嵌入式软件常用面试题汇总之Linux系统相关(1)

Linux系统之进程相关的面试题汇总

1.Linux系统中进程间通信的方式有哪些？各自的优缺点及应用选择？

inux系统中有多种进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）的方式，每种方式都有其优缺点，适用于不同的场景。以下是一些常见的进程间通信方式：

管道（Pipe）:一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用，进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。

优点： 简单易用，适用于单向通信，可以通过shell命令实现。

缺点： 只能用于具有亲缘关系的进程之间，单向通信。

应用选择： 适用于父子进程之间或通过shell串联的进程。

命名管道（Named Pipe，也称为FIFO）:命名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。

优点： 允许无关的进程之间进行通信，通过文件系统的名字进行访问。

缺点： 只能用于单向通信。

应用选择： 适用于无关联的进程之间的单向通信。

消息队列（Message Queues）:消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识 符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

优点： 允许多个进程之间进行双向通信，支持异步通信。

缺点： 数据复制开销相对较大。

应用选择： 适用于需要异步通信、通过消息传递进行数据交换的场景。

共享内存（Shared Memory）:映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。

优点： 最快的IPC方式，因为数据直接在进程间共享，无需复制。

缺点： 需要显式的同步机制，可能引起竞态条件。

应用选择： 适用于频繁的大量数据交换的场景，但需要谨慎处理同步。

信号量（Semaphores）: 信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。

优点： 提供了一种同步机制，防止竞态条件。

缺点： 使用复杂，容易引起死锁。

应用选择： 适用于需要同步进程并控制资源访问的场景。

套接字（Socket）:是一种提供网络通信的编程接口，允许进程通过网络进行数据交换，使得不同主机上的进程能够进行通信。

优点： 跨网络通信，可用于不同主机上的进程通信。

缺点： 相对复杂，性能开销较大。

应用选择： 适用于网络通信或需要在不同主机上的进程之间进行通信的场景。

每种IPC方式都有其适用的场景和限制，选择取决于应用的需求和设计目标。通常，根据通信的性质、进程间关系以及数据交换的频率等因素来选择合适的IPC方式。

2.多进程与多线程的区别？

在Linux系统中，多进程和多线程都是用于并发执行的编程模型，但它们之间有一些关键的区别：

基本单位：

多进程： 每个进程都是独立的执行实体，有独立的地址空间、文件描述符和系统资源。

多线程： 所有线程都存在于同一进程中，共享相同的地址空间和系统资源。

资源开销：

多进程： 进程之间的切换涉及到上下文切换，通常需要更多的系统资源和时间。每个进程有独立的资源副本。

多线程： 线程之间切换更轻量，因为它们共享相同的地址空间和大部分资源。线程切换通常比进程切换更快。

通信和同步：

多进程： 进程之间通信复杂，通常需要采用IPC（进程间通信）机制，如管道、消息队列、共享内存等。同步通过信号量等机制实现。

多线程： 线程之间可以直接共享数据，通信相对容易。同步可以通过互斥锁、条件变量等机制来实现。

健壮性：

多进程： 进程之间的隔离性较强，一个进程的崩溃通常不会影响其他进程。

多线程： 一个线程的崩溃可能导致整个进程的崩溃，因为它们共享相同的地址空间和资源。

编程复杂度：

多进程： 编写和维护多进程程序可能更为复杂，因为进程之间的通信和同步涉及到更多的细节。

多线程： 编写多线程程序相对简单，因为线程之间共享数据，但需要小心处理共享资源的同步问题。

适用场景：

多进程： 适用于需要更强隔离性、独立性的任务，或者需要充分利用多核处理器的情况。

多线程： 适用于需要轻量、共享数据的任务，特别是IO密集型任务，可以通过多线程提高并发性能。

3.什么时候选多进程什么时候选多线程？

从内核的观点看，进程的目的就是担当分配系统资源（CPU时间、内存等）的基本单位。线程是进程的一个执行流，是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。

