《現代作業系統》讀書筆記 — 程序和執行緒
一、程序和執行緒
什麼是程序
程序是程式執行的一個過程，程式指的是我們通常意義上的程式碼，一個程式可以被執行多次，也就產生了多個程序。程序是作業系統資源分配和排程的基本單位，是作業系統結構的基礎。每個程序都有屬於自己的地址空間。
作業系統中的程序一般由三部分組成：①程序控制塊PCB；②資料段；③正文段。
UNIX系統為了節省程序控制塊所佔的記憶體空間，把每個程序控制塊分成兩部分。一部分常駐記憶體，不管程序是否正佔有處理器執行，系統經常會對這部分內容進行查詢和處理，常駐部分內容包括：程序狀態、優先數、過程特徵、資料段始址、等待原因和佇列指標等，這是進行處理器排程時必須使用的一些主要資訊。另一部分非常駐記憶體，當程序不佔有處理器時，系統不會對這部分內容進行查詢和處理，因此這部分內容可以存放在磁碟的對換區中，它隨使用者的程式和資料部分換進或換出記憶體。
UNIX系統把程序的資料段又劃分成三部分:使用者棧區(供使用者程式使用的資訊區)；使用者資料區(包括使用者工作資料和非可重入的程式段)；系統資料區(包括系統變數和對換資訊)。
正文段是可重入的程式，能被若干程序共享。為了管理可共享的正文段，UNIX設定了一張正文表，每個正文段都佔用一個表目，用來指出該正文段在記憶體和磁碟上的位置、段的大小以及呼叫該段的程序數等情況。
什麼是執行緒
執行緒是作業系統能夠進行運算排程的最小單位。它被包含在程序之中，是程序中的實際運作單位。一個程序中可以有多個執行緒，這些執行緒都共享該程序的系統資源。其中核心級的執行緒實現又被稱為輕量級程序。程序和執行緒都是為了並行而存在，那麼為什麼要有執行緒的概念呢？
- 多個並行的例項之間想要共享同一個地址空間以及資料，這是多程序無法做到的。
- 執行緒比程序更輕量，建立和銷燬的代價更低。在許多系統中，建立一個執行緒比建立一個程序要快10~100倍。
執行緒的實現型別
執行緒的實現型別有三種，分別是使用者級執行緒和核心級執行緒，以及他們組合混合型執行緒。
1. 使用者級執行緒
在使用者級執行緒的實現中，對於作業系統核心來說，一個程序只有一個執行緒。作業系統排程的時候只負責排程這個程序，程序內部的多執行緒有程序自己來管理並排程。
優點：
- 由於使用者級執行緒僅存在於使用者空間中，所以不需要在核心態和使用者態之間切換，建立、銷燬、切換執行緒的速度非常快
- 我們可以寫程式自己實現執行緒的排程演算法
- 獨立於作業系統，可以在不支援執行緒的作業系統中使用
缺點：
- 由於作業系統核心無法識別程序中的多執行緒，因此無法充分的利用多核CPU的特性
- 程式執行時，一個執行緒的阻塞可能會導致整個程序的阻塞
- 在一個程序的內部，沒有時鐘中斷，無法用輪轉排程的方式排程執行緒
2. 核心級執行緒
核心級執行緒也被稱為是輕量級程序，由作業系統核心來建立和撤銷，因此作業系統可以感知到執行緒的存在，並針對執行緒進行排程。在核心級執行緒模型中，作業系統會維護一個建立的執行緒表用來排程執行緒。
優點：
- 充分利用多核CPU的特性
- 程序中的一個執行緒阻塞時，不會造成程序阻塞
缺點：
- 排程執行緒時需要切換到核心態，代價稍微比較高
- 如果程式依賴於核心級執行緒，但是作業系統不支援的話，則可能導致程式無法執行
3. 混合型執行緒
混合型執行緒就是使用者級執行緒和核心級執行緒的混合實現。程式在自己的使用者空間建立管理執行緒，但是可以將一些執行緒對映在核心級執行緒上面。這樣就同時擁有了兩個執行緒模型的優點。
