進(jìn)程的描述與控制

• 6.進(jìn)程的通信-高級通信
  • 進(jìn)程通信是指進(jìn)程之間的信息交換，根據(jù)交換信息量的多少分為:
    • 低級進(jìn)程通信:交換信息量較少，特點(diǎn)為
      • 效率低
      • 通信對用戶不透明
    • 高級進(jìn)程通信:交換信息量較多，效率高，又分為
      • 共享存儲(chǔ)器系統(tǒng):互相通信的進(jìn)程通過共享某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者存儲(chǔ)區(qū)讀寫來交換數(shù)據(jù)，前者是低級通信(基于共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的通信方式)，只適用于少量數(shù)據(jù)的交換，后者是高級通信(基于共享存儲(chǔ)區(qū)的通信方式)，通過在內(nèi)存中劃分一塊共享存儲(chǔ)區(qū)，諸進(jìn)程通過這個(gè)共享存儲(chǔ)區(qū)來進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信
      • 消息傳遞系統(tǒng):指進(jìn)程之間以消息為單位，程序員通過通信原語，在進(jìn)程間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，按照實(shí)現(xiàn)方式的不同分為
        • 直接通信方式:發(fā)送進(jìn)程利用OS提供的發(fā)送原語，直接將消息發(fā)送給接受進(jìn)程
          • 要求:發(fā)送進(jìn)程和接受進(jìn)程都以顯示方式提供對方的標(biāo)識符
          • OS提供的通信原語
            • Send(Receiver,message)
            • Receiver(Sender,message)
        • 間接通信方式:發(fā)送進(jìn)程和接受進(jìn)程通過共享一個(gè)中間實(shí)體(信箱)來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信。系統(tǒng)提供的若干條原語:
          • 信箱創(chuàng)建和撤銷原語
          • 兩條通信原語:①Send(Mailbox,message) 將消息發(fā)送給指定郵箱②Receive(mailbox,message)從指定郵箱接受消息
          • 信箱的分類:①私用郵箱(進(jìn)程是自己創(chuàng)建)②公用郵箱(OS創(chuàng)建)③共享郵箱(某進(jìn)程創(chuàng)建，但指定為共享的)
          • 發(fā)送進(jìn)程和接受進(jìn)程之間，存在四種相對關(guān)系:①一對一關(guān)系:發(fā)送進(jìn)程和接受進(jìn)程之間建立一條專用的通信鏈路②多對一關(guān)系:允許提供服務(wù)的進(jìn)程與多個(gè)用戶進(jìn)程進(jìn)行交互，也稱為客戶/服務(wù)器交互(C/S interaction)③一對多關(guān)系:允許一個(gè)發(fā)送進(jìn)程與多個(gè)接受進(jìn)程進(jìn)行交互，使發(fā)送進(jìn)程可用廣播方式，發(fā)送消息④多對多關(guān)系:允許建立一個(gè)公用郵箱，讓多個(gè)進(jìn)程都能向郵箱中投遞消息，也能取走自己的消息
        • 消息傳遞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的若干問題
          • 通信鏈路:為了在發(fā)送進(jìn)程和接受進(jìn)程間實(shí)現(xiàn)通信，需建立一條通信鏈路在兩個(gè)進(jìn)程間，建立鏈路有兩種方式:
            • 顯示建立鏈路(發(fā)送進(jìn)程需要在通信前用顯示"建立連接"原語命令請求OS為之建立一條通信鏈路，用完后就拆掉鏈路)
            • 隱式建立鏈路(發(fā)送進(jìn)程只需要利用OS提供的發(fā)送原語，OS會(huì)自動(dòng)為之創(chuàng)建一條鏈路)
            • 通信鏈路的鏈接方式:①點(diǎn)-點(diǎn)②多點(diǎn)
            • 通信方式:①單向通信鏈路:只允許發(fā)送進(jìn)程向接受進(jìn)程發(fā)送消息，或者相反②雙向通信鏈路:允許進(jìn)程A和進(jìn)程B同時(shí)互發(fā)消息
            • 通信鏈路的容量:①無容量②有容量
          • 消息格式
            • 消息頭
            • 消息正文
          • 進(jìn)程的同步方式
            • 發(fā)送進(jìn)程和接受進(jìn)程均堵塞:緊密同步，無緩沖
            • 發(fā)送進(jìn)程不堵塞，接受進(jìn)程堵塞:應(yīng)用廣
            • 發(fā)送和接受進(jìn)程均不堵塞:較常見，即發(fā)送和接受進(jìn)程都在忙自己事情，僅當(dāng)發(fā)生某事件使他無法繼續(xù)進(jìn)程，才會(huì)堵塞
        • 直接消息傳遞系統(tǒng)實(shí)例
          • 消息緩存隊(duì)列通信機(jī)制中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

            • 消息緩存區(qū)

              typedef struct message_buffer{
                  int sender; // 發(fā)送消息的進(jìn)程名稱或標(biāo)識符
                  int size;  // 發(fā)送消息的長度
                  char *text; // 發(fā)送消息的正文
                  struct message_buffer *next; // 指向下一個(gè)消息緩存區(qū)的指針
              }
              