选择多线程的情况：

共享数据：如果任务需要共享大量数据，而不涉及复杂的数据保护机制，多线程可能是一个合适的选择，因为线程之间共享相同的地址空间。

轻量级任务：多线程适用于轻量级的任务，例如IO密集型操作，其中线程切换的开销相对较小。

共享资源的频繁访问：当任务需要频繁访问和更新共享资源时，多线程可能更为方便，因为线程之间可以直接访问相同的内存空间。

开发和维护的简易性：多线程通常更易于编写和维护，因为线程之间共享相同的上下文，共享数据更为直接，减少了通信和同步的复杂性。

选择多进程的情况：

隔离性和独立性：如果任务需要高度的隔离性和独立性，以防止一个任务的崩溃影响其他任务，多进程是一个更好的选择，因为进程之间有独立的地址空间。

并行计算：多进程适用于需要充分利用多核处理器并进行并行计算的情况，每个进程可以在一个独立的核上运行。

复杂的数据保护需求：如果任务涉及到复杂的数据保护机制，需要避免共享内存引起的竞态条件，多进程可能更为合适。

稳定性要求较高：如果任务对稳定性有很高的要求，即使一个进程崩溃也不会影响其他进程，多进程可能更为安全。

任务独立性较强：当任务之间相对独立，不需要频繁通信的时候，多进程可能更为合适。

4.进程间的竞态是指什么？

进程间竞态是指多个进程或线程在访问共享资源时，其最终结果取决于它们执行的相对顺序，而这个顺序是不确定的。竞态条件可能导致意外的行为和不确定性，因为多个进程试图并发地访问和修改共享资源，而没有适当的同步机制来协调它们的操作。

典型的竞态条件发生在以下情况下：

共享资源： 多个进程或线程共享同一资源，例如共享内存区域、文件、变量等。

并发访问： 进程或线程在同一时间间隔内并发地访问共享资源。

至少一个操作是写操作： 至少一个进程在访问共享资源时执行了写操作。

缺乏同步机制： 没有足够的同步机制来确保进程或线程之间的协调和互斥。

竞态条件可能导致不一致的结果、数据损坏和程序错误。

典型的竞态条件包括：

读-改-写竞态： 多个进程同时读取共享变量，然后一个或多个进程对其进行修改，并最终写回。由于并发执行，写回的结果可能不符合预期。

写-写竞态： 多个进程同时尝试写入共享变量，最后写入的值可能取决于执行的相对顺序。

读-写竞态： 一个进程在另一个进程执行写操作之前读取了共享变量，可能导致读取到过时或无效的数据。

避免竞态条件通常需要使用同步机制，例如互斥锁、信号量、条件变量等。这些机制可以确保在任何给定时间点只有一个进程或线程能够访问共享资源，从而避免了竞态条件的发生。

5.什么是进程死锁？造成死锁原因是什么？

进程死锁是指两个或多个进程被阻塞，彼此都在等待对方释放资源，导致它们无法继续执行下去的状态。在死锁中，每个进程都持有某些资源，并等待其他进程释放它们所需的资源。

死锁发生的主要原因包括以下四个必要条件，通常称为死锁的四个必要条件：

互斥条件（Mutual Exclusion）：进程对资源的访问是互斥的，即同一时刻只能有一个进程使用该资源。

持有和等待条件（Hold and Wait）：进程可以持有一些资源，并等待获取其他资源。如果一个进程在等待资源的同时保持了其他资源，就可能导致死锁。

非抢占条件（No Preemption）：已经分配给进程的资源不能被抢占，只能由进程自愿释放。如果一个进程在等待某个资源的同时又不释放它已经持有的资源，就可能导致死锁。

循环等待条件（Circular Wait）：存在一个进程链，每个进程都在等待下一个进程所持有的资源。这样的等待链形成一个循环，使得每个进程都被等待，并最终导致死锁。

当以上四个条件同时满足时，就可能发生死锁。避免死锁通常需要采取一些策略，如资源分配的谨慎策略、资源预先分配、死锁检测和恢复等。

6.进程同步是指什么？同步方法有哪些？

进程的同步是指协调多个进程的执行顺序以及它们对共享资源的访问，以避免竞态条件和确保程序的正确性。在并发系统中，多个进程或线程并发执行时，需要一些机制来同步它们的操作，以防止不确定性和意外的结果。

以下是一些常见的进程同步方式：

互斥锁（Mutex）:通过互斥锁，只有一个进程能够进入临界区，其他进程必须等待。这样可以确保在任何给定时间只有一个进程访问共享资源。

信号量（Semaphore）:信号量是一个计数器，可以控制多个进程对共享资源的访问。信号量可以用于解决生产者-消费者问题等场景。

条件变量（Condition Variables）:条件变量用于进程间的通信和同步。一个进程可以等待某个条件成立，而另一个进程则在某个条件满足时发出信号，唤醒等待的进程。

