20250115面试鸭特训营第23天

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1. 线程和进程有什么区别？

2. 进程之间的通信方式有哪些？

• 管道：单向通信方式，用于在 父进程和子进程之间 或 同一主机上的不同进程 之间传递数据。

  • 匿名管道
    • 特点：单向通信，数据从一端写入，另一端读取，且只能在具有亲缘关系的进程（如父子进程、兄弟进程）之间使用。
    • 优点：实现简单，开销小。
    • 缺点：通信方向单一，数据只能以流的形式进行传递。
  • 命名管道
    • 特点：双向通信，不强制进程间有亲缘关系，是一种存在于文件系统中的特殊文件，通过管道名称可以进行读写操作。
    • 优点：适用于在无关系的进程间进行通信。
    • 缺点：需要创建命名文件，使用不如匿名管道方便。

• 消息队列：消息队列允许一个进程向另一个进程发送消息，消息在队列中按顺序存储，并且接收方可以按需接收。

  • 特点：通过消息队列在进程间传递消息，允许一对多或多对多通信。
  • 优点：数据有结构化，支持优先级，且消息不需要实时消费，可暂存于队列。
  • 缺点：队列容量有限，可能造成阻塞，且实现稍复杂，需要额外管理队列。

• 共享内存：共享内存允许多个进程访问同一块内存区域，从而实现快速的数据交换。但需要注意同步问题，以避免竞态条件和数据一致性问题。

  • 特点：多个进程可以访问同一块内存区域来交换数据。

  • 优点： 通信效率最高，数据直接读写无需复制，且适合频繁、大量数据的通信。

  • 缺点： 需要额外的同步机制（如信号量）来避免竞争和数据不一致。

  • 共享内存虽然能提供最快速的通信方式， 但存在并发读写的问题，需要使用同步机制来控制

    • 信号量：用于对共享内存进行访问控制，防止多个进程同时读写时出现数据不一致。
    • 互斥锁和读写锁：用于解决多线程对共享资源的互斥访问问题，互斥锁确保只有一个进程可以访问共享资源，读写锁则允许多个进程进行读操作，但在写操作时需要排他锁。

• 信号量：信号量是一种同步原语，用于管理对共享资源的访问，它可以用于实现进程间的互斥访问和同步操作。

  • 特点：主要用于进程间的同步，而非大量数据传递。
  • 优点： 能有效解决临界区问题。
  • 缺点： 不适合复杂的数据交换，仅限于控制同步。

• 信号：信号是一种异步通信方式，用于通知目标进程发生了某个事件。信号常用于进程之间发送中断或终止指令。

  • 特点：用于通知进程某些事件的发生。

  • 优点： 简单高效，适用于轻量级事件通知。

  • 缺点： 信号携带的信息有限，通常只能通知特定事件。

  • • 信号是操作系统提供的一种通知机制，用于在进程间传递简单的通知信息。

    • 信号是一种异步事件，进程无需主动等待信号到来，可以在任意时刻被信号中断。

    • 接收进程可以通过信号处理函数（Signal Handler）来处理接收到的信号。

    • 常见信号包括 SIGKILL （强制终止进程）、SIGTERM （请求终止进程）、SIGUSR1 和 hSIGUSR2 （用户自定义信号）等。

    • 在多进程服务中，可以通过信号来实现进程的优雅退出，或在调试进程过程中通过向进程发送信号来暂停、继续执行。

• 套接字：套接字允许在网络上的不同主机上的进程进行通信，是实现网络通信的基础。

  • 特点：不仅适用于本地进程间通信，也适用于分布式系统中不同机器上的进程通信。

  • 优点： 功能强大，支持网络通信，且可用于无亲缘关系的进程之间通信。

  • 缺点： 相较于其他方式，编程复杂度较高。

  • • 本地套接字（UNIX域套接字）：用于同一台计算机上的进程通信，速度快切无需通过网络协议，是替代管道的更灵活的方式，适合需要传输大量数据的本地进程通信。
    • 网络套接字（TCP/UDP）：用于不同计算机上的进程通信，通过网络协议传输数据。
      • TCP 套接字提供可靠的、面向连接的通信，保证数据包的顺序和完整性，适合文件传输、Web服务等场景。
      • UDP 套接字适合需要低延迟的场景，如实时音视频传输，但不保证数据的可靠性。

