操作系统——进程+线程+多线程并发锁+IO多路复用

r囧r小猫 2024-04-01 18:40 70阅读 0赞

**多道程序交替执行是为匹配CPU和I/O设备之间运行速度不匹配，提高CPU使用率**

**并发：一个CPU上交替执行多个程序**

**一、进程：**

*  **运行中的程序**
 *  **每个进程都有PCB，用来描述运行中的程序状态**
 *  **进程是占有资源的最小单位（线程可以访问其所在进程内的所有资源，但线程本身并不占有资源或仅仅占有一点必须资源）**
 *  **进程是一个实体，每一个进程都有它自己的地址空间，一般情况下，包括文本区域（text region）、数据区域（data region）和堆栈（stack region）**
    
     *  **文本区域存储处理器执行的代码**
     *  **数据区域存储变量和进程执行期间使用的动态分配的内存**
     *  **堆栈区域存储着活动过程调用的指令和本地变量**

**为什么有多进程图像？**

*  **CPU执行程序，在不同进程之间相互切换就为多进程，是为提高CPU使用率**
 *  **多进程图像从启动开始到进程结束**

**二、多进程推进：**

*  **OS需把进程记录好（即PCB）**
 *  **OS需按照合理的次序推进（分配资源、进行调度）**

**三、多进程图像（Linux系统）：**

**1.多进程图像启动：**

*  **OS开机，main.c中的fork()创建第一个进程**
    
     *  **init执行了shell（Windows桌面）**

![f29d6a76579e44e184b3ff89eb52baa3.png][]

*  **shell在启动其他进程**
    
     *  **一个命令启动一个进程，返回shell再启动其他进程**

![3ae858e461d04760b987e601cd48fa65.png][]

**2.多进程组织：**

*  **OS通过PCB形成数据结构（队列）进行组织、管理进程**

![5d9e54fbd08c4bb3b6efcbed676f894d.png][]**PCB**

*  **多个进程所对应的PCB放在不同地方，形成不同队列，管理进程**

![439a0d154c2f4a5c964e1fdcdb922b11.png][]

![85594bfabf2f41cc811570e5226941fe.png][]

> **多进程的组织：**
> 
>  *  **PCB+队列+状态**

![abc081328cf4400c8305a5deafee8bee.png][]**进程状态图**

>  *  **运行态→等待态：往往是由于等待外设，等待主存等资源分配或等待人工干预而引起的**
>  *  **等待态→就绪态：则是等待的条件已满足，只需分配到处理器后就能运行。**
>  *  **运行态→就绪态：不是由于自身原因，而是由外界原因使运行状态的进程让出处理器，这时候就变成就绪态。例如时间片用完，或有更高优先级的进程来抢占处理器等。**
>  *  **就绪态→运行态：系统按某种策略选中就绪队列中的一个进程占用处理器，此时就变成了运行态**

**3.多进程交替：**

![4943138820604a14aeb77bf7e45807ae.png][]

**交替的三个部分：队列操作+调度+切换（switch\_to：汇编代码）**

**映射表：**

*  **多进程出现内存冲突**
 *  **地址分离（物理地址分离）**

**进程同步与合作：上锁**

**四、用户级线程**

**线程：**

*  **轻量级进程(Lightweight Process，LWP），是程序执行流的最小单元**
 *  **一个标准的线程由线程ID，当前指令指针(PC），寄存器集合和堆栈组成**
 *  **轻型实体 线程中的实体基本上不拥有系统资源，只是有一点必不可少的、能保证独立运行的资源**
    
     *  **程的实体包括：程序、数据和TCB**
     *  **线程是动态概念，它的动态特性由线程控制块TCB（Thread Control Block）描述**
 *  **独立调度和分派的基本单位**
    
     *  线程的切换非常迅速且开销小
 *  **可并发执行**
    
     *  在一个进程中的多个线程之间，可以并发执行，甚至允许在一个进程中所有线程都能并发执行
     *  不同进程中的线程也能并发执行，充分利用和发挥了处理机与外围设备并行工作的能力
 *  **共享进程资源**
    