Java 就是使用的混合型執行緒：
java在jdk 1.2之前基於使用者執行緒實現，在1.2之後，基於作業系統的原生執行緒模型來實現，在每個平臺上都不盡相同，比如在windows和linux下都是採用一對一的執行緒模型實現，在Solaris平臺，採用都是一對一或者多對多來實現（solaris 同時支援一對一和多對多）。
程序和執行緒的區別
- 程序和執行緒可以理解為父子關係，一個程序可以有多個執行緒，但是一個執行緒只會屬於一個程序。
- 程序是資源分配和排程的基本單位，而執行緒是作業系統進行排程的最小單位(有的作業系統沒有實現執行緒，因此就是以程序為單位進行排程)。
- 每個程序都有自己的一個使用者地址空間，而執行緒則共享程序的使用者地址空間
- 程序建立排程開銷比較大，執行緒建立銷燬排程開銷較小
二、程序間通訊
程序間通訊方式(IPC)
由於每個程序都有自己的一個地址空間，因此程序間無法共享資料。那麼程序間要怎麼實現通訊呢？下面介紹一下linux使用的幾種程序間通訊的方式
1. 管道
管道這種通訊方式有兩種限制，一是半雙工的通訊，資料只能單向流動，二是隻能在具有親緣關係的程序間使用。程序的親緣關係通常是指父子程序關係。
管道是核心管理的一個緩衝區，一般為4K大小，它被設計成為環形的資料結構，以便管道可以被迴圈利用。可以理解為阻塞佇列，一端由一個程序輸入，一端由一個程序輸出。
在linux中，又分為無名管道和有名管道。無名管道用於用於有親緣關係的程序間使用，使用的塊是記憶體緩衝區。有名管道可以突破管道只能用於具有親緣關係的程序間使用的限制，主要是將管道放到磁碟檔案中來實現的。
2. 共享記憶體
就是拿出一塊能被所有程序訪問的記憶體塊，來達到資料共享的目的。共享記憶體是最快的 IPC 方式，它是針對其他程序間通訊方式執行效率低而專門設計的。由於多個程序同時訪問同一塊記憶體，所以需要做好程序間同步的措施。
3. 訊號量
訊號量就是一個計數器，主要用來同步各個程序之間對共享資源的訪問，也就是一種鎖機制。我們可以通過down操作將訊號量減1，當訊號量是0時，程序進入休眠。通過up將訊號量加1，同時喚醒在這個訊號量上面休眠的程序。
互斥量就是訊號量中的其中一種，它的值只有0和1，一般用來加鎖和釋放鎖。加鎖成功則設定為1，加鎖失敗則休眠。釋放鎖的時候將互斥量的值設定為0，並喚醒那些等待的程序中的一個程序。
4. 訊息佇列
訊息佇列是由訊息的連結串列，有足夠許可權的程序可以向佇列中新增訊息，被賦予讀許可權的程序則可以讀走佇列中的訊息。訊息佇列克服了訊號承載資訊量少，管道只能承載無格式位元組流以及緩衝區大小受限等缺點。
5. socket
我們常用的socket也可以實現程序之間的通訊。只要程序監聽作業系統的某個埠，其他程序就可以通過ip+埠來和這個程序進行通訊。
上面四種的通訊方式其實歸根究底都是和共享記憶體有關，但是socket卻是使用網路介面來實現的通訊。另外socket還可以跨機器進行程序通訊。
程序間同步
當多個程序共同訪問共享資料時，就要考慮程序同步問題。
一個典型的例子就是假設A、B程序都要訪問一個變數a=0，然後將a從記憶體取出來之後+1，再放回記憶體。如果A和B沒有做同步，可能會導致A和B同時去獲取變數a的資訊，然後+1，再放回去的情況，最後結果還是1（正常情況應該是2）。這樣就會造成最終資料和預想的不一致的情況。
臨界區
為了解決這個問題，必須保證A和B在對a變數進行操作時是互斥的。這裡就引入了一個臨界區的概念，我們把對共享記憶體進行訪問的程式片段稱作臨界區。任何兩個程序不能同時處於其臨界區。
