操作系统与浏览器原理

进程与线程？

为什么需要进程？在分时系统中，对于程序的管理是必要的。就比如两个程序A和B都要去写同一块磁盘的同一段地址空间，这就会产生冲突，需要第三方介入去管理谁先谁后，这个第三方就是操作系统。所以，为了便于描述对程序的控制，学术上就有了进程这个名词，实际上它就代指一个程序。操作系统通过一些手段比如 PCB 表、中断、信号、调度算法来实现多进程的管理，从而最大化对 CPU 时间的利用率。这就是进程的相关概念。

为什么需要线程？在一个多进程的应用程序中，进程之间的切换开销是很大的。这是因为进程是操作系统管理的，切换需要进内核。于是各种语言就去实现一个用户级的线程，相当于一个程序拿到时间片后去做操作系统做的事，就是对时间片再分配给各个程序段，从而实现子线程。由于这种线程是在用户态的，切换的时候不需要进内核，所以效率很高。多个线程之间，也实现了和多个进程之间一样的锁，用于实现资源互斥共享。

调度算法（了解即可）

传统作业：先来先服务、最短作业优先、高响应比优先（等待时间/要求服务时间）

分时系统：时间片轮转调度、最高优先级调度（静态/动态优先级、抢占式/非抢占式）、多级反馈队列（就是一个队列套队列，多个优先级）

锁和死锁

由于存在资源占有的问题，所以就需要给某个变量上锁。比如两个进程都需要对某个地址空间进行写操作，显然这个写操作是存在冲突的。用 C 语言可以在要持有变量的程序前面写一行上锁代码 pthread_mutex_lock, 在修改完变量之后使用 unlock 来释放掉锁。

死锁，就是说两个进程或者线程，都在等待对方释放锁，形成了循环等待。

死锁产生的四个必要条件：

• 资源互斥，即一个资源无法同时被多个进程持有；
• 非抢占式，一旦一个资源被某个进程持有，别的进程不可以剥夺；
• 请求和保持：进程已经持有了该资源，但还是需要请求其他的已经加锁的资源；
• 循环等待，在上述条件下，构成了一条请求-等待的循环链，第一个进程等第二个，第二个等第三个...一直到最后一个等第一个。

如何避免死锁：回答出上述四个条件，指出破坏其中一条即可。由于前三条总是不可避免的需要满足，所以一般是破坏最后一个条件，也就是去显式的设计一条 lock ordering ，也就是显式的说明加锁顺序。将整个加锁顺序进行拓扑排序，我们就可以避免出现有环图。

互斥设计的发展

• 先人设计：皮特森算法，高级语言层面利用代码逻辑来实现互斥的资源访问
• 原子操作：在汇编语言或者高级语言中实现一组原子操作，用于被编译器编译成不可被拆分的一系列操作，从而强制代码执行顺序。
• 自旋锁：通过原子操作实现，但存在一个线程拿到锁后，其他线程拿到时间片后 retry 锁状态，cpu 无效计算的问题。
• 互斥锁：将锁的控制权交给第三方，当一个进程抢锁占用失败后，就进入挂起状态，由线程库维护一个挂起队列，等到锁被释放的时候，主线程才会将锁直接交给阻塞线程。
• 条件变量：互斥锁只实现了资源的互斥控制，同时保证了 cpu 时间片不会因为锁的抢占而自旋。但是锁的使用一般都需要搭配条件来使用，即“在满足某个条件下，我才会去做 xxx，而做 xxx 之前需要上锁”。这就是条件变量的意义，提供了条件的语义，它必须配合锁来使用。
• 信号量：扩展了条件变量，维护条件从“资源是否被占用”变为了“是否有资源可用”。

乐观锁

乐观锁并不是锁的实现，而是一种技巧，比如一个场景就是在线文档多人协同编辑。考虑到网络延迟因素，我们没有办法让用户本地的锁和服务器上的锁完全同步。但我们可以假定用户都可以编辑，将所有的冲突处理放在定期的轮询上，比如一秒检查一次，进行验证，根据时间戳判断是否存在写冲突，如果存在可以后者覆盖前者，或者进行一些特殊的提示。

总的来说，在业务操作过程中无法和数据库保持同步，就可以假定用户本地不存在锁机制，把所有的冲突放在后端处理。

搜索框输入内容并回车，发生了什么？

标准回答：

这个过程实际上涉及到浏览器的原理。一个浏览器的典型组成，包括一个主进程和若干子进程。子进程主要的有渲染进程、GPU进程。而对于主进程，它分为一些线程，包括主 UI线程、网络线程等。

导航过程

当我们输入URL的时候，这串字符串被UI线程进行分析并分析出它是否是一个URI，亦或者普通的关键字。如果是普通的关键字，则把它拼接和处理成URL。这个时候，这串字符串就指向了一个合法的目标。然后网络线程就会去查看这串URI是否曾经被service worker记录，如果记录，它将把本次请求直接移交给它处理，否则它就会尝试目标URI建立连接，这个连接有可能是本地连接，也有可能是一串URL，典型的URL，会发送HTTP请求，建立TCP三次握手、并进行文件传输和存储，将获取的数据交给渲染进程，再比如如果获取的不是HTML而是一个压缩文件，响应数据将会交给下载管理器来处理。

渲染进程是按标签页分配的，这意味着，每个标签页都会新开一个渲染进程。这个创建新进程的过程，就发生在网络线程请求数据的过程中，被提前开启，来节约时间。渲染进程被确定下来和初始化，这会触发一个叫做提交导航的事件。该渲染进程去触发提交导航给UI线程，得到一个IPC信号量，浏览器进程收到信号后会进行BOM属性的更新，具体来讲安全锁标识、history、navigator 的更新。到这里，导航过程结束，页面加载阶段开始了。

加载阶段

这个过程就是渲染进程是叙述如何解析 html、css、js 代码的了。渲染进程也分为若干线程，绝大部分的这些代码，都是在主线程被处理的，主要的子线程包括合成线程、光栅线程。

在 html 解析过程中，浏览器会先运行“预加载扫描”，它会解析出 html 中需要再次发送网络请求的资源，比如遇到 script 标签，那么它就会通知网络线程去获取这些资源。这是因为如果遇到 js 脚本代码，他们将不得不顺序的加载 js，这会阻塞 html 的解析，这种特性可以通过 defer 和 async 来改变。

随后，DOM树被解析出来，这个过程所有的 css 也被收集并解析，渲染进程依次的根据 css 样式信息 形成了样式树，根据 css 布局信息 形成布局树，并进行页面分层优化（这个过程主要是为了降低流水线更新成本），形成层次树。随后，层次树被移交给合成线程，它将生成绘制记录，并把最终的结果发送给光栅线程，光栅线程光栅化每个图块并丢给GPU，最后GPU进程将处理并把整个页面显示在屏幕上。整个加载阶段结束，对应的事件 onLoad 被触发。