线程与进程的通信方式+线程与协程的比较

OperatingSystem/Chapter2/README.md

-# 目录
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-* [1 前趋图](#1-前趋图)
-* [2 程序执行特征](#2-程序执行特征)
-  * [2.1 顺序执行的特征](#21-顺序执行的特征)
-  * [2.2 并发执行的特征](#22-并发执行的特征)
-* [3 进程](#3-进程)
-  * [3.1 定义](#31-定义)
-  * [3.2 组成](#32-组成)
-  * [3.3 特征](#33-特征)
-  * [3.4 基本状态](#34-基本状态)
-  * [3.5 基本状态的切换](#35-基本状态的切换)
-  * [3.6 创建与终止状态](#36-创建与终止状态)
-  * [3.7 挂起与激活](#37-挂起与激活)
-* [4 `PCB`](#4-pcb)
-  * [4.1 `PCB`定义](#41-pcb定义)
-  * [4.2 作用](#42-作用)
-  * [4.3 组成](#43-组成)
-    * [4.3.1 进程标识符](#431-进程标识符)
-    * [4.3.2 处理机状态](#432-处理机状态)
-    * [4.3.3 进程调度信息](#433-进程调度信息)
-    * [4.3.4 进程控制信息](#434-进程控制信息)
-* [5 用户态与系统态](#5-用户态与系统态)
-* [6 `OS`内核功能](#6-os内核功能)
-  * [6.1 支撑功能](#61-支撑功能)
-  * [6.2 资源管理功能](#62-资源管理功能)
-* [7 进程创建](#7-进程创建)
-  * [7.1 引起进程创建的事件](#71-引起进程创建的事件)
-  * [7.2 创建过程](#72-创建过程)
-* [8 进程终止](#8-进程终止)
-  * [8.1 引起终止的事件](#81-引起终止的事件)
-  * [8.2 终止过程](#82-终止过程)
-* [9 阻塞/唤醒/挂起/激活](#9-阻塞唤醒挂起激活)
-  * [9.1 阻塞与唤醒](#91-阻塞与唤醒)
-    * [9.1.1 引起阻塞与唤醒的事件](#911-引起阻塞与唤醒的事件)
-    * [9.1.2 阻塞过程](#912-阻塞过程)
-    * [9.1.3 唤醒过程](#913-唤醒过程)
-  * [9.2 挂起与激活](#92-挂起与激活)
-    * [9.2.1 挂起过程](#921-挂起过程)
-    * [9.2.2 激活过程](#922-激活过程)
-* [10 进程同步](#10-进程同步)
-  * [10.1 制约关系](#101-制约关系)
-  * [10.2 同步机制应该遵循的原则](#102-同步机制应该遵循的原则)
-* [11 实现互斥](#11-实现互斥)
-  * [11.1 硬件同步机制](#111-硬件同步机制)
-  * [11.2 信号量机制](#112-信号量机制)
-    * [11.2.1 整型信号量](#1121-整型信号量)
-    * [11.2.2 记录型信号量](#1122-记录型信号量)
-    * [11.2.3 `AND`型信号量](#1123-and型信号量)
-    * [11.2.4 信号量集](#1124-信号量集)
-* [12 信号量集应用](#12-信号量集应用)
-  * [12.1 实现互斥操作](#121-实现互斥操作)
-  * [12.2 实现前趋关系](#122-实现前趋关系)
-* [13 管程](#13-管程)
-  * [13.1 定义](#131-定义)
-  * [13.2 特性](#132-特性)
-* [14 进程通信](#14-进程通信)
-  * [14.1 定义](#141-定义)
-  * [14.2 分类](#142-分类)
-  * [14.3 实现方式](#143-实现方式)
-* [15 线程](#15-线程)
-  * [15.1 进程的基本属性](#151-进程的基本属性)
-  * [15.2 线程引入](#152-线程引入)
-  * [15.3 进程与线程比较](#153-进程与线程比较)
-  * [15.4 线程的三个状态](#154-线程的三个状态)
-  * [15.5 `TCB`](#155-tcb)
-  * [15.6 线程实现方式](#156-线程实现方式)
-    * [15.6.1 内核支持线程](#1561-内核支持线程)
-    * [15.6.2 用户级线程](#1562-用户级线程)
-    * [15.6.3 组合方式](#1563-组合方式)
-  * [15.7 线程实现](#157-线程实现)
-    * [15.7.1 `KTS`实现](#1571-kts实现)
-    * [15.7.2 `ULS`实现](#1572-uls实现)
-      * [15.7.2.1 运行时系统](#15721-运行时系统)
-      * [15.7.2.2 内核控制线程](#15722-内核控制线程)
-  * [15.8 线程创建与终止](#158-线程创建与终止)
-    * [15.8.1 线程创建](#1581-线程创建)
-    * [15.8.2 线程终止](#1582-线程终止)
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-# 1 前趋图
+
+# 1 前趋图
 一个有向无循环图，用来描述程序段或进程之间执行的先后次序关系。每个结点表示一个程序段或一个进程，结点间的有向边用来表示两个节点之间存在的偏序或前趋关系。
 
