---

前言

這是個人總結進程和線程方面的面試題。如果有錯，歡迎佬們前來指導！！！

---

進程和線程有什么不同

進程是程序的動態執行的實例，每個進程都有獨立的地址空間，資源(如文件描述符，內存地址空間)和系統狀態。
獨立性：進程之間資源隔離，一個進程崩潰不會直接影響到其它進程
唯一標識：通過PID和PPID標識，形成樹狀結構(init為根進程)
動態性：生命周期包括創建(fork())，運行，阻塞，終止等狀態變化

線程是進程內的執行單元，共享進程的資源(如內存，文件描述符)，但擁有獨立的棧和寄存器
輕量級：線程創建和切換的開銷遠小于進程
共享性：線程可直接訪問進程的全局變量，通信更高效，但也需要同步機制(如互斥鎖)來避免競爭
調度單位：線程是CPU調度的最小單位，進程是資源分配的最小單位

資源分配差異
進程是操作系統資源分配的基本單位，每個進程都有獨立的內存地址空間(代碼段，數據段，堆棧段)，文件描述符等資源。這意味著每個進程在內存中都有自己的私有數據和執行環境，互補影響。
線程是進程內的執行流，共享同一進程的資源，包括內存空間，文件描述符等。多個線程可以訪問同一個進程的內存空間，因此線程之間的通信和數據共享更加方便
調度機制
進程是操作系統調度的基本單位，由操作系統進行調度管理。線程是CPU調度的基本單位，由內核調度器負責。
進程切換：需要切換虛擬地址空間，寄存器，文件描述符等，開銷大。
線程切換：僅需切換棧和寄存器，共享地址空間，開銷小。
創建與銷毀
創建進程需分配獨立內存，初始化PCB，調用fork()系統調用；銷毀進程需要回收全部資源，耗時較長。
創建線程僅需分配棧和線程控制塊，調用pthread_create()庫函數；銷毀線程僅釋放棧和線程控制塊，資源回收簡單。
通信機制對比
進程需通過IPC機制：管道，消息隊列，共享內存，信號量來實現進程間通信，同步需求低(資源獨立)。
線程直接通過共享內存(全局變量，堆)無需額外機制，同步需求高(需互斥鎖，條件變量等避免數據競爭)。

---

進程，線程的通訊方式

進程間通信方式

1. 管道(pipe)
   匿名管道：基于內存的FIFO隊列，僅限于父子進程或兄弟進程間單向通信。通過pipe()系統調用創建，讀寫端由不同進程分別關閉
   命名管道：通過文件系統路徑標識，允許無親緣關系的進程通信。使用mkfifo()創建，支持雙向通信但需自行管理同步
   特定：簡單高效，但容量有限且僅支持半雙工，適合簡單數據流傳輸
2. 消息隊列(message queue)
   結構：內核維護的鏈表結構，消息按FIFO或優先級排序存儲，支持多進程異步讀寫。
   使用場景：適合需要解耦生產者和消費者的場景(如任務分布系統)，支持支持化消息和確認機制，但需處理消息丟失或重復問題
   如System V的msgget/msgsnd/msgrcv或POSIX的mq_open/mq_send/mq_receive
3. 共享內存(shared memory)
   原理：多個進程映射同一個物理內存區域，直接讀寫數據。
   同步機制：
   信號量：通過PV操作控制訪問權限，如System V的semp或POSIX信號量
   互斥鎖/條件變量：在共享內存中嵌入鎖結構，配合線程同步
   優勢：速度最快，適合大數據量高頻通信(如視頻處理)；缺點是需要顯示同步，編程復雜度高。
4. 信號(signal)
   用途：異步通知進程特定事件(如SIGKILL終止進程)。通過kill()或signal()發送和處理
   局限性：信號編號少，不適合復雜數據傳遞，多用于進程控制
5. 套接字(socket)
   跨進程特性：支持本地和網絡通信。通過socket()/bind()/listen()/accept()建立連接，實現全雙工通信
   應用場景：分布式系統，C/S架構，需要處理序列化和協議設計
6. 信號量(semaphores)
   功能：計數器機制協調資源訪問，解決互斥與同步問題。分為System V信號量集和POSIX信號量
   如初始化信號量為1（互斥鎖），進程訪問共享資源前執行sem_wait()，是否后執行sem_post()。

