进程的描述与控制

• 6.进程的通信-高级通信
  • 进程通信是指进程之间的信息交换，根据交换信息量的多少分为:
    • 低级进程通信:交换信息量较少，特点为
      • 效率低
      • 通信对用户不透明
    • 高级进程通信:交换信息量较多，效率高，又分为
      • 共享存储器系统:互相通信的进程通过共享某些数据结构或者存储区读写来交换数据，前者是低级通信(基于共享数据结构的通信方式)，只适用于少量数据的交换，后者是高级通信(基于共享存储区的通信方式)，通过在内存中划分一块共享存储区，诸进程通过这个共享存储区来进行读写数据实现进程通信
      • 消息传递系统:指进程之间以消息为单位，程序员通过通信原语，在进程间实现数据交换，按照实现方式的不同分为
        • 直接通信方式:发送进程利用OS提供的发送原语，直接将消息发送给接受进程
          • 要求:发送进程和接受进程都以显示方式提供对方的标识符
          • OS提供的通信原语
            • Send(Receiver,message)
            • Receiver(Sender,message)
        • 间接通信方式:发送进程和接受进程通过共享一个中间实体(信箱)来实现进程通信。系统提供的若干条原语:
          • 信箱创建和撤销原语
          • 两条通信原语:①Send(Mailbox,message) 将消息发送给指定邮箱②Receive(mailbox,message)从指定邮箱接受消息
          • 信箱的分类:①私用邮箱(进程是自己创建)②公用邮箱(OS创建)③共享邮箱(某进程创建，但指定为共享的)
          • 发送进程和接受进程之间，存在四种相对关系:①一对一关系:发送进程和接受进程之间建立一条专用的通信链路②多对一关系:允许提供服务的进程与多个用户进程进行交互，也称为客户/服务器交互(C/S interaction)③一对多关系:允许一个发送进程与多个接受进程进行交互，使发送进程可用广播方式，发送消息④多对多关系:允许建立一个公用邮箱，让多个进程都能向邮箱中投递消息，也能取走自己的消息
        • 消息传递系统实现中的若干问题
          • 通信链路:为了在发送进程和接受进程间实现通信，需建立一条通信链路在两个进程间，建立链路有两种方式:
            • 显示建立链路(发送进程需要在通信前用显示"建立连接"原语命令请求OS为之建立一条通信链路，用完后就拆掉链路)
            • 隐式建立链路(发送进程只需要利用OS提供的发送原语，OS会自动为之创建一条链路)
            • 通信链路的链接方式:①点-点②多点
            • 通信方式:①单向通信链路:只允许发送进程向接受进程发送消息，或者相反②双向通信链路:允许进程A和进程B同时互发消息
            • 通信链路的容量:①无容量②有容量
          • 消息格式
            • 消息头
            • 消息正文
          • 进程的同步方式
            • 发送进程和接受进程均堵塞:紧密同步，无缓冲
            • 发送进程不堵塞，接受进程堵塞:应用广
            • 发送和接受进程均不堵塞:较常见，即发送和接受进程都在忙自己事情，仅当发生某事件使他无法继续进程，才会堵塞
        • 直接消息传递系统实例
          • 消息缓存队列通信机制中的数据结构

            • 消息缓存区

              typedef struct message_buffer{
                  int sender; // 发送消息的进程名称或标识符
                  int size;  // 发送消息的长度
                  char *text; // 发送消息的正文
                  struct message_buffer *next; // 指向下一个消息缓存区的指针
              }
              

            • 在进程PCB中设计通信的数据结构

              typedef struct processcontrol_block {
                  struct message_buffer *mq; //消息队列队里的首指针
                  semaphore mutex; // 消息队列互斥信号量，初值为1
                  semaphore sm; // 消息队列资源信号量
              }
              

          • 发送原语send
            • 申请一个消息缓存区，将发送区内容(发送消息正文，进程标识符等)复制到这个缓存区；找到接受区的PCB，执行互斥操作P(mutex),把缓存区挂到接受进程消息队列的尾部，执行V(mutex),然后执行V(sm),即消息数加1
          • 接受原语receive
          • 执行P(sm),查看是否有信件，执行互斥操作P(mutex),从消息队列中摘下第一个消息，执行V(mutex),把消息缓存区内容复制到接收区，释放消息缓存区

Snip20170113_1.png

        - 管道通信系统
            - 发送进程(写进程)通过一个管道(*管道:连接一个读进程和一个写进程之间实现通信的共享文件*)以字符流形式将大量的数据送入管道，接受进程(读进程)从管道接受数据

• 7.线程的基本概念
  • 引入线程的目的
    • 使多个程序能并发执行
    • 改善资源利用率，提高系统吞吐量
    • 减少程序并发执行时，所付出的时空开销
    • 使OS具有更好的并发性
  • 线程的定义
    • 线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。线程基本上自己不拥有系统资源，只拥有少部分在运行中必不可少的资源，但他可与同属一个进程中的其他线程共享进程所拥有的全部资源
    • 一个线程可以创建和撤销另一个线程
    • 同一个进程中的多个线程可以并发执行
    • 当一个线程改变了存储器中的一个数据项时，当其他线程访问这一项时，能够看到修改后的结果
    • 若一个线程为读操作打开一个文件时，同一个进程中其他线程也能从该文件中读
  • 线程的属性
    • 线程是轻型实体。基本上不拥有系统资源，只有一点必不可少的、能保证独立运行的资源
    • 线程是独立调度和分配的基本单位
    • 可并发执行。一个进程中的多个线程可并发执行；不同进程中的线程也能并发执行
    • 共享进程资源。同一个进程中的多个线程，都可以共享该进程所拥有的资源

Snip20170113_2.png

- 多线程
    - 指OS支持在一个进程中执行多个线程的能力
    - 传统的进程中只有一个线程在执行
        - MS-DOS 是支持单用户进程和单线程的OS
        - UNIX支持多用户进程，但只支持每个进程一个线程(即多进程单线程)
    - 单进程多线程的例子:JAVA运行环境
    - 多进程多线程的例子:Windows 2000
- 多线程OS中*进程*的属性
    -   作为系统资源分配的单位
    -   可包括多个线程。至少包括一个线程，这些线程可并发执行。OS中所有线程都只能属于某一个特定的进程
    -   进程并不是一个可执行的实体了，线程是独立运行的基本单位
- 线程间的同步
    -    互斥锁
        -    比较简单的、用于实现线程间对资源互斥访问的机制
    -    条件变量
        -    为避免互斥锁造成的死锁问题，在创建互斥锁时就联系着一个条件变量
        -    单纯的互斥锁用于短期锁定，用来保证互斥进入CS
        -    条件变量用于线程的长期等待，知道所等资源的可用  
    -    信号量机制
        -    私用信号量
        -    公用信号量
    -    多读、单写锁
-   线程的实现方式
    -  内核支持线程KST(kernel Supported Threads)的实现:如Apple的MAC OS
    -  用户级线程ULT(User Level Threads):一些数据库管理系统
    -  组合方式:把ULT和KST两种方式进行组合，提供了组合方式ULT/KST线程

Snip20170113_4.png

Snip20170113_5.png