程序和執行緒以及它們的區別

• 程序是對執行時程式的封裝，是系統進行資源排程和分配的的基本單位，實現了作業系統的併發；

• 執行緒是程序的子任務，是CPU排程和分派的基本單位，用於保證程式的 實時性，實現程序內部的併發；

• 一個程式至少有一個程序，一個程序至少有一個執行緒，執行緒依賴於程序而存在；

• 程序在執行過程中擁有獨立的記憶體單元，而多個執行緒共享程序的記憶體。 
  　　 
  更多關於 作業系統歷史及程序/執行緒由來 的相關介紹請見筆者博文《Java 併發：併發背景》。

程序間的通訊的幾種方式

• 管道（pipe）及命名管道（named pipe）：管道可用於具有親緣關係的父子程序間的通訊，有名管道除了具有管道所具有的功能外，它還允許無親緣關係程序間的通訊；

• 訊號（signal）：訊號是一種比較複雜的通訊方式，用於通知接收程序某個事件已經發生；

• 訊息佇列：訊息佇列是訊息的連結表，它克服了上兩種通訊方式中訊號量有限的缺點，具有寫許可權得程序可以按照一定得規則向訊息佇列中新增新資訊；對訊息佇列有讀許可權得程序則可以從訊息佇列中讀取資訊；

• 共享記憶體：可以說這是最有用的程序間通訊方式。它使得多個程序可以訪問同一塊記憶體空間，不同程序可以及時看到對方程序中對共享記憶體中資料得更新。這種方式需要依靠某種同步操作，如互斥鎖和訊號量等；

• 訊號量：主要作為程序之間及同一種程序的不同執行緒之間得同步和互斥手段；

• 套接字：這是一種更為一般得程序間通訊機制，它可用於網路中不同機器之間的程序間通訊，應用非常廣泛。

執行緒同步的方式

• 互斥量 Synchronized/Lock：採用互斥物件機制，只有擁有互斥物件的執行緒才有訪問公共資源的許可權。因為互斥物件只有一個，所以可以保證公共資源不會被多個執行緒同時訪問

• 訊號量 Semphare：它允許同一時刻多個執行緒訪問同一資源，但是需要控制同一時刻訪問此資源的最大執行緒數量

• 事件(訊號)，Wait/Notify：通過通知操作的方式來保持多執行緒同步，還可以方便的實現多執行緒優先順序的比較操作

什麼是死鎖？死鎖產生的條件？

1). 死鎖的概念

　　在兩個或者多個併發程序中，如果每個程序持有某種資源而又等待其它程序釋放它或它們現在保持著的資源，在未改變這種狀態之前都不能向前推進，稱這一組程序產生了死鎖。通俗的講，就是兩個或多個程序無限期的阻塞、相互等待的一種狀態。

2). 死鎖產生的四個必要條件

• 互斥：至少有一個資源必須屬於非共享模式，即一次只能被一個程序使用；若其他申請使用該資源，那麼申請程序必須等到該資源被釋放為止；

• 佔有並等待：一個程序必須佔有至少一個資源，並等待另一個資源，而該資源為其他程序所佔有；

• 非搶佔：程序不能被搶佔，即資源只能被程序在完成任務後自願釋放

• 迴圈等待：若干程序之間形成一種頭尾相接的環形等待資源關係

3). 死鎖的處理基本策略和常用方法

　　解決死鎖的基本方法主要有 預防死鎖、避免死鎖、檢測死鎖、解除死鎖 、鴕鳥策略 等。

　　(1). 死鎖預防 
　　 
　　死鎖預防的基本思想是 只要確保死鎖發生的四個必要條件中至少有一個不成立，就能預防死鎖的發生，具體方法包括：

• 打破互斥條件：允許程序同時訪問某些資源。但是，有些資源是不能被多個程序所共享的，這是由資源本身屬性所決定的，因此，這種辦法通常並無實用價值。

• 打破佔有並等待條件：可以實行資源預先分配策略(程序在執行前一次性向系統申請它所需要的全部資源，若所需全部資源得不到滿足，則不分配任何資源，此程序暫不執行；只有當系統能滿足當前程序所需的全部資源時，才一次性將所申請資源全部分配給該執行緒)或者只允許程序在沒有佔用資源時才可以申請資源（一個程序可申請一些資源並使用它們，但是在當前程序申請更多資源之前，它必須全部釋放當前所佔有的資源）。但是這種策略也存在一些缺點：在很多情況下，無法預知一個程序執行前所需的全部資源，因為程序是動態執行的，不可預知的；同時，會降低資源利用率，導致降低了程序的併發性。

• 打破非搶佔條件：允許程序強行從佔有者哪裡奪取某些資源。也就是說，但一個程序佔有了一部分資源，在其申請新的資源且得不到滿足時，它必須釋放所有佔有的資源以便讓其它執行緒使用。這種預防死鎖的方式實現起來困難，會降低系統性能。

