個人操做系統複習——進程（下）

　　上一篇博客是複習操做系統進程篇的上篇，包括進程狀態、PCB、進程控制等——個人操做系統複習——進程（上），本篇博文是進程篇的下篇，開始複習進程同步、進程通訊，以及重要的線程概念。

 

1、進程同步

 　　什麼是同步？同步就是說一個任務要等另外一個執行完畢才能繼續執行，而不是同時執行。咱們都知道，進程有異步性，這種性質會致使操做系統的混亂。進程同步，指的是進程之間的執行次序的管理，就是爲了解決進程異步性的這種混亂。

　　（1）直接制約和間接制約。

　　進程之間有兩種制約關係。分別是直接制約和間接制約。直接制約指的是進程間的合做，即一個進程須要另外一個進程的配合，不然會阻塞。如輸出緩衝區爲空的時候，輸出進程就會阻塞，輸出進程依賴輸入進程不斷的輸入。間接制約指的是對於某種資源，同時只能有一個進程佔用，你用的時候，別人就不能用。

　　（2）同步機制應遵循的規則。

　　這是全部的同步機制所須要遵循的規則：

　　　　1）空閒讓進。資源空閒的時候，容許進程訪問。

　　　　2）忙則等待。資源被佔用的時候，進程必須等待。

　　　　3）有限等待。應保證進程有限時間能訪問到資源，不能無限等待。

　　　　4）讓權等待。運行中的進程不能訪問指定資源時，應釋放處理機。

 

2、PV操做

　　PV操做的鼎鼎大名，想必不少人都據說過。它就是經典的實現最基本的進程同步機制的一對操做。爲何叫PV操做呢？它是鼎鼎大名的計算機學家狄克斯特拉用荷蘭語定義的，在荷蘭文中，經過叫passeren，釋放叫vrijgeven。P操做又叫Wait(S)，本質是使用資源，V操做又叫Sign(S)，本質是釋放資源。PV操做都是原子操做，要麼全作，要麼全不作，而且PV操做是成對的。咱們來詳細看看PV操做的原理，是怎麼實現進程同步的。PV操做跟信號量是分不開的，先看看什麼是信號量。

（1）什麼是信號量？

　　信號量是一種數據結構。包括整形信號量、記錄型信號量、AND型信號量和信號量集等。不一樣的信號量對應不一樣的數據結構，也對應不一樣的PV操做。信號量和操做它的PV操做構成了對

應的信號量機制，用來控制進程同步。

（2）整型信號量。

　　顧名思義，整形信號量的數據結構就是一個簡單的整形，通常用整形S來表示。其上的PV操做以下：

（這裏的程序代碼都是Pascal代碼）

wait(S):    while S <= 0  do no-op;
            s := s - 1
sinal(S):    s := s + 1

　　如上，S表明的是資源數目。對於wait(S)操做，當資源數目小於等於0的時候，就一直等待。如有資源，就跳出循環，使用一個資源。

　　對於sinal(S)操做，每次執行都釋放一個資源。

（3）記錄型信號量。　　

　　這個信號量比整形信號量增長了一個標識進程指針的屬性，指向全部等待的進程鏈表。

　　PV操做與整形信號量的區別在於，wait()時，若s<=0,那麼阻塞自身，放棄處理機。signal()後，判斷若s<=0,就喚醒一個進程。它的好處是當進程請求不到資源的時候，不會無限等待。

（4）AND型信號量。

　　AND型信號量是針對多個臨界資源而言的。即將進程運行中所須要的全部資源一次性分配給進程，進程運行完畢後釋放全部資源。至關於把進程所需的全部資源捆綁在一塊兒了。作法就是在wait操做中增長一個AND條件：只有當進程所需的全部資源處於空閒狀態時，進程才能繼續操做。

（5）信號量集。

　　信號量集指的是一次性對N個某類資源的請求處理。上面的AND型信號量指的是對多個不一樣類型資源的處理，而信號量集指的是對同類的多個資源的處理，也至關於AND型信號量的特殊狀況。

（6）管程

　　因爲進程對某一個資源進行操做的時候，都須要自帶一對PV操做，爲了不這種狀況，把某個資源和進程對其進行的操做包裝起來，這樣的一個模塊稱爲管程。它是操做系統中的一個資源管理模塊，供進程調用。能夠看到，管程實現了面向對象的思想。

（7）條件變量

　　在上面的進程同步的實現中都有一個很嚴重的隱含問題，那就是，若是某個進程一直不釋放某個資源，其餘進程就只能無止休地等待。條件變量的意義在於，除了本來的資源空閒就讓進、處理完就釋放這樣的邏輯外，還有其餘的條件。例如：資源空閒且XX條件，就讓進。處理完成或XX條件就釋放資源。這些額外的條件，就叫條件變量。