            • 在進(jìn)程PCB中設(shè)計(jì)通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

              typedef struct processcontrol_block {
                  struct message_buffer *mq; //消息隊(duì)列隊(duì)里的首指針
                  semaphore mutex; // 消息隊(duì)列互斥信號量，初值為1
                  semaphore sm; // 消息隊(duì)列資源信號量
              }
              

          • 發(fā)送原語send
            • 申請一個(gè)消息緩存區(qū)，將發(fā)送區(qū)內(nèi)容(發(fā)送消息正文，進(jìn)程標(biāo)識符等)復(fù)制到這個(gè)緩存區(qū)；找到接受區(qū)的PCB，執(zhí)行互斥操作P(mutex),把緩存區(qū)掛到接受進(jìn)程消息隊(duì)列的尾部，執(zhí)行V(mutex),然后執(zhí)行V(sm),即消息數(shù)加1
          • 接受原語receive
          • 執(zhí)行P(sm),查看是否有信件，執(zhí)行互斥操作P(mutex),從消息隊(duì)列中摘下第一個(gè)消息，執(zhí)行V(mutex),把消息緩存區(qū)內(nèi)容復(fù)制到接收區(qū)，釋放消息緩存區(qū)

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        - 管道通信系統(tǒng)
            - 發(fā)送進(jìn)程(寫進(jìn)程)通過一個(gè)管道(*管道:連接一個(gè)讀進(jìn)程和一個(gè)寫進(jìn)程之間實(shí)現(xiàn)通信的共享文件*)以字符流形式將大量的數(shù)據(jù)送入管道，接受進(jìn)程(讀進(jìn)程)從管道接受數(shù)據(jù)

• 7.線程的基本概念
  • 引入線程的目的
    • 使多個(gè)程序能并發(fā)執(zhí)行
    • 改善資源利用率，提高系統(tǒng)吞吐量
    • 減少程序并發(fā)執(zhí)行時(shí)，所付出的時(shí)空開銷
    • 使OS具有更好的并發(fā)性
  • 線程的定義
    • 線程是進(jìn)程中的一個(gè)實(shí)體，是被系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位。線程基本上自己不擁有系統(tǒng)資源，只擁有少部分在運(yùn)行中必不可少的資源，但他可與同屬一個(gè)進(jìn)程中的其他線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源
    • 一個(gè)線程可以創(chuàng)建和撤銷另一個(gè)線程
    • 同一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程可以并發(fā)執(zhí)行
    • 當(dāng)一個(gè)線程改變了存儲(chǔ)器中的一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)，當(dāng)其他線程訪問這一項(xiàng)時(shí)，能夠看到修改后的結(jié)果
    • 若一個(gè)線程為讀操作打開一個(gè)文件時(shí)，同一個(gè)進(jìn)程中其他線程也能從該文件中讀
  • 線程的屬性
    • 線程是輕型實(shí)體?；旧喜粨碛邢到y(tǒng)資源，只有一點(diǎn)必不可少的、能保證獨(dú)立運(yùn)行的資源
    • 線程是獨(dú)立調(diào)度和分配的基本單位
    • 可并發(fā)執(zhí)行。一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程可并發(fā)執(zhí)行；不同進(jìn)程中的線程也能并發(fā)執(zhí)行
    • 共享進(jìn)程資源。同一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程，都可以共享該進(jìn)程所擁有的資源

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- 多線程
    - 指OS支持在一個(gè)進(jìn)程中執(zhí)行多個(gè)線程的能力
    - 傳統(tǒng)的進(jìn)程中只有一個(gè)線程在執(zhí)行
        - MS-DOS 是支持單用戶進(jìn)程和單線程的OS
        - UNIX支持多用戶進(jìn)程，但只支持每個(gè)進(jìn)程一個(gè)線程(即多進(jìn)程單線程)
    - 單進(jìn)程多線程的例子:JAVA運(yùn)行環(huán)境
    - 多進(jìn)程多線程的例子:Windows 2000
- 多線程OS中*進(jìn)程*的屬性
    -   作為系統(tǒng)資源分配的單位
    -   可包括多個(gè)線程。至少包括一個(gè)線程，這些線程可并發(fā)執(zhí)行。OS中所有線程都只能屬于某一個(gè)特定的進(jìn)程
    -   進(jìn)程并不是一個(gè)可執(zhí)行的實(shí)體了，線程是獨(dú)立運(yùn)行的基本單位
- 線程間的同步
    -    互斥鎖
        -    比較簡單的、用于實(shí)現(xiàn)線程間對資源互斥訪問的機(jī)制
    -    條件變量
        -    為避免互斥鎖造成的死鎖問題，在創(chuàng)建互斥鎖時(shí)就聯(lián)系著一個(gè)條件變量
        -    單純的互斥鎖用于短期鎖定，用來保證互斥進(jìn)入CS
        -    條件變量用于線程的長期等待，知道所等資源的可用  
    -    信號量機(jī)制
        -    私用信號量
        -    公用信號量
    -    多讀、單寫鎖
-   線程的實(shí)現(xiàn)方式
    -  內(nèi)核支持線程KST(kernel Supported Threads)的實(shí)現(xiàn):如Apple的MAC OS
    -  用戶級線程ULT(User Level Threads):一些數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)
    -  組合方式:把ULT和KST兩種方式進(jìn)行組合，提供了組合方式ULT/KST線程

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