计算机基础之操作系统——进程与线程管理（三）

1、多进程与多线程怎么选择？

多进程资源隔离性好、安全性高、支持并行，然而资源需求高、进程间通信复杂、上下文切换开销大；

多线程轻量级、高度共享资源和数据、线程间通信简单、资源占用低、上下文切换开销小，然而隔离性差，容错性差。

应用场景

• 多进程：如果应用需要独立的地址空间和资源，或者需要在不同的安全上下文中运行，那么多进程可能是更好的选择。
• 多线程：如果应用需要高度共享数据和资源，或者需要轻量级的任务并发，那么多线程可能更适合。

资源需求

• 多进程：每个进程都有独立的地址空间，因此资源占用（如内存）可能会更高。在资源受限的环境下，多进程可能不是最佳选择。
• 多线程：线程共享进程的地址空间和资源，因此资源占用较低。对于资源受限的环境，多线程可能更合适。

开发和维护难度

• 多进程：进程间通信（IPC）可能相对复杂，需要使用诸如管道、共享内存、信号量等机制。此外，进程的创建和管理相对较重，可能会增加开发和维护难度。
• 多线程：线程间通信较为简单，因为它们共享地址空间。然而，多线程编程可能涉及复杂的同步和锁定机制，以避免数据竞争和死锁等问题。

可扩展性

• 多进程：多进程可以更好地利用多核处理器和分布式系统。在这些情况下，多进程可能具有更好的可扩展性。
• 多线程：多线程在单核处理器上可能表现得更好，因为它们共享资源并减少了上下文切换的开销。然而，在多核处理器上，多线程可能受到全局锁和资源争用的影响。

容错性和隔离

• 多进程：由于每个进程都有独立的地址空间，因此一个进程的崩溃不太可能影响其他进程。这有助于提高系统的容错性和隔离性。
• 多线程：一个线程的崩溃可能导致整个进程崩溃，从而影响其他线程。在需要高度隔离和容错性的场景中，多线程可能不是最佳选择。

2、什么情况下，进程会进行切换？

进程切换，也称为上下文切换（context switch），是操作系统在多个进程之间进行调度的过程。进程切换通常发生在以下情况：

• 时间片到期：大多数操作系统使用基于时间片（time slice）的抢占式调度算法。每个进程会被分配一个固定长度的时间片来执行。当进程的时间片用完时，操作系统会将当前进程挂起，当前进程进入就绪态，并选择另一个进程继续执行。
• 高优先级进程就绪：当一个高优先级的进程变为就绪状态时（例如，从阻塞状态恢复），操作系统可能会中断当前正在运行的低优先级进程，转而执行高优先级进程。
• 进程自愿让出 CPU：有时，进程会主动放弃其剩余时间片，以便其他进程可以执行。这通常发生在进程等待某个事件（如 I/O 操作、锁释放等）时。
• 进程阻塞：当进程需要等待某个资源（如 I/O 操作完成、信号量、互斥锁等），它会进入阻塞状态。在这种情况下，操作系统会选择另一个就绪进程执行。
• 中断处理：当 CPU 收到外部/内部中断信号时（如硬件中断、异常等），当前正在执行的进程可能会被暂停，保存其上下文（context），然后切换到中断处理程序来处理该中断。处理完成后，操作系统可以选择恢复中断前的进程或切换到另一个进程。

3、进程通信中的管道实现原理是什么？

管道是是 Unix 和类 Unix 操作系统中进程间通信（IPC）的一种方式，主要用于 具有亲缘关系的进程（如父子进程）之间的通信。它是一种单向通信机制，数据在两个进程之间按照先进先出（FIFO）的顺序传输。管道的实现原理如下：

1. 创建管道：当一个进程需要与另一个进程通信时，它首先通过调用 pipe() 系统函数创建一个管道。该函数会返回一个包含两个文件描述符（file descriptor）的整数数组。这两个文件描述符分别表示管道的读端和写端。管道内部使用内核缓冲区（kernel buffer）作为数据传输的临时存储，这意味着管道的数据传输不需要额外的用户空间内存。管道对象还包含一些状态标志，表示管道是否是可读、可写、是否包含数据等信息。
2. 建立进程间关系：管道通常与 fork() 系统调用一起使用。父进程在创建管道后调用 fork() 创建子进程。子进程会继承父进程的文件描述符，这样父子进程就可以通过管道进行通信。通常，父进程负责管道的写端，子进程负责读端，或者反过来。为了确保通信的单向性，每个进程在使用前应关闭管道的另一端。
3. 读写数据：进程可以使用普通的文件 I/O 函数（如 read() 和 write()）来读取和写入管道。当一个进程向管道写入数据时，数据会被存储在内核缓冲区。另一个进程可以从管道的另一端读取数据。如果缓冲区为空，读取操作会阻塞，直到有数据可读。类似地，如果缓冲区已满，写入操作会阻塞，直到有足够的空间。
4. 关闭管道：当进程完成通信后，它们应关闭管道的文件描述符。当管道的写端被关闭时，任何尝试从读端读取数据的进程将读取到 EOF（表示数据已经全部读完）。当管道的读端被关闭时，任何尝试向写端写入数据的进程将收到 SIGPIPE 信号，表示管道已断开。

4、为什么进程切换慢，线程切换快？

进程切换与线程切换之间的性能差异主要归因于它们在上下文切换过程中涉及的资源和状态的不同。以下是进程切换相对于线程切换更慢的原因：

一、进程切换慢的原因

1. 内存地址空间切换

   每个进程都有独立的内存地址空间，切换进程时，操作系统需要保存当前进程的地址空间信息，加载新进程的地址空间，这涉及到页表的更新和切换，过程复杂且耗时。

2. 上下文切换复杂度高

   进程上下文包括程序计数器（PC）、寄存器、内存映射、文件描述符等众多资源。切换时，操作系统需要将当前进程的所有这些信息保存到内存中，并加载新进程的上下文信息，开销较大。

3. 资源重新分配

   不同进程之间资源是隔离的，切换时可能需要重新分配资源，如CPU时间片、内存空间、设备资源等，增加了切换开销。
4. 缓存效应

        由于进程间的切换会导致更多的数据被替换出高速缓存cache，使得新运行进程访问其数据时更加频繁的遭遇缓存未命中，从而增加访问主存的时间开销。

二、线程切换快的原因

1. 共享内存地址空间

   线程是进程内的执行单元，共享同一进程的内存地址空间。切换线程时，内存地址空间无需更换，CPU的内存管理单元（MMU）不需要更新页表，这节省了大量时间。

2. 上下文切换成本低

   相比进程，线程的上下文相对较小，主要保存寄存器状态（如程序计数器、栈指针等）和少量的线程特定数据。切换时，只需保存和恢复这些寄存器状态，以及少量的上下文信息，速度较快。

3. 资源管理简单

   在同一进程内的线程可以共享大部分资源，如文件描述符、信号处理函数等。切换线程时，这些资源保持不变，不需要重新分配和初始化，减少了切换过程中的开销。
4. 缓存效应

        由于线程共享进程的地址空间和资源，线程切换时 CPU 缓存（例如 TLB、L1、L2 缓存）的命中率可能更高。