、适合大数据量。

缺点：需要额外的同步机制、内存管理复杂。

• 无名管道（Pipes）：

优点：简单易用，适合父子进程。

缺点：有缓冲区限制，效率较低。

• 命名管道（FIFO）：

优点：可在无亲缘关系的进程间使用，易于实现。

缺点：也有缓冲区限制，效率相对较低。

• 消息队列：

优点：支持优先级，灵活性高，可以按照类型添加读取消息。

缺点：内核管理开销大，可能会满。

• 信号：

优点：简单易用，用于进程同步。

缺点：只用于信号，不传输数据。

• 套接字（Sockets）：

优点：支持网络通信，跨主机灵活性高。

缺点：开销大，特别是本地通信时，实施复杂。

12. 有名管道和无名管道的区别？

• 无名管道

具有亲缘关系的进程间。

半双工通信方式，有固定的读端和写端，看做一种特殊文件，通过文件描述符操作 。

管道中没有数据时，读阻塞；管道中写满数据时，写阻塞；读端关闭，往管道写数据导致管道破裂。

• 有名管道

互不相关的两个进程间。

在路径中存在管道文件，数据存放在内核空间。

遵循先进先出，不支持lseek。

只写方式，写阻塞，一直到另一个进程把读打开；只读方式，读阻塞，一直到另一个进程把写打开；可读可写，如果管道中没有数据，读阻塞。

13. 共享内存的实现方式

• 创建共享内存：

首先，需要创建一块共享内存区域。在 Linux 系统中，可以使用 shmget 系统调用来创建或获取共享内存。需要提供一个唯一的键值来标识共享内存区域，并可以指定一些标志和权限来控制内存区域的属性。

• 映射共享内存：

一旦共享内存区域被创建，进程可以使用 shmat 系统调用将共享内存区域关联到自己的地址空间中。需要提供共享内存的标识符，如果有多块共享内存区域，可以通过指定不同的标识符来关联不同的区域。关联后，进程就可以直接访问共享内存中的数据。

• 使用共享内存：

一旦共享内存区域被关联到进程的地址空间中，进程可以像访问普通内存一样直接读写共享内存中的数据。多个进程可以共享同一块物理内存，无需进行数据的拷贝和传输，提高了通信的效率。

• 解除关联：

当不再需要共享内存时，进程可以使用 shmdt 系统调用将共享内存区域从自己的地址空间中解除关联。解除关联后，进程将无法再访问共享内存中的数据。

• 删除共享内存：

当所有进程都解除了对共享内存的关联，可以使用 shmctl 系统调用删除共享内存区域，释放相关资源。需要注意，删除共享内存只是将共享内存标记为删除状态，实际的内存回收会在所有进程都解除关联后进行。

14. 消息队列的实现方式

• 创建消息队列：

需要创建一个唯一的值key键来标识该消息队列，并可以指定一些标志来控制队列的属性。

使用系统调用（如 msgget）来创建一个消息队列。如果消息队列已经存在，可以通过指定相同的键值获取已有的消息队列。

• 发送消息到队列：

使用系统调用（如 msgsnd）将消息发送到队列中。需要指定消息队列的标识符、要发送的消息内容、消息的大小和一些标志。发送的消息需要封装成特定格式，包括消息类型和实际数据。

• 接收消息：

其他进程可以使用系统调用（如 msgrcv）从消息队列中接收消息。需要指定消息队列的标识符、用于接收消息的缓冲区、缓冲区的大小、要接收的消息类型和一些标志。如果队列中没有符合条件的消息，接收进程可以选择阻塞或立即返回。

• 删除消息队列：

当不再需要消息队列时，可以使用系统调用（如 msgctl）将其删除，释放相关资源。删除消息队列前，需要确保所有进程都已经停止使用该队列。

15. fork和vfork区别

fork 和 vfork 是两种在 Linux/Unix系统中用于创建新进程的系统调用，它们有一些区别：

• fork:

fork 是创建新进程的标准方法，它会复制当前进程的所有资源（包括代码、数据、堆栈等），创建一个与父进程几乎完全相同的子进程。

父进程和子进程之间的地址空间是独立的，互相不会影响。子进程从 fork 调用之后的位置开始执行，可以通过返回值来判断当前进程是父进程还是子进程。

在 fork 调用后，父进程和子进程并发执行，并共享一些资源，比如打开的文件描述符、信号处理器等。

父进程和子进程的执行顺序是不确定的，取决于系统调度器的调度策略。

• vfork:

vfork 也是用于创建新进程的系统调用，但它与 fork 有一些不同之处。

vfork 创建的子进程与父进程共享地址空间，即子进程与父进程共用同一份数据和代码。这意味着在子进程中执行的任何修改都会直接影响到父进程，因此 vfork 的使用要非常小心。

vfork 是为了在子进程中立即执行一个新程序（通常是通过 exec 系统调用），然后立即退出，不需要复制父进程的地址空间，以节省资源。

在 vfork 调用后，父进程会被阻塞，直到子进程执行完毕或调用 exec 系统调用后才会继续执行。

总的来说，fork 是创建新进程的常规方法，而 vfork 适用于在子进程中立即执行一个新程序。在使用 vfork 时需要格外小心，避免对父进程的地址空间造成破坏。通常情况推荐使用 fork 来创建新进程。

16. 线程的死锁，怎么避免？

死锁：

是指两个或两个以上的线程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成 的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。

死锁产生的四个必要条件：

（1）互斥使用，即当资源被一个线程使用(占有)时，别的线程不能使用

（2） 不可抢占，资源请求者不能强制从资源占有者手中夺取资源，资源只能由资源占有者主动释放

（3）请求和保持，即当资源请求者在请求其他的资源的同时保持对原有资源的占有。

（4）循环等待，即存在一个等待队列：P1占有P2的资源，P2占有P3的资源，P3占有P1的资源。这样就形成了一个等待环路。

注意：当上述四个条件都成立的时候，便形成死锁。当然，死锁的情况下如果打破上述任何一个条件，便可让死锁消失。

解决方法

（1）避免循环等待：确保线程获取资源的顺序是一致的，避免形成循环等待的情况

（2）使用资源分级：将资源分为不同的等级或优先级，确保线程按照一定的顺序获取资源

（3）使用超时机制：在获取资源时，设置一个超时时间，并在超过时间限制后放弃获取资源并释放已持有的资源

（4）避免资源的重复占用：尽量避免在一个线程中重复获取已经持有的资源

（5）合理规划资源的利用

（6）使用死锁检测和恢复机制