本文為 第六章操作系統(tǒng) 部分，具體整篇目錄可以看前言！

【秋招】嵌入式面試八股文分享

第一部分（純八股）

1 什么是進程？什么是線程？

進程(Process)：

• 操作系統(tǒng)資源分配的基本單位
• 擁有獨立的內(nèi)存空間和系統(tǒng)資源
• 包含代碼、數(shù)據(jù)、堆棧等

線程(Thread)：

• CPU調(diào)度的基本單位
• 共享所屬進程的內(nèi)存空間和資源
• 只擁有必要的運行資源（如程序計數(shù)器、寄存器和棧）

主要區(qū)別：

2 內(nèi)核線程和用戶線程的區(qū)別？

• 內(nèi)核支持線程是OS內(nèi)核可感知的，而用戶級線程是OS內(nèi)核不可感知的。
• 用戶級線程的創(chuàng)建、撤消和調(diào)度不需要OS內(nèi)核的支持，是在語言（如Java）這一級處理的；而內(nèi)核支持線程的創(chuàng)建、撤消和調(diào)度都需OS內(nèi)核提供支持，而且與進程的創(chuàng)建、撤消和調(diào)度大體是相同的。
• 用戶級線程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用指令時將導致其所屬進程被中斷，而內(nèi)核支持線程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用指令時，只導致該線程被中斷。
• 在只有用戶級線程的系統(tǒng)內(nèi)，CPU調(diào)度還是以進程為單位，處于運行狀態(tài)的進程中的多個線程，由用戶程序控制線程的輪換運行；在有內(nèi)核支持線程的系統(tǒng)內(nèi)，CPU調(diào)度則以線程為單位，由OS的線程調(diào)度程序負責線程的調(diào)度。
• 用戶級線程的程序?qū)嶓w是運行在用戶態(tài)下的程序，而內(nèi)核支持線程的程序?qū)嶓w則是可以運行在任何狀態(tài)下的程序。

3 進程和線程有什么區(qū)別？

3.1 根本區(qū)別

• 進程是資源分配的基本單位，線程是程序執(zhí)行的最小單位

3.2 資源開銷

• 進程有自己獨立地址空間（代碼空間和數(shù)據(jù)空間），每啟動一個進程，系統(tǒng)會為它分配地址空間。
• 線程沒有自己獨立的地址空間，線程共享進程中的數(shù)據(jù)，使用相同的地址空間。每個線程都有自己的堆棧。
• 線程切換的資源開銷要比進程小。涉及頻繁切換，就選擇線程。
• 線程開銷小，但是不利于進行資源包含；進程開銷大，但是有利于資源保護。

3.3 關(guān)于通信

• 線程之間的通信更方便，同一進程下的線程共享全局變量、靜態(tài)變量等數(shù)據(jù)，而進程之間的通信需要以通信的方式（IPC)進行。不過如何處理好同步與互斥是編寫多線程程序的難點。（ftok函數(shù)）
• 但是多進程程序更健壯，多線程程序只要有一個線程死掉，整個進程也跟著死掉了，而一個進程死掉并不會對另外一個進程造成影響，因為進程有自己獨立的地址空間。

3.4 執(zhí)行過程

• 每個獨立的進程有一個程序運行的入口、順序執(zhí)行序列和程序入口。但是線程不能獨立執(zhí)行，必須依存在應(yīng)用程序中，由應(yīng)用程序提供多個線程執(zhí)行控制。

4 何時使用多進程，何時使用多線程？

• 對資源的管理和保護要求高，不限制開銷和效率時，使用多進程。
• 要求效率高，頻繁切換時，資源的保護管理要求不是很高時，使用多線程。

5 進程的幾種狀態(tài)？

?關(guān)于IO：

• 用戶程序進行IO的讀寫，會用到read&write兩大系統(tǒng)調(diào)用。read系統(tǒng)調(diào)用，是把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復制到進程緩沖區(qū)；而write系統(tǒng)調(diào)用，是把數(shù)據(jù)從進程緩沖區(qū)復制到內(nèi)核緩沖區(qū)。

同步IO：

• 是指用戶空間線程是主動發(fā)起IO請求的一方，內(nèi)核空間是被動接受方。

• 是指內(nèi)核kernel是主動發(fā)起IO請求的一方，用戶線程是被動接受方。
• R (Running/Runnable)：正在運行或就緒狀態(tài)
• S (Sleeping)：可中斷睡眠，等待某事件完成
• D (Disk Sleep)：不可中斷睡眠，通常是等待I/O
• Z (Zombie)：僵尸狀態(tài)，進程已終止但父進程未回收
• T (Stopped)：進程被暫停，如收到SIGSTOP信號
• X (Dead)：進程即將被銷毀

狀態(tài)轉(zhuǎn)換：

• R → S：進程等待資源或事件
• S → R：等待的事件發(fā)生，進程被喚醒
• R → D：進程請求不可中斷的操作，如磁盤I/O
• D → R：不可中斷操作完成
• R → Z：進程終止，但父進程未調(diào)用wait()
• R/S → T：進程收到SIGSTOP信號
• T → R：進程收到SIGCONT信號

6 進程創(chuàng)建的方式？

6.1 使用fork創(chuàng)建

fork()是Unix/Linux中創(chuàng)建進程的傳統(tǒng)方法：

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

特點：

• 創(chuàng)建調(diào)用進程的副本(子進程)
• 子進程獲得父進程數(shù)據(jù)空間、堆、棧的副本
• 父子進程共享代碼段(只讀)
• 采用寫時復制(Copy-On-Write)技術(shù)優(yōu)化內(nèi)存使用
• 返回值：父進程中返回子進程PID，子進程中返回0，失敗返回-1