要實現臨界區就要保證程序之間的互斥，那麼有哪些辦法可以保證程序之間的互斥呢？
臨界區的實現方案
1. 遮蔽中斷
程序可以在進入臨界區之後遮蔽所有的中斷，保證訪問共享記憶體時不會有其他的程序也進入臨界區中。這個方案並不好，因為這樣要把遮蔽中斷的權利交給使用者程序，有一定的隱患。另外，如果是多核處理器的話，遮蔽中斷也無法保證不會有其他程序進入臨界區。
2. 鎖變數 — TSL指令和XCHG指令
可以設定一個共享變數，其初始值為0。如果一個程序想要進入臨界區，就要先檢查其值是否為0，是的話將值設定為1，並進入臨界區，否則不允許進入。——其實就是一個互斥量(訊號量)
但是共享變數還是會有程序同步的問題，那麼怎麼保證不會出現多個程序同時檢查共享變數的情況呢？這就需要從硬體層面上來解決了。
在某些計算機中，特別是那些設計為多處理器的計算機，都有下面這條指令
TSL RX,LOCK
這個指令被稱為測試並加鎖，它可以先將記憶體地址的值讀出來，然後再寫入一個非0的值到記憶體地址中。讀和寫操作是不可分割的，保證了指令的原子性。執行該指令的時候會鎖住CPU匯流排，以禁止其他的CPU在本指令結束前訪問記憶體。
下面是通過TSL指令實現的訪問臨界區的彙編虛擬碼
enter_region:
TSL REGISTER,LOCK
CMP REGISTER,#0 //判斷從記憶體讀出來的數是否為0
JNE enter_region //若讀出來的數不是0，說明鎖已經被設定，所以迴圈
RET //返回呼叫者，進入臨界區
leave_region:
MOVE LOCK,#0 //在鎖變數中存入0
RET //返回呼叫者
一個可替代TSL的指令是XCHG，它原子性的交換了兩個位置的內容。實現臨界區的原理和TSL差不多。
管程
使用訊號量做程序之間的同步，會使up(S)和down(S)操作大量分散在各個程序中，不易管理，易發生死鎖。因此引入了管程的概念。
管程可以看做一個軟體模組，它是將共享的變數和對於這些共享變數的操作封裝起來，形成一個具有一定介面的功能模組，程序可以呼叫管程來實現程序級別的併發控制。任何一個時刻，管程只能由一個程序使用。
進入管程時的互斥由編譯器負責完成（如何實現互斥都寫好了），相比程式設計師自己去實現互斥，出錯的可能性要小很多。所以我們無須關心編譯器是如何實現互斥的，只需要將所有的臨界區轉換成管程過程即可。
**在管程中執行的程序，如果發現自身無法繼續執行下去(可能要等待外部某些條件達成)，可以通過執行wait操作阻塞自己，同時推出管程，這樣其他的程序就可以進入管程中。**另外，其他程序可以通過在某個共享變數上執行signal操作來喚醒那些進入wait的程序。
java的同步原語synchronized就是使用了管程。在java的同步塊中，我們執行Object.wait()時會釋放鎖，這樣其他的執行緒就可以獲取到鎖。同時可以通過Object.notify()來通知在wati中的執行緒。
三、結尾
最近在看《現代作業系統》這本書，剛看完程序和執行緒這一章，邊看邊記錄，也就寫了這篇部落格。這本書太厚了，內容也很多，所以只能把一些自認為關鍵的點寫出來。
看完這一章，特別是程序同步那一塊的內容，讓我對java鎖的實現原理有了更深的瞭解。
本來還想寫一下關於程序排程的演算法，但是想了想這部分看的時候也沒有很認真去鑽研過，真寫下來內容也有點多，可能大部分還是複製過來的，加上網上資料一查一大堆，實在沒有寫下來的必要。