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44 进程管理2-进程间通信、多线程.md

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#操作系统

[12]进程间通信

进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）是指两个进程之间产生数据交互。例如，将微博的内容转发到微信，就是一种典型的进程间通信。

进程，在其独立性上，是分配系统资源的单位（包括处理机资源、内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。这里的资源独立，是为了保证安全，一个进程不能直接访问另一进程的地址空间，防止互相串行。

1.共享存储

在操作系统中开辟一块共享空间，允许多个进程共同访问这一块共享内存（shared memory）。这里通过增加页表项/段表项即可将同一片共享内存区映射到各个进程的地址空间中，这一点在后文中的内存管理内容中会进一步阐述。在通信过程中，为避免出错，各个进程对共享空间的访问应该是互斥的，这里可使用操作系统内核提供的同步互斥工具（如P、V操作），关于互斥的机制在后续可以进一步探讨。

以Linux系统为例：

// Linux 中，如何实现共享内存：
// 通过 shm_open 系统调用，申请一片共享内存区
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);


// 通过 mmap 系统调用，将共享内存区映射到进程自己的地址空间
void* mmap (void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);

共享存储的方式有两类，一种是基于数据结构的共享，还有一类是基于存储区的共享。

  • 基于数据结构的共享：比如共享空间里只能放一个长度为10的数组。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式;
  • 基于存储区的共享：操作系统在内存中划出一块共享存储区，对于数据的形式、存放位置都由通信进程控制，而不是操作系统。这种共享方式内存速度很快，是一种高级通信方式。

2.消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息（Message）为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换。消息传递分为直接通信传递和间接通信方式。

直接通信传递

发送进程消息，利用OS所提供的发送原语，直接把消息发给目标进程。

间接通信方式

发送和接收进程都通过共享实体（邮箱）的方式进行消息的发送和接收。 可以多个进程往同一个信箱send消息，也可以多个进程从同一个信箱中receive消息。

3.管道通信

“管道”是一个特殊的共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的内存缓冲区。

管道和共享存储的区别： 两者都属于在内存中分配了内存缓冲区，对于管道而言，必须符合“先进先出”的读写顺序，是一种数据流的形式，类似“队列”数据结构，对于共享数据区而言，其读写空间相对自由。

管道的特点：

  1. 管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道；
  2. 各进程要互斥地访问管道（由操作系统实现）；
  3. 当管道写满时（大小固定决定的），写进程将阻塞，直到读进程将管道中的数据取走，即可唤醒写进程；
  4. 当管道读空时，读进程将阻塞，直到写进程往管道中写入数据，即可唤醒读进程；
  5. 管道中的数据一旦被读出，这个数据就彻底消失，即一份数据只能被一个进程读走。因此，当多个进程读同一个管道时，可能会错乱。对此，通常有两种解决方案：
    1. 一个管道允许多个写进程，一个读进程（System File系统）；
    2. 允许有多个写进程，多个读进程，但系统会让各个读进程轮流从管道中读数据（Linux 系统方案）。

对于管道写满或者写空的状态：写进程往管道写数据，即便管道没被写满，只要管道没空，读进程就可以从管道读数据；读进程从管道读数据，即便管道没被读空，只要管道没满，写进程就可以往管道写数据。

[13]线程的概念

还没引入进程之前，系统中各个程序只能串行执行。由于引入进程之间的并发，是的进程之间的并行成为了可能。但是对于某一个进程而言，比如微信，此进程可以同时提供音乐、文字聊天、文件传输几种操作，由于进程是程序的一次执行。但这些功能显然不可能是由一个程序顺序处理就能实现的。传统的进程只能串行地执行一系列程序。因此，为了解决这一问题，引入了“线程”，来增加并发度。

引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位，也是基本的CPU执行单元。每个线程独享一份TID、寄存器、程序计数器和函数调用堆栈资源。

1.线程与进程对比

进程 线程
基本单位 传统进程机制中，进程是资源分配、调度的基本单位 引入线程后，线程是资源分配的基本单位，是调度基本单位。进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元（如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的）。
并发性 传统机制中，进程间相互并发 引入线程之后，不仅是进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一步提升了系统的并发度，使得一个进程内也可以并发处理各种任务。
系统开销 传统进程间并发，需要切换进程之间运行环境，系统开销较大 线程间并发，如果是同一个进程之间的不同线程并发，不需要切换进程环境，系统的开销小。

