操做系統實戰

操做系統實戰

臨界資源

保護臨界資源/進行通訊

• 線程間同步
• 互斥量和 讀寫鎖 自旋鎖 條件變量
• 進程間同步
• 共享內存 域套接字

重要概念

• 用戶態與內核態
• 上下文切換
• 協程

線程同步之互斥量

互斥量（鎖）能夠保證多線程的指令按順序執行，避免兩個線程的指令交叉執行（即 原子性）

• 原子性是指一系列操做指令不可被中斷執行，要麼所有執行，要麼所有沒有執行，不存在部分執行的狀況
• 互斥量是最簡單的線程同步的方法
• 互斥量（互斥鎖）是處於兩態之一的變量： 解鎖 和 加鎖
• 兩個狀態能夠保證資源訪問的串行

操做系統直接提供了互斥量的API，可以使用API完成資源的加鎖，解鎖的操做

pthread_mutex_t

線程同步之自旋鎖

• 自旋轉也是一種多線程同步的變量
• 使用自旋轉的線程會反覆檢查鎖的變量是否可用
• 自旋轉不會讓出CPU，是一種忙等待 的狀態 （死循環等待鎖被釋放）

自旋鎖避免了進程或線程的**上下文切換**的開銷

操做系統內部不少地方使用的是自旋鎖
自旋鎖不適合在單核CPU使用

pthread_spinlock_t

線程同步之讀寫鎖

當臨界資源屬於 多讀少寫 的狀況，能夠採用效率更高的同步方法： 讀寫鎖 讀多寫少場景相比互斥量性能提出幾倍

• 讀寫鎖是一種特殊的 自旋鎖
• 容許多個讀者同時訪問資源以提升讀性能（讀 不改變臨界資源的值）
• 對於寫操做則是 互斥 的

pthread_rwlock_t
pthread_relock_rdlock
pthread_rwlock_wrlock

線程同步之條件變量

在生產消費場景中面臨如下狀況
1 緩衝區小於0時，不容許消費者消費，消費者必須等待
2 緩衝區滿時，不容許生產者往緩衝區生產，生產者必須等待
當生產者生產一個產品時，喚醒可能等待的消費者
當消費者消費一個產品時，喚醒可能等待的生產者

pthread_cond_t 配合 互斥量（鎖）使用
pthread_cond_wait
pthread_cond_signal

• 條件變量是一種相對複雜的線程同步方法
• 條件變量容許線程睡眠，直到知足某種條件
• 當知足條件時，能夠向該線程信號，通知喚醒

線程同步方法總結

1 互斥鎖 最簡單的線程同步方法，會阻塞線程
2 自旋鎖 避免上下文切換的一種線程同步方法，屬性忙等待CPU
3 讀寫鎖 爲多讀少寫的資源設計的線程同步方法，顯著提升性能
4 條件變量 相對複雜的多線程同步方法，配合互斥量，更靈活的使用場景

使用fork系統調用建立進程

java python 等語言底層也是經過fork 建立進程

• fork系統調用是用於建立進程的
• fork建立的進程初始狀態與父進程同樣
• 系統會爲fork的進程分配新的資源
• fork系統調用無參數 fork會返回兩次 ，分別是子進程id 和 0

進程同步之共享內存

進程的線程共享進程資源，理論上進程之間因爲操做系統的進程管理機制（進程-頁表-物理內存），進程間的內存空間是相互獨立的，（進程默認是不能訪問進程空間以外的內存空間）但進程能夠經過共享內存打破這樣的限制

• 共享存儲容許不相關的進程訪問同一片物理內存
• 共享存儲是兩個進程之間共享和傳遞數據最快的一種方式
• 共享內存未提供同步機制，須要藉助其餘機制管理訪問

共內存是高性能後臺開發中最經常使用的進程同步方式

共享內存實現流程

1 申請共享內存
2 鏈接到進程空間
3 使用共享內存
4 脫離進程空間&刪除