lukaliou123
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2 years ago 5.进程和线程
进程（Process） 是指计算机中正在运行的一个程序实例。举例：你打开的微信就是一个进程。 线程（Thread） 也被称为轻量级进程，更加轻量。多个线程可以在同一个进程中同时执行，并且共享进程的资源比如内存空间、文件句柄、网络连接等。举例：你打开的微信里就有一个线程专门用来拉取别人发你的最新的消息。
6.进程和线程的区别是什么？
下图是 Java 内存区域，我们从 JVM 的角度来说一下线程和进程之间的关系吧！
从上图可以看出：一个进程中可以有多个线程，多个线程共享进程的堆和方法区 (JDK1.8 之后的元空间)资源，但是每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈 和 本地方法栈。
总结：线程是进程划分成的更小的运行单位,一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。线程和进程最大的不同在于基本上各进程是独立的，而各线程则不一定，因为同一进程中的线程极有可能会相互影响。线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。
7.有了进程为什么还需要线程?
1.进程切换是一个开销很大的操作，线程切换的成本较低。 2.线程更轻量，一个进程可以创建多个线程。 3.多个线程可以并发处理不同的任务，更有效地利用了多处理器和多核计算机。而进程只能在一个时间干一件事，如果在执行过程中遇到阻塞问题比如 IO 阻塞就会挂起直到结果返回。 4.同一进程内的线程共享内存和文件，因此它们之间相互通信无须调用内核。
1.什么是操作系统？
1.操作系统（Operating System，简称 OS）是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机的基石。 2.操作系统本质上是一个运行在计算机上的软件程序 ，主要用于管理计算机硬件和软件资源。 举例：运行在你电脑上的所有应用程序都通过操作系统来调用系统内存以及磁盘等等硬件。 3.操作系统存在屏蔽了硬件层的复杂性。 操作系统就像是硬件使用的负责人，统筹着各种相关事项。 4.操作系统的内核（Kernel）是操作系统的核心部分，它负责系统的内存管理，硬件设备的管理，文件系统的管理以及应用程序的管理。 内核是连接应用程序和硬件的桥梁，决定着系统的性能和稳定性。
很多人容易把操作系统的内核（Kernel）和中央处理器（CPU，Central Processing Unit）弄混。可以简单从下面两点来区别： 1.操作系统的内核（Kernel）属于操作系统层面，而 CPU 属于硬件。 2.CPU 主要提供运算，处理各种指令的能力。内核（Kernel）主要负责系统管理比如内存管理，它屏蔽了对硬件的操作。
应用程序、内核、CPU 这三者的关系
2.操作系统主要有哪些功能？
从资源管理的角度来看，操作系统有 6 大功能： 1.进程和线程的管理：进程的创建、撤销、阻塞、唤醒，进程间的通信等。 2.存储管理：内存的分配和管理、外存（磁盘等）的分配和管理等。 3.文件管理：文件的读、写、创建及删除等。 4.设备管理：完成设备（输入输出设备和外部存储设备等）的请求或释放，以及设备启动等功能。 5.网络管理：操作系统负责管理计算机网络的使用。网络是计算机系统中连接不同计算机的方式，操作系统需要管理计算机网络的配置、连接、通信和安全等，以提供高效可靠的网络服务。 6.安全管理：用户的身份认证、访问控制、文件加密等，以防止非法用户对系统资源的访问和操作。
3.内核态与用户态
3.1.什么是用户态和内核态？根据进程访问资源的特点，我们可以把进程在系统上的运行分为两个级别：
1.用户态(User Mode) : 用户态运行的进程可以直接读取用户程序的数据，拥有较低的权限。当应用程序需要执行某些需要特殊权限的操作，例如读写磁盘、网络通信等，就需要向操作系统发起系统调用请求，进入内核态。 2.内核态(Kernel Mode)：内核态运行的进程几乎可以访问计算机的任何资源包括系统的内存空间、设备、驱动程序等，不受限制，拥有非常高的权限。当操作系统接收到进程的系统调用请求时，就会从用户态切换到内核态，执行相应的系统调用，并将结果返回给进程，最后再从内核态切换回用户态。