 基本术语：
@@ -442,54 +362,142 @@ p3()
 - 信息掩蔽：管程中的数据只能由管程中的过程访问
 
 
-# 14 进程通信
-## 14.1 定义
-进程通信是指进程之间的信息交换。
+# 14 进程通信方式
 
-## 14.2 分类
-高级进程通信工具可以简单分为四类：
+每个进程各自有不同的用户地址空间，任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程之间要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，一个进程把数据从用户空间拷到内核缓冲区，另一个进程再从内核缓冲区把数据读走，这种机制被称为进程间通信（`IPC`）。
 
-- 共享存储器系统：相互通信的进程共享某些数据结构或共享存储区，可以分为基于共享结构的通信方式以及基于共享存储区的通信方式
-- 管道通信系统：利用管道进行通信
-- 消息传递系统：将通信的数据封装在消息中，利用操作系统提供的一组通信命令在进程间进行消息传递，完成进程间的数据交换，可以分为直接通信方式和间接通信方式
-- 客户机-服务器系统：分为套接字、远程过程调用、远程方法调用三类
+常见的7种`IPC`方式：
 
+- 管道/匿名管道
+- 有名管道
+- 信号量
+- 消息队列
+- 信号
+- 共享内存
+- 套接字
 
-## 14.3 实现方式
-主要分为两种：
+## 14.1 管道/匿名管道
+特点：
 
-- 直接消息传递系统
-- 信箱通信
+- 管道是半双工的，数据只能向一个方向流动，需要双工的时候只能建立两个半双工的管道
+- 只能用于父子进程或者兄弟进程之间
+- 一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出，写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据
 
+管道的实质：
 
-# 15 线程
-## 15.1 进程的基本属性
-两个：
+- 是一个内核缓冲区，进程以`FIFO`方式从缓冲区存取数据
+- 可以看做一个循环队列，读写位置都是自动增长的，不能随意改变
 
-- **进程是一个可拥有资源的独立单位**
-- **进程是一个可独立调度和分派的基本单位**
+管道局限：
 
-## 15.2 线程引入
-在引入线程的`OS`中，**线程作为调度和分派的基本单位**（而不是进程作为调度和分派的基本单位）。
+- 只支持单向数据流
+- 只能用于父子进程或兄弟进程
+- 没有名字
+- 缓冲区有限
+- 传送的内容是无格式字节流，这意味着两个读写管道的进程必须事先约定好数据的格式
 
-## 15.3 进程与线程比较
-线程又叫轻型进程或进程元，传统进程叫重型进程，下面从几个方面对两者进行比较：
+## 14.2 有名管道
+有名管道与匿名管道的区别在与提供了一个路径名与其关联，以有名管道的形式存在于文件系统中，这样就克服了匿名管道只能与父子进程或者兄弟进程通信的缺点。
 
