LINUX 进程与线程 信号量 通信
内容导读
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内容图文
操作系统 进程与线程 信号量 通信
1 进程
进程模型：每个系统有自己的虚拟CPU，但CPU又在不同进程之间进行切换。一个进程就是一个正在执行的程序，包括程序寄存器和变量当前的值。
进程是某种类型的活动，它有程序。输入和输出以及状态。单个处理器可被若干进程共享，使用某种进程调度算法，决定何时停止一个进程的工作，并转而为另一个进程提供服务。
1.1进程的创建：系统初始化，正在运行的程序执行了创建进程的系统调用，用户请求创建一个新进程，一个批处理作业初始化。父进程（英语：Parent Process）指已创建一个或多个子进程的进程。
1.2进程的终止：正常退出，出错退出，严重错误，被其他进程杀死
1.3进程的层次结构：进程和它的所有子进程以及后裔共同组成一个进程组。
Linux是一个树结构 Windows中是地位相同，每个进程地位都是相等的，句柄标识父与子进程
1.4进程的状态：运行态 就绪态，阻塞态
运行态和就绪态是由调度程序引起的，
1.5进程的实现：
2.线程
每个进程有一个进程空间和一个控制线程，在一个应用中也发生着许多活动。并行实体拥有共享同一个地址空间和所有可用数据的能力。进程比线程更轻量级，实现并行计算。
多个线程可以共享公共 内存，允许他们同时访问同一个文件夹，三个进程做不到。所有线程会有完全一样的内存空间
一个进程打开了文件，该文件对该进程中其他线程都可见
每个线程都有自己的堆栈
在用户空间中实现线程：内核对线程包一无所知，从内核角度考虑，但线程进程。用户级线程包可以在不支持线程的操作系统上实现。
#include<pthread.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#define NUMBER_OF_THREADS 10
void *print_hello_world(void *tid)
{
printf("Hello World.Greeting from thread %d\n",tid);
pthread_exit(NULL);
}
int main()
{
pthread_t threads[NUMBER_OF_TH];
int status,i;
for(i=0;i<NUMBER_OF_THREADS;i++)
printf();
}
进程和线程有一个关键的差别：线程完成时，把线程信息保存在线程表中，调用线程带哦都程序来选择另一个要运行的线程。不需要陷入内核，不需要上下文切换。不需要对内存告诉缓存进行刷新。
某个程序调用或者跳转到了一条不存在的内存指令上，就会发生页面故障
在内核中实现线程：
3.进程间通信
两个或多个进程写某些共享数据，最后结果取决于运行的精准时序，称为竞争条件
临界区：避免竞争条件需要的是互斥条件：确保某个进程在使用文件夹或者共享变量时候，其他进程不会进行同样的操作。共享内存进行访问的程序片段称为临界区域，适当安排，使得两个进程不可能同时处于临界区内，避免竞争条件。
忙等待的互斥：
1.屏蔽中断：每个进程刚进入临界区后立即屏蔽所有中断，并在就要离开之前再打开所有中断。CPU只有发生时钟中断时候才会进行进程切换，屏蔽后的CPU不会被切换到其他中断。缺点是对于多核处理器不能使用。
2.锁变量：检查，如果内存被占用则设为1，反之为0，0表示临界区内没有进程。但可能会发生同时进入而造成竞争条件。
3.严格轮换法：
连续测试一个变量值直到某个值出现为止，称为忙等待
两个进程严格轮流进入临界区，
while(TRUE)
{
while(turn!=0);
critical_region();
turn=1;
noncritical_region();
}
4.Peterson解法
#define FALSE 0
#define TRUE 1
#define N 2
int turn;
int interested[N];
void enter_region(int process)
{
int other;//另一个进程号
other=1-process;//另一个进程
interested[process]=TRUE;//表示感兴趣
turn =process;//设置标志
while(turn==process&&interested[other]==TRUE);//空语句
}
void leave_region(int process)
{
interested[process]=FALSE;
}
5.信号量
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-prqKfDHi-1607345871930)(C:\Users\123\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1603195016154.png)]
-
在缓冲区为空时，消费者不能再进行消费
-
在缓冲区为满时，生产者不能再进行生产
-
在一个线程进行生产或消费时，其余线程不能再进行生产或消费等操作，即保持线程间的同步
-
注意条件变量与互斥锁的顺序
? 因此需要保持线程间的同步，即一个线程消费（或生产）完，其他线程才能进行竞争CPU，获得消费（或生产）的机会。对于这一点，可以使用条件变量进行线程间的同步：生产者线程在product之前，需要wait直至获取自己所需的信号量之后，才会进行product的操作；同样，对于消费者线程，在consume之前需要wait直到没有线程在访问共享区（缓冲区），再进行consume的操作，之后再解锁并唤醒其他可用阻塞线程。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-81HLnH8l-1607345871939)(C:\Users\123\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1603195156901.png)]
假设缓冲区大小为10，生产者、消费者线程若干。生产者和消费者相互等效,只要缓冲池未满,生产者便可将消息送入缓冲池;只要缓冲池未空,消费者便可从缓冲池中取走一个消息。
-
items代表缓冲区已经使用的资源数，spaces代表缓冲区可用资源数
-
mutex代表互斥锁
-
buf[10] 代表缓冲区，其内容类型为item
-
in、out代表第一个资源和最后一个资源
var items = 0, space = 10, mutex = 1; var in = 0, out = 0; item buf[10] = { NULL }; producer { while( true ) { wait( space ); // 等待缓冲区有空闲位置， 在使用PV操作时，条件变量需要在互斥锁之前 wait( mutex ); // 保证在product时不会有其他线程访问缓冲区 // product buf.push( item, in ); // 将新资源放到buf[in]位置 in = ( in + 1 ) % 10; signal( mutex ); // 唤醒的顺序可以不同 signal( items ); // 通知consumer缓冲区有资源可以取走 } } consumer { while( true ) { wait( items ); // 等待缓冲区有资源可以使用 wait( mutex ); // 保证在consume时不会有其他线程访问缓冲区 // consume buf.pop( out ); // 将buf[out]位置的的资源取走 out = ( out + 1 ) % 10; signal( mutex ); // 唤醒的顺序可以不同 signal( space ); // 通知缓冲区有空闲位置 } }
6.调度
有多个进程同时竞争CPU，只要有两个或更多的进程处于就绪状态，这种情况就会发生。完成选择工作的这一部分程序称为调度程序，使用的算法称为调度算法。
6.1先来先服务：
6.2最短作业优先
6.3最短剩余时间优先
交互式系统中的调度：
轮转调度 优先级调度 多级调度
2.内存管理
1.地址空间
把物理地址暴露给进程会带来严重的问题：1.用户程序破坏操作系统，使得系统慢慢停止运行2.同时运行多个程序几乎不可能
多个程序同时处于内存中，不影响，需要 保护和重新定位
地址空间为程序创造了一种抽象的内存，地址空间是一个进程可用于寻址内存的一套地址集合。
基址寄存器与界限寄存器
交换技术：处理内存超载，将空闲进程存储在磁盘上。不运行时不会使用内存。分配额外内存
虚拟内存：每个进程有自己的进程空间，
内容总结
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