線程共享進程資源，通信更側重同步而非數據傳輸

1. 共享變量與鎖機制
   互斥鎖(Mutex)：確保臨界區原子性。使用pthread_mutex_init()初始化，lock()/unlock()包含資源
   讀寫鎖(Read-Write-Lock)：允許多讀單寫，提高并發性。通過pthread_rwlock實現，適用于讀多寫少場景
2. 條件變量(Condition Variable)
   協作機制：線程等待特定條件成立(如資源就緒)。需與互斥鎖配合，使用pthread_cond_wait()掛其線程，pthread_cond_signal()喚醒
3. 信號量(Semaphores)
   線程級同步：與進程間信號類似，但作用域限于同一進程。POSIX無名信號量通過sem_init()初始化。

信號量的互斥與同步作用
使用信號量實現進程間的互斥與同步主要通過以下步驟：

1. 初始化信號量：創建一個信號量并初始化其值。對于互斥訪問，信號量通常初始化為1。列如，使用sem_init函數初始化信號量，或使用sem_open創建命名信號量并初始化
2. 進入臨界區前執行P操作：進程在進入臨界區前執行P操作(等待操作)，即sem_wait或semop函數。如果信號量大于0，則將其減1并允許進程進入臨界區；如果信號量值為0，則進程被阻塞，直到信號量值大于0
3. 退出臨界區后執行V操作：進程在提出臨界區后執行V操作(信號操作)，即sem_post或semp函數。這將信號量加1，并喚醒一個等待該信號量的進程
4. 銷毀信號量：在不再需要信號量時，使用sem_destory或sem_unlink函數銷毀信號量，釋放相關資源
   通過上訴步驟，信號量可以確保多個進程對共享資源的互斥訪問，避免數據競爭和不一致。

---

什么是鎖

鎖是一種用于同步并發訪問共享資源的機制，通過限制對共享資源的訪問順序，確保在任意時刻只有一個線程能進入臨界區。其本質是內存中的一個整形變量，通過狀態(如0表示空閑，1表示鎖定)實現資源占用的原子控制。在多線程環境下，鎖的作用包括：
1. 互斥訪問：防止多個線程同時修改空閑數據，導致不可預測的結果
2. 數據一致性：確保線程操作空閑資源時的中間狀態對其它線程不可見
3. 執行順序控制：通過信號量等機制協調線程的執行流程

在linux系統中，常見的鎖類型包括互斥鎖(mutex)，讀寫鎖(rwlock)，自旋鎖(spinlock)，信號量(semaphore)。

1. 互斥鎖(Mutex)
   定義：互斥鎖是最基本且最常用的鎖類型，用于保護共享資源，確保在任何時候只有一個線程或進程可以訪問該資源
   實現：通過pthread_mutex_t類型實現，可以通過靜態或動態方式創建。靜態創建使用PTHREAD_MUTEX_INITALIZER，動態創建使用pthread_mutex_init函數。
   操作：主要操作包括pthread_mutex_lock(獲取鎖)，pthread_mutex_unlock(釋放鎖)和pthread_mutex_destroy(銷毀鎖)

2. 讀寫鎖(RWLock)
   定義：讀寫鎖允許多個線程同時讀取共享資源，但只允許一個線程寫入資源。這樣在讀操作頻繁而寫操作較少的場景下可以顯著提高并發性能
   實現：通過pthread_rwlock_t類型實現，可以通過靜態或動態方式創建。靜態創建使用PTHREAD_RWLOCK_INITALIZER，動態創建使用pthread_rwlock_init函數。
   操作：主頁操作包括pthread_rwlock_rdlock(獲取讀鎖)，pthread_rwlock_wrlock(獲取寫鎖)，pthread_rwlock_unlock(釋放鎖)和pthread_rwlock_destroy(銷毀鎖)

3. 信號量(Semaphore):
   定義：信號量用于控制多個進程或線程對共享資源的訪問，實現更復雜的同步需求
   實現：通過sem_t類型實現，可以通過靜態或動態方式創建。靜態創建使用SEM_FAILED，動態創建使用sem_init函數
   操作：主要操作包括sem_wait(獲取信號量)，sem_post(釋放信號量)和sem_destroy(銷毀信號量)

