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C++ 多线程面试题详解

2018-01-16 22:33 204 查看

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首先看看堆栈

堆：　是大家共有的空间，分全局堆和局部堆。全局堆就是所有没有分配的空间，局部堆就是用户分配的空间。堆在操作系统对进程初始化的时候分配，运行过程中也可以向系统要额外的堆，但是记得用完了要还给操作系统，要不然就是内存泄漏。
栈：是个线程独有的，保存其运行状态和局部自动变量的。栈在线程开始的时候初始化，每个线程的栈互相独立，因此，栈是　thread safe的。每个Ｃ　＋＋对象的数据成员也存在在栈中，每个函数都有自己的栈，栈被用来在函数之间传递参数。操作系统在切换线程的时候会自动的切换栈，就是切换　ＳＳ／ＥＳＰ寄存器。栈空间不需要在高级语言里面显式的分配和释放。

然后看一下Linux的内存空间模型，这个图在很多地方都看过。

从上图可提取以下三点信息:

进程栈空间从0xC0000000往下进行分配

运行时堆通过malloc进行分配,位置处于.bss与0x40000000之间

在Glibc的malloc中,对于小于128k的需求,直接从堆中分配,而大于128k的需求则通过mmap从文件映射区之后分配,因此地址会大于0x40000000.

因此,对于以LinuxThread实现的多线程而言,要区分以下两种情况:

管理线程,管理线程的堆栈与普通进程无异,即以上提到的三点（这里我认为，就是指主线程）

普通线程,因为线程会在进程堆中申请一块空间(THREAD_MANAGER_STACK_SIZE=8M?)当作自已的运行栈,而我们知道,大于128k的malloc会采用mmap方式从文件映射区之后分配,所以,普通线程的栈地址就在这个空间内,即大于0x40000000

另外，msdn forum上面有个回答。

When we create a new thread, a new stack is allocated by CLR, with 1MB memory space, the stack is used to store method local variable, or parameters passed to next method.// CLR分配线程栈

A stack is the snapshot of a thread's execution, from the stack, we can know what a thread is doing, which method the thread is now executing; Generally, different threads have different Method Call Sequence, so their stacks store
different data.//不同的线程有不同的线程栈

If we use synchronization logic in our code (for example, use lock keyword), supposing thread A has entered
the critical area, thread A's stack will keep on growing (because of calling other methods or allocating more local variables); when thread B trying to enter same area, a data structure in the Heap will be checked, the data structure can tell that the critical
area is occupied by thread A, so thread B will wait there.//堆里面的一个数据结构会检查，告诉临界区已经属于A，所以B会等待。

Threads are scheduled by OS (according to the priority), so thread A can create/start thread B, but thread A cannot assign CPU time to thread B. from the perspective of OS, all threads are same with each other, no primary, no secondary.//线程可以创建线程，但是不能分配cpu时间，因为这是由操作系统干的

面试总结-进程、线程与多线程

1.进程和线程有什么区别？
这个一个最常见，却最不好回答的问题，csdn上面一位博主给出的解答和另一位cnblog博主的解答稍微清晰些一些，总结起来，就是一下的几个区别：
　　　　a.进程是资源分配的基本单位，线程是cpu调度，或者说是程序执行的最小单位。在Mac、Windows NT等采用微内核结构的操作系统中，进程的功能发生了变化：它只是资源分配的单位，而不再是调度运行的单位。在微内核系统中，真正调度运行的基本单位是线程。因此，实现并发功能的单位是线程。
　　　　b.进程有独立的地址空间，比如在linux下面启动一个新的进程，系统必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的代码段、堆栈段和数据段，这是一种非常昂贵的多任务工作方式。而运行一个进程中的线程，它们之间共享大部分数据，使用相同的地址空间，因此启动一个线程，切换一个线程远比进程操作要快，花费也要小得多。当然，线程是拥有自己的局部变量和堆栈（注意不是堆）的，比如在windows中用_beginthreadex创建一个新进程就会在调用CreateThread的同时申请一个专属于线程的数据块（_tiddata)。
　　　　c.线程之间的通信比较方便。统一进程下的线程共享数据（比如全局变量，静态变量），通过这些数据来通信不仅快捷而且方便，当然如何处理好这些访问的同步与互斥正是编写多线程程序的难点。而进程之间的通信只能通过进程通信的方式进行。
　　　　d.由b，可以轻易地得到结论：多进程比多线程程序要健壮。一个线程死掉整个进程就死掉了，但是在保护模式下，一个进程死掉对另一个进程没有直接影响。
　　　　e.线程的执行与进程是有区别的。每个独立的线程有有自己的一个程序入口，顺序执行序列和程序的出口，但是线程不能独立执行，必须依附与程序之中，由应用程序提供多个线程的并发控制。