• 打破迴圈等待條件：實行資源有序分配策略。對所有資源排序編號，所有程序對資源的請求必須嚴格按資源序號遞增的順序提出，即只有佔用了小號資源才能申請大號資源，這樣就不回產生環路，預防死鎖的發生。

　　(2). 死鎖避免的基本思想 
　　 
　　死鎖避免的基本思想是動態地檢測資源分配狀態，以確保迴圈等待條件不成立，從而確保系統處於安全狀態。所謂安全狀態是指：如果系統能按某個順序為每個程序分配資源（不超過其最大值），那麼系統狀態是安全的，換句話說就是，如果存在一個安全序列，那麼系統處於安全狀態。資源分配圖演算法和銀行家演算法是兩種經典的死鎖避免的演算法，其可以確保系統始終處於安全狀態。其中，資源分配圖演算法應用場景為每種資源型別只有一個例項(申請邊，分配邊，需求邊，不形成環才允許分配)，而銀行家演算法應用於每種資源型別可以有多個例項的場景。

　　(3). 死鎖解除

　　死鎖解除的常用兩種方法為程序終止和資源搶佔。所謂程序終止是指簡單地終止一個或多個程序以打破迴圈等待，包括兩種方式：終止所有死鎖程序和一次只終止一個程序直到取消死鎖迴圈為止；所謂資源搶佔是指從一個或多個死鎖程序那裡搶佔一個或多個資源，此時必須考慮三個問題：

　　(I). 選擇一個犧牲品 
　　(II). 回滾：回滾到安全狀態 
　　(III). 飢餓（在代價因素中加上回滾次數，回滾的越多則越不可能繼續被作為犧牲品，避免一個程序總是被回滾）

程序有哪幾種狀態？

• 就緒狀態：程序已獲得除處理機以外的所需資源，等待分配處理機資源；

• 執行狀態：佔用處理機資源執行，處於此狀態的程序數小於等於CPU數；

• 阻塞狀態： 程序等待某種條件，在條件滿足之前無法執行；

  　　　　　　　　　　　　　　　

執行緒有幾種狀態？

　　在 Java虛擬機器 中，執行緒從最初的建立到最終的消亡，要經歷若干個狀態：建立(new)、就緒(runnable/start)、執行(running)、阻塞(blocked)、等待(waiting)、時間等待(time waiting) 和 消亡(dead/terminated)。在給定的時間點上，一個執行緒只能處於一種狀態，各狀態的含義如下圖所示：

　　執行緒各狀態之間的轉換如下：

　　更多關於 執行緒狀態及其轉化 的相關敘述，請見筆者博文《 Java 併發：Thread 類深度解析》。

分頁和分段有什麼區別（記憶體管理）？

　　段式儲存管理是一種符合使用者視角的記憶體分配管理方案。在段式儲存管理中，將程式的地址空間劃分為若干段（segment），如程式碼段，資料段，堆疊段；這樣每個程序有一個二維地址空間，相互獨立，互不干擾。段式管理的優點是：沒有內碎片（因為段大小可變，改變段大小來消除內碎片）。但段換入換出時，會產生外碎片（比如4k的段換5k的段，會產生1k的外碎片）

　　頁式儲存管理方案是一種使用者視角記憶體與實體記憶體相分離的記憶體分配管理方案。在頁式儲存管理中，將程式的邏輯地址劃分為固定大小的頁（page），而實體記憶體劃分為同樣大小的幀，程式載入時，可以將任意一頁放入記憶體中任意一個幀，這些幀不必連續，從而實現了離散分離。頁式儲存管理的優點是：沒有外碎片（因為頁的大小固定），但會產生內碎片（一個頁可能填充不滿）。

兩者的不同點：

• 目的不同：分頁是由於系統管理的需要而不是使用者的需要，它是資訊的物理單位；分段的目的是為了能更好地滿足使用者的需要，它是資訊的邏輯單位，它含有一組其意義相對完整的資訊；

• 大小不同：頁的大小固定且由系統決定，而段的長度卻不固定，由其所完成的功能決定；

• 地址空間不同： 段向用戶提供二維地址空間；頁向用戶提供的是一維地址空間；

• 資訊共享：段是資訊的邏輯單位，便於儲存保護和資訊的共享，頁的保護和共享受到限制；

• 記憶體碎片：頁式儲存管理的優點是沒有外碎片（因為頁的大小固定），但會產生內碎片（一個頁可能填充不滿）；而段式管理的優點是沒有內碎片（因為段大小可變，改變段大小來消除內碎片）。但段換入換出時，會產生外碎片（比如4k的段換5k的段，會產生1k的外碎片）。

作業系統中程序排程策略有哪幾種？

• FCFS(先來先服務，佇列實現，非搶佔的)：先請求CPU的程序先分配到CPU

• SJF(最短作業優先排程演算法)：平均等待時間最短，但難以知道下一個CPU區間長度

• 優先順序排程演算法(可以是搶佔的，也可以是非搶佔的)：優先順序越高越先分配到CPU，相同優先順序先到先服務，存在的主要問題是：低優先順序程序無窮等待CPU，會導致無窮阻塞或飢餓；解決方案：老化

