進程的描述與控制

• 6.進程的通信-高級通信
  • 進程通信是指進程之間的信息交換，根據交換信息量的多少分為:
    • 低級進程通信:交換信息量較少，特點為
      • 效率低
      • 通信對用戶不透明
    • 高級進程通信:交換信息量較多，效率高，又分為
      • 共享存儲器系統:互相通信的進程通過共享某些數據結構或者存儲區讀寫來交換數據，前者是低級通信(基于共享數據結構的通信方式)，只適用于少量數據的交換，后者是高級通信(基于共享存儲區的通信方式)，通過在內存中劃分一塊共享存儲區，諸進程通過這個共享存儲區來進行讀寫數據實現進程通信
      • 消息傳遞系統:指進程之間以消息為單位，程序員通過通信原語，在進程間實現數據交換，按照實現方式的不同分為
        • 直接通信方式:發送進程利用OS提供的發送原語，直接將消息發送給接受進程
          • 要求:發送進程和接受進程都以顯示方式提供對方的標識符
          • OS提供的通信原語
            • Send(Receiver,message)
            • Receiver(Sender,message)
        • 間接通信方式:發送進程和接受進程通過共享一個中間實體(信箱)來實現進程通信。系統提供的若干條原語:
          • 信箱創建和撤銷原語
          • 兩條通信原語:①Send(Mailbox,message) 將消息發送給指定郵箱②Receive(mailbox,message)從指定郵箱接受消息
          • 信箱的分類:①私用郵箱(進程是自己創建)②公用郵箱(OS創建)③共享郵箱(某進程創建，但指定為共享的)
          • 發送進程和接受進程之間，存在四種相對關系:①一對一關系:發送進程和接受進程之間建立一條專用的通信鏈路②多對一關系:允許提供服務的進程與多個用戶進程進行交互，也稱為客戶/服務器交互(C/S interaction)③一對多關系:允許一個發送進程與多個接受進程進行交互，使發送進程可用廣播方式，發送消息④多對多關系:允許建立一個公用郵箱，讓多個進程都能向郵箱中投遞消息，也能取走自己的消息
        • 消息傳遞系統實現中的若干問題
          • 通信鏈路:為了在發送進程和接受進程間實現通信，需建立一條通信鏈路在兩個進程間，建立鏈路有兩種方式:
            • 顯示建立鏈路(發送進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(發送進程只需要利用OS提供的發送原語，OS會自動為之創建一條鏈路)
            • 通信鏈路的鏈接方式:①點-點②多點
            • 通信方式:①單向通信鏈路:只允許發送進程向接受進程發送消息，或者相反②雙向通信鏈路:允許進程A和進程B同時互發消息
            • 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
          • 進程的同步方式
            • 發送進程和接受進程均堵塞:緊密同步，無緩沖
            • 發送進程不堵塞，接受進程堵塞:應用廣
            • 發送和接受進程均不堵塞:較常見，即發送和接受進程都在忙自己事情，僅當發生某事件使他無法繼續進程，才會堵塞
        • 直接消息傳遞系統實例
          • 消息緩存隊列通信機制中的數據結構

            • 消息緩存區

              typedef struct message_buffer{
                  int sender; // 發送消息的進程名稱或標識符
                  int size;  // 發送消息的長度
                  char *text; // 發送消息的正文
                  struct message_buffer *next; // 指向下一個消息緩存區的指針
              }
              

            • 在進程PCB中設計通信的數據結構

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

          • 發送原語send
            • 申請一個消息緩存區，將發送區內容(發送消息正文，進程標識符等)復制到這個緩存區；找到接受區的PCB，執行互斥操作P(mutex),把緩存區掛到接受進程消息隊列的尾部，執行V(mutex),然后執行V(sm),即消息數加1
          • 接受原語receive
          • 執行P(sm),查看是否有信件，執行互斥操作P(mutex),從消息隊列中摘下第一個消息，執行V(mutex),把消息緩存區內容復制到接收區，釋放消息緩存區

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        - 管道通信系統
            - 發送進程(寫進程)通過一個管道(*管道:連接一個讀進程和一個寫進程之間實現通信的共享文件*)以字符流形式將大量的數據送入管道，接受進程(讀進程)從管道接受數據

• 7.線程的基本概念
  • 引入線程的目的
    • 使多個程序能并發執行
    • 改善資源利用率，提高系統吞吐量
    • 減少程序并發執行時，所付出的時空開銷
    • 使OS具有更好的并發性
  • 線程的定義
    • 線程是進程中的一個實體，是被系統獨立調度和分派的基本單位。線程基本上自己不擁有系統資源，只擁有少部分在運行中必不可少的資源，但他可與同屬一個進程中的其他線程共享進程所擁有的全部資源
    • 一個線程可以創建和撤銷另一個線程
    • 同一個進程中的多個線程可以并發執行
    • 當一個線程改變了存儲器中的一個數據項時，當其他線程訪問這一項時，能夠看到修改后的結果
    • 若一個線程為讀操作打開一個文件時，同一個進程中其他線程也能從該文件中讀
  • 線程的屬性
    • 線程是輕型實體?；旧喜粨碛邢到y資源，只有一點必不可少的、能保證獨立運行的資源
    • 線程是獨立調度和分配的基本單位
    • 可并發執行。一個進程中的多個線程可并發執行；不同進程中的線程也能并發執行
    • 共享進程資源。同一個進程中的多個線程，都可以共享該進程所擁有的資源

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

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