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【通用】操作系统知识总结：IPC方式 / 进程线程 / 死锁 / 虚拟内存 / 段页存储

news 2024/11/29 15:15:10

常见问题：

跨进程通信方式（IPC）有哪些？其底层原理及其对应应用场景分别是什么？
进程与线程的定义、特点及其区别是什么？
死锁的必要条件是什么？该如何处理？
虚拟内存的定义及其特点。
虚拟地址、逻辑地址、线性地址、物理地址的区别。
段存储、页存储、段页存储的定义及其区别。

1 跨进程通信方式（IPC）有哪些？其底层原理及其对应应用场景分别是什么？

1 共享内存

多个进程通过读/写同1个共享文件来交换数据

进程间是独立的，若需要共享空间，需要通过特殊的系统调用

原理

内存映射，即通过把1个共享文件映射到自己的进程地址空间，实现进程间通信
1个文件可以同时被多个进程操作，其他进程也可以通过相同的文件进行映射

在 Android 中的应用场景

高性能数据传输：

当需要在不同进程之间快速传输大量数据时，共享内存可以提供比传统的进程间通信方式（如 Binder、Socket 等）更高的性能。
例如，在视频处理、图像渲染等需要大量数据交换的应用中，可以使用共享内存来提高数据传输的效率。

跨进程资源共享：

多个进程可以共享同一块内存区域，从而实现资源的共享。例如，多个进程可以共享一个数据库缓存、一个图像缓冲区等。
这可以减少资源的重复分配和释放，提高系统的性能和资源利用率。

实现方法

使用 Android NDK：

Android NDK（Native Development Kit）提供了一些接口来创建和管理共享内存。可以使用 C/C++ 代码来实现共享内存的创建、映射和访问。
例如，可以使用mmap函数来将一个文件或一块匿名内存映射到进程的地址空间。然后，其他进程可以通过相同的文件或内存区域进行映射，从而实现共享访问。

使用 Java 层的接口：

虽然 Java 本身没有直接提供共享内存的接口，但可以通过 JNI（Java Native Interface）调用 C/C++ 代码来实现共享内存的功能。
另外，也可以使用一些第三方库或框架来实现共享内存的功能。例如，Android 的 Parcelable 接口可以用于在不同进程之间传递复杂的数据结构，但它实际上是通过序列化和反序列化来实现的，性能可能不如共享内存。

2 Bundle

消息传递：

进程简单数据交换是以格式化的消息为单位的；
通过系统提供的发生消息 & 接收消息 2个原语进行通信

Bundle的底层原理是：实现了序列化接口Parcelable

在Bundle中添加需要传输的数据 & 通过IntentService发送出去

基本用法

// 创建 Bundle 对象：Bundle bundle = new Bundle();// 放入基本数据类型：bundle.putInt("key_int", 10);bundle.putString("key_string", "Hello");bundle.putBoolean("key_boolean", true);
// 放入自定义对象（需实现 Serializable 或 Parcelable 接口）：MyObject myObject = new MyObject();bundle.putSerializable("key_object", myObject);
// 从 Bundle 中取出数据：int valueInt = bundle.getInt("key_int", 0);String valueString = bundle.getString("key_string", null);boolean valueBoolean = bundle.getBoolean("key_boolean", false);
// 取出自定义对象：MyObject myObject = (MyObject) bundle.getSerializable("key_object");

实际应用

Activity 之间传递数据：
当启动一个新的 Activity 时，可以通过 Intent 携带 Bundle 来传递数据。

 Intent intent = new Intent(this, SecondActivity.class);Bundle bundle = new Bundle();bundle.putString("data_key", "Data to pass");intent.putExtras(bundle);startActivity(intent);

在接收数据的 Activity 中获取数据：

     Bundle extras = getIntent().getExtras();if (extras!= null) {String data = extras.getString("data_key");}

Fragment 之间传递数据：
与Activity之间传递数据类似
保存和恢复状态：
在 Activity 或 Fragment 的生命周期方法中，可以使用 Bundle 来保存和恢复状态。
例如，在onSaveInstanceState()方法中保存数据：

     @Overrideprotected void onSaveInstanceState(Bundle outState) {super.onSaveInstanceState(outState);outState.putString("saved_data_key", "Data to save");}