     *  **同一进程中的各个线程，都可以共享该进程所拥有的资源**
        
         *  **所有线程都具有相同的地址空间（进程的地址空间），这意味着，线程可以访问该地址空间的每一个虚地址**
         *  **可以访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量等**
         *  **由于同一个进程内的线程共享内存和文件，所以线程之间互相通信不必调用内核**
         *  **线程共享的环境包括：进程代码段、进程的公有数据(利用这些共享的数据，线程很容易的实现相互之间的通讯)、进程打开的文件描述符、信号的处理器、进程的当前目录和进程用户ID与进程组ID**

> **进程 = 资源 + 指令执行序列**
> 
> **线程 = 同一个资源下的多条指令**
> 
> **线程：保留了并发（线程交替执行）的优点，避免了进程切换代价（内存（映射表）无需切换）**
> 
> **线程切换：PC改变，映射表不变**

**使用 pthread 线程库实现的生产者－消费者模型：**

#include <pthread.h>
    #include <stdio.h>
    
    #include <stdlib.h>
    #define BUFFER_SIZE 10
    
    static int buffer[BUFFER_SIZE] = { 0 };
    static int count = 0;
    
    pthread_t consumer, producer;
    pthread_cond_t cond_producer, cond_consumer;
    pthread_mutex_t mutex;
    
    void* consume(void* _){
      while(1){
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while(count == 0){
          printf("empty buffer, wait producer\n");
          pthread_cond_wait(&cond_consumer, &mutex); 
        }
    
        count--;
        printf("consume a item\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        pthread_cond_signal(&cond_producer);
        //pthread_mutex_unlock(&mutex);
      }
      pthread_exit(0);
    }
    
    void* produce(void* _){
      while(1){
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        while(count == BUFFER_SIZE){
          printf("full buffer, wait consumer\n");
          pthread_cond_wait(&cond_producer, &mutex);
        }
    
        count++;
        printf("produce a item.\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        pthread_cond_signal(&cond_consumer);
        //pthread_mutex_unlock(&mutex);
      }
      pthread_exit(0);
    }
    
    int main() {
    
      pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
      pthread_cond_init(&cond_consumer, NULL);
      pthread_cond_init(&cond_producer, NULL);
    
      int err = pthread_create(&consumer, NULL, consume, (void*)NULL);
      if(err != 0){
        printf("consumer thread created failed\n");
        exit(1);
      }
    
      err = pthread_create(&producer, NULL, produce, (void*)NULL);
      if(err != 0){
        printf("producer thread created failed\n");
        exit(1);
      }
    
      pthread_join(producer, NULL);
      pthread_join(consumer, NULL);  
    
      //sleep(1000);
    
      pthread_cond_destroy(&cond_consumer);
      pthread_cond_destroy(&cond_producer);
      pthread_mutex_destroy(&mutex);
    
    
      return 0;
    }

> **多线程编程所用锁（锁要解决的是线程之间争取资源的问题）：**
> 
>  *  **资源是否是独占（独占锁 - 共享锁）**
>  *  **抢占不到资源怎么办（互斥锁 - 自旋锁）**
>  *  **自己能不能重复抢（重入锁 - 不可重入锁）**
>  *  **竞争读的情况比较多，读可不可以不加锁（读写锁****）**
> 
> **独占锁 - 共享锁**
> 
>  *  **当一个共享资源只有一份的时候，通常我们使用独占锁，常见的即各个语言当中的 Mutex**
>  *  **当共享资源有多份时，可以使用Semaphere**
> 
> **互斥锁 - 自旋锁**
> 
>  *  **对于****互斥锁来说，如果一个线程已经锁定了一个互斥锁，第二个线程又试图去获得这个互斥锁，则第二个线程将被挂起（即休眠，不占用 CPU 资源）**
>  *  **在计算机系统中，频繁的挂起和切换线程，也是有成本的。自旋锁就是解决这个问题的**
>  *  **自旋锁：当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断的判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环**
>     
>      *  **当资源等待的时间较长，用互斥锁让线程休眠，会消耗更少的资源**
>      *  **当资源等待的时间较短时，使用自旋锁将减少线程的切换，获得更高的性能**
>  *  **Java 中的 `synchornized` 和 .NET 中的 `lock`（`Monitor`） 的实现，是结合了两种锁的特点。简单说，它们在发现资源被抢占之后，会先试着自旋等待一段时间，如果等待时间太长，则会进入挂起状态。通过这样的实现，可以较大程度上挖掘出锁的性能**
> 
> **重入锁 - 不可重入锁**
> 
>  *  **可重入锁（ReetrantLock），也叫做递归锁，指的是在同一线程内，外层函数获得锁之后，内层递归函数仍然可以获取到该锁。换一种说法：同一个线程再次进入同步代码时，可以使用自己已获取到的锁**
>  *  **使用可重入锁时，在同一线程中多次获取锁，不会导致死锁。使用不可重入锁，则会导致死锁发生。**
>  *  **Java 中的 `synchornized` 和 .NET 中的 `lock`（`Monitor`） 都是可重入的**
> 
> **读写锁**
> 
>  *  **有些情况下，对于共享资源读竞争的情况远远多于写竞争，这种情况下，对读操作每次都进行加速，是得不偿失的。读写锁就是为了解决这个问题**
>  *  **读写锁允许同一时刻被多个读线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他的写线程都会被阻塞。简单可以总结为，读读不互斥，读写互斥，写写互斥**
>  *  **对读写锁来说，有一个升级和降级的概念，即****当前获得了读锁，想把当前的锁变成写锁，称为升级，反之称为降级**
>  *  **锁的升降级本身也是为了提升性能，通过改变当前锁的性质，避免重复获取锁**