内核态相比用户态拥有更高的特权级别，因此能够执行更底层、更敏感的操作。不过，由于进入内核态需要付出较高的开销（需要进行一系列的上下文切换和权限检查），应该尽量减少进入内核态的次数，以提高系统的性能和稳定性。
3.2.为什么要有用户态和内核态？只有一个内核态不行么？
1.在 CPU 的所有指令中，有一些指令是比较危险的比如内存分配、设置时钟、IO 处理等，如果所有的程序都能使用这些指令的话，会对系统的正常运行造成灾难性地影响。因此，我们需要限制这些危险指令只能内核态运行。这些只能由操作系统内核态执行的指令也被叫做 特权指令 。
2.如果计算机系统中只有一个内核态，那么所有程序或进程都必须共享系统资源，例如内存、CPU、硬盘等，这将导致系统资源的竞争和冲突，从而影响系统性能和效率。并且，这样也会让系统的安全性降低，毕竟所有程序或进程都具有相同的特权级别和访问权限。因此，同时具有用户态和内核态主要是为了保证计算机系统的安全性、稳定性和性能。
3.3.用户态与内核态的切换
用户态切换到内核态的 3 种方式： 1.系统调用（Trap）：用户态进程 主动 要求切换到内核态的一种方式，主要是为了使用内核态才能做的事情比如读取磁盘资源。系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现。 2.中断（Interrupt）：当外围设备完成用户请求的操作后，会向 CPU 发出相应的中断信号，这时 CPU 会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。 3.异常（Exception）：当 CPU 在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中执行异常处理程序，也就转到了内核态，比如缺页异常。
在系统的处理上，中断和异常类似，都是通过中断向量表来找到相应的处理程序进行处理。区别在于，中断来自处理器外部，不是由任何一条专门的指令造成，而异常是执行当前指令的结果。
4.系统调用
4.1.什么是系统调用？
我们运行的程序基本都是运行在用户态，如果我们调用操作系统提供的内核态级别的子功能咋办呢？那就需要系统调用了！也就是说在我们运行的用户程序中，凡是与系统态级别的资源有关的操作（如文件管理、进程控制、内存管理等)，都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。
这些系统调用按功能大致可分为如下几类：
1.设备管理：完成设备（输入输出设备和外部存储设备等）的请求或释放，以及设备启动等功能。
2.文件管理：完成文件的读、写、创建及删除等功能。
3.进程管理：进程的创建、撤销、阻塞、唤醒，进程间的通信等功能。
4.内存管理：完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及地址等功能。
系统调用和普通库函数调用非常相似，只是系统调用由操作系统内核提供，运行于内核态，而普通的库函数调用由函数库或用户自己提供，运行于用户态。 总结：系统调用是应用程序与操作系统之间进行交互的一种方式，通过系统调用，应用程序可以访问操作系统底层资源例如文件、设备、网络等。
4.2.系统调用的过程了解吗？
系统调用的过程可以简单分为以下几个步骤： 1.用户态的程序发起系统调用，因为系统调用中涉及一些特权指令（只能由操作系统内核态执行的指令），用户态程序权限不足，因此会中断执行，也就是 Trap（Trap 是一种中断）。 2.发生中断后，当前 CPU 执行的程序会中断，跳转到中断处理程序。内核程序开始执行，也就是开始处理系统调用。 3.内核处理完成后，主动触发 Trap，这样会再次发生中断，切换回用户态工作。
局部性原理的28原则：
缓存的一个关键原则是局部性原理，也被称为2-8原则，这意味着大部分的操作（约80%）只会涉及到一小部分的资源（约20%）
补充：常见的4个寻址的方法
1.立即寻址（Immediate Addressing）：在这种寻址方式中，操作数就在指令本身中。也就是说，指令的操作数字段本身就是所需的数据。比如我们有一条指令是 ADD 5，那么，5就是一个立即数，我们要做的就是把5加到某个寄存器的值上。
2.直接寻址（Direct Addressing）：在这种寻址方式中，指令中的操作数是要访问的内存单元的地址。比如，我们有一条指令是 LOAD 1000，那么，我们就要去地址为1000的内存单元中取数据。
