Unix/Linux系统编程（自学笔记3）

一.进程同步

　　（前言）关于进程

　　操作系统是一个多任务处理系统。在操作系统中，任务也称作进程。在实际的应用中，任务和进程这两个术语可以互换使用。这里有一个关于执行映像的概念，我们把执行映像定义为包含执行代码、数据和堆栈的存储区（类似一个存放我们可被执行内容的仓库，只不过这个仓库采用的是堆栈方式，先进后出）。

　　而进程，正式定义为对映像的执行（即一个是仓库，一个是对仓库内容物的处理）

　　进程通常被定义为一个正在运行的程序的实例。简单来说，磁盘上的可执行文件被载入内存执行之后，就变成“进程”了。

　　（一）进程的创建（参考链接：https://blog.csdn.net/lena7/article/details/119845079）

　　1.父子进程

    在OS中，允许一个进程创建另一个进程，创建者称为父进程，被创建者称为子进程，子进程也能创建更多孙进程。结构像树一样。如在UNIX中，由父子进程组成一个进程组。
    子进程可以继承父进程所拥有的的资源。当子进程被撤销时，应将从父进程那里获得的资源归还给父进程。此外，在撤销父进程的时候，也必须同时撤销其所有子进程。

　　2.进程创建过程

　　OS调用进程创建原语Creat，该原语按照以下步骤创建一个新进程：

    1)申请空白PCB，为新进程从申请获得唯一的数字标识符。
    2)为新进程分配其运行所需资源，包括各种物理资源和逻辑资源，如CPU时间、所需内存大小、I/O设备等。
    3)初始化PCB：①初始化标识信息（数字标识符和父进程标识符）

　　　　　　　　②初始化处理机状态（程序计数器指向程序入口地址，栈指针指向栈顶）

　　　　　　　　 ③初始化处理机控制信息（设置进程状态、优先级等）
如果进程就绪队列能够接纳新进程，便将新进程插入就绪队列。

　　（二）进程同步(参考链接：https://blog.csdn.net/m0_56561130/article/details/119678738)

　　这里有一个关于进程同步的类比，有助于更好的了解进程同步的概念：

　　在这个例子中，司机和售票员的工作就类似两个进程（任务），司机的任务在于“启动车辆”“驾驶车辆”“停靠车辆”，而售票员的任务则是“打开车门”“售票”“关闭车门”。

　　但这两个进程之间却不能独立存在进行，比如司机不能在售票员还未关闭车门的时刻就启动车辆，他需要确定售票员已经完成了售票并关好了车门；售票员打开车门之前需要等待司机停靠好了车辆。那么需要同步的就是司机启动车辆之前及售票员打开车门之前。

　　那么，在特定的时候需要让进程“睡眠”，去等待另一个进程的执行；而在另一个进程执行到相应的位置后，需要将“睡眠”的进程“唤醒”。

　　引入“睡眠”和“唤醒”后，司机和售票员的进程如上图所示。

　　所以接下来的问题是，我们在进程中如何知道何时该“睡眠”，何时将被“唤醒”。

　　睡眠模式/唤醒模式(参考链接：https://blog.csdn.net/Blackoutdragon/article/details/104802787)

　　很多时候，进程同步问题被比作“生产者—消费者问题”。生产者—消费者问题是相互合作关系的进程关系的一种抽象，是一个广义的概念，可以代表一类具有相同属性的进程。
　　生产者进程和消费者进程共用一个数据缓存区，生产者向缓存区写入数据，而消费者则从缓存区取出数据；当缓存区满的时候，生产者就必须睡眠，等待生产者取出数据后将其唤醒，而缓存区为空时，消费者需要等待生产者向缓冲区写入数据。

　　进程工作时：

生产者进入缓冲区，申请空的存储单元，没有则阻塞
消费者进入缓冲区，申请满的存储单元，没有则阻塞

　　生产者图例：

　　消费者图例：

　　我们定义empty和full两个信号：empty表示“空闲缓存区个数”，消费者进程用掉一个内容单元时，即产生一个空闲缓存区，就会向生产者进程发送一个empty信号；而生产者在向一个空闲单元填入内容后，也会向消费者发送一个full信号。

　　如上上图所示，当counter == BUFFER_SIZE时，也就是说缓存区已经满了，生产者就会进入睡眠状态，等待信号empty；直到消费者使用了一个内存单元，发现counter == BUFFER_SIZE，有空闲的内存单元了，就会向生产者进程发送empty信号，将其唤醒。

　　但是如果存在两个消费者进程P1和P2的情况下，又会出现什么情况了？

　　当缓冲区满了，那么P1和P2进程都分别进入了阻塞状态，等待empty信号；而当消费者进程使用了一个内存单元后，判断counter == BUFFER_SIZE-1，就会向P1发送empty信号，P1就会被唤醒；而当消费者进程再循环一次，counter == BUFFER_SIZE-2，但此时并不会触发wake_up，P2无法被唤醒。

　　而为了解决这一问题，必须将信号转变为信号量。

　　（1）信号量就是一个整型变量，用来记录和进程同步有关的重要信息；

　　（2）能让进程阻塞睡眠在这个信号量上；

　　（3）需要同步的进程对信号量进行操作（加一减一）实现进程的阻塞和唤醒。

　　（三）进程的终止（参考链接：https://blog.csdn.net/m0_46657980/article/details/109060421）

　　执行程序映像的进程可能以两种方式中止：正常终止、异常终止

　　1.进程常见退出方法

　　（1）main函数中的return

　　普通函数中的return只能退出函数，不能退出进程

　　（2）void exit (int status);

　　在任意位置调用程序的任意位置退出一个进程

　　（3）void _exit (int status);

　　在任意位置调用程序的任意位置退出一个进程