我的操作系统复习——进程（下）

　　上一篇博客是复习操作系统进程篇的上篇，包括进程状态、PCB、进程控制等——我的操作系统复习——进程（上），本篇博文是进程篇的下篇，开始复习进程同步、进程通信，以及重要的线程概念。

 

一、进程同步

 　　什么是同步？同步就是说一个任务要等另一个执行完毕才能继续执行，而不是同时执行。我们都知道，进程有异步性，这种性质会导致操作系统的混乱。进程同步，指的是进程之间的执行次序的管理，就是为了解决进程异步性的这种混乱。

　　（1）直接制约和间接制约。

　　进程之间有两种制约关系。分别是直接制约和间接制约。直接制约指的是进程间的合作，即一个进程需要另一个进程的配合，否则会阻塞。如输出缓冲区为空的时候，输出进程就会阻塞，输出进程依赖输入进程不断的输入。间接制约指的是对于某种资源，同时只能有一个进程占用，你用的时候，别人就不能用。

　　（2）同步机制应遵循的规则。

　　这是所有的同步机制所需要遵循的规则：

　　　　1）空闲让进。资源空闲的时候，允许进程访问。

　　　　2）忙则等待。资源被占用的时候，进程必须等待。

　　　　3）有限等待。应保证进程有限时间能访问到资源，不能无限等待。

　　　　4）让权等待。运行中的进程不能访问指定资源时，应释放处理机。

 

二、PV操作

　　PV操作的鼎鼎大名，想必很多人都听说过。它就是经典的实现最基本的进程同步机制的一对操作。为什么叫PV操作呢？它是鼎鼎大名的计算机学家狄克斯特拉用荷兰语定义的，在荷兰文中，通过叫passeren，释放叫vrijgeven。P操作又叫Wait(S)，本质是使用资源，V操作又叫Sign(S)，本质是释放资源。PV操作都是原子操作，要么全做，要么全不做，并且PV操作是成对的。我们来详细看看PV操作的原理，是怎么实现进程同步的。PV操作跟信号量是分不开的，先看看什么是信号量。

（1）什么是信号量？

　　信号量是一种数据结构。包括整形信号量、记录型信号量、AND型信号量和信号量集等。不同的信号量对应不同的数据结构，也对应不同的PV操作。信号量和操作它的PV操作构成了对

应的信号量机制，用来控制进程同步。

（2）整型信号量。

　　顾名思义，整形信号量的数据结构就是一个简单的整形，一般用整形S来表示。其上的PV操作如下：

（这里的程序代码都是Pascal代码）

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

　　如上，S代表的是资源数目。对于wait(S)操作，当资源数目小于等于0的时候，就一直等待。若有资源，就跳出循环，使用一个资源。

　　对于sinal(S)操作，每次执行都释放一个资源。

（3）记录型信号量。　　

　　这个信号量比整形信号量增加了一个标识进程指针的属性，指向所有等待的进程链表。

　　PV操作与整形信号量的区别在于，wait()时，若s<=0,那么阻塞自身，放弃处理机。signal()后，判断若s<=0,就唤醒一个进程。它的好处是当进程请求不到资源的时候，不会无限等待。

（4）AND型信号量。

　　AND型信号量是针对多个临界资源而言的。即将进程运行中所需要的所有资源一次性分配给进程，进程运行完毕后释放所有资源。相当于把进程所需的所有资源捆绑在一起了。做法就是在wait操作中增加一个AND条件：只有当进程所需的所有资源处于空闲状态时，进程才能继续操作。

（5）信号量集。

　　信号量集指的是一次性对N个某类资源的请求处理。上面的AND型信号量指的是对多个不同类型资源的处理，而信号量集指的是对同类的多个资源的处理，也相当于AND型信号量的特殊情况。

（6）管程

　　由于进程对某一个资源进行操作的时候，都需要自带一对PV操作，为了避免这种情况，把某个资源和进程对其进行的操作包装起来，这样的一个模块称为管程。它是操作系统中的一个资源管理模块，供进程调用。可以看到，管程实现了面向对象的思想。

（7）条件变量

　　在上面的进程同步的实现中都有一个很严重的隐含问题，那就是，如果某个进程一直不释放某个资源，其他进程就只能无止休地等待。条件变量的意义在于，除了原本的资源空闲就让进、处理完就释放这样的逻辑外，还有其他的条件。例如：资源空闲且XX条件，就让进。处理完成或XX条件就释放资源。这些额外的条件，就叫条件变量。

 