-- 调度的基本单位：不引入线程的`OS`中，进程是调度和分派的基本单位，而引入后，线程是调度和分派的基本单位
-- 并发性：引入线程后，不同进程之间可以并发执行，同一进程的多个线程也可以并发执行，不同进程的不同线程也可以并发执行
-- 资源：进程可以拥有资源，是系统中拥有资源的一个基本单位，而线程本身并不拥有系统资源，只是仅有一点必不可少的线程运行所必须的资源，多个线程能够共享进程所拥有的资源
-- 独立性：不同进程的独立性比同一进程的不同线程的独立性要高
-- 系统开销：创建/撤销进程所需要的开销远大于创建/撤销线程所需要的开销
-- 支持多处理机：传统的单线程进程只能运行在一个处理机上，而多线程进程可以将多个线程分配到多个处理机上
+值得注意的是，无论是有名管道还是匿名管道都会存在阻塞问题：
+
+- 匿名管道：匿名管道无需打开，创建时直接返回文件描述符，如果写入匿名管道的数据超过最大值，会阻塞写操作，如果管道中没有数据，会阻塞读操作
+- 有名管道：有名管道打开的时候，需要确保另一个进程存在，不存在将会阻塞
+
+## 14.3 信号
+特点：
+
+- 可以在任何时候发送给某一进程，无需知道进程的状态
+- 如果进程未处于执行状态，那么内核会将该进程保存起来直到进程恢复执行并传递给它为止
+- 如果进程阻塞，则信号的传递会被延迟，直到其取消阻塞才被传递给进程
+
+信号的生命周期如下：
+
+- 信号被某个进程产生，并设置此信号传递的对象，然后传递给操作系统
+- 操作系统根据进程是否阻塞，如果阻塞则先保存信号，直到不阻塞为止，如果没有阻塞则直接传递信号
+- 目标进程收到信号后，根据信号进行处理，比如终止当前代码的执行等等
+
+## 14.4 消息队列
+消息队列是存放在内核中的消息链表，每个消息队列由消息队列标识符表示。与管道（匿名管道存在于内存中，有名管道存在于实际文件中）不同的是，消息队列存放在内核中，只有内核重启或显示本地删除一个消息队列的时候，该消息队列才会被真正删除。
+
+特点：
+
+- 允许一个或多个进程向它写入与读取消息
+- 可以实现消息的随机查询，消息不一定要以先进先出的方式读取，也可以按照消息的类型读取
+- 消息队列克服了信号承载信息量少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点
+
+目前主要有两种类型的消息队列：`POSIX`消息队列以及`System V`消息队列。
+
+## 14.5 共享内存
+共享内存使得多个进程可以直接读写同一块内存空间，是最快的`IPC`方式，针对其他通信机制运行效率低效而设计的。
+
+同时，由于多个进程共享一段内存，因此需要依靠某种同步机制（比如信号量）来达到进程间的同步和互斥。
+
+## 14.6 信号量
+信号量是一个计数器，用于多进程对共享数据的访问，信号量的意图在于进程间同步，为了获得共享资源，需要执行以下操作：
+
+- 创建一个信号量：需要调用者指定初始值，通常是共享资源的数量
+- 等待一个信号量：会测试这个信号量的值，如果小于0就阻塞，否则将其减1，也叫`P`操作
+- 挂出一个信号量：将信号量的值加1，也叫`V`操作
+
+为了保证信号量操作的原子性，通常在内核中实现，`Linux`环境中有三种类型：
+
+- `Posix`有名信号量
+- `Posix`基于内存的信号量
+- `System V`信号量
+
+## 14.7 套接字
+套接字是一种通信机制，通过套接字，客户/服务器系统的开发工作既可以在本地单机上进行，也可以跨网络进行。
+
+套接字的特性由三个属性确定：
+
+- 域
+- 端口号
+- 协议类型
+
+### 14.7.1 域
+域是套接字通信中使用的网络介质，最常见的域有两种：
+
+- `AF_INET`：指网络，一般用于跨网络通信
+- `AF_UNIX`：表示`UNIX`文件系统，就是文件的输入输出
+
+### 14.7.2 端口号
+每一个基于`TCP/IP`网络通信的程序都被赋予了唯一的端口和端口号，端口是一个信息缓冲区，用于保留`Socket`中的输入/输出信息。
 
+### 14.7.3 协议类型
+三种：
+
+- 流套接字：在域中通过`TCP/IP`连接实现，同时也是`AF_UNIX`常用的套接字类型，流套接字提供一个有序的、可靠的、双向字节流的连接，因此发送的数据可以确保不丢失、重复或乱序到达，而且出错重传机制
+- 数据报套接字：不需要建立连接和维持一个连接，在域中通常是通过`UDP/IP`实现，发送数据的长度有限制，数据包可能会出现丢失、复制或错乱到达
+- 原始套接字：允许对较低层次的协议直接访问，比如`IP`、`ICMP`协议，换句话说，如果需要发送不是基于`TCP/UDP`协议的数据，必须使用原始套接字
+
+### 14.7.4 套接字建立过程
+简单来说，套接字需要服务器先监听一个端口，并循环等待连接，接着客户端进行连接，具体来说，对于服务端：
+
+- 首先通过系统调用`socket`创建一个套接字
+- 接着通过系统调用`bind`给套接字起名字
+- 再接着系统调用`listen`设置一个监听队列
+- 最后通过系统调用`accept`接受客户端的连接
+
+而客户端的过程如下：
+
+- 通过`socket`创建一个未命名的套接字
+- 然后将服务器的命名套接字作为一个地址来调用`connect`来与服务器建立连接
+- 一旦连接建立就可以实现双向的数据流通信
+
+
+# 15 线程
+
+## 15.1 线程引入
+在引入线程的`OS`中，**线程作为调度和分派的基本单位**（而不是进程作为调度和分派的基本单位）。
 
-## 15.4 线程的三个状态
+## 15.2 线程的三个状态
 - 执行状态：获得处理机执行
 - 就绪状态：线程已具备各种执行条件，获得`CPU`即可执行
 - 阻塞状态：线程在执行中因某事件受阻而处于暂停状态
 
 
-## 15.5 `TCB`
+## 15.3 `TCB`
 类似`PCB`，系统为每个线程也分配了一个`TCB`，包含的信息有：
 
 - 线程标识符
@@ -500,8 +508,8 @@ p3()
 - 信号屏蔽
 - 堆栈指针
 
-## 15.6 线程实现方式
-### 15.6.1 内核支持线程
+## 15.4 线程实现方式
+### 15.4.1 内核支持线程
 `Kernel Supported Threads`，`KTS`，内核支持线程，在内核的支持下运行，创建、阻塞、撤销和切换都是在内核空间实现的，优点如下：
 
