一、進程同步

　　什麽是同步？同步就是說一個任務要等另一個執行完畢才能繼續執行，而不是同時執行。我們都知道，進程有異步性，這種性質會導致操作系統的混亂。進程同步，指的是進程之間的執行次序的管理，就是為了解決進程異步性的這種混亂。

　　（1）直接制約和間接制約。

　　進程之間有兩種制約關系。分別是直接制約和間接制約。直接制約指的是進程間的合作，即一個進程需要另一個進程的配合，否則會阻塞。如輸出緩沖區為空的時候，輸出進程就會阻塞，輸出進程依賴輸入進程不斷的輸入。間接制約指的是對於某種資源，同時只能有一個進程占用，你用的時候，別人就不能用。

　　（2）同步機制應遵循的規則。

　　這是所有的同步機制所需要遵循的規則：

　　　　1）空閑讓進。資源空閑的時候，允許進程訪問。

　　　　2）忙則等待。資源被占用的時候，進程必須等待。

　　　　3）有限等待。應保證進程有限時間能訪問到資源，不能無限等待。

　　　　4）讓權等待。運行中的進程不能訪問指定資源時，應釋放處理機。

二、PV操作

　　PV操作的鼎鼎大名，想必很多人都聽說過。它就是經典的實現最基本的進程同步機制的一對操作。為什麽叫PV操作呢？它是鼎鼎大名的計算機學家狄克斯特拉用荷蘭語定義的，在荷蘭文中，通過叫passeren，釋放叫vrijgeven。P操作又叫Wait(S)，本質是使用資源，V操作又叫Sign(S)，本質是釋放資源。PV操作都是原子操作，要麽全做，要麽全不做，並且PV操作是成對的。我們來詳細看看PV操作的原理，是怎麽實現進程同步的。PV操作跟信號量是分不開的，先看看什麽是信號量。

（1）什麽是信號量？

　　信號量是一種數據結構。包括整形信號量、記錄型信號量、AND型信號量和信號量集等。不同的信號量對應不同的數據結構，也對應不同的PV操作。信號量和操作它的PV操作構成了對

應的信號量機制，用來控制進程同步。

（2）整型信號量。

　　顧名思義，整形信號量的數據結構就是一個簡單的整形，一般用整形S來表示。其上的PV操作如下：

（這裏的程序代碼都是Pascal代碼）

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

　　如上，S代表的是資源數目。對於wait(S)操作，當資源數目小於等於0的時候，就一直等待。若有資源，就跳出循環，使用一個資源。

　　對於sinal(S)操作，每次執行都釋放一個資源。

（3）記錄型信號量。　　

　　這個信號量比整形信號量增加了一個標識進程指針的屬性，指向所有等待的進程鏈表。

　　PV操作與整形信號量的區別在於，wait()時，若s<=0,那麽阻塞自身，放棄處理機。signal()後，判斷若s<=0,就喚醒一個進程。它的好處是當進程請求不到資源的時候，不會無限等待。

（4）AND型信號量。

　　AND型信號量是針對多個臨界資源而言的。即將進程運行中所需要的所有資源一次性分配給進程，進程運行完畢後釋放所有資源。相當於把進程所需的所有資源捆綁在一起了。做法就是在wait操作中增加一個AND條件：只有當進程所需的所有資源處於空閑狀態時，進程才能繼續操作。

（5）信號量集。

　　信號量集指的是一次性對N個某類資源的請求處理。上面的AND型信號量指的是對多個不同類型資源的處理，而信號量集指的是對同類的多個資源的處理，也相當於AND型信號量的特殊情況。

（6）管程

　　由於進程對某一個資源進行操作的時候，都需要自帶一對PV操作，為了避免這種情況，把某個資源和進程對其進行的操作包裝起來，這樣的一個模塊稱為管程。它是操作系統中的一個資源管理模塊，供進程調用。可以看到，管程實現了面向對象的思想。

（7）條件變量

　　在上面的進程同步的實現中都有一個很嚴重的隱含問題，那就是，如果某個進程一直不釋放某個資源，其他進程就只能無止休地等待。條件變量的意義在於，除了原本的資源空閑就讓進、處理完就釋放這樣的邏輯外，還有其他的條件。例如：資源空閑且XX條件，就讓進。處理完成或XX條件就釋放資源。這些額外的條件，就叫條件變量。

三、進程通信

　　上面的通過信號量進行的進程同步，其本質是一種低級的通信機制。進程之間無法大量交換信息。那麽兩個進程之間想要實現大量的、頻繁的信息交換，該怎麽做呢？這就是高級通信機制了。高級通信機制有三大類：