3.间接寻址（Indirect Addressing）：在这种寻址方式中，指令的操作数是指向内存地址的一个指针。首先我们需要访问这个指针指向的内存地址，然后才能得到我们需要的数据。比如，我们有一条指令是 LOAD INDIRECT 1000，我们首先要去地址为1000的内存单元中取得一个地址，然后再去这个地址中取得我们需要的数据。
4.索引寻址（Indexed Addressing）：在这种寻址方式中，我们要访问的内存地址是由一个基址和一个索引（通常是存储在一个特定的寄存器中）相加得到的。比如，我们有一条指令是 LOAD 1000(X)，那么，我们要访问的内存地址就是1000加上寄存器X中的值。
例子：
1.立即寻址（Immediate）：这种方式下，300 就是我们要的值，所以 Value loaded into AC 是 300。
2.直接寻址（Direct）：这种方式下，300 是我们要访问的内存地址，从题目中我们可以知道，地址300的值是 400，所以 Value loaded into AC 是 400。
3.间接寻址（Indirect）：这种方式下，300 是存有我们要访问的内存地址的地址，从题目中我们可以知道，地址300的值是 400，然后我们去访问地址400，得到值 900，所以 Value loaded into AC 是 900。
4.索引寻址（Indexed）：这种方式下，300 是基址，我们需要到寄存器 R1 中取索引值，题目中告诉我们 R1 的值是 400，那么我们要访问的内存地址就是300+400=700，然后我们去访问地址700，得到值 300，所以 Value loaded into AC 是 300。
补充2：缓存映射方式
1.直接映射(Direct Mapped): 这是最简单的映射技术。在这种方法中，每个主存块只能映射到缓存的一个特定行。具体行是由主存地址的一部分决定的。这个方法的优点是查找速度快，但缺点是可能出现缓存冲突，即使缓存有空位。
例子：假设有一个缓存有4行，一个主存有8块，如果我们只用直接映射的话，主存的块0、4就都会映射到缓存的行0，这就可能产生冲突。
2.全相联映射(Fully Associative): 在这种方法中，一个主存块可以映射到缓存的任何位置。当发生缓存失效时，需要检查整个缓存以确定主存块是否已在缓存中。这种方法可以避免直接映射中的冲突问题，但查找的复杂度和开销都较大。
例子：假设有一个缓存有4行，如果我们采用全相联映射，那么主存的任何一块都可以放在缓存的任何一行，比如主存的块7可以放在缓存的行0。
3.集合相联映射(Set Associative): 这是前两种方法的一种折中。在这种方法中，缓存被分为几个集合，每个集合有多行。一个主存块可以映射到其对应集合的任意行中。这种方法允许我们以更低的查找复杂度实现相对于直接映射的更高的命中率。
例子：假设我们有一个有4行的缓存，我们把它分成2个集合，每个集合有2行。那么主存的块0可以放在集合0的任一行，主存的块2也可以放在集合0的任一行，以此类推。
需要使用缓存映射的场合（主要涉及到缓存，如果可以和局部性原理互相连接拓展）
1.加载和存储指令：当CPU执行加载和存储指令时，它需要从主存中读取数据或将数据写回主存。在这些操作中，如果需要的数据已经在缓存中，那么CPU可以直接从缓存中读取或写入数据，这比从主存中操作要快得多。但是，如果数据不在缓存中，那么就需要将数据从主存加载到缓存中，然后再进行操作。这就是所谓的缓存失效。
2.指令预取和数据预取：为了提高执行效率，处理器通常会预取将来可能需要的指令和数据，将它们加载到缓存中。这样当CPU真的需要这些指令和数据时，它们就已经在缓存中了。
3.上下文切换：当操作系统进行上下文切换，即切换运行的进程时，新的进程可能需要访问与旧进程不同的数据和指令。在这种情况下，就需要把新的数据和指令加载到缓存中。
4.缓存一致性：在多处理器或多核系统中，每个处理器或核心可能有自己的缓存。为了保证数据的一致性，当一个处理器改变了它的缓存中的数据时，需要把这个改变写回主存，同时其他处理器的缓存中对应的数据也需要更新。这就涉及到了缓存与主存之间的数据交换。 面试官提问的方式
1.直接提问：“你了解计算机系统中的缓存映射技术吗？能谈谈你对直接映射、全相联映射和集合相联映射的理解吗？”
2.问题解决：“假设我们有一个问题，当多个CPU核心并行处理任务时，缓存一致性问题会变得非常重要。你了解哪些方法可以帮助我们解决这个问题吗？”
3.深度讨论：“在设计和实现高性能计算系统时，选择合适的缓存策略是非常关键的。你能谈谈你对这个话题的看法吗？”