面试题：进程管理之线程同步与进程同步差异基础

Question

请简要阐述线程同步和进程同步在同步机制（如锁、信号量等）应用上的主要差异，并举例说明在何种场景下适合使用线程同步，何种场景下适合使用进程同步。

Answer 1

线程同步和进程同步在同步机制应用上的主要差异

1. 资源共享程度
   • 线程同步：线程共享进程的地址空间，因此它们对共享数据的访问非常直接。这使得锁等同步机制的实现相对简单，因为线程间的数据传递无需额外的通信机制。例如，多个线程访问同一个全局变量，使用互斥锁来保证同一时间只有一个线程能修改该变量。
   • 进程同步：进程拥有独立的地址空间，不同进程之间不能直接访问彼此的数据。所以进程同步不仅要解决资源竞争问题，还要处理进程间的数据共享和通信问题。例如，使用信号量来控制多个进程对共享内存区域的访问。
2. 同步开销
   • 线程同步：由于线程共享进程资源，线程同步的开销相对较小。比如使用互斥锁，线程切换上下文的开销较小，因为它们在同一进程内。
   • 进程同步：进程同步开销较大。因为进程间独立，同步操作往往涉及内核态的系统调用，如创建共享内存、信号量操作等，这些操作需要更多的时间和资源来完成上下文切换。
3. 同步机制复杂度
   • 线程同步：常用的同步机制如互斥锁、条件变量等相对简单直接，用于保护共享数据。例如，线程池中的线程对任务队列的访问，用互斥锁防止多个线程同时修改任务队列。
   • 进程同步：进程同步机制更复杂，因为要考虑进程间的独立性。除了信号量，还可能用到消息队列、管道等通信机制与同步机制结合。例如，生产者 - 消费者模型中，生产者进程和消费者进程通过共享内存和信号量进行数据传递和同步。

适合使用线程同步的场景

1. 多核 CPU 计算密集型任务：如矩阵运算。一个矩阵运算程序可以将矩阵划分成多个部分，每个线程负责一部分的计算。由于线程共享进程的内存空间，它们可以直接访问和修改矩阵数据，通过锁机制保证不同线程对矩阵数据的访问一致性，这样可以充分利用多核 CPU 的计算能力，提高运算效率。
2. I/O 多路复用场景：在网络服务器中，使用线程来处理不同的客户端连接。多个线程可以同时监听不同的套接字，当有数据到达时进行相应处理。例如，一个简单的 Web 服务器，每个线程处理一个 HTTP 请求，线程间共享服务器的一些全局配置和缓存数据，通过线程同步机制保证数据的一致性。

适合使用进程同步的场景

1. 分布式系统中的节点通信：例如，一个分布式数据库系统，不同的数据库节点是独立的进程。这些进程需要通过进程同步机制（如消息队列和信号量）来协调数据的复制、更新等操作。每个节点进程独立运行，通过进程同步确保数据的一致性和操作的有序性。
2. 需要隔离和保护的任务：比如一个安全扫描程序，它需要对系统文件进行检测。为了防止扫描过程中对系统造成影响（如误修改系统关键文件），可以将扫描任务作为独立进程运行。进程之间通过共享内存和信号量来传递扫描结果和控制信息，这样即使扫描进程出现异常，也不会影响系统其他部分的正常运行。