04??操作系統(tǒng)中與編程有關(guān)的基本知識(shí)

進(jìn)程線程的基本概念

• 并發(fā)和隔離。

• 程序執(zhí)行的上下文（Context of Execution）

• 執(zhí)行與調(diào)度的基本單位：thread

• 資源所有權(quán)：process

• 進(jìn)程是資源的容器，包含（一個(gè)或）多個(gè)線程。內(nèi)核調(diào)度的基本單位是線程(不完全是)、而非進(jìn)程。

• 同一進(jìn)程下的各個(gè)線程共享資源（address space、open files、signal handlers，etc），但寄存器、棧、PC指針等不共享。

進(jìn)程和線程到底有什么區(qū)別？

以上其實(shí)已經(jīng)說(shuō)了一部分，線程是調(diào)度和執(zhí)行的基本單位，最終代碼都在線程中執(zhí)行。而進(jìn)程是資源的容器，包括一個(gè)或多個(gè)線程。同一個(gè)進(jìn)程下的各個(gè)線程共享資源。

如下圖為區(qū)別：

Linux的線程進(jìn)程概念

Linux的線程是用戶(hù)級(jí)別的，也就是內(nèi)核中不存在線程。

• 所有的線程管理都在應(yīng)用層去執(zhí)行。

• 內(nèi)核不關(guān)心，實(shí)際上也覺(jué)察不到線程的存在。

Windows的線程進(jìn)程概念

而從上圖也可以看出，Windows和Linux顯然采用不同的理念。

windows的線程是內(nèi)核級(jí)別的。

• Windows是這些概念的一個(gè)例子。

• 內(nèi)核維護(hù)著線程和進(jìn)程的上下文。

• 調(diào)度實(shí)際上是基于線程而運(yùn)行的。

05??進(jìn)程間的通信

有了線程，進(jìn)程的隔離，就需要線程進(jìn)程之間的通信機(jī)制來(lái)保證協(xié)作完成任務(wù)，共享訪問(wèn)數(shù)據(jù)。

Windows進(jìn)程間的通信

• 文件映射

• 共享內(nèi)存

• 匿名管道(單項(xiàng)，一端寫(xiě)，一端讀)

• 命名管道。

• 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)

• 遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用(可以在一臺(tái)機(jī)器內(nèi)，也可以跨機(jī)器)

• UDS(Unix Domain Socket)

• 基于Windows的消息機(jī)制 ……

Linux進(jìn)程間的通信

• 管道(Pipe)，以及有名管道

• 信號(hào)(Signal)

• 報(bào)文(Message)隊(duì)列(消息隊(duì)列)

• 共享內(nèi)存(效率最高)

• 信號(hào)量(Semaphore)

• 主要作用是進(jìn)程間，以及同一進(jìn)程的不同線程之間的同步手段(UDS)Socket套接字

以上Window和Linux雖然采用了不同的方式，概念上有所不同的方式進(jìn)行進(jìn)程間的通信，實(shí)際上，他們的基本原理類(lèi)似。

06??線程間的通信

• 共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。共享內(nèi)存

• 事件(Event)傳遞

• 消息隊(duì)列

• 郵箱(ucosII)

07??線程同步

線程同步，即當(dāng)有一個(gè)線程在對(duì)內(nèi)存或者外設(shè)進(jìn)行操作時(shí)，其他線程都不可以對(duì)這個(gè)內(nèi)存地址或者外設(shè)進(jìn)行操作，直到該線程完成操作，其他線程才可以進(jìn)行操作，而其他線程又處于等待狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)線程同步的方法有很多，如下。

• 一般使用信號(hào)量（Semaphore）。

• 高級(jí)語(yǔ)言如java本身語(yǔ)言的設(shè)計(jì)就為此考慮，如synchronized關(guān)鍵字，wait,notify方法。

• 可以使用Mutex。

• 臨界區(qū)對(duì)象。

08??信號(hào)量與互斥鎖

Semaphore(信號(hào)量，或者信號(hào)燈)

以一個(gè)停車(chē)場(chǎng)的運(yùn)作為例。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)停車(chē)場(chǎng)只有三個(gè)車(chē)位，一開(kāi)始三個(gè)車(chē)位都是空的。

如果同時(shí)來(lái)了五輛車(chē)，看門(mén)人允許其中三輛直接進(jìn)入，然后放下車(chē)攔，剩下的車(chē)則必須在入口等待，此后來(lái)的車(chē)也都不得不在入口處等待。

這時(shí)，有一輛車(chē)離開(kāi)停車(chē)場(chǎng)，看門(mén)人得知后，打開(kāi)車(chē)欄，放入外面的一輛進(jìn)去，如果又離開(kāi)兩輛，則又可以放入兩輛，如此往復(fù)。

在微觀世界里，計(jì)算機(jī)世界里，比如訪問(wèn)硬盤(pán)空間，讀取數(shù)據(jù)，往往資源有限?？梢钥梢允褂迷摍C(jī)制，進(jìn)行有效的對(duì)資源的訪問(wèn)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

Mutex(互斥鎖)

一次只能有一個(gè)線程進(jìn)入的特殊信號(hào)量。性能會(huì)比信號(hào)量好。對(duì)于某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景，一次只能有一個(gè)線程訪問(wèn)，待該線程退出后，其他線程方可繼續(xù)運(yùn)行。例如操作系統(tǒng)的IO外設(shè)，打印機(jī)，現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中的公共衛(wèi)生間等等。