进程、线程、协程的区别

线程是指进程内的一个执行单位。也是进程内的可调度实体。

进程与线程的区别：

• 拥有资源
  进程是资源分配的基本单位，但是线程不拥有资源，线程可以访问隶属进程的资源。

• 调度
  线程是独立调度的基本单位，进程的一个执行流，是 CPU 调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。

• 系统开销
  由于创建或撤销进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I/O设备等，所付出的开销远大于创建或撤销线程时的开销。类似地，在进行进程切换时，涉及当前执行线程 CPU 环境的保存及新调度进程 CPU 环境的设置，而线程切换时只需要保存和设置少量寄存器内容，开销很小。

• 通信方面
  线程间可以通过直接读写同一进程中的数据进行通信，但是进程通信需要借助 IPC（进程间通信）。

协程与线程进行比较

协程是一种用户态的轻量级线程，协程的调度完全由用户控制。协程拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时，将寄存器上下文和栈保存到其他地方，在切回来的时候，恢复先前保存的寄存器上下文和栈，直接操作栈则基本没有内核切换的开销，可以不加锁的访问全局变量，所以上下文的切换非常快。
（1）一个线程可以多个协程，一个进程也可以独立拥有多个协程。
（2）线程和进程都是同步机制，而协程则是异步。
（3）协程能保留上一次调用时的状态，每次过程重入时，就相当于进入上一次调用的状态。
实例：项目使用到了多个进程和每个进程下有多个线程，还有线程之间通信比较方便，而进程之间通信需要共享内存、消息队列等方式。

进程间通信（IPC）有哪些方式？

消息队列、共享内存、无名管道、命名管道、信号量、socket

• 父子进程关系管道 pipe：
  管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常指父子进程关系。

• 命名管道 FIFO：
  有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。

• 消息队列 MessageQueue：
  消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限制等缺点。

• 共享存储：
  共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号量，配合使用，来实现进程间的同步和通信。

• 信号量：
  信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

• 套接字：
  也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同机器间的进程通信。

• 信号：
  信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。

死锁和处理方法

必要条件

• 互斥：每个资源要么已经分配给了一个进程，要么就是可用的。
• 占有和等待：已经得到了某个资源的进程可以再请求新的资源。
• 不可抢占：已经分配给一个进程的资源不能强制性地被抢占，它只能被占有它的进程显式地释放。
• 循环等待：有两个或者两个以上的进程组成一条环路，该环路中的每个进程都在等待下一个进程所占有的资源。

处理方法

• 鸵鸟策略：忽略死锁。
• 死锁检测与死锁恢复：不试图阻止死锁，而是当检测到死锁发生时，采取措施进行恢复，利用抢占恢复，回滚恢复，通过杀死进程恢复。
• 死锁预防：破坏死锁必要条件。
• 死锁避免：程序运行期间避免死锁。（银行家算法）

什么是活锁？

活锁恰恰与死锁相反，死锁是大家都拿不到资源都占用着对方的资源，而活锁是拿到资源却又相互释放不执行。当多线程中出现了谦让，都主动将资源释放给别的线程使用，这样这个资源在多线程之间跳动而又得不到执行，这就是活锁。

I/O 管理

1、网络请求处理过程

主要分为两个阶段：
1）web服务器进程等待内核缓冲区的数据准备好；
2）数据准备好后，从内核向进程复制数据。

2、IO 模型：

（1）阻塞式 I/O（blocking I/O）：

1）web服务器进程（用户进程）调用了系统调用后，内核空间就开始了 IO 的第一个阶段：准备数据（对于网络IO来说，很多时候数据在一开始还没有到达。比如，还没有收到一个完整的UDP包。这个时候内核就要等待足够的数据到来）。这个时候 web服务器进程 是处于一个阻塞状态。

2）当内核一直等到数据准备好了，它就会将数据从内核中拷贝到用户内存，然后内核返回结果，用户进程才解除阻塞状态，重新运行起来。

优点：程序简单，在阻塞等待数据期间进程/线程挂起，基本不会占用 CPU 资源。
缺点：每个连接需要独立的进程/线程单独处理，当并发请求量大时为了维护程序，内存、线程切换开销较大，实际生产上很少使用。

（2）非阻塞 I/O（non-blocking I/O）：

1）web服务器进程（用户进程）调用了系统调用后，如果内核缓冲区中的数据还没有准备后，用户进程把一个套接口设置为非阻塞，当所请求的 I/O 操作无法完成时，不要将进程睡眠。而是返回一个错误，用户进程基于 I/O 操作函数将不断地轮询数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续轮询，直到数据准备好为止。

2）一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的询问，那么内核马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。

优点：不会阻塞在内核的等待数据过程，每次发起的 I/O 请求可以立即返回，不用阻塞等待，实时性较好。
缺点：轮询将会不断地询问内核，这将占用大量的 CPU 时间，系统资源利用率较低，所以一般 Web服务器不使用这种 I/O 模型。

（3）I/O 复用（I/O multiplexing）：

单个进程具有处理多个 I/O 事件的能力（Java 中 NIO 的能力）。
select，poll，epoll这个函数会不断地轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就会通知用户进程。

• select:
  描述符类型是数组实现，fd_setsize 大小默认为1024，有 I/O 事件发生了却并不知道是哪几个流（可能有一个，多个，甚至全部），只能进行 O(n)的无差别轮询。

• poll：
  描述符类型是链表实现，本质和 select 差不多，由于是链表实现，所以没有最大连接数限制。

• epoll：
  epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，回调函数内核会将I/O准备好的描述符加入到一个链表中管理，进程调用epoll_wait()便可以得到事件完成的描述符。即epoll只关注活跃的socket。时间复杂度为 O(1)。
  ① LT（电平触发）：默认模式，当 epoll_wait() 检测到描述符事件到达时，将此事件通知进程，进程可以不立即处理该事件，下次调用 epoll_wait() 会再次通知进程。
  ② ET（边沿触发）：高速模式，通知之后进程必须立即处理事件。减少了同一事件的触发次数，效率更高。

（4）信号驱动式 I/O（signal-driven I/O）：

在信号驱动式 I/O 模型中，应用程序使用套接口进行信号驱动 I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。
当数据准备好时，进程会收到一个 SIGIO 信号，可以在信号处理函数中调用 I/O 操作函数处理数据。

优点：线程并没有在等待数据时被阻塞，可以提高资源的利用率。
缺点：信号 I/O 在大量 IO 操作时可能会因为信号队列溢出导致没法通知。

对于处理 UDP 套接字来说有用，即这种信号通知意味着到达一个数据报，或者返回一个异步错误。但是，对于 TCP 而言，信号驱动的 I/O 方式近乎无用，因为导致这种通知的条件为数众多，每一个来进行判别会消耗很大资源。

（5）异步 I/O 模型（AIO）：

应用程序告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核拷贝到应用程序的缓冲区）完成后通知应用程序。

与信号驱动模型的主要区别在于：信号驱动 I/O 是由内核通知应用程序何时启动一个 I/O 操作，而异步 I/O 模型是由内核通知应用程序 I/O 操作何时完成。

优点：异步 I/O 能够充分利用 DMA 特性，让 I/O 操作与计算重叠。
缺点：要实现真正的异步 I/O，操作系统需要做大量的工作。目前 Windows 下通过 IOCP 实现了真正的异步 I/O。

总结

越往后，阻塞越少，理论上效率也是最优。
这五种 I/O 模型中，前四种属于同步 I/O，因为其中真正的 I/O 操作(recvfrom)将阻塞进程/线程，只有异步 I/O 模型才与 POSIX 定义的异步 I/O 相匹配。