三、进程通信

 　　上面的通过信号量进行的进程同步，其本质是一种低级的通信机制。进程之间无法大量交换信息。那么两个进程之间想要实现大量的、频繁的信息交换，该怎么做呢？这就是高级通信机制了。高级通信机制有三大类：

　　（1）共享存储器系统。

　　　　存储器即内存，共享存储器，顾名思义，就是通信的两个进程通过共享的一块内存区域来通信，一个负责读一个负责写。而实际上面的信号量也是一种共享存储器系统，只不过进程间共享的是一个数据结构，并用PV操作对数据结构进行操作。

　　（2）消息传递系统。

　　　　进程间通过指定格式的消息进行通信。消息格式通常就是一个包含地址的头和一个包含内容的body。这种格式也叫做协议。我们常见的网络协议也是这种方式。消息传递系统分为直接通信方式和间接通信方式。直接通信方式即通信的进程双方都知道对方的存在，并在消息头中携带了自身和对方的地址信息。间接通信方式即进程间的消息传递不是直接传递给对方，而是有一个中间实体暂存、并转发，这样避免了进程双方接收、发送数据的速率不统一导致的进程阻塞。

　　（3）管道通信。

 　　　　管道是一种连接读进程和写进程的共享文件——pipe文件，其本质是固定大小的缓冲区，这个缓冲区将2个进程连接起来，这两个进程对管道是互斥的访问，且写进程写入数据后便阻塞，直到读进程取走所有数据才被唤醒继续写数据。这种一次性的读操作和写操作，虽然会导致进程堵塞，但是在读写的过程中无须维护读写指针，效率非常高。

 

四、线程

　　线程是什么？线程就为了使操作系统能够有更好的并发而创建的，相当于只拥有少量资源的进程——轻型进程。在这种多线程操作系统中，进程是拥有系统资源的基本单位，包含多个线程，为其提供资源，而进程本身不再作为可执行的实体，当进程执行的时候，实际上是其中的某个线程在执行。

（1）线程执行的本质。

　　理解线程就必须深入理解并发。并发的本质就是单处理机系统永远都是线性执行任务的。而线程的本质就是将原本为实现进程的时间片划分的更细，假设在某个单处理机操作系统中，时间片为20毫秒，即一个进程的单次执行时间为20毫秒，在这个进程内有50个线程在执行，那么划分后，平均每个线程的执行时间肯定小于0.4毫秒。不过对于大部分任务而言，这仍旧是足够的。线程无非就是这样。

（2）线程的类型和实现。

　　1）用户级线程（User Level Thread）——ULT。

　　这种线程的实现非常简单，对于处理器而言，它仍旧是在进行进程切换，并不知道有线程的存在。如果每个进程相当于一个车子，那每个线程都相当于一个司机，线程切换就是不断在换司机。

　　那么在进程内部如何分割出各种多线程的呢？进程中有一个函数集合，专门用来管理和控制线程的执行。这个函数集合被称为运行时系统。进程执行时就是执行它的运行时系统，对其中的线程进行切换管理。线程的运行时信息——线程控制块TCB存放在各自的堆栈中，每次切换的时候，运行时系统就从线程的堆栈中取得对应的运行时信息，设置CPU的寄存器中，之后便可以运行。值得注意的是，线程是不能直接调用系统资源的，线程需要系统资源时，需要由运行时系统来调用分配。

　　2）内核支持线程（KernelSupported Thread）——KST。

　　这种线程的创建、撤销、切换就不是依赖进程，是直接像进程调度一样由内核控制，由于线程基本不用有资源，所以这种调度也很快。内核支持线程的线程优先级通常比用户级线程要高很多。

　　那么内核支持线程如何实现的呢？创建一个进程时，系统为之分配一个任务数据区（Per Task Data Area），其中包含若干线程控制块TCB，这些TCB并非存放在进程资源内存中，而是保存在CPU的寄存器中。然后进行跟PCB非常类似的由处理器切换控制。

　　3）组合方式，由轻型进程（Light weight process）——LWP实现。

　　内核支持多KST线程的创建，同时支持ULT线程的创建，这种支持是通过轻型进程LWP实现的。轻型进程LWP的本质就是一个KST进程，它的特点就是能够让ULT连接，当ULT连接它的时候，就相当于在调用KST，可以实现KST的所有功能。所以一般LWP都是用线程池来实现的。可以看到LWP的目的就是为了让用户级线程ULT直接能调用系统资源。

 

　　

 参考：《计算机操作系统(汤子瀛)》