第3章 进程的描述与控制

进程与线程的区别是什么？

• 进程是资源分配的最小单位，拥有独立内存
• 线程是 CPU 调度的最小单位，共享进程内存
• 进程切换开销大，线程切换开销小
• 线程共享内存需要同步控制

为什么线程切换比进程切换快？

• 不需要切换页表和文件描述符等重资源
• 线程共享进程地址空间，只需切换寄存器等少量状态
• 进程切换涉及更多内核数据结构恢复

进程切换为什么比线程更消耗资源？

进程切换时需要保存和恢复更多的上下文信息：

1. 地址空间切换：

   • 进程拥有独立的虚拟地址空间，切换时需要刷新TLB（转换后备缓冲区）
   • 重新加载页表，获取新的地址空间
   • 线程共享同一地址空间，无需此操作

2. 上下文保存与恢复：

   • 进程上下文包含完整的CPU状态（寄存器、程序计数器）
   • 还需要保存内存管理信息、文件描述符表等
   • 线程上下文仅包含CPU状态和少量私有数据

3. 内核数据结构更新：

   • 进程切换涉及调度器、内存管理等多个内核子系统
   • 需要更新进程状态、调度队列等
   • 线程切换涉及的内核数据结构更少

进程和线程的区别是什么？

特性	进程	线程
资源分配	独立的内存空间，资源分配单位	共享进程资源，CPU调度单位
切换开销	大，需要切换地址空间和内核数据结构	小，仅需切换CPU状态
崩溃影响	一个进程崩溃不影响其他进程	线程崩溃会影响同进程所有线程
通信方式	IPC（管道、消息队列、共享内存等）	共享内存、锁、条件变量等
创建速度	慢，需要分配资源	快，复用进程资源

为什么要有线程？

• 线程更轻量，创建/上下文切换成本低
• 更适合 并发、IO 密集、CPU 多核利用
• 提高程序响应性（UI 主线程 / 工作线程）

什么是僵尸进程与孤儿进程？

• 僵尸进程：子进程结束但父未 wait → 占用进程表项
• 孤儿进程：父进程结束但子还在 → 被 init 接管
• 僵尸进程过多会耗尽 PID 资源

进程间通信（IPC）方式有哪些？用在哪里？

进程间通信是指不同进程之间交换数据、共享资源的机制，主要包括以下几种方式：

1. 管道（Pipe）

• 匿名管道：

  • 半双工通信，数据只能单向流动
  • 只能在具有亲缘关系的进程（如父子进程）间使用
  • 管道内容存放在内存中，无外部名称
  • 示例：ls | grep "test" 命令中的管道

• 命名管道（FIFO）：

  • 具有文件路径名，存在于文件系统中
  • 支持无亲缘关系的进程间通信
  • 严格遵循先进先出（FIFO）原则
  • 示例：不同进程通过同一命名管道交换数据

2. 消息队列

• 存储结构化消息的链表，存在于内核中
• 每个消息有类型标识，接收方可以按类型读取
• 消息大小有上限，队列总大小也有上限
• 示例：进程间传递结构化数据，如日志、命令等

3. 共享内存

• 最快的 IPC 方式，直接访问物理内存
• 进程间共享同一块内存区域
• 需要同步机制（如信号量）防止数据竞争
• 示例：高性能应用中的进程间数据共享

4. 信号量

• 用于进程间同步和互斥
• 本质是一个计数器，记录可用资源数量
• 支持 P 操作（申请资源）和 V 操作（释放资源）
• 示例：控制多个进程对共享资源的访问

5. 信号

• 用于进程间事件通知
• 异步通信机制，进程可以忽略或处理信号
• 常见信号：SIGINT（Ctrl+C）、SIGHUP（终端关闭）、SIGQUIT（Ctrl+\）
• 示例：通知进程终止、重启等

6. Socket

• 支持跨机器通信，是网络通信的基础
• 可以用于同一机器上的进程通信
• 支持 TCP（可靠）和 UDP（不可靠）协议
• 示例：微服务间通信、网络应用

线程安全如何保证？

• 互斥锁（synchronized/Lock）
• CAS + 原子类
• 读写锁
• ThreadLocal
• 不可变对象（final）