操做系统——进程，线程，锁

基本概念

状态、地址空间

1. 三种基本状态 —— 就绪、运行、阻塞

1. 进程控制块PCB（Process Control Block）

   1. 进程描述信息（如PID）；
   2. 进程控制&管理信息（状态、优先级等）；
   3. 源分配清单（地址空间情况、fd等）；
   4. 处理其相关信息（各寄存器的值等）

进程存在的标识，在Linux系统中是task_struct，task_struct在内核栈（Linux进程氛围用户栈和内核栈）的尾端分配。

1. 进程地址空间

从低地址到高地址：

• text 代码段 —— 代码段，通常是只读的区域;
• static_data 段 =
  
• stack 栈区 —— 局部变量，函数的参数，返回值等，由编译器自动分配释放;
• heap 堆区 —— 动态内存分配，由程序员分配释放;
  

1. 进程与线程

进程是拥有资源的基本单位，进程的地址空间相互独立；

线程是独立调度的基本单位，共享同一个进程内的资源（线程有本身的栈），减小了程序并发时所付出的时空开销，而且能够高效的共享数据，有效地利用多处理器和多核计算机，提升os的并发度。

一个进程异常退出不会引发另外的进程运行异常；可是线程若异常退出通常是会引发整个进程奔溃。

建立/撤销/切换 进程的开销远大于线程的（建立线程比建立进程快10~100倍 UNPv2/P406）。

1. 僵尸、孤儿、守护

孤儿进程 —— 父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养，并由init进程对它们完成状态收集工做。

僵尸进程 —— 一个进程使用fork建立子进程，若是子进程退出，而父进程并无调用wait或waitpid获取子进程的状态信息，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。

守护进程 —— 守护进程的父进程是init进程，由于它真正的父进程在fork出子进程后就先于子进程exit退出了，因此它是一个由init继承的孤儿进程。不须要用户输入就能运行并且提供某种服务，不是对整个系统就是对某个用户程序提供服务。常见的守护进程包括系统日志进程syslogd、 web服务器httpd、邮件服务器sendmail和数据库服务器mysqld等。

最大进程数以及单进程内的最大线程数？

最大进程数受如下3方面限制：

1. 不能超过pid_t类型的最大值
2. 使用命令ulimit -u查看系统中限制的最大进程数。/etc/security/limits.conf里面是硬限制，ulimit -u是软限制，内核参数kernel.pid_max也作了限制。
3. 受系统资源限制，建立一个新进程会消耗系统资源，最主要的就是内存。

IPC （interprocess communication）

UNP 分了如下几中形式的IPC：

• 消息传递 —— 管道、FIFO、消息队列
• 共享内存
• 同步 ——信号量、互斥量、条件变量、读写锁、文件和记录锁、
• 远程过程调用 —— solaris 门、Sun RPC
• 跨网络 IPC —— 套接字
• 域套接字
• 信号

进程间通讯方式：匿名管道，有名管道，消息队列，共享内存，信号量，套接字，域套接字，信号

线程同步方式：互斥量，条件变量，读写锁

进程间通讯

匿名管道

半双工的（即数据只能在一个方向上流动），具备固定的读端和写端；是一种特殊的文件（pipefs，挂载在内核中），有固定大小，只存在于内存中；

实现原理：

管道是由内核管理的一个缓冲区，被设计成为环形的数据结构，以便管道能够被循环利用。当管道中没有信息的话，从管道中读取的进程会等待，直到另外一端的进程放入信息。当管道被放满信息的时候，尝试放入信息的进程会等待，直到另外一端的进程取出信息。当两个进程都终结的时候，管道也自动消失。

在 Linux 中，管道的实现借助了文件系统的file结构和VFS的索引节点inode。经过将两个file结构指向同一个临时的VFS索引节点，而这个VFS索引节点又指向一个物理页面而实现的。

内核会利用必定的机制同步对管道的访问。

有名管道

半双工，可在无关进程使用；FIFO有路径名与之相关联，以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中

实现原理：

Linux中设立了一个专门的特殊文件系统--管道文件，FIFO在文件系统中有对应的路径。当一个进程以读(r)的方式打开该文件，而另外一个进程以写(w)的方式打开该文件，那么内核就会在这两个进程之间创建管道，虽然FIFO在VFS的目录树下可见，可是它并不对应disk上的文件。
本质上是一个先进先出的队列数据结构，最先放入的数据被最早读出来，从而保证信息交流的顺序。FIFO只是借用了文件系统来为管道命名。当删除FIFO文件时，管道链接也随之消失。当进程终止时，管道内的数据会被删除。