示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid < 0) {
        // 創(chuàng)建失敗
        perror("fork failed");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子進程
        printf("子進程，PID: %d，父進程PID: %d\n", getpid(), getppid());
    } else {
        // 父進程
        printf("父進程，PID: %d，子進程PID: %d\n", getpid(), pid);
    }
    
    return 0;
}

6.2 vfork系統(tǒng)調(diào)用

vfork()是fork()的一種特殊形式：

#include <unistd.h>
pid_t vfork(void);

特點：

• 創(chuàng)建進程的目的是執(zhí)行exec系列函數(shù)
• 子進程與父進程共享地址空間(不使用寫時復制)
• 父進程會被掛起，直到子進程調(diào)用exec或exit
• 子進程必須小心不修改共享的變量
• 現(xiàn)代系統(tǒng)中，fork的性能已經(jīng)很好，vfork使用較少

示例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    pid_t pid = vfork();
    
    if (pid < 0) {
        // 創(chuàng)建失敗
        perror("vfork failed");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子進程
        printf("子進程，PID: %d\n", getpid());
        // 子進程必須調(diào)用exec或exit
        _exit(0);  // 注意使用_exit而非exit
    } else {
        // 父進程
        printf("父進程，PID: %d，子進程PID: %d\n", getpid(), pid);
    }
    
    return 0;
}

6.3 clone系統(tǒng)調(diào)用

clone()是Linux特有的系統(tǒng)調(diào)用，提供更細粒度的控制：

#define _GNU_SOURCE
#include <sched.h>
int clone(int (*fn)(void *), void *stack, int flags, void *arg, ...);

特點：

• 允許選擇父子進程間共享的資源(如文件描述符、信號處理等)
• 是實現(xiàn)線程的基礎(chǔ)(pthread庫在底層使用clone)
• 通過flags參數(shù)控制共享程度
• 常用flags： CLONE_FILES：共享文件描述符表CLONE_FS：共享文件系統(tǒng)信息CLONE_VM：共享內(nèi)存空間CLONE_SIGHAND：共享信號處理函數(shù)

示例：

#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <sched.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

#define STACK_SIZE (1024 * 1024)  // 1MB?？臻g

// 子進程執(zhí)行的函數(shù)
int child_func(void *arg) {
    printf("子進程，PID: %d\n", getpid());
    return 0;
}

int main() {
    // 分配棧空間，棧向下增長
    void *stack = malloc(STACK_SIZE);
    if (!stack) {
        perror("malloc failed");
        return 1;
    }
    
    // 創(chuàng)建子進程
    pid_t pid = clone(child_func, (char*)stack + STACK_SIZE, 
                      CLONE_VM | SIGCHLD, NULL);
    
    if (pid < 0) {
        perror("clone failed");
        free(stack);
        return 1;
    }
    
    printf("父進程，PID: %d，子進程PID: %d\n", getpid(), pid);
    
    // 等待子進程結(jié)束
    waitpid(pid, NULL, 0);
    free(stack);
    
    return 0;
}

6.2 fork和vfork的區(qū)別？

• void exit( int status) 結(jié)束當前進程并將status返回；exit結(jié)束進程會刷新緩沖區(qū)
• void _exit(int status)  這個不會進行緩沖區(qū)刷新

注意：

• 內(nèi)存共享： fork()：子進程獲得父進程內(nèi)存的副本(寫時復制)vfork()：子進程與父進程共享內(nèi)存空間
• 執(zhí)行順序： fork()：父子進程執(zhí)行順序不確定vfork()：父進程掛起，直到子進程調(diào)用exec或exit
• 使用場景： fork()：通用進程創(chuàng)建vfork()：創(chuàng)建進程后立即執(zhí)行exec
• 安全性： vfork()更危險，子進程可能破壞父進程的數(shù)據(jù)
• 性能： 歷史上vfork()更高效，現(xiàn)代系統(tǒng)中差異不大

6.3 為什么子進程中使用exit()可能導致問題，而應(yīng)該使用_exit()?

• exit()會執(zhí)行清理操作，包括刷新標準IO緩沖區(qū)和調(diào)用atexit()注冊的函數(shù)
• 在vfork()創(chuàng)建的子進程中，由于共享地址空間，使用exit()可能會： 清空父進程的IO緩沖區(qū)執(zhí)行父進程注冊的atexit()函數(shù)關(guān)閉父進程需要的文件描述符
• _exit()直接調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用退出，不執(zhí)行用戶空間清理操作
• 因此，vfork()后的子進程應(yīng)使用_exit()或exec()，避免干擾父進程

6.4 調(diào)度策略和優(yōu)先級

Linux支持多種調(diào)度策略：

• SCHED_OTHER(CFS)：普通進程的默認策略
• SCHED_BATCH：批處理進程，不需要交互
• SCHED_IDLE：優(yōu)先級最低的進程
• SCHED_FIFO：實時進程，先進先出，不會被搶占(除非被更高優(yōu)先級進程)
• SCHED_RR：實時進程，時間片輪轉(zhuǎn)

優(yōu)先級系統(tǒng)：

• nice值：范圍-20到19，值越小優(yōu)先級越高，默認為0