【C++八股-第16期】进程与线程 ②

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提纲：

👉 八股：

1. 介绍一下管道的概念，及其实现原理

2. Linux中一个线程占用多少内存？

3. 32位系统访问4GB以上内存存在什么限制？

4. 概述进程、线程、协程概念及区别？

5. TLB是什么东西

6. cache line是什么

7. 互斥量能不能在进程中使用？

1. 介绍一下管道的概念，及其实现原理

管道（Pipe） 是 UNIX 和 Linux 系统中常用的进程间通信（IPC）机制之一，它允许一个进程将数据发送到另一个进程，即在同一时刻 两个进程之间只能进行单项通信，因此管道也被称为 半双工管道。

半双工：

• 指同一时刻数据只能由一个进程流向另一个进程

管道的本质是一种特殊的文件

• 匿名管道（Unnamed Pipe）只能用于有亲缘关系的进程间通信，例如父子进程。

• 命名管道（Named Pipe 或 FIFO）可以在无亲缘关系的进程之间进行通信，通过路径名来标识。

管道的基本实现原理：

管道的实现原理基于内核缓冲区和文件描述符。

• 内核缓冲区：

  • 当管道创建时，内核会分配一个缓冲区，用于在进程之间传递数据。
  • 这个缓冲区是一个先进先出（FIFO）的队列，确保数据按照写入的顺序被读取。

• 文件描述符：

  • pipe系统调用创建一对文件描述符，一个用于读（read end）fd[0]，一个用于写（write end）fd[1]，fd[1]的输出是fd[0]的输入，管道是建立在内核之中的
  • 这两个文件描述符指向内核缓冲区的不同端，写描述符用于写入数据到缓冲区，读描述符用于从缓冲区读取数据。

• 数据传输：

  • 写进程通过写描述符将数据写入内核缓冲区。
  • 读进程通过读描述符从内核缓冲区读取数据。
  • 当缓冲区满时，写操作将阻塞，直到有空间可写；当缓冲区为空时，读操作将阻塞，直到有数据可读。

管道的创建和使用：

#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <cstring>

int main() {
    int fd[2];
    if (pipe(fd) == -1) {
        std::cerr << "Pipe failed" << std::endl;
        return 1;
    }

    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) {
        std::cerr << "Fork failed" << std::endl;
        return 1;
    }

    if (pid == 0) { // 子进程
        close(fd[1]); // 关闭写端
        char buffer[100];
        read(fd[0], buffer, sizeof(buffer)); // 从管道读取数据
        std::cout << "Child received: " << buffer << std::endl;
        close(fd[0]); // 关闭读端
    } else { // 父进程
        close(fd[0]); // 关闭读端
        const char *msg = "Hello from parent";
        write(fd[1], msg, strlen(msg) + 1); // 向管道写入数据
        close(fd[1]); // 关闭写端
    }

    return 0;
}

2. Linux中一个线程占用多少内存？

在Linux系统中，每个线程的默认栈大小通常为8MB。

这意味着每个线程在创建时会预留最多8MB的虚拟内存空间用于其栈。

但是，这并不意味着每个线程一开始就实际使用了8MB的物理内存。

内存分配机制

Linux通过一种称为“按需分配”（lazy allocation）或“缺页分配”（demand paging）的机制来管理内存。以下是这种机制的工作原理：

• 当创建一个新线程时，操作系统会为其栈预留一块虚拟内存区域。这块区域的默认大小通常为8MB。

• 实际上，这块8MB的虚拟内存区域并不会立即全部映射到物理内存。当线程第一次访问栈中的某个地址时，才会触发缺页异常，操作系统会分配相应的物理内存页（通常为4KB）。

• 因此，线程实际使用的物理内存仅略大于其实际需要的内存量。这种分配方式可以有效节约物理内存。

3. 32位系统访问4GB以上内存存在什么限制？

在不用任何额外技术的，正常情况下无法访问

在32位系统中，内存地址空间的限制源于地址总线的宽度。

32位系统的地址总线长度为32位，这意味着可以表示的内存地址范围是2^32，即4GB。具体来说：

• 32位地址总线可以表示的最大内存空间是4GB（2^32字节）。

• 操作系统和硬件通常需要保留一部分地址空间用于设备和系统用途，因此实际可用的物理内存通常略少于4GB。

PAE（Physical Address Extension）技术

使用 PAE技术 可以实现32位系统访问 4GB以上内存

PAE技术通过扩展内存地址总线来实现这一点：

• PAE将内存地址从32位扩展到36位。
• 36位地址总线可以表示的最大内存空间是64GB（2^36字节）。

4. 概述进程、线程、协程概念及区别？

• 进程： 内核调度

  • 进程是操作系统中运行的程序的实例（操作系统会创建一个进程来运行你的程序代码）。
  • 进程包含了程序代码、数据、和所有必要的资源，如文件句柄、内存地址空间、执行上下文等。
  • 操作系统通过进程调度来管理CPU时间分配给各个进程。