在onCreate()或onViewStateRestored()方法中恢复数据：

     @Overrideprotected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {super.onCreate(savedInstanceState);if (savedInstanceState!= null) {String savedData = savedInstanceState.getString("saved_data_key");}}

3 信使 Messenger

本质

同2，也属于消息传递

基于Binder机制实现的跨进程通信

基本用法

在Messenger中放入需要传递的数据即可传递
应用场景：服务端串行处理客户端消息

创建 Messenger：
在服务端（Service）创建一个Messenger对象，并将其与一个Handler关联，用于处理接收到的消息。

        public class MyService extends Service {private final Messenger messenger = new Messenger(new IncomingHandler());private static class IncomingHandler extends Handler {@Overridepublic void handleMessage(Message msg) {// 处理来自客户端的消息switch (msg.what) {case MSG_FROM_CLIENT:// 执行相应操作break;default:super.handleMessage(msg);}}}@Overridepublic IBinder onBind(Intent intent) {return messenger.getBinder();}}

在客户端（Activity 等）获取 Messenger：
通过绑定服务获取服务端返回的IBinder，然后创建一个Messenger对象指向服务端的Messenger。

        public class MyActivity extends Activity {Messenger serviceMessenger;@Overrideprotected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {super.onCreate(savedInstanceState);Intent intent = new Intent();intent.setComponent(new ComponentName("com.example.otherprocess", "com.example.otherprocess.MyService"));bindService(intent, serviceConnection, Context.BIND_AUTO_CREATE);}private ServiceConnection serviceConnection = new ServiceConnection() {@Overridepublic void onServiceConnected(ComponentName className, IBinder service) {serviceMessenger = new Messenger(service);// 发送消息给服务端Message msg = Message.obtain(null, MSG_FROM_CLIENT);try {serviceMessenger.send(msg);} catch (RemoteException e) {e.printStackTrace();}}@Overridepublic void onServiceDisconnected(ComponentName className) {serviceMessenger = null;}};}

Messenger 特点

简单易用：
Messenger的使用相对简单，不需要处理复杂的 AIDL（Android Interface Definition Language）接口定义和跨进程异常处理。
单向通信：
它通常用于单向通信，即客户端向服务端发送消息，服务端处理消息后不需要直接回复客户端。如果需要双向通信，可以结合多个Messenger对象或者使用其他更复杂的 IPC 机制。
安全可靠：
Android 系统会处理消息的传递和接收，确保通信的安全性和可靠性。同时，Messenger基于Handler机制，消息的处理在服务端的主线程中进行，避免了多线程同步的问题。

4 AIDL Android接口定义语言

底层基于Binder

通过将Binder对象转换成AIDL接口类型 & 调用其内方法，实现跨进程通信

应用场景

1对多的并发跨进程通信

具体应用

一、创建 AIDL 文件

在 Android Studio 中，在app/src/main/aidl目录下创建一个 AIDL 文件，比如IMyService.aidl：

   package com.example.myapp;interface IMyService {String getMessage();}

二、实现服务端

创建一个服务类，实现 AIDL 接口定义的方法：

   public class MyService extends Service {private final IMyService.Stub binder = new IMyService.Stub() {@Overridepublic String getMessage() {return "Hello from service";}};@Nullable@Overridepublic IBinder onBind(Intent intent) {return binder;}}

在AndroidManifest.xml中注册服务：

   <service android:name=".MyService"><intent-filter><action android:name="com.example.myapp.IMyService" /></intent-filter></service>

三、实现客户端

绑定服务并获取 AIDL 接口的实例：

   public class MainActivity extends AppCompatActivity {private IMyService myService;@Overrideprotected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {super.onCreate(savedInstanceState);setContentView(R.layout.activity_main);Intent intent = new Intent();intent.setComponent(new ComponentName("com.example.myapp", "com.example.myapp.MyService"));bindService(intent, connection, Context.BIND_AUTO_CREATE);}private ServiceConnection connection = new ServiceConnection() {@Overridepublic void onServiceConnected(ComponentName className, IBinder service) {myService = IMyService.Stub.asInterface(service);try {String message = myService.getMessage();Log.d("MainActivity", message);} catch (RemoteException e) {e.printStackTrace();}}@Overridepublic void onServiceDisconnected(ComponentName className) {myService = null;}};}