　　（1）共享存儲器系統。

　　　　存儲器即內存，共享存儲器，顧名思義，就是通信的兩個進程通過共享的一塊內存區域來通信，一個負責讀一個負責寫。而實際上面的信號量也是一種共享存儲器系統，只不過進程間共享的是一個數據結構，並用PV操作對數據結構進行操作。

　　（2）消息傳遞系統。

　　　　進程間通過指定格式的消息進行通信。消息格式通常就是一個包含地址的頭和一個包含內容的body。這種格式也叫做協議。我們常見的網絡協議也是這種方式。消息傳遞系統分為直接通信方式和間接通信方式。直接通信方式即通信的進程雙方都知道對方的存在，並在消息頭中攜帶了自身和對方的地址信息。間接通信方式即進程間的消息傳遞不是直接傳遞給對方，而是有一個中間實體暫存、並轉發，這樣避免了進程雙方接收、發送數據的速率不統一導致的進程阻塞。

　　（3）管道通信。

　　　　管道是一種連接讀進程和寫進程的共享文件——pipe文件，其本質是固定大小的緩沖區，這個緩沖區將2個進程連接起來，這兩個進程對管道是互斥的訪問，且寫進程寫入數據後便阻塞，直到讀進程取走所有數據才被喚醒繼續寫數據。這種一次性的讀操作和寫操作，雖然會導致進程堵塞，但是在讀寫的過程中無須維護讀寫指針，效率非常高。

四、線程

　　線程是什麽？線程就為了使操作系統能夠有更好的並發而創建的，相當於只擁有少量資源的進程——輕型進程。在這種多線程操作系統中，進程是擁有系統資源的基本單位，包含多個線程，為其提供資源，而進程本身不再作為可執行的實體，當進程執行的時候，實際上是其中的某個線程在執行。

（1）線程執行的本質。

　　理解線程就必須深入理解並發。並發的本質就是單處理機系統永遠都是線性執行任務的。而線程的本質就是將原本為實現進程的時間片劃分的更細，假設在某個單處理機操作系統中，時間片為20毫秒，即一個進程的單次執行時間為20毫秒，在這個進程內有50個線程在執行，那麽劃分後，平均每個線程的執行時間肯定小於0.4毫秒。不過對於大部分任務而言，這仍舊是足夠的。線程無非就是這樣。

（2）線程的類型和實現。

　　1）用戶級線程（User Level Thread）——ULT。

　　這種線程的實現非常簡單，對於處理器而言，它仍舊是在進行進程切換，並不知道有線程的存在。如果每個進程相當於一個車子，那每個線程都相當於一個司機，線程切換就是不斷在換司機。

　　那麽在進程內部如何分割出各種多線程的呢？進程中有一個函數集合，專門用來管理和控制線程的執行。這個函數集合被稱為運行時系統。進程執行時就是執行它的運行時系統，對其中的線程進行切換管理。線程的運行時信息——線程控制塊TCB存放在各自的堆棧中，每次切換的時候，運行時系統就從線程的堆棧中取得對應的運行時信息，設置CPU的寄存器中，之後便可以運行。值得註意的是，線程是不能直接調用系統資源的，線程需要系統資源時，需要由運行時系統來調用分配。

　　2）內核支持線程（KernelSupported Thread）——KST。

　　這種線程的創建、撤銷、切換就不是依賴進程，是直接像進程調度一樣由內核控制，由於線程基本不用有資源，所以這種調度也很快。內核支持線程的線程優先級通常比用戶級線程要高很多。

　　那麽內核支持線程如何實現的呢？創建一個進程時，系統為之分配一個任務數據區（Per Task Data Area），其中包含若幹線程控制塊TCB，這些TCB並非存放在進程資源內存中，而是保存在CPU的寄存器中。然後進行跟PCB非常類似的由處理器切換控制。

　　3）組合方式，由輕型進程（Light weight process）——LWP實現。

　　內核支持多KST線程的創建，同時支持ULT線程的創建，這種支持是通過輕型進程LWP實現的。輕型進程LWP的本質就是一個KST進程，它的特點就是能夠讓ULT連接，當ULT連接它的時候，就相當於在調用KST，可以實現KST的所有功能。所以一般LWP都是用線程池來實現的。可以看到LWP的目的就是為了讓用戶級線程ULT直接能調用系統資源。

參考：《計算機操作系統(湯子瀛)》

操作系統 進程（下）