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Linux进程调度和进程创建相关面试题

一、Linux进程调度基础

1. 进程调度的概念

Linux进程调度是操作系统核心功能之一，负责决定哪个进程在CPU上运行，以及运行多长时间。调度器的目标是在保证公平性的同时，最大化系统吞吐量和最小化响应时间。

2. Linux调度器的发展

• O(1)调度器：Linux 2.6早期版本使用，常数时间复杂度
• CFS(完全公平调度器)：从Linux 2.6.23开始引入，现在的主流调度器
• 实时调度器：用于实时任务，包括SCHED_FIFO和SCHED_RR策略
• BFS(脑残调度器)和MuQSS：第三方调度器，针对桌面响应优化

3. CFS调度器原理

CFS基于"虚拟运行时间"概念，追踪每个进程的运行时间：

• 使用红黑树数据结构组织进程
• 进程的虚拟运行时间越小，获得CPU的优先级越高
• 进程运行时，其虚拟运行时间增加
• 目标是让所有进程的虚拟运行时间接近

4. 调度策略和优先级

Linux支持多种调度策略：

• SCHED_OTHER(CFS)：普通进程的默认策略
• SCHED_BATCH：批处理进程，不需要交互
• SCHED_IDLE：优先级最低的进程
• SCHED_FIFO：实时进程，先进先出，不会被抢占(除非被更高优先级进程)
• SCHED_RR：实时进程，时间片轮转

优先级系统：

• nice值：范围-20到19，值越小优先级越高，默认为0
• 实时优先级：范围1-99，值越大优先级越高

二、进程创建相关系统调用

1. fork系统调用

fork()是Unix/Linux中创建进程的传统方法：

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

特点：

• 创建调用进程的副本(子进程)
• 子进程获得父进程数据空间、堆、栈的副本
• 父子进程共享代码段(只读)
• 采用写时复制(Copy-On-Write)技术优化内存使用
• 返回值：父进程中返回子进程PID，子进程中返回0，失败返回-1

示例：

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid < 0) {
        // 创建失败
        perror("fork failed");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程
        printf("子进程，PID: %d，父进程PID: %d\n", getpid(), getppid());
    } else {
        // 父进程
        printf("父进程，PID: %d，子进程PID: %d\n", getpid(), pid);
    }
    
    return 0;
}

2. vfork系统调用

vfork()是fork()的一种特殊形式：

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

特点：

• 创建进程的目的是执行exec系列函数
• 子进程与父进程共享地址空间(不使用写时复制)
• 父进程会被挂起，直到子进程调用exec或exit
• 子进程必须小心不修改共享的变量
• 现代系统中，fork的性能已经很好，vfork使用较少

示例：

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

int main() {
    pid_t pid = vfork();
    
    if (pid < 0) {
        // 创建失败
        perror("vfork failed");
        return 1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程
        printf("子进程，PID: %d\n", getpid());
        // 子进程必须调用exec或exit
        _exit(0);  // 注意使用_exit而非exit
    } else {
        // 父进程
        printf("父进程，PID: %d，子进程PID: %d\n", getpid(), pid);
    }
    
    return 0;
}

3. clone系统调用

clone()是Linux特有的系统调用，提供更细粒度的控制：

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

特点：

• 允许选择父子进程间共享的资源(如文件描述符、信号处理等)
• 是实现线程的基础(pthread库在底层使用clone)
• 通过flags参数控制共享程度
• 常用flags： CLONE_FILES：共享文件描述符表CLONE_FS：共享文件系统信息CLONE_VM：共享内存空间CLONE_SIGHAND：共享信号处理函数

示例：

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

#define STACK_SIZE (1024 * 1024)  // 1MB栈空间

// 子进程执行的函数
int child_func(void *arg) {
    printf("子进程，P