2. 什么是线程安全？（2012年5月百度实习生面试）
　　如果多线程的程序运行结果是可预期的，而且与单线程的程序运行结果一样，那么说明是“线程安全”的。
3. 秒杀多线程中的题目解答
　　a.线程的概念、线程的基本状态及状态之间的关系
　　　　另外，这个网址里面讲操作系统的知识倒是挺详实的，还有另外一种解释线程概念
　　b.多线程的几种实现方法分别是什么？
　　　　这个貌似在java面试中会出现，我是专注于c++的，无视掉，但是不得不说，秒杀多线程面试题系列真心是个好总结
　　c.多线程同步与互斥有几种实现方法？都是什么？（C++）
　　　临界区（CS:critical section）、事件（Event）、互斥量（Mutex）、信号量（semaphores），需要注意的是，临界区是效率最高的，因为基本不需要其他的开销，二内核对象涉及到用户态和内核态的切换，开销较大，另外，关键段、互斥量具有线程所有权的概念，因此只可以用于线程之间互斥，而不能用到同步中。只有互斥量能完美解决进程意外终止所造成的“遗弃问题”。
　　d.多线程同步和互斥有何异同，在什么情况下分别使用他们？举例说明
　　　所谓同步，表示有先有后，比较正式的解释是“线程同步是指线程之间所具有的一种制约关系，一个线程的执行依赖另一个线程的消息，当它没有得到另一个线程的消息时应等待，直到消息到达时才被唤醒。”所谓互斥，比较正式的说明是“线程互斥是指对于共享的进程系统资源，在各单个线程访问时的排它性。当有若干个线程都要使用某一共享资源时，任何时刻最多只允许一个线程去使用，其它要使用该资源的线程必须等待，直到占用资源者释放该资源。线程互斥可以看成是一种特殊的线程同步。”表示不能同时访问，也是个顺序问题，所以互斥是一种特殊的同步操作。
　　　举个例子，设有一个全局变量global，为了保证线程安全，我们规定只有当主线程修改了global之后下一个子线程才能访问global，这就需要同步主线程与子线程，可用关键段实现。当一个子线程访问global的时候另一个线程不能访问global，那么就需要互斥。
　　　e.以下多线程对int型变量x的操作，哪几个需要进行同步：

　　　　A. x=y; B. x++; C. ++x; D. x=1;
答案是ＡＢＣ，显然，y的写入与x读y要同步，x++和++x都要知道x之前的值，所以也要同步。
　　　f.多线程中栈与堆是公有的还是私有的
　　　　A：栈公有, 堆私有
　　　　B：栈公有，堆公有
　　　　C：栈私有, 堆公有
　　　　D：栈私有，堆私有
　　　　答案是C,栈一般存放局部变量，而程序员一般自己申请和释放堆中的数据（详见堆与栈的区别）。
　　　g.在Windows编程中互斥量与临界区比较类似，请分析一下二者的主要区别。
　　　　临界区、互斥量、信号灯、事件的区别总结
　　　　针对这个题目的话，答案主要有以下几点：
　　　　 1）互斥量是内核对象，所以它比临界区更加耗费资源，但是它可以命名，因此可以被其它进程访问
　　　　 2）从目的是来说，临界区是通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问。

　　　互斥量是为协调共同对一个共享资源的单独访问而设计的。
　　　h.一个全局变量tally，两个线程并发执行（代码段都是ThreadProc)，问两个线程都结束后，tally取值范围。　

　　　　inttally = 0;

//global

　　　　voidThreadProc()

for

(inti = 1; i <= 50; i++)

　　  tally += 1;

　　当两线程串行时，结果最大为100，当某个线程运行结束，而此时另外一个线程刚取出0，还未计算时，结果最小为50。

【参考资料】
http://biancheng.dnbcw.info/linux/303270.html
http://social.msdn.microsoft.com/Forums/vstudio/en-US/fe507162-e16b-4095-b0d5-f3e26edf11bb

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