• 线程： 内核调度

  • 线程是进程中的一个执行单元，一个进程可以包含多个线程。
  • 它们共享进程的资源（如内存、文件句柄等）
  • 但有独立的执行上下文（如程序计数器、寄存器等）。

• 协程： 程序自身调度

  • 协程是比线程更轻量化的用户态上下文切换机制。
  • 协程由程序自己调度管理，因为在用户态，所以切换速度比线程、进程快得多。
  • 协程只能在同一个线程内运行，不是并行执行。
  • 协程通过yield和resume等机制显式地让出和恢复控制权。

进程、线程、协程对比

5. TLB是什么东西

TLB（Translation Lookaside Buffer，翻译后备缓冲）是现代计算机处理器中的一种高速缓存，用于加速虚拟地址到物理地址的转换过程。

作用

• 提高地址转换效率： TLB存储最近使用的虚拟地址到物理地址的映射，从而避免每次访问内存都需要通过页表进行地址转换。大大减少虚拟地址到物理地址转换所需时间。

• 减少了内存访问的延迟： TLB命中时，可以直接获取物理地址，避免多次访问内存进行页表查找。

工作原理示例

假设CPU要访问一个虚拟地址0xABCDEF：

• TLB查找： TLB命中

  • 先在TLB中查找虚拟地址0xABCDEF对应的页号。
  • 如果命中，则直接得到物理帧号，组合形成物理地址访问内存。

• 页表查找： TLB未命中

  • 如果未命中，则需要访问页表获取物理帧号，最终使用得到的物理地址访问内存。
  • 通过页表查找到对应的物理帧号后，将这个映射关系加载到TLB中，以备下次快速查找。

• TLB刷新：

  • 当发生上下文切换（即进程切换）时，TLB中的条目可能需要刷新，因为新的进程可能使用不同的虚拟地址空间。
  • 通常通过硬件机制或操作系统指令刷新TLB，确保新进程的地址转换正确。

CPU
 |  虚拟地址（0xABCDEF）
 v
+------------------+
|      TLB查找     |
+------------------+
 |             |
 |  命中		 | 未命中
 |             | 
 v             v
+-------+ 	 +------------------+
|物理地址| 	 |      页表查找     |
+-------+  	 +------------------+
		            |      |
		            | 得到物理地址
		            v
		       +----------+
		       | 物理地址 |
		       +----------+

6. cache line是什么

**缓存行（Cache Line）**是缓存（Cache）中的最小存储单元。

!大小： 缓存行的大小通常是固定的，常见的大小有32字节、64字节等。 !存储单位： 缓存中的数据以缓存行为单位存储和管理，缓存行包含若干个连续的字节。 !对齐： 缓存行通常是对齐的，即它的起始地址是缓存行大小的整数倍。

工作原理

• 加载数据：

  • 当CPU访问某个内存地址时，如果该地址的数据不在缓存中（缓存未命中），缓存会加载包含该地址的整个缓存行到缓存中。
  • 例如，如果缓存行大小为64字节，当CPU访问地址0x1000，缓存会将0x1000到0x103F范围内的数据加载到一个缓存行中。

• 数据访问：

  • 如果CPU再次访问0x1000到0x103F范围内的任一地址，缓存可以直接提供数据（缓存命中），无需访问主存。
  • 这样大大提高了访问速度，因为访问缓存比访问主存快得多。

缓存行的重要性

• 局部性原理：

  • 时间局部性： 最近被访问的数据很可能再次被访问。
  • 空间局部性： 与某个地址相邻的地址很可能在不久后被访问。
  • 缓存行利用空间局部性，将连续的数据一次性加载到缓存中，提高了访问效率。

• 伪共享（False Sharing）：

  • 当多个处理器的线程在同一个缓存行的不同部分上操作时，会导致缓存一致性协议频繁更新缓存行，降低性能。
  • 通过适当的内存对齐和避免共享缓存行的数据，可以减少伪共享的影响。

7. 互斥量能不能在进程中使用？

**互斥量（Mutex）**可以在进程中使用，用于解决不同进程或同一进程内多个线程之间的资源竞争问题。

• 进程间的互斥：

  • 不同的进程之间可能会竞争共享资源，例如文件、共享内存等。在这种情况下，需要互斥量来同步访问，防止数据竞争和数据不一致问题。
  • 进程间的互斥量通常使用系统提供的IPC（进程间通信）机制，如System V信号量或POSIX信号量。

• 进程内的互斥：

• 一个进程中可以包含多个线程，这些线程之间也可能会竞争共享资源，如全局变量、堆数据等。为了防止多个线程同时修改共享数据，导致数据不一致，需要使用互斥量进行同步。

• 进程内的互斥量可以使用标准的互斥锁，如std::mutex（C++11）或pthread_mutex_t（POSIX线程库）。