• 文件：进程可以通过读写文件来进行通信，这种方式通常用于进程之间的间接通信，例如使用临时文件或者共享文件。

• 特点：进程通过读写共享的文件进行通信。

• 优点： 简单易用，适合大数据量的持久化通信。

• 缺点： 效率低，需频繁进行磁盘读写。

表格对比总结

3. 进程的调度算法你知道吗？

先来先服务（First-Come, First-Served, FCFS）

• 描述：按照进程到达就绪队列的顺序进行调度，先到达的进程先执行。
• 特点
  • 非抢占式
  • 实现简单
  • 不公平性（“长任务霸占”问题）：长时间运行的进程会导致短作业等待过久。
• 适用场景：作业到达频率较低、执行时间较短的系统。

短作业优先（Shortest Job Next, SJN）

• 描述：优先调度执行时间最短的进程，能减少平均等待时间。
• 特点
  • 可抢占或非抢占。
  • 平均等待时间最短（理论上），但需要知道每个作业的执行时间（通常通过估计）。
  • 饥饿问题：长时间作业可能长期得不到调度。
• 适用场景：批处理系统，不适用于交互式系统。

优先级调度（Priority Scheduling）

• 描述：根据进程的优先级决定调度顺序，优先级高的进程先执行。
• 特点
  • 可抢占或非抢占。
  • 饥饿问题：低优先级进程可能永远得不到执行。
  • 解决方案：采用优先级老化（逐渐提高等待进程的优先级）。
• 适用场景：需要对任务赋予不同重要性的场合。

时间片轮转（Round Robin, RR）

• 描述：每个进程按照时间片的长度轮流执行，时间片用完后切换到下一个进程。
  • 时间片越短，系统响应性越好，但上下文切换的次数增加，可能导致调度开销增大。
  • 时间片太长则会退化为先来先服务。
• 特点
  • 抢占式。
  • 平均响应时间较短，提升系统响应性。
  • 时间片的选择非常重要
    • 时间片太短：频繁切换导致开销增加。
    • 时间片太长：响应时间变长，类似FCFS。
• 适用场景：交互式或实时系统，如桌面系统和移动设备操作系统。

最高响应比优先（Highest Response Ratio Next, HRRN）

• 描述：通过计算每个进程的响应比来决定哪个进程应该被优先调度。
  • 响应比 = (等待时间 + 服务时间) / 服务时间
  • 等待时间：进程在就绪队列中等待的时间。
  • 服务时间：进程预计的执行时间。
  • 响应比会随着等待时间的增加而提升。
• 特点：
  • 非抢占式。
  • 公平性：对于短任务，其服务时间小，初始响应比就较高，容易被优先调度。对于长任务，随着等待时间的增加，响应比主键提升，最终也会被调度，避免了长任务的饥饿。
  • 较短的平均等待时间。
  • 避免饥饿：长作业的等待时间长会提高其响应比，最终能够得到执行。
  • 计算复杂性：HRRN 需要实时计算每个进程的响应比，这增加了调度的计算复杂度。
  • 无法提前知道执行时间：算法假设我们已经知道每个进程的执行时间，但实际上这一点在很多系统中是无法准确预测的，通常需要依赖估算。
• 适用场景：兼顾公平性和效率的场合。

多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue, MLFQ）

• 描述

  • 由多个优先级不同的队列组成，高优先级队列时间片较短，低优先级队列时间片较长。

  • 新进程进入高优先级队列。

  • 允许进程在不同的队列之间动态调整优先级。

  • 时间片用完或等待时间较长的进程会降低优先级。

• 特点

  • 抢占式。
  • 综合了时间片轮转和优先级调度的优点，能够灵活处理短任务和长任务，兼顾响应时间和吞吐量。
  • 算法设计复杂，实现难度大，需要根据应用场景调整参数。

• 适用场景：多任务、多类型的操作系统。

对比总结