消息队列

1. 面向记录的，其中的消息具备特定的格式以及特定的优先级；
2. 独立于发送与接收进程。进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除（随内核的持性）。
3. 能够实现消息的随机查询，不必定要以先进先出的次序读取,也能够按消息的类型读取。

为何不使用消息队列

1. 进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除（随内核的持性）。
2. 在文件系统中没有名字，不能使用IO。

共享内存和信号量

共享内存是最快的：

一般往管道、FIFO或消息队列写入数据时，这些IPC须要将数据从进程复制到内核，一般总共须要复制4次，而共享内存则只拷贝2次数据；如图：

信号（Signal）

用于通知接收进程，有某种事件发生。

信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟，在原理上，一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求能够说是同样的。信号是异步的，一个进程没必要经过任何操做来等待信号的到达。

• SIGRTMIN以前的信号是非排队(不可靠)的，屡次连续发生的相同信号，只递交一次；SIGRTMIN以后的信号不会丢失，会递交屡次。
• 在信号处理函数
  • singal：只阻塞当前正在处理的信号，后续信号会排队(也会区分可靠和不可靠)
  • sigaction：能够设置阻塞正在处理的信号和其余型号

Pipe 与 FIFO 比较：

1. pipe在特殊文件系统pipefs中（内核中），VFS 目录树下不可见；FIFO 在目录树下可见；
2. 都有 inode，但没有磁盘镜像（disk image）；
3. Pipe 用于亲缘关系进程通讯；FIFO 无此要求；
4. 限制都包含两个：OPEN_MAX（一个进程在任意时刻打开的最大描述符，默认1024）；还有PIPE_BUF（可原子性地往一个管道/FIFO 的最大数据量，默认 4K）

线程间同步

互斥锁（Mutex）

加锁原语，排他性访问共享数据，用于保护临界区。可细分为递归锁/非递归锁。
若是存在某个线程依然使用原先的程序

(即不尝试得到mutex，而直接修改共享变量)，互斥锁不能阻止其修改。因此，互斥锁机制须要程序员本身来写出完善的程序来实现互斥锁的功能（如下锁 同样）。

条件变量（Condition Variable）

互斥锁用于上锁，条件变量用于等待，条件变量的使用是与互斥锁共通使用的。

条件变量学名叫管程（monitor）【From muduo P40】。

读写锁

读写锁也叫作 共享-独占锁，容许更高的并发度。

互斥量要么是锁住状态，要么是不加锁状态，并且一次只有一个线程对其加锁。
读写锁能够有三种状态：读模式下加锁状态，写模式下加锁状态，不加锁状态。一次只有一个线程能够占有写模式的读写锁，可是多个线程可用同时占有读模式的读写锁。

读写锁能够经过使用互斥锁和条件变量来实现。

自旋锁（spinlock）

在获取锁以前一直处于忙等（自旋）阻塞状态；经常使用于
锁被持有的时间短，且线程并不但愿在从新调度上花费太多成本。当线程自旋等待锁变为可用时，CPU不能作其余事情。

故而自旋锁常做为底层原语，用于实现其余类型的锁。

记录锁

记录锁是读写锁的一种扩展类型，可用于亲缘关系或无亲缘关系的进程之间共享某个文件的读与写。被锁住的文件经过文件描述符进行访问，执行上锁的操做函数是fcntl，这种类型的锁一般在内核中维护。

记录锁的功能是：一个进程正在读或修改文件的某个部分时，能够阻止其余进程修改同一文件区，即其锁定的是文件的一个区域或整个文件。

记录锁有两种类型：共享读锁，独占写锁。基本规则是：多个进程在一个给定的字节上能够有一把共享的读锁，但在一个给定字节上的写锁只能有一个进程独用。即：若是在一个给定的字节上已经有一把读或多把读锁，则不能在该字节上再加写锁；若是在一个字节上已经有一把独占性的写锁，则不能再对它加任何读锁。

死锁

1. 死锁 —— 就是两个或多个进程被无限期地阻塞、相互等待的一种状态。
2. 死锁的四个条件
   1. 竞争同一个资源
   2. 持有资源不释放
   3. 不能抢占资源
   4. 循环使用资源

处理死锁的策略：
通常来讲，打破循环使用资源最容易，即顺序加减锁

银行家算法（死锁避免算法）。在资源动态分配过程当中，防止系统进入不安全状态，以免发生死锁。

数据库中会用到等待图进行死锁检测

1. 死锁定理：
   经过将资源分配图简化的方法，来检测系统状态是否为死锁状态。
   当且仅当S状态的资源分配图不可彻底简化时，S为死锁状态。

经典问题

1. 生产者-消费者问题
2. 读者-写者问题

Futex

在Linux下，信号量和线程互斥锁的实现都是经过futex系统调用。