程序通訊

程序通訊是指程序之間的資訊交換

• 一、低階通訊——程序之間的互斥和同步
  訊號量機制是有效的同步工具，但作為通訊工具缺點如下：
  - 效率低（通訊量少）
  - 通訊對使用者不透明（程式設計師實現，作業系統只提供共享儲存器供程式碼操作）
• 二、高階程序通訊
  使用者直接利用作業系統提供的一組通訊命令，高效的傳送大量資料的通訊方式
  - 作業系統隱藏了程序通訊的細節，對使用者透明，減少了通訊程式編制上的複雜性

程序通訊的型別

高階通訊機制可歸結為四大類：

• 1、共享儲存器系統（操作儲存區方式）
  相互通訊的程序共享某些資料結構或共享儲存區，程序之間能夠通過這些空間進行通訊。
  • 基於共享資料結構的通訊方式（低階）
    - 諸程序公用某些資料結構，藉以實現諸程序間的資訊交換
    （如生產消費問題，定義共享的資料結構：n個長度的有界緩衝區）
    - 程式設計師：提供對公用資料結構的設定及對程序間同步的處理
    - 作業系統：提供共享儲存器
    - 特點：複雜、低效率，還只適合傳遞相對少量的資料
  • 基於共享儲存區的通訊方式（高階）
    - 在儲存器中劃出了一塊共享儲存區，諸程序可通過對共享儲存區中資料的讀或寫來實現通訊。
    - 程序通訊前先向系統申請獲得共享儲存區中的一個分割槽，並指定該分割槽的關鍵字；
    - 若系統已經分給了其他程序，則將該分割槽的描述符返回給申請者，申請者把獲得的共享儲存分割槽連線到本程序上；此後，便可像讀、寫普通儲存器一樣地讀、寫該公用儲存分割槽。多程序藉助該區通訊
• 2、訊息傳遞系統（發——收方式）
  • 最廣泛使用的一種，程序間的資料交換，以 格式化的訊息為單位 。遮蔽底層複雜操作
• 3、管道通訊（中間檔案方式）
• 4、Client-Server system——套接字
  - 一個套接字就是一個通訊標識型別的資料結構，包含了通訊目的的地址，埠號，傳輸層協議、程序所在的網路地址，以及針對C\S程式提供的不同系統呼叫（API函式）等。
  - 系統中所有的連線都持有唯一的一對套接字及埠連線，從而方便地區分來自不同應用程式程序或網路連線的通訊，確保通訊雙方間邏輯鏈路的唯一性

訊息傳遞通訊的實現方法

1）直接通訊方式

• 傳送程序利用OS所提供的傳送命令（原語），直接把訊息傳送給目標程序。此時，傳送程序和接收程序都以顯式方式提供對方的識別符號。通常利用系統通訊命令（原語）：
  - Send(Receiver, message);
  - Receive(Sender, message);
  2）間接通訊方式
• 基於共享資料結構的實體用來暫存傳送給目標程序的訊息；接收程序則從該實體中，取出對方傳送給自己的訊息。通常把這種實體稱為信箱。
  - 訊息在信箱中可以安全地儲存，只允許核準的目標使用者隨時讀取。既可實時通訊，又可非實時通訊

訊息傳遞系統的實現

單機和網路環境下的高階程序通訊廣泛採用“訊息傳遞”方式，需要考慮的問題：

• 通訊鏈路的建立
• 訊息格式
• 同步方式

執行緒

** 提高併發效率，節約時空開銷 **

• 以程序為單位分配資源
• 將程序劃分為多個功能單位排程執行

執行緒的屬性

多執行緒OS中，一個程序包括多個執行緒，每個執行緒都是利用CPU的基本單位。

• 輕型實體：只需一點必不可少的、能保證獨立執行的資源。（TCB）
• 獨立排程和分派的基本單位：排程切換迅速且開銷小。
• 可併發執行
• 共享程序資源：同進程中的執行緒可共享相同的程序地址空間、已開啟檔案、訊號量機構等