• 時間片輪轉排程演算法(可搶佔的)：佇列中沒有程序被分配超過一個時間片的CPU時間，除非它是唯一可執行的程序。如果程序的CPU區間超過了一個時間片，那麼該程序就被搶佔並放回就緒佇列。

• 多級佇列排程演算法：將就緒佇列分成多個獨立的佇列，每個佇列都有自己的排程演算法，佇列之間採用固定優先順序搶佔排程。其中，一個程序根據自身屬性被永久地分配到一個佇列中。

• 多級反饋佇列排程演算法：與多級佇列排程演算法相比，其允許程序在佇列之間移動：若程序使用過多CPU時間，那麼它會被轉移到更低的優先順序佇列；在較低優先順序佇列等待時間過長的程序會被轉移到更高優先順序佇列，以防止飢餓發生。

說一說程序同步有哪幾種機制

　　原子操作、訊號量機制、自旋鎖管程、會合、分散式系統

什麼是虛擬記憶體？

1).記憶體的發展歷程

　　沒有記憶體抽象(單程序，除去作業系統所用的記憶體之外，全部給使用者程式使用) —> 有記憶體抽象（多程序，程序獨立的地址空間，交換技術(記憶體大小不可能容納下所有併發執行的程序) 
）—> 連續記憶體分配(固定大小分割槽(多道程式的程度受限)，可變分割槽(首次適應，最佳適應，最差適應)，碎片) —> 不連續記憶體分配（分段，分頁，段頁式，虛擬記憶體）

2).虛擬記憶體

　　虛擬記憶體允許執行程序不必完全在記憶體中。虛擬記憶體的基本思想是：每個程序擁有獨立的地址空間，這個空間被分為大小相等的多個塊，稱為頁(Page)，每個頁都是一段連續的地址。這些頁被對映到實體記憶體，但並不是所有的頁都必須在記憶體中才能執行程式。當程式引用到一部分在實體記憶體中的地址空間時，由硬體立刻進行必要的對映；當程式引用到一部分不在實體記憶體中的地址空間時，由作業系統負責將缺失的部分裝入實體記憶體並重新執行失敗的命令。這樣，對於程序而言，邏輯上似乎有很大的記憶體空間，實際上其中一部分對應實體記憶體上的一塊(稱為幀，通常頁和幀大小相等)，還有一些沒載入在記憶體中的對應在硬碟上，如圖5所示。 
注意，請求分頁系統、請求分段系統和請求段頁式系統都是針對虛擬記憶體的，通過請求實現記憶體與外存的資訊置換。

　　由圖5可以看出，虛擬記憶體實際上可以比實體記憶體大。當訪問虛擬記憶體時，會訪問MMU（記憶體管理單元）去匹配對應的實體地址（比如圖5的0，1，2）。如果虛擬記憶體的頁並不存在於實體記憶體中（如圖5的3,4），會產生缺頁中斷，從磁碟中取得缺的頁放入記憶體，如果記憶體已滿，還會根據某種演算法將磁碟中的頁換出。

3). 頁面置換演算法

• FIFO先進先出演算法：在作業系統中經常被用到，比如作業排程（主要實現簡單，很容易想到）；

• LRU（Least recently use）最近最少使用演算法：根據使用時間到現在的長短來判斷；

• LFU（Least frequently use）最少使用次數演算法：根據使用次數來判斷；

• OPT（Optimal replacement）最優置換演算法：理論的最優，理論；就是要保證置換出去的是不再被使用的頁，或者是在實際記憶體中最晚使用的演算法。

4). 虛擬記憶體的應用與優點

　　虛擬記憶體很適合在多道程式設計系統中使用，許多程式的片段同時儲存在記憶體中。當一個程式等待它的一部分讀入記憶體時，可以把CPU交給另一個程序使用。虛擬記憶體的使用可以帶來以下好處：

• 在記憶體中可以保留多個程序，系統併發度提高

• 解除了使用者與記憶體之間的緊密約束，程序可以比記憶體的全部空間還大

顛簸

　　顛簸本質上是指頻繁的頁排程行為，具體來講，程序發生缺頁中斷，這時，必須置換某一頁。然而，其他所有的頁都在使用，它置換一個頁，但又立刻再次需要這個頁。因此，會不斷產生缺頁中斷，導致整個系統的效率急劇下降，這種現象稱為顛簸（抖動）。

　　記憶體顛簸的解決策略包括：

• 如果是因為頁面替換策略失誤，可以修改替換演算法來解決這個問題；

• 如果是因為執行的程式太多，造成程式無法同時將所有頻繁訪問的頁面調入記憶體，則要降低多道程式的數量；

• 否則，還剩下兩個辦法：終止該程序或增加實體記憶體容量。

區域性性原理

(1). 時間上的區域性性：最近被訪問的頁在不久的將來還會被訪問；

(2). 空間上的區域性性：記憶體中被訪問的頁周圍的頁也很可能被訪問。