 - 多处理器系统中，能够调度同一进程中的多个线程并发执行
@@ -513,7 +521,7 @@ p3()
 
 - 切换开销大，对用户切换线程而言，需要从用户态切换到内核态，系统开销较大
 
-### 15.6.2 用户级线程
+### 15.4.2 用户级线程
 `User Level Threads`，`ULT`，用户级线程，在用户空间内实现，对线程创建、撤销、同步与通信无需内核的支持，与内核无关。
 
 优点：
@@ -527,7 +535,7 @@ p3()
 - 系统调用阻塞：大多数的系统调用会将线程阻塞
 - 不能最大化利用线程：单纯的用户级线程实现中，多线程应用不能利用多处理机进行多重处理的优点，也就是进程中只能有一个线程运行
 
-### 15.6.3 组合方式
+### 15.4.3 组合方式
 基于上面的两种方式，提出了一种组合的方式，形成了三种不同的模型：
 
 - 多对一模型：将用户线程映射到一个内核线程
@@ -536,27 +544,61 @@ p3()
 
 
 
-## 15.7 线程实现
-### 15.7.1 `KTS`实现
+## 15.5 线程实现
+### 15.5.1 `KTS`实现
 - 创建进程时分配一个任务数据区（`Per Task Data Area`），其中包括若干`TCB`空间
 - 当进程创建一个线程时，便分配一个`TCB`，并分配必须的资源
 - 继续创建线程时继续分配`TCB`
 
-### 15.7.2 `ULS`实现
+### 15.5.2 `ULS`实现
 `ULS`在用户空间实现，所有用户级线程都具有相同的结构，运行在中间系统上，实现中间系统主要有以下两种方式：
 
-#### 15.7.2.1 运行时系统
+#### 15.5.2.1 运行时系统
 运行时系统实质是用于管理和控制线程的函数的集合，线程切换通过调用运行时系统的函数来完成，当线程需要资源时，将请求传递给运行时系统，由运行时系统通过相应的系统调用获取资源。
 
-#### 15.7.2.2 内核控制线程
+#### 15.5.2.2 内核控制线程
 又叫轻型进程`LWP`（`Light Weight Process`），`LWP`可通过系统调用获得内核提供的服务，用户级线程运行时，只需将它连接到一个`LWP`上。
 
 通常把`LWP`做成一个缓冲池，叫“线程池”，用户级线程连接到其中一个`LWP`上，而该`LWP`又与内核级线程连接，这样就可以实现用户级线程与内核无关。
 
-## 15.8 线程创建与终止
-### 15.8.1 线程创建
+## 15.6 线程创建与终止
+
+线程创建：
+
 - 创建新线程时，利用线程创建函数，并提供相应参数
 - 创建完成后返回一个线程标识符
 
-### 15.8.2 线程终止
+线程终止：
+
 - 通过调用相应函数或系统调用进行终止
+
+## 15.7 线程通信方式
+线程之间通信主要是用于同步而不是数据交换，包括：
+
+- 锁机制：包括互斥锁、读写锁、条件变量以及自旋锁
+- 信号量机制：包括匿名线程信号量和有名线程信号量
+- 信号机制：类似进程中的信号机制
+- 使用全局变量
+
+
+# 16 进程与线程比较
+线程又叫轻型进程或进程元，传统进程叫重型进程，下面从几个方面对两者进行比较：
+
+- 调度的基本单位：不引入线程的`OS`中，进程是调度和分派的基本单位，而引入后，线程是调度和分派的基本单位
+- 并发性：引入线程后，不同进程之间可以并发执行，同一进程的多个线程也可以并发执行，不同进程的不同线程也可以并发执行
+- 资源：进程可以拥有资源，是系统中拥有资源的一个基本单位，而线程本身并不拥有系统资源，只是仅有一点必不可少的线程运行所必须的资源，多个线程能够共享进程所拥有的资源
+- 独立性：不同进程的独立性比同一进程的不同线程的独立性要高
+- 系统开销：创建/撤销进程所需要的开销远大于创建/撤销线程所需要的开销
+- 支持多处理机：传统的单线程进程只能运行在一个处理机上，而多线程进程可以将多个线程分配到多个处理机上
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+# 17 线程与协程比较
+协程是一种轻量级线程，又叫微线程，协程的调度完全由用户控制。特点包括：
+
+- 执行效率高
+- 不需要多线程的锁机制
+
+与线程的主要区别在于：
+
+- 线程是同步机制，而协程是异步机制
+- 协程能保留上一次调用的状态，每次重入时，将相当于进入上一次调用的状态
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