操作系统面试真题总结（五）

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线程切换要保存哪些上下文？

当发生线程切换时，操作系统需要保存当前线程的上下文，以便在下次线程被再次调度执行时得以恢复。

上下文主要包括以下内容：

寄存器值：

这包括了通用寄存器，程序计数器（存放当前线程正在执行的指令地址）
程序状态字（存放执行指令的结果的状态，如零，负，溢出等）等。

堆栈指针：

每个线程有自己的函数调用栈，堆栈指针标识了当前线程在自己的栈空间中的位置。
回到这个线程时，它可以恢复到正确的函数调用位置。

程序计数器：

这个值标识了线程执行到哪里。
当线程切换回来时，它将从这个位置继续执行。

内核栈指针：

每个线程有一个内核栈，存放在内核中的数据，这个指针标识当前线程在内核内存中的位置。

线程状态：

这包括了线程的优先级，信号掩码，错误码等。

虚拟内存信息：

这通常包括有关线程内存管理的信息，比如页表等。

当线程切换发生时，操作系统会保存当前线程的上述上下文，加载目标线程的上下文

然后将控制权转交给目标线程，这样目标线程就能接着上次的运行状态继续执行了。

值得注意的是，线程切换是有性能开销的，因为涉及到保存和加载上下文的操作

所以过于频繁的线程切换可能会影响性能。

线程间的通信方式有哪些？各自有哪些优缺点？

线程间的通信方式通常利用同一个进程下线程所共享的资源来实现。

主要有以下几种方式：

锁机制（Locks）：

当多个线程需要访问共享资源时，可以使用锁机制来避免并发问题。
一个线程在访问资源时可以锁定该资源，阻止其他线程的访问，直到该线程释放锁。
锁机制简单而直接，但必须小心处理，否则可能导致死锁。

信号量（Semaphores）：

信号量是一个更为高级的同步机制，可以控制多个线程对共享资源的访问。
信号量有一个计数器和一个等待队列组成，计数器表示可用的资源数目。
优点是可以控制资源的同时访问数，缺点是使用不当也可能导致死锁。

条件变量（Condition Variables）：

条件变量是另一种同步机制，允许一个线程等待某个条件满足。
当条件满足时，可以通知一个或多个正在等待的线程。条件变量通常与互斥锁一起使用。
优点是能够实现更复杂的同步，如按顺序访问等。
缺点是使用不当可能导致死锁或饥饿现象。

事件驱动（Event-driven）：

在事件驱动的模型中，线程之间通过等待和触发事件来进行通信。
这种方式不仅适用于线程间的通信，也可以用于进程或异步输入/输出等的通信。
优点是适应性强，可以应对多种不同的通信需求。
缺点是需要编程模型支持，且在设计和实现上可能较为复杂。

线程本地存储（Thread-Local Storage，TLS）：

有些变量是线程不安全的，例如静态变量，全局变量等
这些变量如果在多线程环境下共享，可能会造成不可预料的结果。
为了解决这个问题，我们可以为每个线程提供一份该变量的副本，这就是线程本地存储。
此方案的优点是能避免资源竞争，缺点是会增加内存的使用。

进程与线程有什么区别？

它们有以下几个主要区别：

资源占用：

进程：每个进程拥有独立的内存空间和系统资源，如文件描述符、打开的文件等。
进程间的通信需要使用进程间通信（IPC）机制。

线程：多个线程共享同一个进程的内存空间和系统资源，线程之间可以通过共享内存进行通信。

调度和切换：

进程：进程是独立的执行实体，操作系统以进程为单位进行调度，进程的切换开销相对较大。
线程：线程是进程的一部分，线程的调度和切换开销较小，因为它们共享进程的上下文。

并发性和并行性：

进程：多个进程可以并发执行，每个进程都有自己的地址空间，可以在多个处理器或核心上并行执行。
线程：多个线程可以在同一个进程内并发执行，共享进程的地址空间，可以在同一个处理器或核心上并行执行。

用户态与内核态：

进程：进程切换涉及到用户态到内核态的切换，需要较高的权限和开销。
线程：线程切换只涉及用户态的切换，开销较小。

创建和销毁：

进程：创建和销毁进程的开销较大，包括分配独立的内存空间、初始化数据结构等。
线程：创建和销毁线程的开销相对较小，线程依赖于进程的内存和资源完成创建过程。

进程是独立的执行实体，拥有独立的内存空间和系统资源

而线程是进程内的执行单元，共享进程的内存空间和系统资源。

线程的切换和通信开销较小，并发性更高。
选择使用进程还是线程，取决于具体的应用需求。

什么是协程吗？和线程有什么区别？

协程（Coroutine）是一种用户级别的轻量级线程。

它们的调度完全由用户控制，而不是由操作系统内核控制。
与线程不同，协程的上下文切换极其快速且成本低，主要因为它所需保存和恢复的状态较少。

对于协程和线程的比较，以下四个方面：

切换开销：

线程由系统内核控制，切换开销大

协程由程序员在用户空间控制，切换开销小。

调度：

线程是抢占式调度，需要操作系统来进行线程的调度切换
协程是非抢占式的，由协程自身决定何时进行切换，这也是其使用复杂性的来源之一。

数据共享和同步：

线程并发编程需要考虑锁等同步机制的问题
而协程在同一时间只有一个运行，它对共享资源的访问不需要加锁
只需要确保在协程切换的时候保存好共享资源的状态即可。

应用场景：

线程适合CPU密集型任务
协程适合IO密集型任务。

阻塞和非阻塞有什么区别？

阻塞是指任务在等待某个操作完成时，暂停自己的执行，并等待操作完成后再继续执行。

在阻塞状态下，任务会一直等待，直到所需的资源或结果就绪。
在此期间，任务不能执行其他操作。
例如，当一个线程调用阻塞式IO操作时，它会被挂起，直到IO操作完成后才能继续执行。

非阻塞是指任务在等待某个操作完成时，不会暂停自己的执行，而是立即返回，继续执行其他任务。

非阻塞的任务会周期性地查询所需资源或结果的状态，判断是否就绪，从而决定是否继续执行。
例如，在进行非阻塞式IO操作时，任务会立即返回，并周期性地检查IO操作的状态，直到IO完成后再处理结果。

简单来说，阻塞是等待结果时暂停自己的执行

非阻塞是等待结果时继续执行其他任务。

在实际应用中，阻塞和非阻塞可以用在不同的场景中。

阻塞适用于需要确保结果完整性和依赖顺序的情况，而非阻塞适用于需要提高并发性和响应性的情况。

选择适合的阻塞和非阻塞方式可以提高程序的效率和性能。