 

3、進程通訊

 　　上面的經過信號量進行的進程同步，其本質是一種低級的通訊機制。進程之間沒法大量交換信息。那麼兩個進程之間想要實現大量的、頻繁的信息交換，該怎麼作呢？這就是高級通訊機制了。高級通訊機制有三大類：

　　（1）共享存儲器系統。

　　　　存儲器即內存，共享存儲器，顧名思義，就是通訊的兩個進程經過共享的一塊內存區域來通訊，一個負責讀一個負責寫。而實際上面的信號量也是一種共享存儲器系統，只不過進程間共享的是一個數據結構，並用PV操做對數據結構進行操做。

　　（2）消息傳遞系統。

　　　　進程間經過指定格式的消息進行通訊。消息格式一般就是一個包含地址的頭和一個包含內容的body。這種格式也叫作協議。咱們常見的網絡協議也是這種方式。消息傳遞系統分爲直接通訊方式和間接通訊方式。直接通訊方式即通訊的進程雙方都知道對方的存在，並在消息頭中攜帶了自身和對方的地址信息。間接通訊方式即進程間的消息傳遞不是直接傳遞給對方，而是有一箇中間實體暫存、並轉發，這樣避免了進程雙方接收、發送數據的速率不統一致使的進程阻塞。

　　（3）管道通訊。

 　　　　管道是一種鏈接讀進程和寫進程的共享文件——pipe文件，其本質是固定大小的緩衝區，這個緩衝區將2個進程鏈接起來，這兩個進程對管道是互斥的訪問，且寫進程寫入數據後便阻塞，直到讀進程取走全部數據才被喚醒繼續寫數據。這種一次性的讀操做和寫操做，雖然會致使進程堵塞，可是在讀寫的過程當中無須維護讀寫指針，效率很是高。

 

4、線程

　　線程是什麼？線程就爲了使操做系統可以有更好的併發而建立的，至關於只擁有少許資源的進程——輕型進程。在這種多線程操做系統中，進程是擁有系統資源的基本單位，包含多個線程，爲其提供資源，而進程自己再也不做爲可執行的實體，當進程執行的時候，其實是其中的某個線程在執行。

（1）線程執行的本質。

　　理解線程就必須深刻理解併發。併發的本質就是單處理機系統永遠都是線性執行任務的。而線程的本質就是將本來爲實現進程的時間片劃分的更細，假設在某個單處理機操做系統中，時間片爲20毫秒，即一個進程的單次執行時間爲20毫秒，在這個進程內有50個線程在執行，那麼劃分後，平均每一個線程的執行時間確定小於0.4毫秒。不過對於大部分任務而言，這仍舊是足夠的。線程無非就是這樣。

（2）線程的類型和實現。

　　1）用戶級線程（User Level Thread）——ULT。

　　這種線程的實現很是簡單，對於處理器而言，它仍舊是在進行進程切換，並不知道有線程的存在。若是每一個進程至關於一個車子，那每一個線程都至關於一個司機，線程切換就是不斷在換司機。

　　那麼在進程內部如何分割出各類多線程的呢？進程中有一個函數集合，專門用來管理和控制線程的執行。這個函數集合被稱爲運行時系統。進程執行時就是執行它的運行時系統，對其中的線程進行切換管理。線程的運行時信息——線程控制塊TCB存放在各自的堆棧中，每次切換的時候，運行時系統就從線程的堆棧中取得對應的運行時信息，設置CPU的寄存器中，以後即可以運行。值得注意的是，線程是不能直接調用系統資源的，線程須要系統資源時，須要由運行時系統來調用分配。

　　2）內核支持線程（KernelSupported Thread）——KST。

　　這種線程的建立、撤銷、切換就不是依賴進程，是直接像進程調度同樣由內核控制，因爲線程基本不用有資源，因此這種調度也很快。內核支持線程的線程優先級一般比用戶級線程要高不少。

　　那麼內核支持線程如何實現的呢？建立一個進程時，系統爲之分配一個任務數據區（Per Task Data Area），其中包含若干線程控制塊TCB，這些TCB並不是存放在進程資源內存中，而是保存在CPU的寄存器中。而後進行跟PCB很是相似的由處理器切換控制。

　　3）組合方式，由輕型進程（Light weight process）——LWP實現。

　　內核支持多KST線程的建立，同時支持ULT線程的建立，這種支持是經過輕型進程LWP實現的。輕型進程LWP的本質就是一個KST進程，它的特色就是可以讓ULT鏈接，當ULT鏈接它的時候，就至關於在調用KST，能夠實現KST的全部功能。因此通常LWP都是用線程池來實現的。能夠看到LWP的目的就是爲了讓用戶級線程ULT直接能調用系統資源。

 

　　

 參考：《計算機操做系統(湯子瀛)》