在这个示例中，服务端实现了一个 AIDL 接口定义的方法，并在客户端绑定服务后获取了服务端的 AIDL 接口实例，从而可以调用服务端的方法实现跨进程通信。

5 ContentProvider

四大组件之一

底层基于Binder

Android中专门用于跨进程通信

6 套接字 Socket

底层原理是：TCP/IP协议族

应用层与 TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，表现为一个编程接口

使用类型主要有两种：

流套接字：基于TCP协议，采用字节流的方式传输数据
数据报套接字：基于UDP协议，采用数据报文方式传输数据

2. 进程与线程的定义、特点及其区别是什么？

2.1 进程

定义
是进程实体的运行过程 & 系统进行资源分配和调度的一个独立单位
作用
使多个程序可并发执行，以提高系统的资源利用率和吞吐量
进程状态说明（前三个为基础状态）

进程顺利运行需要的资源：2类：

某资源/某事件
处理机（CPU时间片）
只缺前者阻塞，只缺后者就绪，二者兼备则运行

状态转换

2.2 线程

定义
一个基本的CPU执行单元 & 程序执行流的最小单元

比进程更小的可独立运行的基本单位，可理解为：轻量级进程
组成：线程ID + 程序计数器 + 寄存器集合 + 堆栈
注：线程自己不拥有系统资源，与其他线程共享进程所拥有的全部资源。作用

减少程序在并发执行时所付出的时空开销，提高操作系统的并发性能。

状态说明
拥有类似于进程的就绪、阻塞、运行3种基本状态，具体如下图：
在这里插入图片描述

2.3 区别

在这里插入图片描述

3. 死锁的必要条件是什么？该如何处理？

3.1 定义

运行过程中，多个进程因争夺资源而造成的一种互相等待的僵局

若无外力作用，这些进程都将无法向前推进

3.2 原因

竞争资源：请求同一有限资源的进程数 > 可用资源数
进程推进顺序非法：请求 & 释放资源顺序不合理，如资源等待链

3.3 死锁的必要条件

1. 互斥条件

一段时间内资源仅为一个进程占有，即排他
此时若有其他进程请求该资源，则请求进程只能等待

2. 不可剥夺

进程已经获得的资源在未使用完毕前，不能被其他进程强行夺走
只能由获得资源的进程自己主动释放

3. 请求&保持

请求已被其他进程占有的资源时，该请求会被阻塞，但自身的资源保持不释放

4. 循环等待

存在一种进程资源的循环等待链，链中每一个进程已获得资源的同时被链中下个进程所请求

3.4 处理策略

在这里插入图片描述

3.5 其他办法：银行家算法

最著名的死锁避免算法

当进程首次申请资源时，要测试该进程对资源的最大需求量
若系统现存的资源可满足它的最大需求量，则按当前的申请量分配资源；否则，推迟分配

4. 虚拟内存的定义及其特点

4.1 定义

一个通过对内、外存调度、只是从逻辑上扩充了内存、但实际不存在的内存存储器

4.2 原理

部分装入：基于局部性原理，在程序装入时，可以将程序的一部分装入内存，而将其他部分留在外存，就可以启动程序执行
请求调入：在程序执行时，当所访问的信息不在内存时，由操作系统将所需要的部分调入内存 & 继续执行程序
置换功能：操作系统将内存中暂时不使用的内容换出到外存上，从而腾出空间存放将要调入内存的信息

4.3 特性

多次性：一个作业可分多次被调入内存
对换性：作业运行过程中存在换进换出的过程，即换出暂时不用的数据，换入需要的数据
虚拟性：从逻辑上扩充了内存的容量

4.4 实现方式

请求分页存储管理
请求分段存储管理
请求段页式存储管理

4.5 大小

由计算机的地址结构决定
并非是内存和外存的简单相加

5. 虚拟地址、逻辑地址、线性地址、物理地址的区别

虚拟地址：虚拟内存中的地址
逻辑地址：由程序产生的与段相关的偏移地址部分。如C语言中 &取值操作所得的地址
物理地址：出现在CPU外部地址总线上的寻址物理内存的地址信号，是地址变换的最终结果地址。
a. 若启用分页机制，线性地址会使用页目录 & 页表中的项变换成物理地址
b. 若无启用分页机制，线性地址就是物理地址
线性地址：逻辑地址到物理地址变换之间的中间层