---

為什么說鎖可以使線程安全

線程安全是指在多線程環境下，多個線程同時訪問共享資源時，能夠正確的處理共享數據，保證數據的一致性和正確性，而不會導致不確定的結果或產生競態條件。具體來說，線程安全的代碼在多線程并發執行時，能夠按照預期正確運行，不會因為共享資源的并發訪問而引發錯誤。
線程安全的特點：
1.原子性：對共享資源的操作是原子的，要么完全執行，要么不執行，不能被中斷或分割
2.可見性：一個線程對共享變量的修改，其他線程能夠立即看到
3.有序性：程序執行的順序按照代碼的先后順序進行，避免指令重排序導致的問題
常見的線程安全問題
1.競態條件：多個線程同時修改同一變量，導致結果不確定
2.死鎖：兩個或多個線程在執行過程中，因爭奪資源而造成的一種僵局
3.活鎖：兩個或多個線程在執行過程中，因爭奪資源而不斷重復嘗試，但都無法取的進展
4.饑餓：某個線程無法獲得必要的資源或條件，導致無法繼續執行

鎖通過以下機制解決多線程并發問題：
1. 強制互斥訪問臨界區：
鎖確保同一時間僅有一個線程進入臨界區，其它線程需等待鎖釋放。解決了原子性問題，避免多個線程同時修改共享資源(互斥鎖通過原子操作和等待隊列，確保臨界區代碼串行執行)
2. 內存屏障(?)：
鎖的獲取和釋放操作隱含內存屏障，強制刷新緩存并阻止指令重排，從而保證可見性和有序性
3. 防止競態條件：
競態條件源于多個線程對共享資源的非協調訪問。鎖通過強制同步，將并發操作轉換為順序執行，消除執行順序的不確定性(若兩個線程同時執行a++，未加鎖可能因非原子操作導致結果錯誤；加鎖后，操作變為原子的，結果正確)

---

加鎖有什么副作用

性能開銷：
鎖的獲取和釋放操作本身需要消耗系統資源，可能成為程序性能瓶頸

1. 原子操作與上下切換
   原子指令開銷：鎖的底層依賴CPU的原子指令(如xchg, cmpxchg)，這些指令會觸發總線鎖定或緩存同步，導致CPU流水線暫停，降低指令級并行性
   上下文切換：互斥鎖(Mutex)在鎖競爭時會讓線程進入睡眠狀態(通過futex系統調用)，觸發線程調度和上下文切換。若鎖競爭激烈，頻繁的切換會顯著增加CPU開銷
2. 自旋鎖的CPU浪費：
   自旋鎖(Spinlock)通過忙等待(Busy Waiting)獲取鎖，若鎖持有時間較長，會持續占用CPU核心，浪費計算資源(單核CPU陷阱：在單核系統中，自旋鎖可能導致死鎖)
3. 緩存失效：
   多個線程競爭同一鎖時，鎖變量的緩存行會在不同CPU核心之間頻繁無效化，導致緩存一致性協議的額外開銷

死鎖
不合理的鎖使用可能導致死鎖，即多個線程互相等待對方釋放鎖，程序永久阻塞。死鎖的四個必要條件：
1. 互斥訪問：鎖本身是獨占資源
2. 持有并等待：線程持有鎖的同時請求其它鎖
3. 不可剝奪：鎖只能由持有者釋放
4. 循環等待：線程間形成環形等待鏈

活鎖
活鎖是死鎖的一種變體：線程不斷嘗試獲取鎖失敗，但未進入阻塞狀態，導致CPU資源浪費(兩個線程同時檢測到對方持有鎖，主動釋放自己的鎖并重試，形成無限循環)

其它副作用：
1. 資源泄漏：忘記釋放鎖導致其它線程永久阻塞
2. 錯誤處理復雜性：臨界區內的代碼若拋出異常或提取返回，需確保鎖被釋放(可通過RAII模式解決，如C++的std::lock_guard)
3. 鎖與信號的交互：信號處理函數中不可使用非異步信號安全函數，否則可能引發死鎖

---

總結

以上就是我總結的C++面試題，進程和線程方面(1)