关于线程切换的开销相较之进程较低，可以举个例子说明，例如我本人去图书馆看书。桌子就是一种资源，相对应处理机，人是进程，看不同的书相对应就是是多线程。

  • 切换进程运行环境：有一个不认识的人要用桌子，你需要把你的书收走，他把自己的书放到桌上。
  • 同一进程内的线程切换：你的舍友要用这张书桌，可以不把桌子上的书收走。直接把自己的书拿上来看就可以了，相比较而言，需要环境改变的成本较小。

2.线程的属性

综合而言，线程是一种更加轻量级的进程。相比进程有以下的优点：

  • 线程是处理机调度的单位；
  • 多CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU；
  • 每个线程都有一个线程ID、线程控制块(TCB)；
  • 线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态；
  • 线程几乎不拥有系统资源；
  • 同一进程的不同线程间共享进程的资源；
  • 由于共享内存地址空间，同一进程中的线程间通信甚至无需系统干预；
  • 同一进程中的线程切换，不会引起进程切换；不同进程中的线程切换，会引起进程切换；
  • 切换同进程内的线程，系统开销很小；切换进程，系统开销较大。

[14]线程的实现方式和多线程模型

★ 线程实现的关键问题

  1. 线程的管理工作由谁来完成？
  2. 线程切换是否需要CPU变态？
  3. 操作系统是否能意识到用户级线程的存在？
  4. 这种线程的实现方式有什么优点和缺点？

1. 用户级线程（User-Level Thread, ULT）

历史背景：早期的操作系统（如：早期Unix）只支持进程，不支持线程。当时的“线程”是由线程库实现的。 拿“微信”聊天举例子，需要同步进行视频聊天、文字聊天、文件传输三个过程。

从代码的角度看，线程其实就是一段代码逻辑。上述三段代码逻辑上可以看作三个“线程”。while 循环就是一个最弱智的“线程库”，线程库完成了对线程的管理工作（如调度）。 很多编程语言提供了强大的线程库，可以实现线程的创建、销毁、调度等功能（例如C的p_thread，C++的std::phread）。 上述过程中，对于操作系统，只看得到进程，在处理机上运行的是程序员通过线程库实现的逻辑上的线程。

用户级线程特点

  1. 用户级线程由应用程序通过线程库实现，所有的线程管理工作都由应用程序负责（包括线程切换）。
  2. 用户级线程中，线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统干预。
  3. 在用户看来，是有多个线程。但是在操作系统内核看来，并意识不到线程的存在。“用户级线程”就是从用户视角看能看到的线程。
  4. 优缺点：
    1. 优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高。
    2. 缺点：当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。
  5. 多个线程不可在多核处理机上并行运行，只能在同一个处理机上运行。

2. 内核级线程（Kernel-Level Thread, KLT, 又称“内核支持的线程”）

大多数现代操作系统都实现了内核级线程，如Windows、Linux。实现了由操作系统支持的线程。

  1. 内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。
  2. 线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。
  3. 操作系统会为每个内核级线程建立相应的TCB（Thread Control Block，线程控制块），通过TCB对线程进行管理。“内核级线程”就是“从操作系统内核视角看能看到的线程”
  4. 优缺点
    1. 优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。
    2. 缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

3. 多线程模型

在支持内核级线程的系统中，根据用户级线程和内核级线程的映射关系，可以划分为几种多线程模型。

  1. 一对一模型 一个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。 优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。 缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

  2. 多对一模型： 多个用户级线程映射到一个内核级线程。且一个进程只被分配一个内核级线程。 优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高 缺点：当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行。 操作系统只“看得见”内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。

  3. 多对多模型 $n$ 个用户及线程映射到 $m$ 个内核级线程（$n ≥m$）。每个用户进程对应 m 个内核级线程。 克服了多对一模型并发度不高的缺点（一个阻塞全体阻塞），又克服了一对一模型中一个用线程库户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。获得了以上两者的优点。

用户级线程是“代码逻辑”的载体；内核级线程是“运行机会”的载体。

内核级线程才是处理机分配的单位。例如：多核CPU环境下，左边这个进程最多能被分配两个核。 一段“代码逻辑”只有获得了“运行机会”才能被CPU执行。 内核级线程中可以运行任意一个有映射关系的用户级线程代码，只有两个内核级线程中正在运行的代码逻辑都阻塞时，这个进程才会阻塞。