執行緒的建立與終止

在多執行緒OS中，應用程式啟動時，通常只有一個執行緒(初始化執行緒)在執行，它根據需要再建立若干執行緒。

• 建立新執行緒
  利用執行緒建立函式(或系統呼叫)，提供相應引數。執行緒建立函式執行完後，返回一個執行緒識別符號供以後使用。
• 執行緒被終止：
  不立即釋放資源，只有當程序中的其它執行緒執行分離函式後，資源才分離出來能被其它執行緒利用。
  被終止而未釋放資源的執行緒仍可被需要它的執行緒呼叫，使其重新恢復執行

多執行緒系統中的程序

• 程序只是用於分配系統資源
• 包括多個執行緒
• 不是執行體，執行緒在程序範圍內作為執行實體

執行緒與程序的比較

• 排程：執行緒作為CPU排程的基本單位，而程序只作為其它資源分配單位
• 併發性：程序之間可以併發，實質上是不同程序中的兩個執行緒併發。一個程序的多個執行緒之間亦可併發
• 擁有資源：程序間資源相互獨立；同一程序的各執行緒間共享。某程序內的執行緒在其它程序不可見
• 系統開銷：執行緒上下文切換在同進程環境下上下文切換要快得多。因為同進程內執行緒間共享記憶體地址和開啟的檔案資源

執行緒的管理

同步和同步機制

• 1）互斥鎖
  - 比較簡單的，控制執行緒互斥訪問資源；
  - 適用於高頻度使用的關鍵共享資料和程式段；
  - unlock 和 lock 兩個鎖操作原語；
• 2）條件變數
  - 與互斥鎖一起使用
  - 鎖保證互斥進入臨界區，但利用條件變數使執行緒阻塞
  - 注意不滿足條件時，wait條件變數：
  • 釋放互斥鎖
  • 程序阻塞在條件變數指向佇列中
  • 被喚醒後要重新再設互斥鎖
  • 
• 3）訊號量
  - 私用訊號量（private samephore）
  - 用於同進程的執行緒間同步，資料結構存放在應用程式的地址空間。屬於特定程序，OS感知不到其存在。
  - 公用訊號量（public samephore）
  - 用於不同程序間或不同程序中執行緒的同步，資料結構由OS管理，存放在受保護的系統儲存區
  互斥鎖是為了上鎖而優化的；條件變數是為了等待而優化的；訊號燈即可用於上鎖，也可用於等待

執行緒的實現方式

1、核心執行緒KST(kernel-level thread)

• 依賴於核心，利用系統呼叫由OS核心在核心空間完成建立、撤消、切換等執行緒工作。
  • 時間片分配給執行緒，所以多執行緒的程序獲得更多CPU時間
• 優點：
  - 多處理器系統下可實現多執行緒並行
  - 一個執行緒發起系統呼叫而阻塞，不會影響其它執行緒的執行
  - 執行緒切換開銷遠小於程序切換
  - 核心本身也採用多執行緒技術可提高系統執行速度和效率

2、使用者執行緒ULT(user-level thread)

• 無須利用系統呼叫，不依賴於OS核心。程序利用執行緒庫函式建立、同步、排程和管理控制使用者執行緒。
• 排程由應用軟體內部進行，通常採用非搶先式和更簡單的規則，也無需使用者態/核心態切換，速度比kst快
• 優點：
  - 使用者執行緒的維護由應用程序完成；核心不瞭解使用者執行緒的存在；執行緒切換不需要核心特權；
  - 使用者執行緒排程演算法可針對應用優化；
  - 多執行緒的實現與平臺無關
  - 一旦系統呼叫引起程序阻塞，則整個程序的所有執行緒都不能執行
  - 以程序為單位分配cpu，所有在多處理器系統中沒有優勢

3、組合方式

• 核心支援多KST執行緒的管理，同時也允許使用者應用程式級的執行緒管理。