屏障（Barrier）:屏障用于同步一组进程，它们在某个点上等待，直到所有的进程都到达这个点，然后同时继续执行。

读写锁（Read-Write Lock）:读写锁允许多个进程同时读取共享资源，但只有一个进程能够写入。这可以提高并发性，特别适用于读操作频繁的情况。

自旋锁（Spin Lock）:自旋锁是一种忙等锁，进程在获取锁失败时会一直尝试获取，而不会阻塞。适用于锁被持有时间短暂的情况。

消息传递（Message Passing）:进程通过发送消息进行通信，消息的接收者会等待消息的到达。这种方式可以实现进程之间的协作和同步。

7.Linux内核是如何管理进程的？

Linux内核通过任务结构（Task Structure）来管理进程。任务结构是内核数据结构，用于表示系统中的每个进程。以下是Linux内核管理进程的关键方面：

任务结构（Task Structure）:在Linux中，每个进程都由一个任务结构表示，这个结构称为task_struct。task_struct 包含了进程的各种信息，如进程状态、进程标识符、寄存器值、进程的调度信息等。

进程调度：进程调度是Linux内核管理进程的核心功能之一。调度器根据一定的策略和算法，在就绪队列中选择下一个要执行的进程，并将CPU分配给它。Linux支持多种调度策略，例如CFS（完全公平调度器）和实时调度器（SCHED_FIFO、SCHED_RR）。

进程状态：进程在其生命周期中可能处于不同的状态，包括运行（Running）、就绪（Ready）、睡眠（Sleeping）、停止（Stopped）、僵尸（Zombie）等。task_struct中的state字段表示进程当前的状态。

进程创建：进程创建是通过fork()系统调用实现的。fork()创建了一个与父进程相同的副本，包括代码、数据、打开的文件等。子进程可以通过exec()系统调用加载新的程序，替换掉原有的镜像。

进程终止：进程终止可以通过exit()系统调用来实现。当进程终止时，它的资源被释放，但它的退出状态（exit status）会被保留，以供父进程获取。一个终止的进程可能进入僵尸状态，直到父进程调用wait()来获取其退出状态。

进程同步：Linux提供了各种机制来实现进程同步，包括信号、互斥锁、信号量、条件变量等。这些机制允许进程之间进行通信和协作，确保数据的一致性和正确性。

进程通信：Linux提供了多种进程间通信（IPC）的机制，包括管道、消息队列、共享内存、信号、套接字等。这些机制使得进程能够在不同的地址空间中交换数据。

进程优先级：每个进程都有一个静态优先级和一个动态优先级。动态优先级可以根据进程的行为进行调整，以实现公平的系统资源分配。

总体而言，Linux内核通过任务结构以及相关的数据结构和调度算法来管理和调度进程。这些机制允许多个进程在系统中并发执行，并提供了丰富的功能和工具，以支持进程的创建、调度、同步、通信和终止等操作。

8.Linux内核的进程调度策略有哪些？

Linux内核支持多种进程调度策略，这些策略可以根据不同的需求和场景进行选择。以下是一些常见的Linux进程调度策略：

完全公平调度器（CFS - Completely Fair Scheduler）:CFS是Linux内核默认的调度策略。它采用红黑树数据结构来维护任务队列，通过动态计算进程的虚拟运行时间，确保所有就绪进程在一段时间内获得相等的CPU时间。CFS旨在实现对系统资源的公平分配。

实时调度器（Real-Time Scheduler）:Linux提供了两种实时调度策略：FIFO（先进先出）和RR（循环调度）。实时调度器适用于对任务响应时间要求较高的实时应用程序。FIFO按照任务的优先级顺序执行，而RR在一定的时间片内轮转执行。

轮转调度器（Round Robin Scheduler）:在Linux中，轮转调度器主要用于内核线程和I/O调度。在这个策略下，每个进程被分配一个时间片，在时间片用完之后，调度器将CPU分给下一个就绪进程。

批处理调度器（Batch Scheduler）:批处理调度器用于执行批处理作业，通常在后台运行。这个调度策略允许进程在较长的时间片内执行，以提高吞吐量，而不考虑响应时间。

Nice值：Linux中每个进程都有一个"Nice"值，它用于调整进程的静态优先级。更高的Nice值表示更低的优先级，而更低的Nice值表示更高的优先级。通过调整Nice值，可以影响进程在CFS调度器中的相对权重。

这些调度策略的选择取决于应用程序的性质和需求。通常情况下，CFS适用于大多数普通任务，而实时调度器适用于对响应时间要求较高的任务。在实际应用中，可以通过Nice值调整进程的优先级，或者使用特定的实时调度策略来满足具体需求。