**1.用户级线程（协程）：**

**协程和线程的区别：**

*  **线程是抢占式的调度，而协程是协同式的调度**
 *  **协程避免了无意义的调度，由此可以提高性能，但也因此，程序员必须自己承担调度的责任**
 *  **协程失去了标准线程使用多CPU的能力**

**用户级线程通过：**

*  **Yield函数，进行线程切换**
 *  **Create函数，实现线程并发（创建多个线程）**
    
     *  **Create函数就是创造出第一次切换时，线程应该有的样子**

**2.一个线程对应一个栈**

![e8a4fd0622f14453b4712b755a062398.png][]

*  **Yield要切换线程，首先要进行栈切换（TCB切换），PC无切换**

![eb13b8e7073a4d018797edbc0fd6608e.png][]

*   **jmp204 保留：**

![523fb82ad6d04fc8b827177eee47c8ad.png][]

*  **jmp204 去掉：**

**依靠右括号弹出栈，实现PC切换**

> **ThreadCreate核心：**
> 
>  *  **程序做TCB.stack**
>  *  **stack中填入线程起始地址**

![919b63c27c9b4537b394f0fd546a81dd.png][]

*  **ThreadCreate是系统调用，会进入内核，内核知道TCB**
 *  **Yield为用户级线程，内核为schedule（用户不可见，系统调度）**

**五、IO多路复用**

**IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，它就通知该进程IO多路复用适用如下场合：**

*  **当客户处理多个描述字时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。**
 *  **当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。**
 *  **如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。**
 *  **如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。**
 *  **如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。**

**与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。**

**常见的IO复用实现**

*  **select(Linux/Windows/BSD)**
 *  **epoll(Linux)**
 *  **kqueue(BSD/Mac OS X)**

**六、内核级线程**

**参考文章：**

[操作系统——内核级线程实现\_我爱豆子的博客-CSDN博客][-CSDN]

[f29d6a76579e44e184b3ff89eb52baa3.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/df525ffe764f4587a73254939d90bcef.png
[3ae858e461d04760b987e601cd48fa65.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/2cd0cfbd19934d329ade8aba46efa1f3.png
[5d9e54fbd08c4bb3b6efcbed676f894d.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/7293843611704e7c90fa16021b7a03f0.png
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[e8a4fd0622f14453b4712b755a062398.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/1041e2286921496db6a2063a17eecb13.png
[eb13b8e7073a4d018797edbc0fd6608e.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/17a95953190542beb6a081e6d9f7b1a3.png
[523fb82ad6d04fc8b827177eee47c8ad.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/3df723acbca04fa28d7707ed7f0db2ff.png
[919b63c27c9b4537b394f0fd546a81dd.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/a908dcddaca54aa9a0429f6ba11edfa6.png
[-CSDN]: https://blog.csdn.net/weixin_45864705/article/details/127428715?spm=1001.2014.3001.5501