《操作系统》的同步、通信与死锁

基础概念

同步

进程互斥：若干进程因相互争夺独占型资源而产生的竞争关系，具有唯一排它性，互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。

进程同步：我们把异步环境下的一组并发进程因直接制约而互相发送消息而进行互相合作、互相等待，使得各进程按一定的速度执行的过程称为进程间的同步

同步：体现的是一种协作性。互斥：体现的是排它性

通信

进程通信就是指进程间的信息交换，交换信息可以使一个状态，也可以是很多的 byte。

死锁

当某进程提出资源申请后，使得系统中一些进程处于无休止的阻塞状态，在无外力作用下，永远不能再继续前进。

进程同步

临界区: 进程中访问临界资源的一段需要互斥执行的代码，任何时刻只允许一个进程在这其中执行。

进入区: 检查可否进入临界区的一段代码，如可进入，设置相应”正在访问临界区“标志

退出区: 清除"正在访问临界区"标志

剩余区: 代码中的其余部分

进程间通信

为什么进程间要进行通信

数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。
资源共享：多个进程间共享同样的资源。
通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息。通知它们发送了某种事件。
进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有操作，并能够及时知道它的状态改变。

进程间的通信方式

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，进程 1 把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程 2 再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信

1、直接通信

自动建立链路一条链路

恰好对应一对通信进程

每对进程之间恰好只有一个链接存在

链接可以是单向的，但通常是双向的

2、间接通信

通过操作系统维护的消息队列实现进程间的消息接收和发送

每个消息队列都有唯一的标识
只有共享了相同消息队列的进程才能够通信

通信链路的属性

只有共享了相同消息队列的进程，才建立连接；
连接可以是单向或双向
消息队列可以与多个进程相关联

通信流程

创建新的消息队列
通过消息队列发送和接收消息
销毁消息队列

3、低级通信

进程间同步互斥也存在信息的交换，因此也属于是一种 IPC。1、通信的数据量太少；2、通信对用户不透明

4、高级通信机制

信号(signal)通信机制：信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。只能发送单个信号而不能传送数据。

管道通信

机制匿名管道：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，需要双向通信时需要建立起两个管道；而且只能在具有亲缘关系的进程间（父子进程关系）通信。

命名管道(FIFO)：FIFO 是一种先进先出的队列。它类似于一个管道，只允许数据的单向流动。每个FIFO 都有一个名字，允许不相关的进程访问同一个 FIFO。

消息传递通信机制：消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

信号量通信机制：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

共享内存通信机制：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号两，配合使用，来实现进程间的同步和通信。

套接字通信机制：套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同及其间的进程通信。

信号通信机制

1、当用户按某些键时，产生信号；

2、硬件异常产生信号，这些情况通常由硬件检测到；

3、进程用kill函数将信号发送给另一个进程；

4、用户可用kill命令将信号发送给其它进程。

不足：传送信息量小，只有一个信号类型。开销太大，发送进程需要调用系统调用，这时核心会中断接收进程，且要管理它的堆栈、调用处理程序、恢复被中断的接收信号进程等。另外信号的数量受到限制，并且只能传送有限的信息量，例如不能携带参数等，所以对于复杂的通信操作不适用。

管道通信机制

1、管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；进程不知道管道的另一端；

需要双方通信时，需要建立起两个管道；

2、只能在具有公共祖先的两个进程之间使用；

3、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。如果读进程不读走管道缓冲区中的数据，那么写操作将阻塞。

4、管道内部提供了同步机制

命名管道

命名管道 (NamedPipe) 是服务器进程和一个或多个客户进程之间通信的单向或双向管道。不同于匿名管道的是：命名管道可以在不相关的进程之间和不同计算机之间使用，服务器建立命名管道时给它指定一个名字，任何进程都可以通过该名字打开管道的另一端，根据给定的权限和服务器进程通信。

消息传递通信机制

消息队列实际上就是一个链表，而消息就是链表中具有特定格式和优先级的记录，对消息队列有写权限的进程可以根据一定规则在消息链表中添加消息，对消息队列有读权限的进程则可以从消息队列中获得所需的信息。

在发送数据时，会分成一个一个独立的数据单元，也就是消息体（数据块），消息体是用户自定义的数据类型，消息的发送方和接收方要约定好消息体的数据类型，所以每个消息体都是固定大小的存储块，不像管道是无格式的字节流数据。消息队列生命周期随内核，如果没有释放消息队列或者没有关闭操作系统，消息队列会一直存在，而前面提到的匿名管道的生命周期，是随进程的创建而建立，随进程的结束而销毁。

与命名管道相比，消息队列的优势在于

1、消息队列可以独立于发送和接收进程而存在，从而消除了在同步命名管道的打开和关闭时可能产生的困难。

2、同时通过发送消息还可以避免命名管道的同步和阻塞问题，不需要由进程自己来提供同步方法。

3、接收程序可以通过消息类型有选择地接收数据，而不是像命名管道中那样，只能默认地接收。

缺点：一是通信不及时，二是附件也有大小限制

信号量通信机制

信号量：相当一个信号灯，表示状态，在多线程环境下使用的一种设施，是可以用来保证两个或多个关键代码段不被并发调用。

为了防止出现因多个程序同时访问一个共享资源而引发的一系列问题，我们需要一种方法，它可以通过生成并使用令牌来授权，在任一时刻只能有一个执行线程访问代码的临界区域。而信号量就可以提供这样的一种访问机制，让一个临界区同一时间只有一个线程在访问它，也就是说信号量是用来协调进程对共享资源的访问的。

P(sv)：如果 sv 的值大于零，就给它减 1（将信号量S的值减1，即S=S-1）；如果S>=0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。就挂起该进程的执行；

V(sv)：如果有其他进程因等待 sv 而被挂起，就让它恢复运行；如果没有进程因等待 sv 而挂起，就给它加 1（将信号量S的值加1，即S=S+1）。如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。