操作系统伴学—第四期 | 青训营笔记

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介绍一下几种典型的锁?

读写锁

  • 多个读者可以同时进行读
  • 写者必须互斥(只允许一个写者写,也不能读者写者同时进行)
  • 写者优先于读者(一旦有写者,则后续读者必须等待,唤醒时优先考虑写者)

互斥锁

一次只能一个线程拥有互斥锁,其他线程只有等待

互斥锁是在抢锁失败的情况下主动放弃CPU进入睡眠状态直到锁的状态改变时再唤醒,而操作系统负责线程调度,为了实现锁的状态发生改变时唤醒阻塞的线程或者进程,需要把锁交给操作系统管理,所以互斥锁在加锁操作时涉及上下文的切换。互斥锁实际的效率还是可以让人接受的,加锁的时间大概100ns左右,而实际上互斥锁的一种可能的实现是先自旋一段时间,当自旋的时间超过阀值之后再将线程投入睡眠中,因此在并发运算中使用互斥锁(每次占用锁的时间很短)的效果可能不亚于使用自旋锁

条件变量

互斥锁一个明显的缺点是他只有两种状态:锁定和非锁定。而条件变量通过允许线程阻塞和等待另一个线程发送信号的方法弥补了互斥锁的不足,他常和互斥锁一起使用,以免出现竞态条件。当条件不满足时,线程往往解开相应的互斥锁并阻塞线程然后等待条件发生变化。一旦其他的某个线程改变了条件变量,他将通知相应的条件变量唤醒一个或多个正被此条件变量阻塞的线程。总的来说互斥锁是线程间互斥的机制,条件变量则是同步机制。

自旋锁

如果进线程无法取得锁,进线程不会立刻放弃CPU时间片,而是一直循环尝试获取锁,直到获取为止。如果别的线程长时期占有锁,那么自旋就是在浪费CPU做无用功,但是自旋锁一般应用于加锁时间很短的场景,这个时候效率比较高。

你知道哪几种线程锁(POSIX)?

互斥锁(mutex)

互斥锁属于sleep-waiting类型的锁。例如在一个双核的机器上有两个线程A和B,它们分别运行在core 0和core 1上。假设线程A想要通过pthread_mutex_lock操作去得到一个临界区的锁,而此时这个锁正被线程B所持有,那么线程A就会被阻塞,此时会通过上下文切换将线程A置于等待队列中,此时core 0就可以运行其他的任务(如线程C)。

条件变量(cond)

自旋锁(spin)

自旋锁属于busy-waiting类型的锁,如果线程A是使用pthread_spin_lock操作去请求锁,如果自旋锁已经被线程B所持有,那么线程A就会一直在core 0上进行忙等待并不停的进行锁请求,检查该自旋锁是否已经被线程B释放,直到得到这个锁为止。因为自旋锁不会引起调用者睡眠,所以自旋锁的效率远高于互斥锁。

虽然它的效率比互斥锁高,但是它也有些不足之处:

  • 自旋锁一直占用CPU,在未获得锁的情况下,一直进行自旋,所以占用着CPU,如果不能在很短的时间内获得锁,无疑会使CPU效率降低。
  • 在用自旋锁时有可能造成死锁,当递归调用时有可能造成死锁。
  • 自旋锁只有在内核可抢占式或SMP的情况下才真正需要,在单CPU且不可抢占式的内核下,自旋锁的操作为空操作。自旋锁适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况下。

逻辑地址VS物理地址

Eg:编译时只需确定变量x存放的相对地址是100 ( 也就是说相对于进程在内存中的起始地址而言的地址)。CPU想要找到x在内存中的实际存放位置,只需要用进程的起始地址+100即可。 相对地址又称逻辑地址,绝对地址又称物理地址。

怎么回收线程?有哪几种方法?

  • 等待线程结束:  int pthread_join(pthread_t tid, void** retval);

    主线程调用,等待子线程退出并回收其资源,类似于进程中wait/waitpid回收僵尸进程,调用pthread_join的线程会被阻塞。

    • tid:创建线程时通过指针得到tid值。
    • retval:指向返回值的指针。
  • 结束线程:  void pthread_exit(void *retval);

    子线程执行,用来结束当前线程并通过retval传递返回值,该返回值可通过pthread_join获得。

    • retval:同上。
  • 分离线程:  int pthread_detach(pthread_t tid);

    主线程、子线程均可调用。主线程中pthread_detach(tid),子线程中pthread_detach(pthread_self()),调用后和主线程分离,子线程结束时自己立即回收资源。

    • tid:同上。

内存的覆盖是什么?有什么特点?

由于程序运行时并非任何时候都要访问程序及数据的各个部分(尤其是大程序),因此可以把用户空间分成为一个固定区和若干个覆盖区。将经常活跃的部分放在固定区,其余部分按照调用关系分段,首先将那些即将要访问的段放入覆盖区,其他段放在外存中,在需要调用前,系统将其调入覆盖区,替换覆盖区中原有的段。

覆盖技术的特点:是打破了必须将一个进程的全部信息装入内存后才能运行的限制,但当同时运行程序的代码量大于主存时仍不能运行,再而,大家要注意到,内存中能够更新的地方只有覆盖区的段,不在覆盖区的段会常驻内存。

内存交换是什么?有什么特点?

交换(对换)技术的设计思想:内存空间紧张时,系统将内存中某些进程暂时换出外存,把外存中某些已具备运行条件的进程换入内存(进程在内存与磁盘间动态调度)

换入:把准备好竞争CPU运行的程序从辅存移到内存。 换出:把处于等待状态(或CPU调度原则下被剥夺运行权力)的程序从内存移到辅存,把内存空间腾出来。

什么时候会进行内存的交换?

内存交换通常在许多进程运行且内存吃紧时进行,而系统负荷降低就暂停。例如:在发现许多进程运行时经常发生缺页,就说明内存紧张,此时可以换出一些进程;如果缺页率明显下降,就可以暂停换出。

终端退出,终端运行的进程会怎样

终端在退出时会发送SIGHUP给对应的bash进程,bash进程收到这个信号后首先将它发给session下面的进程,如果程序没有对SIGHUP信号做特殊处理,那么进程就会随着终端关闭而退出